生物专业的大学物理教学探讨

生物专业的大学物理教学探讨^[1]

孙婷婷^[2]　蒋丽珍^[3]　马海珠^[4]　马　涛^[5]

（浙江工商大学信息与电子工程学院）

摘 要：物理学与生物学的交叉已经渗透到了很多技术领域，对于生物专业的本科生，应该进行有效的、有针对性的大学物理教学。本文探讨了从教学内容、教学模式上进行的改革，同时把科研带进课堂，从而提升生物专业大学物理的教学质量。

关键词：大学物理；交叉学科；教学改革

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式以及相互作用规律的一门科学。它是自然科学的基础。随着科学的发展，物理学与其他学科的交叉形成了众多的交叉学科，比如物理化学、生物物理学、金融物理学、软物质物理学，等等。世界上许多科学技术的突破都是从多学科的角度，运用多种知识、理论和方法才得以解决的。学科之间的交叉大大推动了科学的进步。

许多划时代的发现，如蛋白质的多级结构和DNA双螺旋结构的确定、生物医学成像和信号处理等均与物理学紧密相关。这些科学问题对于传统的生物学和物理学产生了深远影响，并必然会导致生命科学与物理科学之间的融会贯通。1999年Nature杂志曾刊登标题为《物理学能否提供另一次生物学革命？》的文章，认为目前物理学家和生物学家已认识到彼此交叉和渗透的重要性和必要性，他们之间在文化、机构、概念及语言等诸方面的壁垒逐渐被打破。这几年来，我一直对生物专业进行大学物理教学。我一贯认为大学物理教学不应该是“填鸭式”的知识灌输教学，大学物理教学对学生的作用不仅仅是局限于提供物理知识，而更为重要的是培养学生的科学思维方法、科学研究方法、科学素质和创新精神以及灵活运用数学工具等方面。因此我在教学过程中不断思考物理学课程的教学与改革，不断尝试加强物理学和生物学间的交叉融合，给生物专业的学生带去全新的物理学感受，使学生更有热情去对待大学物理的学习。而不是枯燥乏味的单纯公式推导、例题讲解。

我在物理教学过程中进行了以下几点的尝试，并取得了较好的成效。

一、课堂内容丰富化

对于培养新世纪的复合型人才，不能只停留在书本知识的传授上。一定要注重学科渗透，注重科学探索。现在的大学物理课程过于重视知识的传授，过分强调学科的本体地位，教学内容枯燥乏味，难以让学生提起学习兴趣。物理学中任何重大的发现，科学家们都要经过思想上的曲折、困惑、疑虑、矛盾斗争，通过大胆探索以及与传统观念决裂而创新得出的，是科学家们集体智慧的结晶。比如在教学内容中可以适当增加“物理学史”的教学内容，通过“物理学史”的教学，展现科学家的思维过程，生动地再现概念或规律在当时的形成和建立过程，使学生“经历”一次发现、发明、创造过程。这样显然比直接提出概念和规律要有趣得多。特别是在近代物理部分，爱因斯坦、普朗克、玻尔等物理学家如何从经典物理的困境里面走出来，提出革命性的物理观念的一个个有趣的历史故事的再现，仿佛在学生面前呈现出了20世纪初，相对论、量子论挑战经典物理的种种情景。一方面，生动的历史故事或者视频资料提升了课堂的趣味性，另一方面，也让学生更多地感受到科学家们知难而进、勇于创新的科学精神，对学生积极进取的性格培养也大有裨益。

物理学是科学技术的基础和源泉，当今科学技术一直以前所未有的速度和规模飞速发展。而大学物理的教学内容重点仍然局限在经典和近代物理部分（狭义相对论和量子物理的基本概念、原理）。这样的内容显然已跟不上时代的要求，所以教学内容应该更新和现代化。由于课时的限制，完整的经典物理内容以及近代物理部分的概念原理的提出，几乎没有多余的时间另辟一片空间讲授现代物理部分。因此，教师只能通过自身不断地研究教材内容，关注科学前沿，尽可能以通俗易懂的方式把部分现代物理知识及其应用知识融入课堂教学，为学生开设一些“小窗口”，让他们呼吸一下现代物理和科技结合的新鲜空气。比如讲授热力学第二定律的时候，介绍下混沌现象；结合物质的磁性，介绍超导和超导材料的最新研究前沿；结合光学，介绍激光技术，介绍液晶的光学特性；结合质能关系式，介绍原子和原子核的结构和放射性、原子核反应、裂变、聚变及其在社会生活中的应用等等。美国医科大学物理教材《College Physics》中谈到：“一个好的故事是重要的，物理学包含丰富的故事，这本书告诉你那些故事并且附带上它们的应用，使你相信物理无处不在。”

