“生物鐘與健康”通識課程建設與思考*

王田

（清華大學生命科學學院，北京 100084）

1 課程建設的必要性

1.1 課程主題與人類健康密切相關

生物鐘是調控生物體節律行為的內在機制。地球上幾乎所有的生物，都具有生物鐘，以適應地球自轉帶來的環境周期性變化［1］。說到生物鐘，人們往往會想到生物鐘對睡眠的影響，但其實生物的很多節律行為，都受到生物鐘的調控。動物的節律性，主要表現為行為或生理活動的周期性，比如，睡眠-清醒周期、核心體溫和激素水平的周期性變化等，這些行為和生理活動上的周期性，受基因表達的調控［2］。在正常和極端環境下，生物鐘的紊亂都會影響人的身心健康，比如引發肥胖問題、增加患癌癥的風險、導致睡眠障礙、影響記憶和情緒等［3-8］。隨著人們對健康問題的日益關注，媒體上關于養生的文章層出不窮，自從“生物鐘的分子機制”這一研究成果獲得2017年諾貝爾生理學或醫學獎以來，媒體上介紹生物鐘對健康影響的信息也日漸增多。這些海量的文章良莠不齊，其中有不少科學性不足的文章，對不熟悉相關專業知識的人們造成誤導。因而，掌握生物鐘對健康影響的相關知識并提升對相關信息的鑒別能力，對從事各個行業的人來說都是必要的。這也與《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃綱要》（2021~2025年）中第四十四章“全面推進健康中國建設”部分，提出的“要加強健康教育和健康知識普及”相契合。在大學生這一群體中，主動或被動的熬夜非常普遍，以《中國睡眠研究報告2023》（王俊秀等，2023）中所示數據為例，在被調查的大學生樣本中，超過50%的被調查者經常熬夜，盡管超過85%的被調查大學生認同睡眠問題會導致健康風險，但仍有50%以上的被調查者未采取積極措施以改善自身作息。這一數據進一步說明了為大學生開設生物鐘課程的必要性。

1.2 國內外高校相關課程開設情況

“生物鐘與健康”通識課程建設的另一個出發點是其作為科學類通識課程的意義。通識教育和專業教育是高等教育中的兩個重要組成部分［9］。在高等教育通識課程中，科學類通識課程的意義，不僅在于知識的傳授，更在于科學思維的訓練和培養。以清華大學為例，基于“無專業門檻，有學理深度”的理念，截至2022年，學校已開設超過500門通識課程，這些課程分布于人文、社科、藝術、科學四大課組，對比于2001年的53門課程有明顯增長［10］。其中，生命科學以及醫學和藥學相關課程占比約為5%。

在這門課程開設前，清華大學并無以生物鐘為核心主題的課程，在國內外其他高校，開設的生物鐘相關課程也并不多，線下課程中規模較大的是由加利福尼亞大學圣地亞哥分校（University of California，San Diego）開設的生物節律（Circadian Rhythms）課程，課程每學期的選課學生超過300人。此課程具有如下特點：課程由多位具有生物節律研究背景的老師共同開展，其中半數以上課堂內容的展開是以學術報告的形式進行的，這種課程設計直觀地展現出了科學研究的具體過程，但各位授課教師的報告內容主要圍繞各自從事的研究內容展開，因而使得總體課程內容的呈現連貫性一般；課程內容建立在分子生物學和遺傳學基礎上，主要面向生命科學專業的學生，先修門檻較高，不具備通識課程的基本特征；課程選題圍繞動物、植物所呈現出的生物節律及其分子機制，與學生的日常生活聯系并不十分緊密，學生的代入感不強。另外，在國內外的公開課平臺上，以愛課程iCourse和Coursera為例，兩個平臺上分別有：浙江工業大學開設的“生物鐘與健康”課程，包括生物鐘基礎，生物鐘與睡眠、飲食、代謝、藥效五講內容，課程的分節授課內容要點如表1所示；路德維希馬克西米利安慕尼黑大學（Ludwig-Maximilians-Universit?t München）開設的生物節律課程“Circadian Clocks：How Rhythms Structure Life”，課程的分節授課內容要點如表2所示。

Table 1 Key contents of the Biological Clock course from Zhejiang University of Technology表1 浙江工業大學生物鐘課程內容要點

Table 2 Key contents of the Biological Clock course from Ludwig-Maximilians-Universit?t München表2 路德維希馬克西米利安慕尼黑大學生物鐘課程內容要點

