生物学专业大学物理教学改革实践探索

摘要

大学物理是理工科公共基础课程。如何使该课程达到对专业的支撑，提高学生运用物理知识解决相关专业问题的能力，是大学物理教师必须面对和不容回避的问题。本文针对生物学专业大学物理课程怎样改革有利于提高学生的学习兴趣、有利于学生学会把物理学的知识运用到生物学专业上的问题，给出了改革的有效途径、方法和成效。我们的实践结果实现了在结构上体现了物理学与生物学的有机结合；在内容上引进了有关的生物现象和当代物理学与生物学发展的动态；在方法上体现了用物理学的方法处理与生物现象有关的物理问题；在效果上提高了学生的学习兴趣和运用物理知识解决与生物有关的物理问题的能力。

关键词 教学改革；大学物理教学；生物学专业大学物理

AbstractCollege physics is a public basic course of science and engineering. How to make the course support the majors for which we serve and improve students^， ability to use physics knowledge to solve related professional problems is a problem that college physics teachers must face and cannot be avoided. In this paper, the effective ways, methods and results of the reform are given in view of how to reform the college physics course of biology major is helpful to improve students^， interest in learning and help students learn to apply physics knowledge to biology major. Our practical results have realized the combination of physics and biology in structure, the introduction of the dynamics of the development of contemporary physics and biology in content, the reflection of using knowledge of physics to deal with physical problems related to biological phenomena in methods, and the improvement of students^， interest in learning and their ability to use physical knowledge and methods to solve physical problems related to biology in effect.

在科学技术迅猛发展的今天，自然科学的各个学科，明显地朝着综合的方向发展，新的边缘学科和交叉学科不断出现,传统的教学体系已不适应当前对人才培养的需要。正如２０１７年２月１８日教育部在复旦大学召开了高等工程教育研讨会，对新时期工程人才的培养提出了“新工科”建设^［1］以及《关于开展“新工科”研究与实践的通知》，指出的地方高校应对接地方经济社会发展需要和企业技术创新要求，培养出创新性和应用型人才，推动传统工科专业改造升级^［２］。因此，针对大学物理课程内容陈旧，教学方法死板，实践环节不被重视，考核方法单一，不同程度的脱离经济和社会发展需要，落后于当代科学文化的发展，我们要在调查研究的基础上，本着立足培养目标，着眼未来发展的原则，进行合理的教学改革。

1 为什么要改革

20世纪初期物理学发生了深刻的变革，尤其是相对论量子力学的诞生决定了20世纪科学发展的进程，20世纪30年代以后，物理学的概念和技术越来越多地渗入到其他自然科学领域，大大地加速了其他学科的发展速度以及科学与技术的发展速度。以生物学为例，量子力学的出现在亚细胞水平及分子水平，说明生物体系结构和功能关系成为可能，50年代正是由于把物理学的X射线技术引入生物学才确定了核酸的双螺旋结构奠定了分子生物学的基础；60年代前期技术的出现是观察活细胞的分裂和研究活的生物样品成为可能；而电子显微镜的出现则是研究细胞生物学不可缺少的技术手段。近年来生物科学和物理学的紧密结合和相互渗透，产生了一系列新型边缘学科，如分子生物学，分子遗传学，量子生物学，仿生学生物信息和控制论等。再如新工科，物理的最新科研成果直接促进了大数据统计、新型智能制造、网络科技、人工智能等高新技术的蓬勃发展。物理学的相关概念、方法和手段在其中发挥了重要作用。此外，在智能制造、大数据处理、人工智能等专业方向同样深刻涉及物理学中的经典和量子特性等方面，与物理学密切相关。未来科学和技术的进步，将更极大地依赖物理学以及与之相关的交叉学科的发展^[3]。新的学术思想、新理论、新知识不断地冲击着传统的教学体系，分析和总结一下我们的教学和教材现状，对照当代物理学与新工科和其他自然学科融合发展的水平和发展方向，必须调整传统的教学体系，才能适应学科的发展，适应时代的要求，从而达到我们的培养目标。当前，非物理专业大学物理课程教学现状和普遍存在的问题是：

1） 学生的物理基础参差不齐 

由于高考模式改革，使中学物理部分内容作为选修，致使学生对物理内容掌握不全面，导致进入高校以后学生的物理基础参差不齐，因此，一些物理课程，如大学物理开展起来比较困难^［4］。

