面向生物專業(yè)的大學(xué)物理課程改革與教學(xué)實(shí)踐*

黃曉東，陳明東，鄺 泉，廖繼海，鄭立賢

(華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

物理學(xué)在長期的發(fā)展歷程中，形成了一套最全面有效的科學(xué)方法，實(shí)踐證明，把這套方法和相關(guān)概念運(yùn)用到自然科學(xué)的其他領(lǐng)域，甚至人文科學(xué)，都是卓有成效的[1]。該課程所教授的基本概念、基本理論和基本方法是構(gòu)成學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，是一個(gè)科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員所必備的。另外，從學(xué)科交叉共融的現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展趨勢和需求來看，基礎(chǔ)物理學(xué)應(yīng)處在核心的地位，因此，高等院校理科與工科的所有專業(yè)，都應(yīng)開設(shè)大學(xué)物理課程。

目前大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性，但沒有很精細(xì)地考慮它與各專業(yè)對大學(xué)物理課程需求之間的協(xié)調(diào)問題，以至出現(xiàn)了非物理專業(yè)學(xué)生對其學(xué)習(xí)興趣下降的情況。因此，將物理教學(xué)融入非物理學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課程是物理教學(xué)研究的重點(diǎn)問題。基于此需求，我們選取了本校生物科學(xué)專業(yè)展開試驗(yàn)。從生物學(xué)發(fā)展的角度看，當(dāng)前的生物研究需要借助許多物理學(xué)的手段和研究方法，例如分子生物學(xué)需要顯微技術(shù)，系統(tǒng)生物學(xué)需要非線性科學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理，這些都扎根在基礎(chǔ)物理當(dāng)中，因此大學(xué)物理教學(xué)與該專業(yè)結(jié)合有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過尋求學(xué)科知識的結(jié)合點(diǎn)，我們從教學(xué)內(nèi)容到考察手段方面，進(jìn)行了若干新的嘗試，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效果。本文將介紹我們在這方面的設(shè)計(jì)，提供給大學(xué)物理教學(xué)同行參考。需要說明的是，本文旨在介紹我們針對生物專業(yè)所進(jìn)行的課程改革，對講授內(nèi)容的科學(xué)概念和細(xì)節(jié)不作過多的展開敘述。

1 課程內(nèi)容

以下結(jié)合我們所在院校的大學(xué)物理課程內(nèi)容（采用教材[2]）和學(xué)時(shí)設(shè)置，介紹與生物科學(xué)專業(yè)結(jié)合的內(nèi)容點(diǎn)分布情況，見表1，其中力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)和波、波動(dòng)光學(xué)、熱學(xué)在大學(xué)一年級下學(xué)期安排48學(xué)時(shí)，電磁學(xué)、狹義相對論、量子力學(xué)在二年級上學(xué)期48 學(xué)時(shí)。教案所參考的文獻(xiàn)也列于表中。

表1 大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容及與生物結(jié)合點(diǎn)的分布情況

上述內(nèi)容基于課程的基礎(chǔ)知識點(diǎn)展開，具有良好的可行性。人（動(dòng)物）的空中轉(zhuǎn)體可基于剛體角動(dòng)量守恒理解；醫(yī)學(xué)常用的彩色多普勒超聲的物理原理是多普勒效應(yīng)；人眼分辨率和DNA 結(jié)構(gòu)的提出可基于光的衍射理論進(jìn)行介紹；耗散結(jié)構(gòu)論中的負(fù)熵流、非平衡態(tài)、分岔結(jié)構(gòu)等較新的概念可基于熱力學(xué)熵、平衡態(tài)等基本概念進(jìn)行適當(dāng)理解；生物電效應(yīng)是電磁場物理圖像的延伸；基因突變可基于量子力學(xué)的能級躍遷做講述。這些內(nèi)容既不超出教指委要求的大綱范圍，也能充分滲透到生物學(xué)領(lǐng)域，很適合面向生物學(xué)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行講授。

