一、生物類專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)案例收集的方法與途徑

生物物理學(xué)典型教學(xué)案例的選擇和構(gòu)建需要一定的針對(duì)性，只有準(zhǔn)確地把握生物類各個(gè)專業(yè)的學(xué)科內(nèi)容與專業(yè)特點(diǎn)，才能挑選出合適的教學(xué)案例，以便讓不同專業(yè)的學(xué)生能夠關(guān)注到生物類專業(yè)科學(xué)知識(shí)中的物理學(xué)問題，并充分認(rèn)識(shí)到大學(xué)物理知識(shí)和教學(xué)方法對(duì)生物類專業(yè)學(xué)生后期學(xué)習(xí)與研究的基礎(chǔ)性和重要性作用。面對(duì)這樣的問題，學(xué)校應(yīng)注重４個(gè)主要條件的積累。首先，學(xué)校的物理學(xué)教研室通過有計(jì)劃地加強(qiáng)生物物理學(xué)教師團(tuán)隊(duì)的構(gòu)建，讓教師團(tuán)隊(duì)成員都具有一定的生物學(xué)研究經(jīng)歷，對(duì)物理學(xué)和生物學(xué)的交叉學(xué)科亦有深刻的認(rèn)識(shí)；其次，學(xué)校對(duì)公共基礎(chǔ)課程教學(xué)實(shí)施研究生助教助學(xué)的政策，這個(gè)政策有效地緩解了因“大班上課”導(dǎo)致的主講教師工作量大的問題，使得主講教師有更多的時(shí)間進(jìn)行教學(xué)改革與課程創(chuàng)新設(shè)計(jì)；再次，教師的授課對(duì)象應(yīng)以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院、生命科學(xué)院、動(dòng)物科技學(xué)院、動(dòng)物醫(yī)學(xué)院的生物類專業(yè)學(xué)生為主，通過將課程論文和報(bào)告引入到大學(xué)物理教學(xué)環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生最大程度地參與到教學(xué)過程中，充分展現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)訴求；最后，學(xué)校要加強(qiáng)與相關(guān)專業(yè)教師的溝通，了解學(xué)生后續(xù)課程的教學(xué)內(nèi)容以及教師的科研狀況，梳理出生物類專業(yè)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)與科研工作的重點(diǎn)。

綜合前期的調(diào)研，筆者有計(jì)劃地選取了生物流體力學(xué)、生物電磁學(xué)與電磁生物學(xué)、生物聲學(xué)與超聲生物學(xué)、生物光子學(xué)與激光生物學(xué)、輻射生物學(xué)等５個(gè)框架性主題，對(duì)生物學(xué)中涉及到的物理知識(shí)和研究方法作了簡單介紹。該部分內(nèi)容已在２００８年高等教育出版社版的普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材《大學(xué)物理學(xué)》中有所體現(xiàn)，并將在２０１３年的教材修訂版中有所加強(qiáng)，但這部分教材內(nèi)容依然強(qiáng)調(diào)物理學(xué)基礎(chǔ)理論的講授。以此為基礎(chǔ)，任課教師根據(jù)自身的專業(yè)特長，分工合作，加強(qiáng)對(duì)典型案例的科學(xué)性、代表性和綜合性進(jìn)行考究，在研究生助教和專業(yè)學(xué)生的協(xié)助與參與下，逐漸把５大框架性主題豐富起來，這５大框架性主題主要涉及到物理學(xué)在植物科學(xué)、動(dòng)物科學(xué)、動(dòng)物醫(yī)學(xué)和人體醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用實(shí)例。而且每個(gè)專題都要注意到研究對(duì)象和教學(xué)對(duì)象的擴(kuò)展問題，每個(gè)主題都有多個(gè)可以選擇的案例，方便教師在不同的專業(yè)教學(xué)中使用。

教師根據(jù)選定的案例，調(diào)整具體的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)計(jì)劃，并據(jù)此修改通用的大學(xué)物理電子教案，教案多采用ＰＰＴ（含圖片）和小短片的形式，力求做到短小精悍。為實(shí)現(xiàn)教學(xué)案例的動(dòng)態(tài)更新并檢查案例教學(xué)的效果，筆者有針對(duì)性地制定了與調(diào)整后的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)計(jì)劃相匹配的課后作業(yè)體系。首先，選定一些專業(yè)取向性較強(qiáng)的小型研究題目，考察學(xué)生獨(dú)立解決專業(yè)問題的能力；其次，在以多媒體技術(shù)為主的教學(xué)環(huán)境下，采用板書和教具演示相結(jié)合的教學(xué)模式，增加教學(xué)的互動(dòng)性；再次，對(duì)新的教學(xué)方法進(jìn)行及時(shí)的總結(jié)和反思，并對(duì)先前選定的教學(xué)案例和教學(xué)內(nèi)容作相應(yīng)的改進(jìn)與完善。

