生物物理交叉学科研究生培养模式探索与实践

乔晓艳 董有尔 王宏飞

[摘要]物理学与生物学交叉融合日益成为现代科学技术发展的重要趋势，交叉学科复合型创新人才培养随之成为研究生教育中的关键问题。文章从生物物理交叉学科研究平台建设、研究生创新能力培养、跨学科研究课程设置、交叉学科研究生导师团队设立等几个方面，系统阐述了生物物理交叉学科研究生培养模式以及实践中的具体措施与方法，对提高交叉学科研究生培养质量具有重要指导意义。

[关键词]生物物理 交叉学科 研究生培养 创新能力

当今，科学技术综合化、整体化的发展趋势日益明显，自然科学各学科间相互交叉、渗透，形成了一系列新兴的边缘学科、交叉学科和综合性学科。学科交叉融合成为了优势学科的发展点、新兴学科的生长点、重大创新的突破点，同时也是人才培养的制高点。进入21世纪后，随着生物科学的飞速发展，物理学与生物学的交叉成为一个重要趋势，物理学中的理论模型、实验技术和计算方法在生物系统中得到了广泛应用，一些具有创新性、对生命科学和医学发展有重大推动作用的物理新技术正是在跨学科研究中发展起来的[1]。因此，国外许多研究型大学纷纷成立了生物、物理和工程学的跨学科研究组织，并积极开展交叉学科研究生教育[2]。与发达国家相比，我国跨学科研究和研究生的培养处在一个起步阶段，相关的教育模式还没有形成较为完整的体系，存在很大的发展空间[3]。如何借助跨学科研究，使研究生教育与现代科技的交叉渗透整体化发展相适应， 是研究生培养工作中一个亟待解决和加强的课题。因此，本文以生物物理交叉学科研究生培养为典型研究范例，对交叉学科研究生教育模式进行深入研究分析，并阐述实践中探索的具体方法和措施。开展生物物理交叉学科研究生教育模式探索，有利于加强学科建设，促进传统优势学科物理学、光学和生物学的发展，培育和造就新的优势学科，催生新的研究方向；有利于培养和提高研究生的创造性，造就具有复合知识结构、能力与素质的创新人才；有利于师资队伍建设，促进具有多学科知识背景的跨学科带头人的迅速成长，为申请国家重大科技课题储备人才。

一、构建交叉学科研究组织和平台，发挥现有学科优势与特色

成立跨学科研究中心、交叉学科研究实验室等跨学科组织，以此学术组织汇集来自不同学科、具有不同知识背景的研究生一起开展科学研究和学术活动，促进不同学科间的实质性渗透、交叉和融合。美国许多著名的研究型大学，如麻省理工大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校等拟定了“Bio-X”计划，组建了跨物理学和生物学的研究中心，把物理学家和生物学家集中到共同的生命科学问题研究中去，以便更好地发挥物理学的思想、理论、技术和方法在生命科学研究中的作用[4]。北京大学成立了“前沿交叉学科研究院”， 开展生物、医学、物理学、工程学跨学科研究，培养交叉学科的复合型优秀人才，在交叉学科研究生培养方面做了有益的尝试[5]。

建立交叉学科研究组织和平台， 是开展跨学科学术研究的重要保障。在此方面，以我校光学国家重点学科和生物工程教育部重点学科为依托，建设了生物单分子操纵和光量子生物探测交叉研究中心；依托我校物理电子学科，建立了生物物理测量交叉研究实验室；依托信号与信息处理学科，建立了神经生物信息学交叉研究室。吸引物理学、生物学、电子信息等不同学科的研究人员和技术力量，引进了日本理化研究所蛋白质结构研究方向的科研人员，并以此跨学科研究组织为基础，申请国家重大研究课题、国际合作项目以及重大专项课题。以教师的科学研究项目为导向，组建了三个交叉研究学术平台：（1）生物光，以生物光子学与激光医学为重点，开展生物单分子操纵和光量子生物探测交叉研究，利用光学测量手段探测各种生命信息，研究生命系统中的光效应，开发新型生物光学材料和光生物传感器；（2）生物电，主要在细胞生物电、神经生物电以及生理电信号检测方面进行理论和应用交叉研究，以电子学、生物学、计算机科学、控制科学为背景，以脑-机交互和脑控机器人研究为重点突破，进行前瞻性、交叉性的基础应用研究；（3）生物磁，进行了生物弱磁测量和生物电磁效应的交叉研究，以生物弱磁测量方法和磁场对细胞膜离子通道特性影响的实验为突破，在理论方法和实验技术上进行生物物理交叉学科研究。这些学术研究组织和平台的建立，为研究生进入交叉学科前沿技术奠定了良好的基础，有效提高了研究生培养质量和效率。

