一、生物類專業(yè)大學物理教學案例收集的方法與途徑

生物物理學典型教學案例的選擇和構(gòu)建需要一定的針對性，只有準確地把握生物類各個專業(yè)的學科內(nèi)容與專業(yè)特點，才能挑選出合適的教學案例，以便讓不同專業(yè)的學生能夠關(guān)注到生物類專業(yè)科學知識中的物理學問題，并充分認識到大學物理知識和教學方法對生物類專業(yè)學生后期學習與研究的基礎(chǔ)性和重要性作用。面對這樣的問題，學校應(yīng)注重４個主要條件的積累。首先，學校的物理學教研室通過有計劃地加強生物物理學教師團隊的構(gòu)建，讓教師團隊成員都具有一定的生物學研究經(jīng)歷，對物理學和生物學的交叉學科亦有深刻的認識；其次，學校對公共基礎(chǔ)課程教學實施研究生助教助學的政策，這個政策有效地緩解了因“大班上課”導致的主講教師工作量大的問題，使得主講教師有更多的時間進行教學改革與課程創(chuàng)新設(shè)計；再次，教師的授課對象應(yīng)以創(chuàng)新實驗學院、生命科學院、動物科技學院、動物醫(yī)學院的生物類專業(yè)學生為主，通過將課程論文和報告引入到大學物理教學環(huán)節(jié)中，讓學生最大程度地參與到教學過程中，充分展現(xiàn)學生的學習訴求；最后，學校要加強與相關(guān)專業(yè)教師的溝通，了解學生后續(xù)課程的教學內(nèi)容以及教師的科研狀況，梳理出生物類專業(yè)學生后續(xù)學習與科研工作的重點。

綜合前期的調(diào)研，筆者有計劃地選取了生物流體力學、生物電磁學與電磁生物學、生物聲學與超聲生物學、生物光子學與激光生物學、輻射生物學等５個框架性主題，對生物學中涉及到的物理知識和研究方法作了簡單介紹。該部分內(nèi)容已在２００８年高等教育出版社版的普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《大學物理學》中有所體現(xiàn)，并將在２０１３年的教材修訂版中有所加強，但這部分教材內(nèi)容依然強調(diào)物理學基礎(chǔ)理論的講授。以此為基礎(chǔ)，任課教師根據(jù)自身的專業(yè)特長，分工合作，加強對典型案例的科學性、代表性和綜合性進行考究，在研究生助教和專業(yè)學生的協(xié)助與參與下，逐漸把５大框架性主題豐富起來，這５大框架性主題主要涉及到物理學在植物科學、動物科學、動物醫(yī)學和人體醫(yī)學方面的應(yīng)用實例。而且每個專題都要注意到研究對象和教學對象的擴展問題，每個主題都有多個可以選擇的案例，方便教師在不同的專業(yè)教學中使用。

教師根據(jù)選定的案例，調(diào)整具體的教學內(nèi)容與教學計劃，并據(jù)此修改通用的大學物理電子教案，教案多采用ＰＰＴ（含圖片）和小短片的形式，力求做到短小精悍。為實現(xiàn)教學案例的動態(tài)更新并檢查案例教學的效果，筆者有針對性地制定了與調(diào)整后的教學內(nèi)容和教學計劃相匹配的課后作業(yè)體系。首先，選定一些專業(yè)取向性較強的小型研究題目，考察學生獨立解決專業(yè)問題的能力；其次，在以多媒體技術(shù)為主的教學環(huán)境下，采用板書和教具演示相結(jié)合的教學模式，增加教學的互動性；再次，對新的教學方法進行及時的總結(jié)和反思，并對先前選定的教學案例和教學內(nèi)容作相應(yīng)的改進與完善。

二、生物類專業(yè)大學物理教學典型案例庫的構(gòu)建

作為公共基礎(chǔ)必修課程，大學物理的基礎(chǔ)內(nèi)容包含了力學、熱學、光學、電磁學、原子物理等內(nèi)容。為體現(xiàn)教學案例的代表性和針對性，筆者選取了生物流體力學、生物電磁學與電磁生物學、生物聲學與超聲生物學、生物光子學與激光生物學、輻射生物學等５個主題作詳細的介紹。