通過比較和分析國內外高校同類課程的授課內容和授課方式，筆者決定打造“生物鐘與健康”這門與各行各業人群的生活、工作和健康息息相關，又充分展現生物學研究思維和方法的課程。

2 教學目標、學情分析和教學設計

2.1 教學目標

“生物鐘與健康”是一門面向全校學生的通識課程。課程的教學目標包括如下幾個方面：a. 在知識層面，使學生了解生物鐘的分子機制，掌握生物鐘影響人體代謝過程和認知功能的生物學原理；b. 在能力層面，使學生學習和感受科學研究的思維模式，培養學生對生命科學、醫學、心理學等多學科研究成果批判性分析和綜合理解的能力；c. 在價值觀層面，激發學生將生物學知識與日常生活相聯系的興趣，引導學生從科學的角度看待不同飲食以及作息模式，尊重自然規律，合理規劃工作和生活。

科學的進步造福于人類，而科學本身的發展與推動，也需要公眾的力量。掌握生物鐘相關的知識并具備一定的科學素養，對于未來從事不同行業的學生都有重要意義。人們對自身健康日益關注，但由于缺乏相關的科學知識和分辨能力，被偽科學所蒙蔽的事件屢見不鮮。比如，虛假宣傳夸大功效的保健品、瘦身藥、聰明藥等等，對一些民眾造成金錢和健康上的雙重傷害。因而，在大學期間，培養學生對相應知識的鑒別能力是必要的。

2.2 學情分析

2.2.1 選課學生的專業背景具有多樣性

課程面向全校學生，基于學生的專業背景，學生來源分為兩大類：具備中學生物學知識的來自非生命科學相關專業的學生，具備生物化學、遺傳學、神經生物學等生物學知識的生命科學及醫藥專業學生。非生命科學相關專業的學生，對現代生物學的基本概念以及研究方法了解有限；生命科學及醫藥專業的學生，盡管在專業課的學習中對生物學知識有一定的學習，但對影響生物鐘的具體機制并沒有系統地了解，對這些科學發現的具體歷程也并不清楚。因此，在無專業門檻地介紹課程基本知識的基礎上，課程重點圍繞科學發現的思維方法和歷程進行展開，既保證讓不同專業背景的學生都充分理解和吸收課程內容以契合通識課的定位，又保證課程的自由探索度，使各專業的學生能依據自身知識背景進行探索和嘗試，例如，建筑專業的學生可以調研和分析本專業學生及從業人員的作息狀況，或分析如何從建筑設計的角度有效利用自然光線以有助于居住者的健康作息，生命科學相關專業的學生可以深入分析課程涉及的科學文獻并與專業課程和科研探索相聯系。

2.2.2 學生對規律作息的執行力不足

生物鐘的話題與生活密切相關，學生通過媒體等途徑對生物節律異常會危害身心健康已有一定的認知。但一些媒體上信息的科學性不足，使學生對生物鐘相關知識的理解存在誤區。例如，認為規律地晚睡晚起不會危害身體，在日常生活中長期晝夜顛倒。也有一些學生的不規律作息是個人習慣導致的，例如，雖然知道熬夜危害健康，但對其具體生物學機制了解不充分，而難以改變自身的不良習慣。另外，有相當一部分學生由于課業壓力等客觀原因導致睡眠不足或生物鐘紊亂，這種現象在醫護人員等特殊職業群體中也比較普遍。

2.3 教學設計

基于教學目標和學情分析，課程的教學內容設計以生物鐘分子機制的發現（2017年諾貝爾生理學和醫學獎）為切入點，主要圍繞生物鐘與代謝的聯系、生物鐘對認知的影響兩個模塊展開。兩個模塊的展開思路分別是：生物鐘如何通過影響睡眠，進而影響食物的攝取和能量的儲存（代謝模塊）；生物鐘如何通過影響睡眠，進而影響記憶的形成和情緒的調節（認知模塊）。在這兩個模塊的開展過程中，穿插介紹生物節律異常對正常群體和特殊群體影響的實例。課程的教學內容以及其中涉及的學科及關鍵文獻示例如表3所示。同時，課程進展過程中，也將融入傳統文化中“日出而作，日入而息”等樸素的規律作息思想。

Table 3 Key contents of the course“Biological Clock and Health”表3 課程核心教學內容及其涉及的學科和關鍵文獻