二、凝练跨学科研究方向，培育新兴交叉学科生长点

由于生物物理跨学科研究内容十分广泛，包括：分子生物物理、膜和细胞生物物理、光生物物理、理论生物物理、神经生物物理、生物控制论和生物信息学、环境辐射生物物理、生物力学与流变学以及生物物理技术等九大方面[6]。因此，实践中需要认真提炼科学问题，凝练研究方向。根据我们现有物理学和电子学的学科优势和人才队伍，将生物物理交叉研究工作主要集中于四个方面（1）细胞生物电测量与物理因子的生物效应研究；（2）神经信息处理与脑-机交互（BCI）技术研究；（3）生物信息学研究（4）生物医学传感与检测技术研究。围绕脑控机器人、运动过程与大脑认知相关的脑-机交互中信号的传输、处理、控制技术及系统实现问题，开展神经信息处理与脑-机交互技术研究，在运动想象BCI信号处理与模式识别方法上取得了显著成果，研究生提出和完成的基于小波包熵和SVM的识别技术，获得了脑机接口竞赛数据处理的最优水平。围绕激光和弱磁诱导下，神经细胞膜离子通道门控动力学特性分析，开展了物理因子（光、电、磁、超声）作用的细胞生物效应研究。由于此方向研究平台建设和队伍建设相对较完善，并针对国内外前沿交叉技术提炼研究问题，结合我们在物理学和工程学科研究积累的优势，该研究方向的成果处于国内先进水平，培养的研究生被清华大学等国内一流大学录用。围绕生物信息学，开展重大疾病的蛋白质基因序列预测与识别，研究虚拟细胞，利用快速增长的生物数据库模拟细胞，从基因出发到细胞再到整个器官及系统，定量模拟生物体的结构和生理功能，为重大疾病的研究和治疗提供必要的信息和依据。目前，我们这方面工作刚刚展开，但应用前景十分广阔。由于我们根据现有学科优势、人才队伍、交叉研究前沿问题，凝练研究方向，培育交叉学科生长点，并制定切合实际的培养方案。因此，在相对较短的培养时间内取得了较大的成绩，研究生在国内外重要学术期刊上发表生物物理跨学科研究论文60余篇，被SCI和EI检索49篇，研究生申报科技创新课题，获得各种奖励数量明显增多，使我们的研究生教育和科学研究实现了“双赢”。

三、建立以问题驱动的跨学科研究方法，提升交叉学科研究生创新能力

科学研究始于问题，科学问题是科学探究活动的对象，并贯穿于探究活动的始终。应该特别关注交叉学科领域中科学问题的提出，鼓励研究生在生物物理学科交叉点上发现问题，训练研究生在文献阅读和研究探索中迅速发现不同学科边缘问题并能抓住问题实质的能力。同时，引导跨学科研究生与不同学科研究生之间交流各自领域的前沿问题和热点问题。这种研究有利于提升交叉学科研究的整体科研能力，加速交叉学科科研成果的应用。实践中，我们要求研究生在第一年学习阶段，将生物物理交叉领域取得的重大科技成果，如获得诺贝尔奖的蛋白质晶体衍射技术、离子通道膜片钳技术、核磁共振成像技术等，通过认真学习，充分了解交叉研究历史背景、反思研究过程之精妙，引导研究生拓宽思考问题的角度和解决问题的手段，激发他们的研究兴趣和热情，进而提高创新研究能力。经过一年的实践锻炼，我们的研究生在选题和开题时都能够非常自如地把握交叉研究问题，并创造性的提出解决问题的思路、方案和方法。