二、生物類專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)典型案例庫的構(gòu)建

作為公共基礎(chǔ)必修課程，大學(xué)物理的基礎(chǔ)內(nèi)容包含了力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理等內(nèi)容。為體現(xiàn)教學(xué)案例的代表性和針對(duì)性，筆者選取了生物流體力學(xué)、生物電磁學(xué)與電磁生物學(xué)、生物聲學(xué)與超聲生物學(xué)、生物光子學(xué)與激光生物學(xué)、輻射生物學(xué)等５個(gè)主題作詳細(xì)的介紹。

（一）生物流體力學(xué)

大學(xué)力學(xué)是在高中力學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上引入高等數(shù)學(xué)來展現(xiàn)的，知識(shí)點(diǎn)上的新意性不多，生物流體力學(xué)的引入則能夠讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到力學(xué)在生物類專業(yè)中的應(yīng)用。生物流體力學(xué)著重研究動(dòng)植物體內(nèi)生理流體的力學(xué)問題，如血液的剪切流動(dòng)同血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長和形態(tài)有關(guān)，血液流動(dòng)也總是同氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)傳輸、生化反應(yīng)及信號(hào)傳導(dǎo)相聯(lián)系，這些信號(hào)能在一定層面上反映動(dòng)物個(gè)體的生理和病理狀態(tài)，有助于人們了解動(dòng)物生理病理，對(duì)動(dòng)物的繁殖育種和增產(chǎn)增質(zhì)具有積極意義；對(duì)于人體而言，血液和淋巴循環(huán)是最典型的生物流體力學(xué)問題，與每個(gè)人的健康生活息息相關(guān)，血液粘度的大小和其流動(dòng)的類型及生理病理狀態(tài)有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些介紹顯然要比用簡單的數(shù)學(xué)模型更有意思、更能深入人心。而液體在植物導(dǎo)管和篩管中的傳導(dǎo)過程總是伴隨著無機(jī)和有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)的交換和貯存，對(duì)這些液體在植物中的流動(dòng)及其變化規(guī)律的研究將有助于農(nóng)作物的澆灌、施肥、采光等一系列生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)農(nóng)作物的抗旱、抗鹽、抗寒、增產(chǎn)增質(zhì)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。這些常見的生物流體力學(xué)現(xiàn)象極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，由此奠定了大學(xué)物理學(xué)習(xí)的良好基礎(chǔ)。

（二）生物電磁學(xué)與電磁生物學(xué)

生物電磁學(xué)和電磁生物學(xué)是生物電磁現(xiàn)象的２個(gè)不同方面。首先，生物體本身就是帶電體，絕大部分電荷以離子、離子基團(tuán)、電偶極子的形式存在。細(xì)胞膜上的多種磷脂分子都存在離子基團(tuán)或電偶極子，組成蛋白質(zhì)的多種氨基酸在水中能離解形成離子基團(tuán)或表現(xiàn)出電偶極子的特性。這些電荷的運(yùn)動(dòng)和相互作用使生物分子保持一定的空間構(gòu)象，并行使各自特定的生物學(xué)功能。生物電磁學(xué)與電磁生物學(xué)是研究生物體的電磁特性以及在電磁場中的生物學(xué)效應(yīng)的一門邊緣科學(xué)。從電學(xué)介質(zhì)的角度來看，生物物質(zhì)或生物體具有電阻、容抗和感抗３大特性。采用生物電阻抗檢測技術(shù)，可以監(jiān)測水果的采后生理情況，在水果的非破壞性監(jiān)測中具有重要意義；同樣該技術(shù)還可用于研究作物葉片在不同逆境脅迫條件下的阻抗特性，其結(jié)果可作為篩選抗逆作物品種的參考。分子與細(xì)胞電泳技術(shù)的設(shè)計(jì)原理則能夠讓學(xué)生真正認(rèn)識(shí)、理解和分析細(xì)胞、分子電泳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集模式，也能對(duì)細(xì)胞和分子的電學(xué)特性有更直觀的了解和深層認(rèn)識(shí)。關(guān)于電磁場的生物學(xué)效應(yīng)問題是另一個(gè)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的突破口，它主要涉及到植物光合作用過程中的光捕獲、電子傳遞、自由基活動(dòng)、蛋白質(zhì)活性、生物膜通透性變化等多方面的基礎(chǔ)研究。這些材料的引入能讓學(xué)生直觀地感受到電磁場的作用是無處不在的，使得不易理解的電磁規(guī)律變得形象、學(xué)生的注意力變得高度集中。

