面向生物专业的大学物理课程改革与教学实践*

黄晓东，陈明东，邝 泉，廖继海，郑立贤

(华南理工大学物理与光电学院，广东 广州 510641)

0 引言

物理学在长期的发展历程中，形成了一套最全面有效的科学方法，实践证明，把这套方法和相关概念运用到自然科学的其他领域，甚至人文科学，都是卓有成效的[1]。该课程所教授的基本概念、基本理论和基本方法是构成学生科学素养的重要组成部分，是一个科学工作者和工程技术人员所必备的。另外，从学科交叉共融的现代科学发展趋势和需求来看，基础物理学应处在核心的地位，因此，高等院校理科与工科的所有专业，都应开设大学物理课程。

目前大学物理教学内容强调基础性，但没有很精细地考虑它与各专业对大学物理课程需求之间的协调问题，以至出现了非物理专业学生对其学习兴趣下降的情况。因此，将物理教学融入非物理学科专业基础课程是物理教学研究的重点问题。基于此需求，我们选取了本校生物科学专业展开试验。从生物学发展的角度看，当前的生物研究需要借助许多物理学的手段和研究方法，例如分子生物学需要显微技术，系统生物学需要非线性科学和统计物理，这些都扎根在基础物理当中，因此大学物理教学与该专业结合有重要的现实意义。通过寻求学科知识的结合点，我们从教学内容到考察手段方面，进行了若干新的尝试，以提升学生的学习兴趣和效果。本文将介绍我们在这方面的设计，提供给大学物理教学同行参考。需要说明的是，本文旨在介绍我们针对生物专业所进行的课程改革，对讲授内容的科学概念和细节不作过多的展开叙述。

1 课程内容

以下结合我们所在院校的大学物理课程内容（采用教材[2]）和学时设置，介绍与生物科学专业结合的内容点分布情况，见表1，其中力学、机械振动和波、波动光学、热学在大学一年级下学期安排48学时，电磁学、狭义相对论、量子力学在二年级上学期48 学时。教案所参考的文献也列于表中。

表1 大学物理教学内容及与生物结合点的分布情况

上述内容基于课程的基础知识点展开，具有良好的可行性。人（动物）的空中转体可基于刚体角动量守恒理解；医学常用的彩色多普勒超声的物理原理是多普勒效应；人眼分辨率和DNA 结构的提出可基于光的衍射理论进行介绍；耗散结构论中的负熵流、非平衡态、分岔结构等较新的概念可基于热力学熵、平衡态等基本概念进行适当理解；生物电效应是电磁场物理图像的延伸；基因突变可基于量子力学的能级跃迁做讲述。这些内容既不超出教指委要求的大纲范围，也能充分渗透到生物学领域，很适合面向生物学专业的学生进行讲授。

2 课堂教学

图1 择要展示了我们的授课内容课件。通过这样的设计安排，我们认为可达成如下的教学效果：

2.1 通过生物学问题，加深学生对相关物理知识的理解和掌握

例如通过生物力学（图1A）、彩色多普勒超声（图1B）、人眼分辨率（教材[2,4]附有例题）等具体的问题，引导学生更扎实的掌握角动量守恒、多普勒效应以及光的衍射效应这些物理知识和图像。值得向学生指出的是电子显微镜，其原理可基于光学仪器（人眼）的分辨率以及电子的波粒二象性进行理解，而电子显微镜正是生物科学常用的显微仪器，在新冠疫情发起之初我国的医学工作者及微生物科学家以之确定病原体，为全球抗疫做出了开拓性的贡献。

图1 与生物科学结合的授课内容。A.猫空中转体的角动量守恒（图片取自[3]）。B.彩超测量血流速率的理论。C.DNA的X 射线衍射图片（取自[9]）与其结构确定的历程。D.耗散结构论的基本思想（分岔图与颁奖词取自[6]）。E.生物电现象与电池的发明历史。F.基因突变的量子力学（以果蝇眼色为例）。能态示意图取自[8]。

2.2 建立学生广阔的学科视野

学生对非专业课程的学习兴趣不高的根本原因之一是在学科认识上存在壁垒，认为非本专业课程对自身专业学习的作用不大，我们从历年的课程满意度调查里发现了这一倾向。因此在理论课上，我们会强调指出，科学发展的历史上，生物与物理学有大量的学科交流和相互促进，例如X 射线衍射技术、耗散结构论、量子力学等物理学的技术和理论推动了生物科学的研究（图1C、1D、1F），而另一方面，生物学的研究也推动着物理学的进步，例如电池发明的契机就是生物电效应的发现（图1E）。通过这样的学科交叉式的讲述，可以让学生充分了解生物和物理两个学科——乃至自然科学的其他学科之间——交融发展的必要性和成就，从而建立他们广阔的学科视野。通过学科交叉发展而建立起交叉学科，也是当前教育部的一个重大规划，我们的这一教学设计正是符合这一趋势和需求的新尝试。

2.3 从物理学的角度介绍生物科学发展的侧面，拓展学生的专业知识面

对于生物科学的发展历程，生物专业有其自身的传授思路与方式，而在物理课上，我们可从物理学这个侧面评述生物科学的发展，例如量子力学对分子生物学、耗散结构论对生命演化等课题的贡献，我们在这方面的讲述有自身的学科优势，可以为学生了解本专业的发展提供有力的辅助，从而拓展他们的知识面，帮助他们更全面和深入的掌握自身的专业知识，这也正是我们为非物理专业开设物理课程的意义所在。