2) 教学内容陈旧

基本上是20世纪30年代以前的水平， 80% 的内容是经典物理的范围，这些内容对前沿科学的涉及比较少，没有反映当代物理学的概念和实验技术，特别是已渗入相关专业领域的近代物理学的概念和技术。近代物理的内容也没有充分体现近几年高速发展的交叉领域的理念和思想，相关的物理模型没有得到进一步拓展和阐述^[5]。

3) 教学目的要求与教学内容严重脱节

大学物理大纲要求对于与专业联系紧密的物理现象概念和规律必须有进一步的了解，在教学中应尽量举一些与专业有关的物理现象。在实际教学过程中，讲授内容与专业知识严重脱节，根本没有反映上述要求，二者是彼此孤立的。

4) 教学课时与教学内容严重失调

大学物理内容多，知识面分布广。教育部高等学校大学物理教学指导委员颁布的《理工科大学物理课程教学基本要求》，建议大学物理的最低教学课时不低于126学时^[6]。而实际情况参差不齐，除文科 36学时外，其他专业的大学物理学时被严重压缩， 有110学时的，有的54学时，甚至有48学时的。很多学校大学物理只开设一个学期，周学时为２~3学时。

5) 对大学物理的重视程度不够 

非物理专业的学生认为《大学物理》不是他们的专业课，学习大学物理对他们的专业学习没有帮助，又和考研无关，所以重视不够，缺乏学习动力，满足于考试能过关就可以。另一方面，学校、学院对大学物理课程不重视，特别是在教学评比、评优、评奖以及教学比赛等方面重专业课程轻公共基础课程。

6） 教学方法重教轻学

教师对教学投入不足，忙于科研或心里想着别的，没有尽心尽责。教学方法上还是“填鸭式”或“灌输式”。物理教学中大部分时间都用来推导公式和反复的数学运算，虽逻辑严谨，却掩盖了背后的物理性质与意义，使得物理的味道丧失殆尽。导致学生缺乏兴趣和主动学习的积极性。另一方面，就物理论物理没有突出用物理的方法处理与专业有关的物理现象，对专业现象中涉及的物理内容无任何实例，无助于学生在专业现象中抽出物理的信息。

7） 教师数量有限，教师更换频繁

教师数量有限，很多高校的相似专业都采用合班教学的方式^[4]。教师更换频繁，教师难于固定在某具体专业上。因此，教师很难熟悉专业知识，更谈不上结合专业需要讲授大学物理。

8） 重理论轻实验

有的学校面向非物理专业开设的大学物理课程，基本不开设实验课，有的即使开设了，学时也非常少。学生的实验操作机会比较少，实践动手能力基本得不到提升。

9） 考核方式和评价标准单一

考核方式缺乏针对性，对学生的考核一般由平时成绩和考试成绩两部分构成，平时成绩由考勤和平时作业组成。无论平时作业还是期中、期末考试，学生始终离不开解题、知识点的背诵记忆^[6,7]。考核内容与课程目标严重脱节，不能体现物理知识与专业知识的有效结合，不能反映对科学思维、创新能力的评价。

2 怎样进行改革

 按照斯皮罗和乔纳生观点^[8]，这是应用大学物理中良结构领域知识来解决非物理专业领域的问题（非良结构领域），这应该是高级知识的获得方式。在大学物理学习期间，让学生在大学物理课程体系中去建构自己所面向专业的知识体系、技能体系和能力体系，是非物理专业大学物理课程改革的重要方向之一。在大学物理课程体系中，如何结合专业知识点、如何使大学物理服务于专业课学习，是改革的重点。  

本文以生物学专业大学物理课程改革为例。

改革首先要明确目的，其次是要确立改革的方法和步骤以及具体实施方案。

2.1 生物专业大学物理教学改革的目的

生物专业大学物理教学改革的目的：一是使大学物理教学适应生物学学科发展和专业需要，二是使学生有效地掌握物理学的基本原理和基本实验技能，学会处理与生物有关的物理现象，提高学生对物理学在生物学中的重要作用的认识，从而激发学生的学习兴趣，要实现这两个目的，在教学中做到：