（三）生物聲學(xué)與超聲生物學(xué)

聲波作為機(jī)械波，是典型的縱波，相關(guān)的基礎(chǔ)理論在大學(xué)物理學(xué)習(xí)甚至在物理學(xué)專業(yè)的學(xué)習(xí)中一直不是重點(diǎn)。如果教師只局限于介紹振動(dòng)和波動(dòng)的概念，學(xué)生將不會(huì)產(chǎn)生興趣。但如果教師從“昆蟲的鳴叫”“植物也能享受音樂”“不同動(dòng)物對(duì)地震波的感知”“次聲與暈車”等聲學(xué)實(shí)例介紹入手，很容易調(diào)動(dòng)起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性?；趯W(xué)校的專業(yè)特點(diǎn)，筆者結(jié)合自身的研究經(jīng)歷，向?qū)W生介紹了倉儲(chǔ)昆蟲音頻檢測裝置的研發(fā)過程，包括裝置研發(fā)的科學(xué)意義、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理、實(shí)驗(yàn)的困惑和誤區(qū)、試驗(yàn)成功的經(jīng)驗(yàn)等，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到聲學(xué)在農(nóng)業(yè)生物學(xué)應(yīng)用上的重要性。另外，筆者從超聲入手，向?qū)W生介紹超聲檢測（如Ｂ超）、超聲治療（超聲手術(shù)、聲動(dòng)力學(xué)療法）、超聲清洗／殺菌等知識(shí)在生物學(xué)中的應(yīng)用，有效地吸引了學(xué)生的注意力。這些生活常識(shí)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與研究成果在現(xiàn)象上都與學(xué)生的專業(yè)背景有較好的匹配，在物理機(jī)理上又與機(jī)械波的物理特性有密切的聯(lián)系，通過生物聲學(xué)和超聲生物學(xué)的介紹，學(xué)生對(duì)機(jī)械波的產(chǎn)生、傳播及其與介質(zhì)的相互作用的理解得到了進(jìn)一步強(qiáng)化，也為學(xué)生后繼光學(xué)部分的學(xué)習(xí)做了良好的鋪墊。

（四）生物光子學(xué)與激光生物學(xué)

由于波動(dòng)光學(xué)的許多基本概念與原理都來自電磁學(xué)、機(jī)械振動(dòng)與波動(dòng)，所以筆者可將教學(xué)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向光的吸收、散射、色散和偏振。光的這些特性在生物學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用，因此筆者首先從介紹光與物質(zhì)相互作用的光生物學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的生物學(xué)應(yīng)用實(shí)例入手，讓學(xué)生感覺到自己離光學(xué)很近，然后向?qū)W生介紹二者所包含的物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從現(xiàn)象看本質(zhì)的學(xué)習(xí)方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。除了激光外，在光學(xué)領(lǐng)域最引人入勝的就要數(shù)同步輻射光源，目前絕大部分的蛋白結(jié)構(gòu)的解析都是在同步輻射光源上進(jìn)行的，而相關(guān)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究在植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、動(dòng)物醫(yī)學(xué)、人體醫(yī)學(xué)、藥學(xué)研究領(lǐng)域有豐富的應(yīng)用實(shí)例。筆者結(jié)合自己的研究經(jīng)歷，向?qū)W生詳細(xì)介紹了同步輻射的基本原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、安全設(shè)施、工作模式等，并在課后讓具有同步輻射工作經(jīng)驗(yàn)的研究生助教對(duì)學(xué)生的問題進(jìn)行解答，讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)合作的重要性以及當(dāng)前所學(xué)知識(shí)的先進(jìn)性與實(shí)用性。

（五）輻射生物學(xué)