2 課堂教學(xué)

圖1 擇要展示了我們的授課內(nèi)容課件。通過這樣的設(shè)計(jì)安排，我們認(rèn)為可達(dá)成如下的教學(xué)效果：

2.1 通過生物學(xué)問題，加深學(xué)生對相關(guān)物理知識的理解和掌握

例如通過生物力學(xué)（圖1A）、彩色多普勒超聲（圖1B）、人眼分辨率（教材[2,4]附有例題）等具體的問題，引導(dǎo)學(xué)生更扎實(shí)的掌握角動(dòng)量守恒、多普勒效應(yīng)以及光的衍射效應(yīng)這些物理知識和圖像。值得向?qū)W生指出的是電子顯微鏡，其原理可基于光學(xué)儀器（人眼）的分辨率以及電子的波粒二象性進(jìn)行理解，而電子顯微鏡正是生物科學(xué)常用的顯微儀器，在新冠疫情發(fā)起之初我國的醫(yī)學(xué)工作者及微生物科學(xué)家以之確定病原體，為全球抗疫做出了開拓性的貢獻(xiàn)。

圖1 與生物科學(xué)結(jié)合的授課內(nèi)容。A.貓空中轉(zhuǎn)體的角動(dòng)量守恒（圖片取自[3]）。B.彩超測量血流速率的理論。C.DNA的X 射線衍射圖片（取自[9]）與其結(jié)構(gòu)確定的歷程。D.耗散結(jié)構(gòu)論的基本思想（分岔圖與頒獎(jiǎng)詞取自[6]）。E.生物電現(xiàn)象與電池的發(fā)明歷史。F.基因突變的量子力學(xué)（以果蠅眼色為例）。能態(tài)示意圖取自[8]。

2.2 建立學(xué)生廣闊的學(xué)科視野

學(xué)生對非專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣不高的根本原因之一是在學(xué)科認(rèn)識上存在壁壘，認(rèn)為非本專業(yè)課程對自身專業(yè)學(xué)習(xí)的作用不大，我們從歷年的課程滿意度調(diào)查里發(fā)現(xiàn)了這一傾向。因此在理論課上，我們會強(qiáng)調(diào)指出，科學(xué)發(fā)展的歷史上，生物與物理學(xué)有大量的學(xué)科交流和相互促進(jìn)，例如X 射線衍射技術(shù)、耗散結(jié)構(gòu)論、量子力學(xué)等物理學(xué)的技術(shù)和理論推動(dòng)了生物科學(xué)的研究（圖1C、1D、1F），而另一方面，生物學(xué)的研究也推動(dòng)著物理學(xué)的進(jìn)步，例如電池發(fā)明的契機(jī)就是生物電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)（圖1E）。通過這樣的學(xué)科交叉式的講述，可以讓學(xué)生充分了解生物和物理兩個(gè)學(xué)科——乃至自然科學(xué)的其他學(xué)科之間——交融發(fā)展的必要性和成就，從而建立他們廣闊的學(xué)科視野。通過學(xué)科交叉發(fā)展而建立起交叉學(xué)科，也是當(dāng)前教育部的一個(gè)重大規(guī)劃，我們的這一教學(xué)設(shè)計(jì)正是符合這一趨勢和需求的新嘗試。

2.3 從物理學(xué)的角度介紹生物科學(xué)發(fā)展的側(cè)面，拓展學(xué)生的專業(yè)知識面

對于生物科學(xué)的發(fā)展歷程，生物專業(yè)有其自身的傳授思路與方式，而在物理課上，我們可從物理學(xué)這個(gè)側(cè)面評述生物科學(xué)的發(fā)展，例如量子力學(xué)對分子生物學(xué)、耗散結(jié)構(gòu)論對生命演化等課題的貢獻(xiàn)，我們在這方面的講述有自身的學(xué)科優(yōu)勢，可以為學(xué)生了解本專業(yè)的發(fā)展提供有力的輔助，從而拓展他們的知識面，幫助他們更全面和深入的掌握自身的專業(yè)知識，這也正是我們?yōu)榉俏锢韺I(yè)開設(shè)物理課程的意義所在。