在教學設計上，課程的創新性主要體現在如下3個方面。a. 打破專業門檻限制的同時體現課程學理深度。課程核心基礎知識的展開都圍繞關鍵科學文獻（例如，生物鐘分子機制中關鍵基因的發現，瘦素、胃饑餓素的發現歷程及其功能研究），通過分析這些科學文獻，教師引領學生回顧歷史上科學發現的關鍵時間點，思考和分析其中的邏輯線，激發學生探索科學問題的興趣；通過以時間線對科學研究成果的呈現，使學生感受到科學研究循序漸進的過程，促使學生以發展的眼光看待科學問題。這種教學設計是打破課程專業門檻的關鍵：科學發現邏輯線的梳理使得不具備相關專業基礎知識的非生命科學專業的同學能學習到基礎科學研究的思維方式；而對于生命科學相關專業的學生來說，可以通過詳細閱讀課程中涉及的相關文獻進一步提升自己的專業認知。b. 基于問題的學習，激發學生將理論聯系生活的熱情。課程的核心教學內容涉及代謝和神經生物學的知識，在每個核心內容的展開前，教師都以學生所熟悉的生活問題作為課程引入，例如“運動員的比賽成績同比賽時間有關嗎？”，隨后在課程展開的過程中進行核心內容介紹并對課程引入問題進行分析和解答，使學生體會到課堂所學知識與實際生活場景的密切關聯；課程在介紹代謝以及神經生物學基本知識的基礎上，重點討論相關過程出現異常時引發的代謝疾病和認知障礙，例如肥胖問題、抑郁情緒，進一步使學生感受到，課程內容與自身健康的密切聯系，激發學生自主學習的熱情。c. 從課堂內外多角度提升學生課程參與感，充分發揮學生的主觀能動性。教師在課堂內外踐行“以學生為中心”的教學理念［11-12］，關注學生的學習過程和課程收獲，充分調動學生的主體性。在課堂講授的過程中，教師注重課堂互動，以“雨課堂”問題和課堂提問的方式促使學生在課程進行的過程中積極思考，并及時了解學生的思考過程，實現思維可視化［13］；在課堂講授的基礎上，教師圍繞課堂內容選定相關主題，例如“酒精的攝入如何影響睡眠？”，讓學生進行文獻檢索、信息分析、以及匯報交流，充分發揮學生的主觀能動性去對特定知識做進一步的探索，并及時了解學生對課堂關鍵知識的理解程度；另外，盡管課程內容與健康息息相關，但教師在課程講述過程中避免結論性的說教，而是在分析科學事實的基礎上，引導和啟發學生對特定生活方式的利弊做自主判斷；在課程作業的設置上，教師指導學生對自身作息、飲食習慣等做監測和分析，以并不復雜的科學實驗激發學生對科學研究的興趣。

3 課程評價標準

知識的掌握和能力的提升是一個循序漸進的過程，因而教師在課程的評價標準設置中，既包含期末的綜合考查，也注重平時學習過程的及時反饋，實現評價標準的多元化。具體來說，課程的評價包括4個核心環節，課堂參與、課后作業、課堂展示和主題論文撰寫、期末論文。課堂參與部分占20%，在課堂核心內容的展開過程中，教師通過“雨課堂”問題設置，及時掌握學生對關鍵知識點的掌握情況，在每節課開始時，教師也會設置問題，幫助學生迅速回顧上次課的內容。作業部分占5%，作業內容是對自己某項生物鐘相關的生活內容（例如睡眠狀況）進行追蹤記錄和分析，自我追蹤記錄既促使學生增進對自身健康狀態的了解，又是課程對學生生活是否起到積極影響的直觀反映，同時，這種以自身為研究對象進行不復雜的科學探索，既有助于增加學生對科學研究的興趣，又能訓練學生的科學思維。課堂展示和主題論文撰寫部分占25%，是學生在理解課堂知識的基礎上，探索新知識并將其有邏輯地融入已有知識架構，進而實現深度學習［14］和提升學生科學素養的重要環節。課堂展示部分的主題由教師選定，所選主題與課堂講授內容緊密相關，學生根據課堂學到的知識進行自主學習，對相關文獻進行分析和整合，然后進行口頭匯報和班級討論，在口頭匯報準備的過程中，學生能夠了解自己對于課程關鍵內容的掌握情況，而在匯報展示和班級討論的過程中，也實現了對課程主題內容的延伸拓展。期末論文部分占50%，學生將利用課程中所學到的專業知識，去分析不同膳食和作息模式，并思考自身的生活方式對健康的影響。四個核心評價環節中，課堂參與、課后作業、課堂展示和主題論文撰寫都是在學期中進行的，因此，教師能夠及時了解學生對課程內容的掌握情況。