輻射廣泛存在于人們的工作與生活環(huán)境中，對(duì)人類的生產(chǎn)、生活有著巨大的影響。這種影響總是包含有利和危害２個(gè)方面，對(duì)于有利的方面，人們一直在嘗試?yán)盟鼇碓旄Ｈ祟?；而?duì)于危害的方面，人們總在設(shè)法規(guī)避傷害。因此，筆者認(rèn)為對(duì)于二者的了解將有助于人類合理使用輻射資源。如利用同位素示蹤原子技術(shù)研究農(nóng)作物生產(chǎn)過程中營養(yǎng)物質(zhì)的合成、運(yùn)輸、貯存和代謝的路徑，這將對(duì)作物生產(chǎn)過程中的環(huán)節(jié)進(jìn)行人為控制，以保證糧食的安全和質(zhì)量。另外，輻射育種技術(shù)是實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的輻射生物學(xué)技術(shù)，該技術(shù)可以用于農(nóng)作物的品種改良。當(dāng)前我國的載人航天事業(yè)正在如火如荼地進(jìn)行著，但其實(shí)航天員無時(shí)無刻都要面臨輻射的威脅，如果我們對(duì)太空的輻射環(huán)境沒有足夠了解，對(duì)航天員沒有做好輻射防護(hù)，那將會(huì)對(duì)航天員的身體造成巨大的傷害。這些事例非常貼近學(xué)生的信息圈，也是當(dāng)前社會(huì)討論的熱點(diǎn)問題，容易引起學(xué)生的關(guān)注。

三、生物類專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)典型案例庫的使用效果

在教學(xué)過程中構(gòu)建案例庫和實(shí)施案例教學(xué)是２個(gè)相輔相成的過程，要進(jìn)行案例教學(xué)首先得構(gòu)建一定數(shù)量和質(zhì)量的案例素材。目前筆者的教學(xué)案例由過去的５０余條增加為２００余條，這使筆者有足夠的案例來進(jìn)行更具專業(yè)針對(duì)性的案例教學(xué)。學(xué)生參與教學(xué)過程的積極性和主動(dòng)性得到了大幅度提高，學(xué)生也在嘗試?yán)么髮W(xué)物理所學(xué)知識(shí)進(jìn)行一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究，已申請(qǐng)相關(guān)的試驗(yàn)計(jì)劃２０余項(xiàng)。典型教學(xué)案例的構(gòu)建和案例教學(xué)法的實(shí)施，有效地促進(jìn)了教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)。因?yàn)槊课粓F(tuán)隊(duì)成員的專業(yè)研究方向和興趣點(diǎn)不一樣，所以采取分工合作的方式制作生物物理學(xué)案例、實(shí)施團(tuán)隊(duì)分章節(jié)授課，這樣使得案例教學(xué)顯得更為專業(yè)、生動(dòng)，導(dǎo)向性更科學(xué)。隨著案例教學(xué)的逐步開展，案例庫已初步成型，以“引入生物物理知識(shí)構(gòu)建生物類專業(yè)大學(xué)物理課程教學(xué)典型案例庫”為題的教改項(xiàng)目已經(jīng)獲得２０１１年度西北農(nóng)林科技大學(xué)校級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目的支持，同時(shí)構(gòu)建的案例庫也將以光盤資料的方式隨新版的高教社《大學(xué)物理學(xué)》教材一同出版發(fā)行。隨著案例庫構(gòu)建和教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)的成功，筆者已經(jīng)嘗試把團(tuán)隊(duì)授課的案例教學(xué)模式推廣到全校。在參與的幾次全國性教改會(huì)議上，交流了我們的研究成果，得到了廣泛的認(rèn)可。

四、總結(jié)

總之，構(gòu)建案例庫的出發(fā)點(diǎn)是為了系統(tǒng)地開展案例教學(xué)，是為了通過案例把大學(xué)物理基礎(chǔ)課程內(nèi)容與生物類專業(yè)課程的學(xué)習(xí)結(jié)合起來，加深生物類專業(yè)學(xué)生對(duì)基本物理學(xué)概念、物理理論體系的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理知識(shí)的積極性。于此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)授課和案例教學(xué)的有機(jī)結(jié)合也是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的挑戰(zhàn)，為西北農(nóng)林科技大學(xué)及同類高校大學(xué)物理教學(xué)與生物類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。另外，把生物物理知識(shí)引入生物類專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生打破固有思維、實(shí)現(xiàn)理論和方法的交叉創(chuàng)新的能力，而且對(duì)物理教師服務(wù)并融入專業(yè)學(xué)科提供了一個(gè)發(fā)展契機(jī)。隨著教師團(tuán)隊(duì)的發(fā)展和課程建設(shè)的深入，物理學(xué)與生物學(xué)之間的關(guān)系將會(huì)變得更為密切。

作者：朱杰 楊運(yùn)經(jīng) 王國棟 吳艷萍 單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院 西北農(nóng)林科技大學(xué)生物物理研究所