（一）生物流體力學

大學力學是在高中力學知識的基礎(chǔ)上引入高等數(shù)學來展現(xiàn)的，知識點上的新意性不多，生物流體力學的引入則能夠讓學生充分認識到力學在生物類專業(yè)中的應(yīng)用。生物流體力學著重研究動植物體內(nèi)生理流體的力學問題，如血液的剪切流動同血管內(nèi)皮細胞的生長和形態(tài)有關(guān)，血液流動也總是同氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)傳輸、生化反應(yīng)及信號傳導相聯(lián)系，這些信號能在一定層面上反映動物個體的生理和病理狀態(tài)，有助于人們了解動物生理病理，對動物的繁殖育種和增產(chǎn)增質(zhì)具有積極意義；對于人體而言，血液和淋巴循環(huán)是最典型的生物流體力學問題，與每個人的健康生活息息相關(guān)，血液粘度的大小和其流動的類型及生理病理狀態(tài)有直接的對應(yīng)關(guān)系，這些介紹顯然要比用簡單的數(shù)學模型更有意思、更能深入人心。而液體在植物導管和篩管中的傳導過程總是伴隨著無機和有機營養(yǎng)物質(zhì)的交換和貯存，對這些液體在植物中的流動及其變化規(guī)律的研究將有助于農(nóng)作物的澆灌、施肥、采光等一系列生產(chǎn)實踐，對農(nóng)作物的抗旱、抗鹽、抗寒、增產(chǎn)增質(zhì)具有實際的指導意義。這些常見的生物流體力學現(xiàn)象極大地激發(fā)了學生的學習興趣，有效地調(diào)動了學生的學習積極性，由此奠定了大學物理學習的良好基礎(chǔ)。

（二）生物電磁學與電磁生物學

生物電磁學和電磁生物學是生物電磁現(xiàn)象的２個不同方面。首先，生物體本身就是帶電體，絕大部分電荷以離子、離子基團、電偶極子的形式存在。細胞膜上的多種磷脂分子都存在離子基團或電偶極子，組成蛋白質(zhì)的多種氨基酸在水中能離解形成離子基團或表現(xiàn)出電偶極子的特性。這些電荷的運動和相互作用使生物分子保持一定的空間構(gòu)象，并行使各自特定的生物學功能。生物電磁學與電磁生物學是研究生物體的電磁特性以及在電磁場中的生物學效應(yīng)的一門邊緣科學。從電學介質(zhì)的角度來看，生物物質(zhì)或生物體具有電阻、容抗和感抗３大特性。采用生物電阻抗檢測技術(shù)，可以監(jiān)測水果的采后生理情況，在水果的非破壞性監(jiān)測中具有重要意義；同樣該技術(shù)還可用于研究作物葉片在不同逆境脅迫條件下的阻抗特性，其結(jié)果可作為篩選抗逆作物品種的參考。分子與細胞電泳技術(shù)的設(shè)計原理則能夠讓學生真正認識、理解和分析細胞、分子電泳的實驗結(jié)果，能夠根據(jù)實驗結(jié)果有效地改進實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)采集模式，也能對細胞和分子的電學特性有更直觀的了解和深層認識。關(guān)于電磁場的生物學效應(yīng)問題是另一個激發(fā)學生學習興趣的突破口，它主要涉及到植物光合作用過程中的光捕獲、電子傳遞、自由基活動、蛋白質(zhì)活性、生物膜通透性變化等多方面的基礎(chǔ)研究。這些材料的引入能讓學生直觀地感受到電磁場的作用是無處不在的，使得不易理解的電磁規(guī)律變得形象、學生的注意力變得高度集中。

（三）生物聲學與超聲生物學

聲波作為機械波，是典型的縱波，相關(guān)的基礎(chǔ)理論在大學物理學習甚至在物理學專業(yè)的學習中一直不是重點。如果教師只局限于介紹振動和波動的概念，學生將不會產(chǎn)生興趣。但如果教師從“昆蟲的鳴叫”“植物也能享受音樂”“不同動物對地震波的感知”“次聲與暈車”等聲學實例介紹入手，很容易調(diào)動起學生學習的積極性。基于學校的專業(yè)特點，筆者結(jié)合自身的研究經(jīng)歷，向?qū)W生介紹了倉儲昆蟲音頻檢測裝置的研發(fā)過程，包括裝置研發(fā)的科學意義、實驗設(shè)計原理、實驗的困惑和誤區(qū)、試驗成功的經(jīng)驗等，讓學生認識到聲學在農(nóng)業(yè)生物學應(yīng)用上的重要性。另外，筆者從超聲入手，向?qū)W生介紹超聲檢測（如Ｂ超）、超聲治療（超聲手術(shù)、聲動力學療法）、超聲清洗／殺菌等知識在生物學中的應(yīng)用，有效地吸引了學生的注意力。這些生活常識、生產(chǎn)經(jīng)驗與研究成果在現(xiàn)象上都與學生的專業(yè)背景有較好的匹配，在物理機理上又與機械波的物理特性有密切的聯(lián)系，通過生物聲學和超聲生物學的介紹，學生對機械波的產(chǎn)生、傳播及其與介質(zhì)的相互作用的理解得到了進一步強化，也為學生后繼光學部分的學習做了良好的鋪墊。

