物理學專業(yè)生命科學導論公選課的教學探索與實踐

張鳳秋 李濤

摘要：眾所周知，物理學理論和技術手段的進步將極大地促進生命科學的發(fā)展，但只有將兩者融合滲透，才能互惠互利。我校物理學專業(yè)中開設這門課程的目的是使學生了解生命科學發(fā)展的全貌和新動態(tài)，以及生命科學與物理學科間交叉融合的必然趨勢，爭取對學生跨學科的創(chuàng)新思維起到一定的啟迪作用。

關鍵詞：生命科學導論;物理學專業(yè);交叉融合

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）52-0138-02

100多年來，多學科、多理論間的交叉滲透極大地推動了科學技術進步。周光召指出學科交叉是創(chuàng)新思想的源泉，路甬祥也曾撰文提出學科交叉點往往是科學新的生長點、新的科學前沿，也最有可能產(chǎn)生重大的科學突破，使科學發(fā)生革命性的變化[1]?？v觀近代科學史，新理論、新發(fā)明的產(chǎn)生，新的工程技術的出現(xiàn)，經(jīng)常是在學科的邊緣或交叉點上。例如發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的4位科學家中，沃森為生物學專業(yè)、克里克和威爾金斯為物理學專業(yè)、富蘭克林為化學專業(yè)，他們具有不同的知識背景，為雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)做出了各自的貢獻。隨著生命科學的深入研究，涉及的對象越來越復雜，對于物理學者而言，需要學習一定的生物學知識，這將利于將物理學與生命科學進行交叉融合。在這種背景下，我校在物理學專業(yè)中開設了生命科學導論公選課，著眼于學科交叉，突破了學生的專業(yè)束縛，樹立了學科間相互融合的理念，目的是培養(yǎng)具有廣闊專業(yè)知識背景的復合型創(chuàng)新人才[2，3]。

一、教學內(nèi)容

20世紀的科學技術空前發(fā)展，前50年是物理學，而后50年是生命科學，這兩門學科互相影響、互相促進[4]。實際上，恰恰是因為物理學的飛速發(fā)展，才有了生命科學的輝煌。教學內(nèi)容不僅要講述生命科學的基礎知識，而且可以從物理學和生命科學的交叉關系中展開，這樣不但能激發(fā)學生的學習興趣，而且能夠讓物理學專業(yè)的學生結(jié)合自身的專業(yè)背景去思考生命科學中亟待解決的挑戰(zhàn)性問題，以培養(yǎng)一批在跨學科領域大有作為的年輕人才。艾倫所著的《20世紀的生命科學》一書，介紹分子生物學“最初的原動力”來自一些頭腦清醒的物理學家，如玻爾、薛定諤以及德爾布呂克等，要尋找難以捉摸的“生命奧秘”的浪漫性舉動。教學過程中，學生應該了解正是因為早前偉大的物理學家對生命科學研究充滿興趣，孜孜不倦地追求，才使得物理學中形形色色的理論向生命科學中進行廣泛滲透，才使得一些新的交叉學科應運而生。教師在講解生命科學的前沿學科時，可以適當?shù)亟Y(jié)合物理學中的某些理論啟發(fā)學生了解生命系統(tǒng)。

授課中，教師要傳遞生命科學各個方向間不能過于割裂的思想，必須具有系統(tǒng)論的觀點。目前的熱點研究領域系統(tǒng)生物學不同于以往僅僅關心個別基因和蛋白質(zhì)，而在于研究細胞信號傳導和基因調(diào)控網(wǎng)絡、生物系統(tǒng)組成之間相互關系的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能，它是以系統(tǒng)論和實驗、計算方法整合研究為特征的學科。“Nature”、“Science”發(fā)表的系統(tǒng)生物學、合成生物學專刊預示系統(tǒng)生物學開始了迅速發(fā)展。

此外，老師應該教授學生以動態(tài)發(fā)展的目光來看待科學研究，目前無法理解和接受的內(nèi)容，并不代表是錯誤的;目前看來是可笑至極的研究結(jié)果，不代表將來是不被認可的。例如，拉馬克本在植物學和動物學上均具有很深的造詣，但一切榮譽都在提出用盡廢退和獲得性遺傳的觀點時化為烏有，臨終時又病又盲，身無分文，孑然一身，被大批認為物種不變的人嘲弄。他是進化論的倡導者和先驅(qū)，然而他的思想不僅被同時代的人所忽視和反對，還被后來人誤讀。不過，伴隨微觀科學和技術手段的不斷發(fā)展，越來越多的研究表明，后天的性狀可以不改變基因密碼而遺傳給后代，繼而逐漸興起表觀遺傳學，這又在提醒人們應該重新審視拉馬克的進化理論。

課堂中穿插講述的生命科學案例，有助于激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，將更好地推動生命科學和物理學間的專業(yè)滲透，有利于培養(yǎng)具有交叉學科內(nèi)涵的新型人才。

二、激發(fā)學習興趣的方法

作為公選課，很多學生沖著學分而來，沒有意識到生命科學導論對于綜合素質(zhì)培養(yǎng)的重要性，因此教師應該適當采取一些措施，激發(fā)學生的興趣。

1.提出生命科學的挑戰(zhàn)性問題。由133位科學家共同努力，歷時兩年完成的《21世紀100個交叉科學難題》一書，強調(diào)了各門類科學和學科之間的大跨度、多方式的廣泛交叉。教師課堂上可以適時提出生命科學的一些亟待解決的交叉性問題，激發(fā)學生的興趣。例如還有多少行星存在生命？回答這些問題，需要天文學、物理學、化學、氣候?qū)W、海洋學、生物學、進化論等知識。難題的提出，不僅可以激發(fā)學生們的探索興趣，而且可以讓他們了解當今世界科學發(fā)展的態(tài)勢。

