“生物物理学”教学内容与过程的改革与实践探索

郝长春+孙润广

摘要：学科交叉是科学发展的大趋势，物理学与生物学的交叉日益密切，一些高校在相关专业已经开设了生物物理课程。生物物理课程具有必要性、创新性、前瞻性且受众面广的特点，为了激发学生的学习积极性，课堂设计应具有一定的趣味性和应用性，进而促进学生综合素质与教师业务水平的提高。本文在传统教学的基础上，从课程内容和授课方式上提出教学内容和过程的改革方向，并将其应用到教学实践中，取得了良好的教学效果。

关键词：生物物理;交叉学科;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）43-0120-02

随着教学科研的深入，学科间的交叉已经成为科学发展的必然趋势[1]，成为探寻科研前沿创新方向的重要途径。生物物理学是物理学与生物学相互结合产生的一门交叉学科，它是研究生命物质的物理性质、生命过程的物理学与物理化学规律以及物理因素对生命系统作用机制的一门新兴学科。目前生物物理学引起了一些高校物理和生物专业人员的普遍重视，并且许多已经引入生物物理学课程[2]。笔者在生物物理教学实践过程中发现用传统的教学方法讲解课本上的内容和知识对于单一学科（生物专业或物理专业）的大学生来说，由于在某一方面有所欠缺，所以接受课堂知识有些困难，这就需要教师在课堂上注意授课内容的传授方式和课堂气氛的调节，从而激发学生兴趣，只有这样学生才能在兴趣的引导下，下功夫学习相关知识。课程教学实践过程中主要通过教学内容多样化和应用趣味化、多媒体教学等方面进行了探索，学生反应较好并取得了一定的进展。具体实施内容如下。

一、教学内容构建与拓展

本文按照生物物理课程不同章节进行阐释和拓展，以期达到激发学生兴趣、培养学生自主意识和创新能力的目的。

1.生物物理绪论章节讲授生物物理学科建立的背景、意义、发展，使学生具有拓展科学知识视野的认识，了解生物学与物理学交叉产生生物物理学的过程，详细介绍生物物理包含的分支，学科的交叉将给整个自然科学的发展带来崭新的局面。同时可以拓展介绍我国生物物理学科发展的现状，生物物理学科奠基人贝时璋院士创办中科院生物物理所以及其他高校生物物理的开设情况，让学生有个总括的认识和了解。

2.分子生物物理主要是运用物理学理论和技术研究生物大分子的结构及其构象变化、分子内部以及大小分子之间的相互作用、生物体系中能量的状态等。主要内容包括：蛋白质的结构测定、核酸的结构变化以及维持DNA双螺旋的力（氢键、疏水作用力、范德华力等）、维持生物分子构型和构象的热力学基础等问题，通过基本知识的讲解可以拓展讨论转基因食品的安全以及危害，通过调研相关文献让学生对此进行深入了解，从而加深知识的灵活性。

3.膜与细胞生物物理主要包括生物膜的组成成分（脂、蛋白、胆固醇等）、分类（甘油磷脂、鞘磷脂、糖脂等）、膜的特性（不对称性、流动性、选择通透性等）及膜上的分子特征，重点介绍生物膜模型的认识演化过程（三明治模型、板块模型、流体镶嵌模型、脂筏微区模型等）和生物膜分子结构与生命疾病过程的关系（膜脂筏微区结构变化与老年痴呆症、糖尿病等的关系），从理论到现实生活相结合达到全面了解和掌握。

4.神经生物物理主要包括神经生物物理的发展简史、研究目标和发展方向、神经元电生理模型和动力学模型及神经元间的通讯方式，了解神经元、静息电位、动作电位的产生机理和特性，学习噪声作用下两个FitzHugh-Nagumo神经元的同步活动，得到频率同步活动和噪声强度、耦合强度的三维关系图。引申介绍神经系统在人生命活动及感官功能方面的作用，达到综合理解神经系统生理过程。

5.自由基生物物理介绍自由基基本概念、自由基产生、性质、反应、自由基的研究方法（电子顺磁共振、超微弱化学发光、超氧阴离子和过氧化氢的测定及相关酶活力的测定等）、体内活性氧的产生及自由基对人体的危害等方面。通过学习自由基生物物理让学生了解人类衰老与自由基的关系、自由基与健康的关系、自由基与人类疾病的关系，如何降低自由基对人体的伤害，指导合理的饮食及生活习惯配合，并摄取相应的食物来降低自由基和抗氧化，从生活角度启发学生思考，激发学生兴趣等。

6.感官生物物理主要包括耳朵的结构（耳廓、外耳道、鼓膜、听骨链、咽鼓管、耳蜗、前庭器官）、听觉的过程、声压声阻抗的定义;视觉产生的原因与物理凸透镜成像关系、眼睛的结构（角膜、房水、晶状体、巩膜、脉络膜、视网膜、玻璃体、视神经）、近视眼和远视眼的原因及防治等;嗅觉味觉产生的机理等知识。可以引申介绍助听器的应用、最先进的视觉生成器治疗技术及味觉和嗅觉的阻遏和拓宽应用，使学生在该领域有个全面的了解，为物理原理在生理过程中的应用奠定基础。