以上是我們在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的講授內(nèi)容介紹，這些內(nèi)容契合了現(xiàn)代生物科學(xué)研究的前沿，為生物系學(xué)生呈現(xiàn)了物理學(xué)與生物科學(xué)的密切相關(guān)性，可以有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 演示實(shí)驗(yàn)

我們設(shè)計(jì)了4 個(gè)學(xué)時(shí)的演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，用以加深非物理專業(yè)學(xué)生對基本物理現(xiàn)象的認(rèn)識。物理演示實(shí)驗(yàn)課是物理理論教學(xué)的一種補(bǔ)充，它是學(xué)生最簡單、最直接獲得物理知識的一種途徑。物理演示實(shí)驗(yàn)是在觀察物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，結(jié)合基本的物理原理，引導(dǎo)學(xué)生分析、抽象、概括和思維深化等，加深學(xué)生對物理基本概念和基本原理的理解，同時(shí)也幫助學(xué)生了解物理知識在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用，以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

結(jié)合生物專業(yè)后續(xù)課程和生物專業(yè)基礎(chǔ)知識的需求，我們在物理演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中設(shè)計(jì)了“偏振光與生物技術(shù)”（見圖2A）、“聲波與人類聽覺”（圖2B）、“電磁波與生物技術(shù)”（圖2C、2D）、“可見光的衍射與人眼分辨率”等專題演示實(shí)驗(yàn)。在偏振光與生物技術(shù)演示專題中，論述了偏光顯微鏡在神經(jīng)纖維研究中的重要作用[10]，演示了藥物“鹽酸左旋咪唑”（一種調(diào)節(jié)免疫的藥物）的旋光性[11]，并舉例了“海豚嬰事件”與“沙利度胺”（一種鎮(zhèn)靜抗炎藥物）旋光性及其藥理性能的關(guān)系。聲波專題中，介紹了人類耳蝸感聲機(jī)制與彈性介質(zhì)中機(jī)械波的傳播和共振是同樣的機(jī)理，并讓學(xué)生感受氣導(dǎo)與骨導(dǎo)的差別，這樣就以生動(dòng)的例子闡釋了生物系統(tǒng)中的基本物理現(xiàn)象。

圖2 與生物技術(shù)相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)。A.偏振光的生物學(xué)應(yīng)用。理論講述以介紹生物分子的手性和旋光性為主，實(shí)驗(yàn)部分是讓學(xué)生利用旋光儀進(jìn)行觀察（課堂實(shí)況見圖中照片）。B.聲波與聽覺的物理機(jī)制。理論部分主要講述耳蝸感音的物理機(jī)制，即機(jī)械波的傳播與基底膜的共振（匈牙利物理學(xué)家貝克西以該工作獲得1961 年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）。實(shí)驗(yàn)部分是讓學(xué)生感受骨傳導(dǎo)和氣傳導(dǎo)的區(qū)別，加深這一物理認(rèn)識（課堂實(shí)況見圖中照片）。C 和D.電磁與生物技術(shù)。分別演示了手觸電池和微波爐的機(jī)理。

專題演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)不僅強(qiáng)化了理論課學(xué)習(xí)的基本概念和基本理論，而且讓學(xué)生充分認(rèn)識到物理理論、物理技術(shù)對生物科學(xué)研究的支持作用，以及物理理論融合其它學(xué)科理論能有效促進(jìn)新理論和新技術(shù)的發(fā)展。

4 考核評價(jià)

在課程考核評價(jià)方面，我們也做了相應(yīng)的調(diào)整：在原有的期末考試基礎(chǔ)上，增加了一篇課程小論文，主題是關(guān)于生物和物理學(xué)科之間的交融發(fā)展，具體內(nèi)容由學(xué)生自定。