四、开设生物物理跨学科研究课程， 营造良好的交叉学科学术交流氛围

由于目前专业学科间的壁垒， 一些学生知识面狭窄，这与学科的纵深发展、学科的综合交叉极不匹配。因此，我们在交叉学科研究生教育中，根据交叉研究的方向，精心选择和开设跨学科选修课，已经成为提高研究生综合素质的一个重要举措。例如：增加了“细胞生物学”、“生理学”等与研究相关的补修课程，设置了“生物物理新方法与新技术”和“生物物理学前沿进展”等交叉课程，开设了“生物医学检测与信号处理”、“生物信息学”等选修课程。这些课程的学习，极大地丰富了研究生的跨学科专业知识，为交叉学科课题研究打下了良好的基础。此外，我们还邀请其他院校、研究所的专家进行学术讲座， 积极参与跨学科的学术交流。同时，鼓励研究生积极参与各种学术会议。这些学术交流无疑使研究生更加关注本学科与其他学科的交叉发展及前沿动态，开阔了他们的视野和研究兴趣，提高了跨学科研究能力。

五、成立跨学科研究生指导团队，保证复合型创新人才培养质量

在研究生培养上， 我国绝大多数高等院校和科研院所还是采用由一名导师指导若干名研究生的方法。跨学科研究生培养不仅要求横向意义上的交叉融合，还应包含纵向意义的覆盖，注重基础研究与应用研究的交叉。因此，实践中我们采取由导师系统指导与跨学科团队集体培养相结合的方法， 特别是新兴学科、边缘学科由导师和相关学科的教师联合指导研究生， 使学生不局限于某一导师的理论、知识，能够充分了解并运用各种新知识和新技术。在研究生指导中，采取了研究生每周汇报，由导师系统指导，并有生物学、物理学、工程学领域的跨学科导师团队参与共同指导。经过三年多的运作，取得了很大成效，不仅为不同知识背景的研究生提供了很好的学习交流机会，而且也为不同学科背景的教师提供了良好的交流和研讨平台，在讨论过程中，不断有学科交叉的新思想、新方法和新技术产生和碰撞，我们的许多科研课题正是在这种集体指导学生的汇报讨论中形成，研究生也在此过程中获得了从不同学科层面分析问题和解决问题的能力，保证了复合型人才培养的质量。

六、结束语

实践证明，我们的交叉学科研究生培养，突出发挥了现有学科的特色和多学科的综合优势， 有力地推进了学科间交叉融合与创新，促进了新的学科优势和特色形成，全面提升了交叉学科研究水平，为复合型创新人才的培养奠定了良好的基础。目前，对生物物理交叉学科研究生创新人才培养仍然在不断探索中，由于交叉学科研究生教育有别于传统单一学科研究生教育，而且随着科技和社会的发展，交叉学科研究生培养呈现越来越重要的地位。因此，对交叉学科研究生培养模式和方法的改革将会不断继续和完善。

基金项目：山西省研究生教育改革项目（编号：20112011）；国家级物理实验教学示范中心重点支持研究项目

[参考文献]

[1]刘仲林，赵晓春.跨学科研究：科学原创性成果的动力之源——以百年诺贝尔生理学和医学奖获奖成果为例[J].科学技术与辩证法，2005，22（6）：105-109.

[2]Suzanne A K. Interdisciplinary faculty development seminars： a model for learning emerging technologies while developing interdisciplinary partnerships [J]. Journal of Science Education and Technology， 2003，12（4）：426-429.

[3]李雪飞，程永波.交叉学科研究生培养的三种模式及其评析[J]. 学位与研究生教育，2011，8：10-14.

[4]熊华军.大学虚拟跨学科组织的原则、特征和优势——以麻省理工学院CSBi运行机制为例[J].高等教育研究，2005，26（8）：95-101.

[5]贾川.北京大学跨学科研究生培养分析[J].科技创新导报，2008，31：219-220.

[6]朱杰，王国栋.生物物理新技术与新方法教案的构建及其方法学探讨[J].高等理科教育，2007，2：54-57.

（作者单位：山西大学 物理电子工程学院 山西太原）