同时，根据生物专业的特点，有机会就渗透物理学和生物学的交叉知识。比如生物物理学和蛋白质物理学等课程的简单介绍。丰富多彩的交叉教学内容使学生不断认识到物理学的原理和方法在研究生命科学问题中有着极为重要的作用。

二、教学模式新颖化

针对生物专业的特点，打破常规的绪论课讲授模式，从“生命是什么”这一问题出发，从物理学的角度对生命进行概括描述提出。生命是处于非平衡态的一个开放巨大的系统。简单的一个概念让学生马上意识到物理学与生命科学的密切联系。并告诉学生：如果你们不了解什么是平衡态，什么是开放系统，什么是统计物理，很难走到生物学科研究的前沿。而大学物理中的热力学部分与我们的生命现象息息相关。同时生物学领域中不可或缺的有来自于物理学的实验方法和技术，比如核磁共振、红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱、光散射方法和X光衍射等等，这些表征方法不仅仅是确定物质结构的常用方法，也是认识生物组织的结构和功能的基础。

在讲课时教师要想激发学生的学习兴趣，首先要设计好每堂课的导入，俗话说“好的开头是成功的一半”。实践证明，导入常常关系整个教学的成败优劣。因此在课堂上，我尽量在每堂课的引入阶段做好引导，导入形式多样化，直接开门见山，或是引人入胜的物理学史中的故事，或是新颖的科学实验，或是新颖奇特的问题。比如：在刚体力学的引入的时候，提问：为什么跳水运动员在空中翻转时总是尽量收拢身体，而在旋转慢时又尽量伸展身体？在光学引入时，提问：阳光下的肥皂泡看上去为什么五彩斑斓？等等，上课之前预设一两个小问题，留给学生想象的空间，从“要你学”的教学模式自然过渡到“我要学”自主学习模式。学生为了知道这些问题的答案，饶有兴趣仔细聆听相关物理知识的讲授。课堂内容学完之后，可以通过课堂讨论也可以通过小论文的形式让学生自己分析课前预留的提问。

大学学习方式本来就应该是协作、实践、探究、个性、体验等多元化的学习模式。只要有合适的条件，就采用探究学习型的教学模式。把课堂的主体地位还给学生，而教师只是起到辅助的作用。利用多媒体技术辅助模拟理想实验，学生从实验过程中体验并体会。教师层层诱导，学生协作分析，有效地探究学习型的教学模式，有利于提高教学效果。特别是近代物理部分。比如在讲实物粒子的波粒二象性时，首先通过多媒体展示，当单个电子发射时，屏幕上出现的是一个亮点，引导学生总结得出电子具有粒子性；当发射大量电子时，屏幕上出现了衍射条纹，引导学生通过前一章波动光学的学习，总结出，电子还具有波动性。通过这种演示使难以讲清楚的微观粒子的波粒二象性的知识变得生动活泼，学生通过观察实验，进行总结得到的结论，自然更好理解。

总之，新颖的教学模式能让学生感受到物理学思想方法的熏陶，有利于培养学习的习惯，提高整体素质。

三、教学科研一体化

如今大学老师，都承担了教学和科研的双重任务。科学研究是获取学科前沿知识的最直接、最有效的途径，教师只有亲自参加科研才能站在学科前沿，保证学术水平不断提高，从而保证教学质量的提高。虽然大学物理教材内容的改革从未停止，但很难及时体现当前最新的科技进展。因此在课堂教学中，教师更不应该把授课内容局限于教材，而应该在教学大纲的范围内，保证课内教学的情况下，适当地扩充教学内容，开阔学生的思路，把相关领域的最新科研成果和发明创造在课堂上介绍给学生。把自己的科研成果与所讲授的教学内容有机结合，一定能够激发学生的兴趣，活跃学生的思维，提高学生分析问题、解决问题的能力。