4 課程開課情況分析

4.1 課程覆蓋面廣，學生選課目的明確

課程目前已完成3個學期的開課，并入選“清華大學優質通識課程建設計劃”。課程的選課學生已覆蓋全校共27個院系，從選課學生的專業分布來說，以2021年春季和秋季學期為例（圖1），非生命科學及醫藥類專業的學生占比達到77.7%；課程已經歷的3次學生匿名評教環節中，本課程均位于全校同類課程的前50%。通過課堂調查問卷教師發現，學生的學習興趣和對自身健康的關注是選課的主要動機。學業壓力等原因使得熬夜和作息不規律的問題在大學生中非常普遍，以2022年秋季學期選課學生為例，教師通過課堂問卷調查發現：77%的選課同學認為自己睡眠一般或不太好（圖2）；不少同學表示，自己經常熬夜，也經?？吹桨疽共焕谏眢w健康的文章，但對文章的科學性和嚴謹性表示懷疑，希望通過課程學習看到更專業的科學研究成果來促使自己改變生活方式；也有一些非生命科學專業的同學，是出于對生命科學研究方法的好奇選擇了這門課程。

Fig.1 Major distribution of students who enrolled in this course in 2021圖1 2021年選課學生專業分布情況

Fig.2 Self-evaluation and report of sleep quality from students who enrolled in this course in Fall 2022圖2 2022年秋季學期選課學生對自身睡眠質量的評價

4.2 選課學生自述課程學習對改善自身生活習慣帶來積極影響

在學期初的課程問卷中，有相當一部分學生對自己的睡眠狀況不滿意。在課程進行過程中，學生完成的其中一項作業是對自己每晚睡眠時長進行不少于四周的監測記錄并提交。教師對選課學生的睡眠數據進行隨機抽樣分析（圖3）后發現：選課學生夜晚睡眠時長的個體差異較大，少則6 h，多則8 h以上；大部分選課學生的平均每周睡眠時長在學期中呈現波動性，可能原因包括每周學習任務強度的變化、是否臨近考試等。

Fig.3 Analysis of night sleep duration of students who enrolled in this course圖3 課程期間歷時四周的選課學生的睡眠情況

在學期末的課后反饋中，以2022年秋季學期為例，超過2/3的學生表示經過課堂知識的學習和作業實踐，自己認識到自身睡眠或飲食狀況的問題，并通過課程介紹的方法進行主動調節，生活習慣得以改善。

例如，來自建筑學院的一位同學表示，自己曾經“幾乎每天深夜都在系館中度過，直到凌晨三四點才冒著寒風騎車返回宿舍”，“那時白天的我無論灌下多少杯咖啡，都無法抵御洶涌襲來的困意和疲憊感”，通過“生物鐘與健康”課程學習，“現在的我愈發注重睡眠質量的改善，即使因為任務繁多不得不保持晚睡的作息，我也努力通過減弱睡眠期間的光照等方式保證睡眠質量”。

學生從課程中收獲的知識，不僅體現在自身行為的改善，也有不少同學將知識傳授給親人和朋友。例如，來自生命學院的一位同學表示，“在前兩年的專業課程學習當中，我很少去和父母、同學分享與我們生活與健康相關的知識，即使偶爾分享，也是單純地生硬地告訴他們結論，告訴他們書上就是這樣寫的?！镧娕c健康’這門課程，給我們提供了一個不止‘三言兩語的結論’，也非晦澀難懂的論文，而是能讀、易讀、而又不被輕視的科普范例，讓我們在生活的邊界學習知識，在知識的領域貼近生活。印象特別深刻的是，在課后我主動和父母分享了酒精對于睡眠的影響以及生物鐘與食欲的相關知識，他們接受良好也非常欣喜于我愿意給他們分享我所學習到的知識?！?/p>

4.3 學生對生命科學研究方法和意義的理解有明顯提升

不同專業背景的同學，從不同角度表現出對生命科學研究的方法和意義的理解。有工科專業的同學表示，通過課程學習，第一次直觀感受到動物實驗的研究成果對人類疾病研究的意義，理解了動物實驗在科學研究中的必要性以及基礎研究對醫學研究的推動作用；一些生命學院的同學表示，剛剛進入科研實驗室學習，為復雜而難以掌握的實驗技術感到焦頭爛額，而通過課程學習，看到這些技術對推動科學發展所起到的關鍵作用，在實驗室的工作也更加干勁十足。