(1) 在结构上体现物理学与生物学的有机结合。

(2) 在内容上更新知识，引进有关的生物现象和当代物理学与生物学发展的动态。

(3) 在方法上应体现用物理学的方法处理与生物现象有关的物理问题。

这样不仅能提高学生的学习效果，扩大学生的知识面，而且能够提高学生的学习兴趣，变被动地学习，为主动地学习，特别的还能提高学生对大学物理课程的认识。

2.2 改革的方法和步骤

2.2.1 调查、征求意见

为了掌握生物专业对大学物理课程的要求和对物理知识的需求，必须调查、征求各方面的意见进行研究。为了使收集的意见具有代表性，应首先征求生物学专业三、四年级学生的意见。因为他们已在二年级第一学期学完大学物理，到了三、四年级，在他们相继的专业课程中会逐渐用到所学的物理知识。因此，有直接的感受，而且体会也会很深刻。其次，还要征求生物学专业教师的意见。因为生物学专业的教师很清楚，在自己所教的专业课中用到哪些物理知识，以及他们在讲授这部分内容时的难点是什么。

学生们的意见是这样的：大学的生活已经过了三年，回想起在二年级第一学期学习的大学物理，有些同学已经淡忘了，有些同学却尝到了学好物理的甜头，……光学、电学、声学及热力学为我们对生物学的深入研究打下了基础；生物学的研究所需的一些技术，如电泳、光谱、色谱、质谱分析及离心技术等都与物理学有密切的关系……，然而，这些感受是我们在学习物理后很久才感受到的，所以希望今后的物理课能更多地与生物学联系，激发同学们的学习兴趣、更早意识到大学物理对学习生物学的重要性。

部分教师的意见：热力学第二定律，熵、无序有序的变化规律，以及信息论在生物学中有着重要的作用；电镜的基本原理所涉及的电磁学理论多讲一些；增加光谱及光学傅里叶变换以及晶体衍射等内容；增加物理学中的X射线、β射线以及紫外线对基因诱发突变的重要作用等。

通过调研表明：

(1) 物理学与生物学的紧密联系，应在教学中有意识地体现出来；

(2) 在大学物理教学中必须适当地引进与物理有关的生物现象，才能充分、有效地体现二者的密切联系；

(3） 生物学专业大学物理的教学改革不仅是值得的，而且是必须坚持做下去。

2.2.2 查阅生物学专业教材

为了进一步全面了解所讲的物理知识寓于哪些生物现象之中，必须查阅生物学专业的教材，并系统地把这些内容进行分析总结。在《人体与动物生理学》教材中，我发现有许多生理现象需要物理的知识来帮助解释，如生物电现象、血液循环、声音、能量代谢等等。就生物电现象而言，关于它的产生机制并不十分清楚，只是多数学者都接受霍奇金学派的离子学说。这部分内容在这门课程中是学生不容易接受的难点。不仅因为生物学方面的，而且也有物理学方面的困难。如“极化”的概念、“输运”的概念（生物学上也称运转），“电势差”的概念等，这些都是物理学基本的，而且也是重要的概念。特别像“极化”“输运”这类概念在物理学中也是学生较难理解的。因此，有必要把这部分内容总结整理出来，作为一个专题，首先在物理课中让学生们了解一下，在这个专题中重点突破来自物理上的难点，这样在他们将来学到这门课程时，可以把注意力集中到来自生物方面的难点，这样接受起来就容易多了。从而能够提高学生的学习效果。在《动物生态学》《植物生态学》以及《遗传学》中部分涉及到生命进化论的内容。这部分内容看上去好像与物理学没有什么联系。然而，这部分内容在历史上却引起了长达一个世纪的物理学家和生物学家的论战，而且在哲学上也是经常谈论的课题。生命的进化是从简单到复杂，从低级到高级，也就是说它的演化是越来越走向“有序”、走向“进步”。这与大学物理学中热力学第二定律的内容则刚好相反。热力学第二定律告诉我们：任何一个孤立系统，它的自发演化是走向混乱，走向平衡，表现为“退步”。为澄清两者之间的关系，消除历史上在这个问题上的误解，同时批判历史上的伪哲学家们，以此来制造混乱的丑恶面目，有必要把这两个内容总结一下，作为一个专题讲给学生。

此外，通过查阅《生物化学》《微生物学》《植物生理学》《普通动物学》《细胞生物学》《进化论》《分子生物学》《电子显微镜原理及应用》《生物物理》等教材，并结合大学物理内容，总结了12个专题，这些专题是：