我在担任大学物理课程教学的同时，也进行生物分子（蛋白质和DNA）的折叠和动力学的科学研究。我的研究领域涉及生物和物理的交叉学科。因此，为了使学生了解物理学和生物学的交叉研究成果，在授课过程中，我会适当进行知识点的延伸。比如，在讲究热力学部分时，先介绍熵的概念，即熵是系统无序度的量度，它与生命现象有着重要的联系。一个孤立系统内，熵总是增加的。然而在生命过程中存在着许多从无序到有序的现象，熵减小了。让学生了解到生命系统是一个开放系统，与外界既有能量交换又有物质交换，由于外界作用的不同，开放系统的熵可能减小，从而存在着从无序到有序的转化，而如果把生命体和环境放在一起考虑，总熵仍是增加的，生命活动仍然遵守热力学第二定律。分子的自组装行为是生命体内普遍存在的一个从无序到有序的转变现象。所谓的自组装是在一定条件下，分子在溶液中通过空间自组织自发地（或是外界驱动的）产生一个结构确定、具有一定功能的微观有序结构的过程。不同分子由于自组装导致的聚集，会产生某种特定的功能。分子的自组装形成各种复杂的结构，比如蛋白质分子的折叠、胶体悬浮液中胶体颗粒聚集形成的分形结构等等。随后给学生呈现最新科学研究成果，比如较新颖的分子自组装的彩图，或者蛋白质折叠过程的模拟动态展现。让学生感受到生命的奇特，更加认识到物理在生命科学中的玄机。学生在学习过程中能够真切感受到热力学在生物科学中的应用，通过丰富的科研成果的呈现，运用课本上浅显易懂的知识就能说明其有序结构形成的原因，激发了学生进一步学习物理的兴趣，同时对学生在生物学科领域的学习也起了一定的辅助作用。

另一方面，结合自己的专业优势，作业环节增加撰写科技论文部分。因为接受大学物理教学的都是低年级的本科生，因此科技论文的要求也不可能像对待高年级学生一样有太高的标准。可以是在图书馆数据库里查询最新的分子自组装的研究论文，进行翻译和浓缩。或者是在老师指导下，编写程序模拟简单的生物分子链的折叠过程。利用种种手段带领学生使用物理理论及方法探索生命现象中的熵现象。总之，把科研融入大学物理教学中，不仅激发了学生的学习兴趣，开阔了学生的学术眼光和视野，进行学术熏陶，还有利于培养学生的科学思维习惯，更有利于学生创新意识的形成，创新能力的培养，进一步提高了运用理论知识去分析和解决复杂的实际问题的能力。

四、结 论

新世纪的学科交叉融合已是重要发展方向。著名物理学家欧阳钟灿院士在《挑战21世纪生命科学的通天塔——漫谈〈生物物理学：能量、信息、生命〉》一文中提到“21世纪生命科学与物理学科之间的融会贯通已经势不可挡”，如何让大学物理教学追随这个潮流，这不仅仅需要授课教师不断提升自己的知识水平，而且，在授课时，恰当地将物理知识与生物学科相结合也是学生非常期待的。这就需要在物理教学中，认真调整改进教学模式，丰富教学内容，教学科研一体化，把生物专业的物理教学做到系统化、应用化、综合化。为学生今后的学习和工作奠定坚实的物理基础。

参考文献

［1］Can physics deliver another biological revolution？［J］．Nature，1999，397：89．

［2］［美］Paul Peter Urone．College physics影印版［M］．北京：机械工业出版社，2004．

［3］菲利普·纳尔逊．生物物理学：能量、信息、生命．黎明［M］．戴陆如，译．上海：上海科学技术出版社，2006．

［4］AlexeiV．Finkelstein，Oleg B．Ptitsyn．蛋白质物理学概论［M］．朱厚础，聂世芳，译．北京：化学工业出版社．2008．

［5］孙秋柏．从高校人才培养质量论科研对教学的支撑作用［J］．中国冶金教育，2006（06）：56—57．

［6］欧阳钟灿．挑战21世纪生命科学的通天塔——漫谈《生物物理学：能量、信息、生命》［N］．科学时报，2007－05－02．

【注释】

[1]基金项目：浙江省新世纪高等教育教学改革项目（ZC09027）。

[2]孙婷婷，副教授，博士，研究方向为物理学的教学与研究，生物物理学的科学研究。

[3]蒋丽珍，副教授，研究方向为量子信息，凝聚态物理研究。

[4]马海珠，教授，研究方向为凝聚态高分子物理，物理教育和教学。

[5]马涛，教授，研究方向研究型教学实践。