“生物物理學”教學內容與過程的改革與實踐探索

郝長春+孫潤廣

摘要：學科交叉是科學發展的大趨勢，物理學與生物學的交叉日益密切，一些高校在相關專業已經開設了生物物理課程。生物物理課程具有必要性、創新性、前瞻性且受眾面廣的特點，為了激發學生的學習積極性，課堂設計應具有一定的趣味性和應用性，進而促進學生綜合素質與教師業務水平的提高。本文在傳統教學的基礎上，從課程內容和授課方式上提出教學內容和過程的改革方向，并將其應用到教學實踐中，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：生物物理;交叉學科;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）43-0120-02

隨著教學科研的深入，學科間的交叉已經成為科學發展的必然趨勢[1]，成為探尋科研前沿創新方向的重要途徑。生物物理學是物理學與生物學相互結合產生的一門交叉學科，它是研究生命物質的物理性質、生命過程的物理學與物理化學規律以及物理因素對生命系統作用機制的一門新興學科。目前生物物理學引起了一些高校物理和生物專業人員的普遍重視，并且許多已經引入生物物理學課程[2]。筆者在生物物理教學實踐過程中發現用傳統的教學方法講解課本上的內容和知識對于單一學科（生物專業或物理專業）的大學生來說，由于在某一方面有所欠缺，所以接受課堂知識有些困難，這就需要教師在課堂上注意授課內容的傳授方式和課堂氣氛的調節，從而激發學生興趣，只有這樣學生才能在興趣的引導下，下功夫學習相關知識。課程教學實踐過程中主要通過教學內容多樣化和應用趣味化、多媒體教學等方面進行了探索，學生反應較好并取得了一定的進展。具體實施內容如下。

一、教學內容構建與拓展

本文按照生物物理課程不同章節進行闡釋和拓展，以期達到激發學生興趣、培養學生自主意識和創新能力的目的。

1.生物物理緒論章節講授生物物理學科建立的背景、意義、發展，使學生具有拓展科學知識視野的認識，了解生物學與物理學交叉產生生物物理學的過程，詳細介紹生物物理包含的分支，學科的交叉將給整個自然科學的發展帶來嶄新的局面。同時可以拓展介紹我國生物物理學科發展的現狀，生物物理學科奠基人貝時璋院士創辦中科院生物物理所以及其他高校生物物理的開設情況，讓學生有個總括的認識和了解。

2.分子生物物理主要是運用物理學理論和技術研究生物大分子的結構及其構象變化、分子內部以及大小分子之間的相互作用、生物體系中能量的狀態等。主要內容包括：蛋白質的結構測定、核酸的結構變化以及維持DNA雙螺旋的力（氫鍵、疏水作用力、范德華力等）、維持生物分子構型和構象的熱力學基礎等問題，通過基本知識的講解可以拓展討論轉基因食品的安全以及危害，通過調研相關文獻讓學生對此進行深入了解，從而加深知識的靈活性。

3.膜與細胞生物物理主要包括生物膜的組成成分（脂、蛋白、膽固醇等）、分類（甘油磷脂、鞘磷脂、糖脂等）、膜的特性（不對稱性、流動性、選擇通透性等）及膜上的分子特征，重點介紹生物膜模型的認識演化過程（三明治模型、板塊模型、流體鑲嵌模型、脂筏微區模型等）和生物膜分子結構與生命疾病過程的關系（膜脂筏微區結構變化與老年癡呆癥、糖尿病等的關系），從理論到現實生活相結合達到全面了解和掌握。

4.神經生物物理主要包括神經生物物理的發展簡史、研究目標和發展方向、神經元電生理模型和動力學模型及神經元間的通訊方式，了解神經元、靜息電位、動作電位的產生機理和特性，學習噪聲作用下兩個FitzHugh-Nagumo神經元的同步活動，得到頻率同步活動和噪聲強度、耦合強度的三維關系圖。引申介紹神經系統在人生命活動及感官功能方面的作用，達到綜合理解神經系統生理過程。

5.自由基生物物理介紹自由基基本概念、自由基產生、性質、反應、自由基的研究方法（電子順磁共振、超微弱化學發光、超氧陰離子和過氧化氫的測定及相關酶活力的測定等）、體內活性氧的產生及自由基對人體的危害等方面。通過學習自由基生物物理讓學生了解人類衰老與自由基的關系、自由基與健康的關系、自由基與人類疾病的關系，如何降低自由基對人體的傷害，指導合理的飲食及生活習慣配合，并攝取相應的食物來降低自由基和抗氧化，從生活角度啟發學生思考，激發學生興趣等。

6.感官生物物理主要包括耳朵的結構（耳廓、外耳道、鼓膜、聽骨鏈、咽鼓管、耳蝸、前庭器官）、聽覺的過程、聲壓聲阻抗的定義;視覺產生的原因與物理凸透鏡成像關系、眼睛的結構（角膜、房水、晶狀體、鞏膜、脈絡膜、視網膜、玻璃體、視神經）、近視眼和遠視眼的原因及防治等;嗅覺味覺產生的機理等知識?？梢砸杲榻B助聽器的應用、最先進的視覺生成器治療技術及味覺和嗅覺的阻遏和拓寬應用，使學生在該領域有個全面的了解，為物理原理在生理過程中的應用奠定基礎。