(1) 离心技术

(2) 血管生理

(3) 输运现象物质通过质膜进出细胞

(4) 热力学第二定律与生物进化论

(5) 土壤水

(6) 生物电现象

(7) 电泳技术

(8) 生物磁现象

(9) 电子显微镜结构及原理

(10) 声音对生物体的作用

(11) 激光在生物学中的应用

(12) X射线在生物学中的应用

这些专题在生物学专业的大学物理课中讲过,效果很好。这些专题讲过以后，进行了问卷调查，结果表明：学生喜欢上专题课；在专题课上能学到有用的知识，并希望能坚持下去。如问卷调查中有的学生写到在物理学中引入物理生物专题，可以使我们对专业课的学习加深理解，有助于专业和物理知识的联系，从而为进一步探讨生物知识奠定基础，我们对这些内容非常感兴趣。如能再引入一些现代物理与生物的联系及科学前沿的课题将是锦上添花。又如，有的写道：物理与生物学有着内在的有机联系，因此引入物理与生物专题，相当必要，可算一大教学改革，使我们学到专业课中学不到的知识，促进我们对专业课的学习，对将来的电镜等很多课，都会有相当大的帮助。

2.2.3 重新制定教学大纲

为了实现教学改革的目的，把改革落到实处，基于以上的工作重新修订了大学物理教学大纲，把改革中有成效的内容写进新的大纲。新大纲主要有以下几点改革：

(1） 删除与生物专业关系不密切，又不影响其他教学内容的部分，特别是中学已学过的内容；

(2） 增设新内容和设置物理与生物专题。增设的内容主要是与物理学有关的生物现象，增设专题的目的是集中反映用物理学的方法处理生物现象中的物理问题，另一方面专题不固定，目的在于能及时反映当代前沿课题，寓科研与教学之中，培养学生的科研能力。

(3） 充分体现物理学与生物学的相互渗透，把生物学对物理学的需求渗透到每一部分，做到了每一部分每章都引进了生物学的内容，12个专题分散在每一章里。

(4） 引进信息化教学手段和课外实践活动，如参观电竞实验室等。

(5） 增设讨论课。对有些专题，由于学生在本专业中已学过，因此可以用学生来讲，大家讨论，教师总结的方式进行。

3 改革成效

通过改革，使学生们有了新的认识，课堂活跃起来了，课上课下都有学生争着跟老师讨论问题，特别是大部分学生对物理与生物专题表示极大的兴趣。我们的改革取得了如下成效（数据对比见表1）：

(1） 物理与生物专题的引入，使学生们真正深刻体会到物理学在生物学中的重要作用，从根本上改变了过去学生对物理学的认识，这样做比教师在绪论中强调物理学的重要性要有力有效的多。

(2） 学生在认识上有了飞跃，学习兴趣自然高涨，从而提高了学习效果;特别是对于提高学生的分析问题和解决问题的能力有极大的促进作用。

(3） 学到了在本专业中学不到的有用知识，开阔了视野，例如离心技术、电泳技术，不再是简单的机械操作，这里蕴藏着诸多物理知识的妙用。

(4） 编写了《物理与生物专题》讲义。

(5） 出版了《大学物理》（生物类专用）教材。

4 教学改革中几点体会

(1） 改革过程充满着艰辛的劳动，有苦也有乐，它既是一种创造性的活动，也是一种探索性的活动，它随时都面临着成功和失败的挑战，也面临着被理解与不被理解的矛盾，有支持的也有反对的。因此，在这个过程中要坚定信念，克服各种阻力，扬长避短，把改革坚持下去，经受实践的检验。

(2） 改革需要解放思想，有认识上的革新，还要有对未知不断探索的精神，例如当查阅生物专业资料遇到不懂的生物知识时，要敢于不耻下问，直到弄懂为止。

(3） 改革并不是一个人的事，它需要集体的合作，各方面的支持。就生物专业普通物理教学改革而言，它涉及的不单是任课教师本身，还有与之有关的部门、对象以及整个专业的教学体系。我们的教学改革之所以有所进展，是与有关的生物学教师、生物系和物理系两个学院领导以及生物教科办的大力支持和帮助分不开的。 

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基金项目:  黑龙江省新世纪高等教育教学改革工程项目。

作者简介:  吕树臣，男，哈尔滨师范大学教授，主要从事物理教学科研工作,研究方向为量子光学，[e-mail]。

引文格式:  吕树臣. 生物学专业大学物理教学改革实践探索[J]. 物理与工程，2021，31（6）：57-62.

Cite this article: LV S C. Practice and exploration of college physics teaching reform in biology major[J]. Physics and Engineering, 2021， 31（6）：57-62. (in Chinese)

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