從學生評教的結果來看，校級評價指標中“老師教學能讓我體會學科特點和思維方式”這一項，學生評價可選評分為1~7，分值越高代表學生對這一表述越認可。以2021年秋季學期為例，有74.3%的學生給出了7分（最高分），各有12.8%的學生給出了5分和6分。

5 課程的未來展望

從選課學生的反饋中可以看出，課程的教學目標已達到。結合學生的建議和教師本人的思考，課程未來的進一步提升可以從如下幾個方面入手。

5.1 進一步加強學生對科學研究文獻的閱讀和分析能力

科學類通識課程中，對科學研究文獻的閱讀和分析能力，對于提升學生對健康知識的鑒別能力至關重要，這也是教師在已有課程設計中非常關注的方面。在已有的課堂教學模式中，對學生這方面能力的訓練主要來自教師對于科學文獻的講解以及課堂展示同學對于科學文獻的課堂呈現，學生的總體反饋很好，特別是對于教師的講解過程，很多同學都表示對生命科學研究的思路和方法有了更深入的了解，而由于課堂展示的時間所限，只有一部分的選課學生能夠進行課堂展示。另外，基于已有的學生反饋，以2021年秋季學期為例，有38.5%的選課學生希望增加課程的挑戰度。因此，在課程未來的開展過程中，教師考慮增加課程總學時，并在課堂中引入更多的由教師或學生主導的原始科學文獻分析。

5.2 豐富已有的課程任務，以培養學生的科學思維

課程已有的課程任務中包括，要求學生對自身睡眠情況進行不少于四周的記錄和分析。未來教師計劃指導學生在課前、課程進行過程中、課程結束后進行“三段式”睡眠情況記錄，在此基礎上分析自身睡眠狀況，另外，在隱去選課學生個人身份信息以保證個人隱私的基礎上，指導學生對班級同學整體的睡眠狀況做分析。對自身作息情況的記錄分析，能使學生體驗到不復雜但有意義的科學探索，有助于培養學生的科學思維。相較于之前的課程設計，跨時間段更長的“三段式”睡眠自我監測，也將更充分地體現課程對于改善學生作息習慣所發揮的積極作用。

5.3 增加學生自主探索的話題和活動

課程自開課以來，一直有相當比例的國際生通過線上上課的方式遠程參與課程，以2021年為例，選課學生中有20%的國際生，這些國際生反饋，由于時差原因，學期中很多課的上課時間在當地深夜，長時間晝夜顛倒使得自身的身體和心理狀態都感受不佳。受此啟發，筆者考慮在未來的課程設計中，增加學生的自主探索活動，例如學生自主設計問卷調查對特定群體進行睡眠情況分析，或者結合手機使用情況的大數據分析，對特定區域人群的作息狀況進行調查。

5.4 保持小班教學的基礎上，通過線上課模式進一步擴大課程覆蓋面

課程每學期的課容量限制為60人以下，以小班授課的模式，保證選課學生的課程參與感。在今后的開課過程中，在保持小班授課的模式下，教師考慮增加大規模開放在線課程（Massive Open Online Courses，MOOC）、克隆班等遠程上課選項，使更多的學生從課程中受益。

6 總結

“生物鐘與健康”作為科學類通識課程，課程在教學內容和教學方法上的創新點體現在：課程的核心教學內容“生物鐘”是國內外大學已開設的通識課程中少有涉及的內容；課程雖為通識課，但在教學內容的展開上，均圍繞原始科學文獻，在保證課程的學理深度的基礎上，教師通過梳理科學研究過程中的邏輯線，為學生呈現原汁原味的經典科學發現過程，使課程兼具科學性和故事性，使得不同專業背景的同學都有所收獲。

課程開課以來，學生評教結果優異；選課學生的專業覆蓋面廣，學生未來的潛在就業方向多樣化，課程所學既能直接地對選課學生的日常生活帶來積極影響，又能對未來從事科學研究以及從事需要“倒班”或“值夜班”的特殊職業的學生帶來較長期的思考和影響。在課程未來的開展過程中，教師將進一步提升課程的挑戰度和覆蓋面，培養學生的科學思維，增加學生自主探索的空間。課程的開課經驗和思考，將會服務于更廣泛的學生和公眾群體。