7.血液流變生物物理學內容包括血液的成分組成（血漿、紅細胞、血小板、白細胞）、血液的理化性質（比重、滲透壓、pH值、電特性）、影響血液粘度的因素（剪變率、紅細胞壓積、紅細胞聚集、紅細胞變形、血漿粘度）、血液的本構方程（卡森方程）、血液中紅細胞、血小板、白細胞的流變性知識（流動性、粘彈性），拓展介紹人類血液疾病例如白血病的產生原理及治療途徑和方法，使大學生對該領域內容有全面的了解。

8.光生物物理主講光在光合作用中的作用及循環、針對光對生物的作用衍生出的熒光粉以及熒光產生的原理，結合原子核物理知識揭示電子軌道躍遷產生熒光的機理;講解熒光過程捕獲，影響熒光強度的因素（濃度、環境、溫度等），熒光壽命的概念及應用;相對應的磷光的知識及生物大分子能量和能量轉移的應用方面，介紹生物分子的熒光機理，蛋白質、核酸的發光基團特性，歸納總結熒光分子的共同特點，闡釋熒光磷光在生物物理實驗過程中的標記和應用。拓展介紹激光在生物儀器如激光共聚焦顯微鏡中的應用，激光在農業育種、殺蟲除草中的應用以及激光在現代醫學美容中的應用，例如激光祛斑，、眼部手術等知識，使同學從日常生活出發，學有所用，激發興趣。

9.輻射生物物理中簡介輻射源的種類（天然放射源、人工輻射源），表征輻射的物理量（放射性活度、照射量、吸收劑量、劑量當量、傳能線密度），射線對生物機體的傷害原理（直接作用和間接作用），如何防護等。拓展介紹人類歷史上烏克蘭切爾諾貝利核事故，然后再結合日本大地震導致的福島核電站等背景知識來使本章知識生活化，讓同學們科學認識核污染以及防范措施。

10.電磁生物物理的主要內容包括生物電磁效應、生物分子在電場和磁場中的排布和取向，拓展介紹心電圖、腦電波、磁療儀等醫療設備的工作原理和生物物理的關系，使學生學到的知識得到應用，激發學習興趣;

11.生物物理新技術新方法中主要講光學顯微鏡系統的發展、物理光學的應用、光譜技術的原理（紫外、紅外、拉曼、圓二色）等技術，介紹研究生物分子的儀器原理及應用例如X-射線技術、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡、核磁共振成像等。

二、教學過程的實踐

傳統的教學方法對于交叉學科來說效果通常不是很明顯，學生最初積極性會很高，但是隨著知識的深入，逐漸會變得冷淡。面對此種問題一定要注重教學中教與學的雙方交流，激發教學雙方的主動性，可以通過相關課程視頻進行多媒體解讀、分析活躍課堂氣氛，得到教學相長[3]，例如可以選取“貝時璋生平”、“核輻射危機”、“手機輻射實驗”、“人體衰老密碼”等相關的視頻進行短片分析，這樣就可以達到教師和學生互動，鍛煉同學分析問題、歸納問題的能力。同時在電磁生物物理章節還可以通過實驗檢測手機基站周圍輻射強度以及手機在信號和電量不足時輻射的強度變化探討電磁場對生物體的作用等實驗來分析，讓學生真正參與到課程教學中，達到互動，培養學生解決問題的能力，從而提高大學生的綜合素質[4]。

除了多媒體應用以外，課堂還可以進行互動的教學模式。針對某一章節設立主題探討小組，精選案例分析，讓學生真正參與到課堂活動中，發揮其積極性，這樣學生就會查閱很多資料和參考書，增添了學習的樂趣。例如在電磁生物物理拓展知識心電圖介紹中，同學在體檢時就會特意留意觸頭的部位，了解其工作原理，學以致用，寓教于樂。

三、展望

生物物理課程的構建可以培養學生多元化的背景知識，培養創新精神，激發學習興趣，促進學科交叉，對提高大學生的綜合素質具有非常重要的意義。在課堂教學過程中一定要注意知識的積累和啟發，貼近生活，這樣課堂內容才會生動有趣，達到學以致用，才能實現跨學科學生培養的目的，才能在科學理論和技術創新領域取得一定的進展和突破。

參考文獻：

[1]鄭亞輝，李奇楠，羅旺，任曉輝.地方高校物理專業引入生物物理課的必要性研究[J].高師理科學刊，2013，33（5）：114-117.

[2]李永鑄，李清玉.對公選課“生物物理技術與方法”的實踐探索[J].西南林學院學報，2002，22：48-50.

[3]童家明.生物物理技術課程教學方案的構建與實踐[J].西北醫學教育，2004，12（2）：132-133.

[4]李春華，張小軼，王存新.生物物理課中“互動式”教學方法初探[J].理工高教研究，2010，29（1）：120-121.