表2 是我們對其中內(nèi)容分布的梳理情況。其中生物物理方面的綜述和漫談?wù)贾髁鳎ㄕ伎偙鹊?1%），此時(shí)學(xué)生們尚未深入到具體的專業(yè)知識學(xué)習(xí)，因此這一狀況符合大學(xué)本科低年級學(xué)生的整體水平。在這些漫談式的敘述中，多數(shù)學(xué)生描述了中學(xué)階段對物理學(xué)的隔閡，而在進(jìn)行了大學(xué)物理學(xué)習(xí)后對兩者的交融有了新的認(rèn)識，這表明我們這樣的設(shè)計(jì)取得了正面的效果，今后可基于此作進(jìn)一步完善。此外，學(xué)生對生物研究的技術(shù)方面有較高的興趣，約18%的同學(xué)以綜述或者介紹技術(shù)工具背后的物理學(xué)為論文內(nèi)容，這些學(xué)生基本上都參與了本專業(yè)導(dǎo)師的課題研究，因此在這方面有較深的理解。另外在熵、醫(yī)學(xué)物理、生物電、生物力學(xué)等生物物理主流課題上也有相當(dāng)程度的覆蓋。

表2 課程論文的內(nèi)容統(tǒng)計(jì)

上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果說明我們的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)具有一定的深度和廣度，同時(shí)課程論文考核也呈現(xiàn)了學(xué)生的科學(xué)品位。這可為后續(xù)的專業(yè)課程教學(xué)提供參考意見，例如可在研究工具技術(shù)方面做更多的介紹因?yàn)閷W(xué)生對之興趣較大，也可考慮加強(qiáng)生物力學(xué)、熵與生命等基礎(chǔ)課題的講述，有助于提升學(xué)生的基礎(chǔ)科研興趣與層次。

5 總結(jié)與思考

本文展示了我們在面向生物專業(yè)的大學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐中的改革設(shè)計(jì)及其教學(xué)成果。這些設(shè)計(jì)符合教育部教指委的教學(xué)要求，同時(shí)也觸及了生物科學(xué)的若干基礎(chǔ)和前沿課題，兼具可行性與專業(yè)性。通過這樣的教學(xué)，可以提升生物專業(yè)學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也展現(xiàn)了物理學(xué)在生物科學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用，為本專業(yè)學(xué)生將來從事生物科學(xué)研究奠定了必要的科學(xué)素養(yǎng)和知識基礎(chǔ)。

基于我們的教學(xué)實(shí)踐，建議可將面向非物理專業(yè)的大學(xué)物理課程按如圖3 所示程序開展。課程設(shè)計(jì)的核心在于內(nèi)容的選取和講述的深度方面的衡量。例如DNA 結(jié)構(gòu)的確定需要諸如貝塞爾函數(shù)這種數(shù)學(xué)物理工具，耗散結(jié)構(gòu)論需要可積系統(tǒng)、漲落耗散定理，更前沿的課題如生物膜物理、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)則需要更深層次的統(tǒng)計(jì)物理、非線性科學(xué)等專業(yè)知識，在面對非物理專業(yè)學(xué)生時(shí)，這些內(nèi)容的涉及深度，需要根據(jù)學(xué)生的興趣和水平做考量。另外在考核形式方面，除了考試與課程論文，是否有更豐富有效的形式進(jìn)行考查及評估教學(xué)效果，也是值得進(jìn)一步思索和實(shí)驗(yàn)的問題。希望目前我們的教學(xué)實(shí)踐能為其他院校教學(xué)作為教學(xué)創(chuàng)新改革的參考，不斷完善這一教學(xué)模式，促進(jìn)非物理專業(yè)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)。

圖3 面向非物理專業(yè)的大學(xué)物理課程開展程序及需解決的問題。