（四）生物光子學與激光生物學

由于波動光學的許多基本概念與原理都來自電磁學、機械振動與波動，所以筆者可將教學重點轉(zhuǎn)向光的吸收、散射、色散和偏振。光的這些特性在生物學研究中具有廣泛的應(yīng)用，因此筆者首先從介紹光與物質(zhì)相互作用的光生物學和現(xiàn)代光學技術(shù)的生物學應(yīng)用實例入手，讓學生感覺到自己離光學很近，然后向?qū)W生介紹二者所包含的物理學基礎(chǔ)知識，讓學生學會從現(xiàn)象看本質(zhì)的學習方法，調(diào)動學生的學習積極性和主動性。除了激光外，在光學領(lǐng)域最引人入勝的就要數(shù)同步輻射光源，目前絕大部分的蛋白結(jié)構(gòu)的解析都是在同步輻射光源上進行的，而相關(guān)的結(jié)構(gòu)生物學研究在植物學、動物學、動物醫(yī)學、人體醫(yī)學、藥學研究領(lǐng)域有豐富的應(yīng)用實例。筆者結(jié)合自己的研究經(jīng)歷，向?qū)W生詳細介紹了同步輻射的基本原理、實驗設(shè)計、安全設(shè)施、工作模式等，并在課后讓具有同步輻射工作經(jīng)驗的研究生助教對學生的問題進行解答，讓學生深刻認識到團隊合作的重要性以及當前所學知識的先進性與實用性。

（五）輻射生物學

輻射廣泛存在于人們的工作與生活環(huán)境中，對人類的生產(chǎn)、生活有著巨大的影響。這種影響總是包含有利和危害２個方面，對于有利的方面，人們一直在嘗試利用它來造福人類；而對于危害的方面，人們總在設(shè)法規(guī)避傷害。因此，筆者認為對于二者的了解將有助于人類合理使用輻射資源。如利用同位素示蹤原子技術(shù)研究農(nóng)作物生產(chǎn)過程中營養(yǎng)物質(zhì)的合成、運輸、貯存和代謝的路徑，這將對作物生產(chǎn)過程中的環(huán)節(jié)進行人為控制，以保證糧食的安全和質(zhì)量。另外，輻射育種技術(shù)是實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的輻射生物學技術(shù)，該技術(shù)可以用于農(nóng)作物的品種改良。當前我國的載人航天事業(yè)正在如火如荼地進行著，但其實航天員無時無刻都要面臨輻射的威脅，如果我們對太空的輻射環(huán)境沒有足夠了解，對航天員沒有做好輻射防護，那將會對航天員的身體造成巨大的傷害。這些事例非常貼近學生的信息圈，也是當前社會討論的熱點問題，容易引起學生的關(guān)注。

三、生物類專業(yè)大學物理教學典型案例庫的使用效果

在教學過程中構(gòu)建案例庫和實施案例教學是２個相輔相成的過程，要進行案例教學首先得構(gòu)建一定數(shù)量和質(zhì)量的案例素材。目前筆者的教學案例由過去的５０余條增加為２００余條，這使筆者有足夠的案例來進行更具專業(yè)針對性的案例教學。學生參與教學過程的積極性和主動性得到了大幅度提高，學生也在嘗試利用大學物理所學知識進行一些創(chuàng)新實驗研究，已申請相關(guān)的試驗計劃２０余項。典型教學案例的構(gòu)建和案例教學法的實施，有效地促進了教學團隊的建設(shè)。因為每位團隊成員的專業(yè)研究方向和興趣點不一樣，所以采取分工合作的方式制作生物物理學案例、實施團隊分章節(jié)授課，這樣使得案例教學顯得更為專業(yè)、生動，導向性更科學。隨著案例教學的逐步開展，案例庫已初步成型，以“引入生物物理知識構(gòu)建生物類專業(yè)大學物理課程教學典型案例庫”為題的教改項目已經(jīng)獲得２０１１年度西北農(nóng)林科技大學校級教學改革項目的支持，同時構(gòu)建的案例庫也將以光盤資料的方式隨新版的高教社《大學物理學》教材一同出版發(fā)行。隨著案例庫構(gòu)建和教學團隊建設(shè)的成功，筆者已經(jīng)嘗試把團隊授課的案例教學模式推廣到全校。在參與的幾次全國性教改會議上，交流了我們的研究成果，得到了廣泛的認可。

四、總結(jié)

總之，構(gòu)建案例庫的出發(fā)點是為了系統(tǒng)地開展案例教學，是為了通過案例把大學物理基礎(chǔ)課程內(nèi)容與生物類專業(yè)課程的學習結(jié)合起來，加深生物類專業(yè)學生對基本物理學概念、物理理論體系的理解，提高學生學習大學物理知識的積極性。于此同時，團隊授課和案例教學的有機結(jié)合也是對傳統(tǒng)教學模式的挑戰(zhàn)，為西北農(nóng)林科技大學及同類高校大學物理教學與生物類專業(yè)學生的培養(yǎng)提供寶貴的經(jīng)驗。另外，把生物物理知識引入生物類專業(yè)大學物理教學不僅有助于培養(yǎng)學生打破固有思維、實現(xiàn)理論和方法的交叉創(chuàng)新的能力，而且對物理教師服務(wù)并融入專業(yè)學科提供了一個發(fā)展契機。隨著教師團隊的發(fā)展和課程建設(shè)的深入，物理學與生物學之間的關(guān)系將會變得更為密切。

作者：朱杰 楊運經(jīng) 王國棟 吳艷萍 單位：西北農(nóng)林科技大學理學院 西北農(nóng)林科技大學生物物理研究所