以上是我们在课堂教学环节的讲授内容介绍，这些内容契合了现代生物科学研究的前沿，为生物系学生呈现了物理学与生物科学的密切相关性，可以有效提升学生的学习兴趣。

3 演示实验

我们设计了4 个学时的演示实验环节，用以加深非物理专业学生对基本物理现象的认识。物理演示实验课是物理理论教学的一种补充，它是学生最简单、最直接获得物理知识的一种途径。物理演示实验是在观察物理实验现象的基础上，结合基本的物理原理，引导学生分析、抽象、概括和思维深化等，加深学生对物理基本概念和基本原理的理解，同时也帮助学生了解物理知识在生活、生产中的应用，以及培养学生的创新思维。

结合生物专业后续课程和生物专业基础知识的需求，我们在物理演示实验环节中设计了“偏振光与生物技术”（见图2A）、“声波与人类听觉”（图2B）、“电磁波与生物技术”（图2C、2D）、“可见光的衍射与人眼分辨率”等专题演示实验。在偏振光与生物技术演示专题中，论述了偏光显微镜在神经纤维研究中的重要作用[10]，演示了药物“盐酸左旋咪唑”（一种调节免疫的药物）的旋光性[11]，并举例了“海豚婴事件”与“沙利度胺”（一种镇静抗炎药物）旋光性及其药理性能的关系。声波专题中，介绍了人类耳蜗感声机制与弹性介质中机械波的传播和共振是同样的机理，并让学生感受气导与骨导的差别，这样就以生动的例子阐释了生物系统中的基本物理现象。

图2 与生物技术相关的演示实验。A.偏振光的生物学应用。理论讲述以介绍生物分子的手性和旋光性为主，实验部分是让学生利用旋光仪进行观察（课堂实况见图中照片）。B.声波与听觉的物理机制。理论部分主要讲述耳蜗感音的物理机制，即机械波的传播与基底膜的共振（匈牙利物理学家贝克西以该工作获得1961 年诺贝尔生理与医学奖）。实验部分是让学生感受骨传导和气传导的区别，加深这一物理认识（课堂实况见图中照片）。C 和D.电磁与生物技术。分别演示了手触电池和微波炉的机理。

专题演示实验的教学不仅强化了理论课学习的基本概念和基本理论，而且让学生充分认识到物理理论、物理技术对生物科学研究的支持作用，以及物理理论融合其它学科理论能有效促进新理论和新技术的发展。

4 考核评价

在课程考核评价方面，我们也做了相应的调整：在原有的期末考试基础上，增加了一篇课程小论文，主题是关于生物和物理学科之间的交融发展，具体内容由学生自定。

表2 是我们对其中内容分布的梳理情况。其中生物物理方面的综述和漫谈占主流（占总比的61%），此时学生们尚未深入到具体的专业知识学习，因此这一状况符合大学本科低年级学生的整体水平。在这些漫谈式的叙述中，多数学生描述了中学阶段对物理学的隔阂，而在进行了大学物理学习后对两者的交融有了新的认识，这表明我们这样的设计取得了正面的效果，今后可基于此作进一步完善。此外，学生对生物研究的技术方面有较高的兴趣，约18%的同学以综述或者介绍技术工具背后的物理学为论文内容，这些学生基本上都参与了本专业导师的课题研究，因此在这方面有较深的理解。另外在熵、医学物理、生物电、生物力学等生物物理主流课题上也有相当程度的覆盖。

表2 课程论文的内容统计

上述统计结果说明我们的教学内容设计具有一定的深度和广度，同时课程论文考核也呈现了学生的科学品位。这可为后续的专业课程教学提供参考意见，例如可在研究工具技术方面做更多的介绍因为学生对之兴趣较大，也可考虑加强生物力学、熵与生命等基础课题的讲述，有助于提升学生的基础科研兴趣与层次。

5 总结与思考

本文展示了我们在面向生物专业的大学物理教学实践中的改革设计及其教学成果。这些设计符合教育部教指委的教学要求，同时也触及了生物科学的若干基础和前沿课题，兼具可行性与专业性。通过这样的教学，可以提升生物专业学生对物理的学习兴趣，同时也展现了物理学在生物科学领域的重要应用，为本专业学生将来从事生物科学研究奠定了必要的科学素养和知识基础。

基于我们的教学实践，建议可将面向非物理专业的大学物理课程按如图3 所示程序开展。课程设计的核心在于内容的选取和讲述的深度方面的衡量。例如DNA 结构的确定需要诸如贝塞尔函数这种数学物理工具，耗散结构论需要可积系统、涨落耗散定理，更前沿的课题如生物膜物理、基因调控网络则需要更深层次的统计物理、非线性科学等专业知识，在面对非物理专业学生时，这些内容的涉及深度，需要根据学生的兴趣和水平做考量。另外在考核形式方面，除了考试与课程论文，是否有更丰富有效的形式进行考查及评估教学效果，也是值得进一步思索和实验的问题。希望目前我们的教学实践能为其他院校教学作为教学创新改革的参考，不断完善这一教学模式，促进非物理专业学生的科学素质培养。

图3 面向非物理专业的大学物理课程开展程序及需解决的问题。