2.諾貝爾獎的激勵。一些科學家能夠?qū)⑸钪械呐既话l(fā)現(xiàn)與自己的實驗相聯(lián)系，解決了困擾已久的難題，例如英國科學家馬丁不留神將咖啡灑在濾紙上，看著濾紙上深淺不一的顏色變化，馬丁將其聯(lián)系到自己的研究工作中，設計出一種分離氨基酸的技術——分配色譜法。此法操作簡便、試樣用量少，是生物化學和分子生物學的基本研究方法。教師可以適當?shù)靥嵝褜W生要注意觀察生活細節(jié)，培養(yǎng)自己的創(chuàng)新性思維。

生物學與化學的交叉研究成果可以獲得諾貝爾獎，生物學與物理學交叉的研究成果同樣也獲得了多項諾貝爾獎。例如2003年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，授予核磁共振成像技術，這項技術代表著醫(yī)療診斷和研究的革命性突破。教師在講解諾貝爾獎的典型案例時，要讓學生能夠切身感受到物理學與生命科學相互融合的重要作用，以及學科交叉所帶來的輻射性效應。例如自從倫琴1901年獲得諾貝爾物理學獎以來，X射線的應用橫跨了諾貝爾3大獎（15獎項、17人次），說明物理學的進步在交叉科學研究中的重要地位。

3.滲透生命科學史。以科學史為背景進行基礎知識講解，使課程變得通俗易懂。實際上生命科學史中有很多曲折離奇的故事，本人的經(jīng)驗是一旦講述這些科學史，學生更容易記住知識點。比如哈維發(fā)現(xiàn)血液循環(huán)和心臟功能;道爾頓送母親襪子，意外發(fā)現(xiàn)色盲癥;林奈開創(chuàng)界、門、綱、目、科、屬、種的物種分類法;班廷發(fā)現(xiàn)胰島素，為糖尿病患者帶來生存機會;巴斯德創(chuàng)立微生物基本研究方法;愛德華·詹納發(fā)現(xiàn)牛痘膿泡液治療天花;這些事例將深深激發(fā)學生探究生命科學的欲望。

除了上述科學家的離奇故事，教師還應該引入科學史上的勵志故事，鼓勵學生們向先輩學習，學習科學家貴在堅持的品質(zhì)，激發(fā)學生的學習熱情，培養(yǎng)學生科學的探究精神。教師要通過科學家的背景故事，引導學生學習科學家勤奮嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，不斷堅持、百折不撓、積極進取的精神，幫助學生樹立正確的人生觀和價值觀。

三、問題及解決辦法

生命科學導論課程涉及的內(nèi)容多，但課時少，難以滿足學生渴望知識的需要;然而又有部分學生存在為拿學分而選課的思想，遲到、早退、曠課現(xiàn)象時常發(fā)生。為解決這些問題，本人在實踐中采取了如下辦法：首先，在生命科學導論的教學中，精選教學內(nèi)容，要選擇適合于物理學專業(yè)學習的教學內(nèi)容;另外，要少講概念，多講案例及研究熱點，兼顧通俗性、科普性和趣味性，增加生命科學史的講解，積極地與學生進行溝通交流，提高學生的學習興趣;還要盡量拓展學生的視野，培養(yǎng)學生的學習習慣和自主學習能力，提升學生的綜合素質(zhì)，給學生留思考題，讓學生自主學習并提出解決問題的措施。實施上述辦法的目標是用興趣引導學生，要讓學生參與其中，喜歡上課，并能夠真正有所收獲。

四、結(jié)語

毋庸置疑，物理學與生命科學的聯(lián)姻，必將是未來科學發(fā)展的大趨勢，要將它們相互滲透，才能在彼此交叉中互利互惠?，F(xiàn)階段，生命科學導論公選課需要教師在明確教學目標的前提下，開展交叉學科的教學實踐，使教學內(nèi)容體現(xiàn)系統(tǒng)性、交叉性、前沿性，以開闊學生的思路。本人在最近兩年的教學中，逐漸總結(jié)教學經(jīng)驗，采用文章中所述的教學及管理方法，取得了良好的教學效果。選課學生數(shù)逐年遞增，學生能夠積極探討問題，每年都有多名物理學專業(yè)的學生要求進入實驗室參與科研工作，能夠獨立認真地撰寫實驗報告，并在老師的指導下開展生物物理的科研工作。希望通過本課程的學習，能夠迸發(fā)出新的知識生長點和研究方向，培養(yǎng)出能夠深入了解生命現(xiàn)象、獨立解決問題、具有創(chuàng)新型思維的寬口徑人才。

參考文獻：

[1]路甬祥.學科交叉與交叉科學的意義[J].中國科學院院刊，2005，（6）：58-60.

[2]張惟杰.從“生命科學導論”進入工科專業(yè)課程表談起[J].中國大學教學，1999，（06）：23-24.

[3]宋怡玲，楊軍.“生命科學導論”課程體系建設與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].高等理科教育，2006，（06）：37-39.

[4]冼鼎昌.百年來物理學和生命科學的相互影響和促進[J].自然雜志，2006，28（2）：63-70.