7.血液流变生物物理学内容包括血液的成分组成（血浆、红细胞、血小板、白细胞）、血液的理化性质（比重、渗透压、pH值、电特性）、影响血液粘度的因素（剪变率、红细胞压积、红细胞聚集、红细胞变形、血浆粘度）、血液的本构方程（卡森方程）、血液中红细胞、血小板、白细胞的流变性知识（流动性、粘弹性），拓展介绍人类血液疾病例如白血病的产生原理及治疗途径和方法，使大学生对该领域内容有全面的了解。

8.光生物物理主讲光在光合作用中的作用及循环、针对光对生物的作用衍生出的荧光粉以及荧光产生的原理，结合原子核物理知识揭示电子轨道跃迁产生荧光的机理;讲解荧光过程捕获，影响荧光强度的因素（浓度、环境、温度等），荧光寿命的概念及应用;相对应的磷光的知识及生物大分子能量和能量转移的应用方面，介绍生物分子的荧光机理，蛋白质、核酸的发光基团特性，归纳总结荧光分子的共同特点，阐释荧光磷光在生物物理实验过程中的标记和应用。拓展介绍激光在生物仪器如激光共聚焦显微镜中的应用，激光在农业育种、杀虫除草中的应用以及激光在现代医学美容中的应用，例如激光祛斑，、眼部手术等知识，使同学从日常生活出发，学有所用，激发兴趣。

9.辐射生物物理中简介辐射源的种类（天然放射源、人工辐射源），表征辐射的物理量（放射性活度、照射量、吸收剂量、剂量当量、传能线密度），射线对生物机体的伤害原理（直接作用和间接作用），如何防护等。拓展介绍人类历史上乌克兰切尔诺贝利核事故，然后再结合日本大地震导致的福岛核电站等背景知识来使本章知识生活化，让同学们科学认识核污染以及防范措施。

10.电磁生物物理的主要内容包括生物电磁效应、生物分子在电场和磁场中的排布和取向，拓展介绍心电图、脑电波、磁疗仪等医疗设备的工作原理和生物物理的关系，使学生学到的知识得到应用，激发学习兴趣;

11.生物物理新技术新方法中主要讲光学显微镜系统的发展、物理光学的应用、光谱技术的原理（紫外、红外、拉曼、圆二色）等技术，介绍研究生物分子的仪器原理及应用例如X-射线技术、原子力显微镜、扫描电子显微镜、核磁共振成像等。

二、教学过程的实践

传统的教学方法对于交叉学科来说效果通常不是很明显，学生最初积极性会很高，但是随着知识的深入，逐渐会变得冷淡。面对此种问题一定要注重教学中教与学的双方交流，激发教学双方的主动性，可以通过相关课程视频进行多媒体解读、分析活跃课堂气氛，得到教学相长[3]，例如可以选取“贝时璋生平”、“核辐射危机”、“手机辐射实验”、“人体衰老密码”等相关的视频进行短片分析，这样就可以达到教师和学生互动，锻炼同学分析问题、归纳问题的能力。同时在电磁生物物理章节还可以通过实验检测手机基站周围辐射强度以及手机在信号和电量不足时辐射的强度变化探讨电磁场对生物体的作用等实验来分析，让学生真正参与到课程教学中，达到互动，培养学生解决问题的能力，从而提高大学生的综合素质[4]。

除了多媒体应用以外，课堂还可以进行互动的教学模式。针对某一章节设立主题探讨小组，精选案例分析，让学生真正参与到课堂活动中，发挥其积极性，这样学生就会查阅很多资料和参考书，增添了学习的乐趣。例如在电磁生物物理拓展知识心电图介绍中，同学在体检时就会特意留意触头的部位，了解其工作原理，学以致用，寓教于乐。

三、展望

生物物理课程的构建可以培养学生多元化的背景知识，培养创新精神，激发学习兴趣，促进学科交叉，对提高大学生的综合素质具有非常重要的意义。在课堂教学过程中一定要注意知识的积累和启发，贴近生活，这样课堂内容才会生动有趣，达到学以致用，才能实现跨学科学生培养的目的，才能在科学理论和技术创新领域取得一定的进展和突破。

参考文献：

[1]郑亚辉，李奇楠，罗旺，任晓辉.地方高校物理专业引入生物物理课的必要性研究[J].高师理科学刊，2013，33（5）：114-117.

[2]李永铸，李清玉.对公选课“生物物理技术与方法”的实践探索[J].西南林学院学报，2002，22：48-50.

[3]童家明.生物物理技术课程教学方案的构建与实践[J].西北医学教育，2004，12（2）：132-133.

[4]李春华，张小轶，王存新.生物物理课中“互动式”教学方法初探[J].理工高教研究，2010，29（1）：120-121.