一、生物類專業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建需要一定的針對性，只有準確地把握生物類各個專業的學科內容與專業特點，才能挑選出合適的教學案例，以便讓不同專業的學生能夠關注到生物類專業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學生后期學習與研究的基礎性和重要性作用。面對這樣的問題，學校應注重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建，讓教師團隊成員都具有一定的生物學研究經歷，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新設計；再次，教師的授課對象應以創新實驗學院、生命科學院、動物科技學院、動物醫學院的生物類專業學生為主，通過將課程論文和報告引入到大學物理教學環節中，讓學生最大程度地參與到教學過程中，充分展現學生的學習訴求；最后，學校要加強與相關專業教師的溝通，了解學生后續課程的教學內容以及教師的科研狀況，梳理出生物類專業學生后續學習與科研工作的重點。

綜合前期的調研，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”國家級規劃教材《大學物理學》中有所體現，并將在２０１３年的教材修訂版中有所加強，但這部分教材內容依然強調物理學基礎理論的講授。以此為基礎，任課教師根據自身的專業特長，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學生的協助與參與下，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、動物醫學和人體醫學方面的應用實例。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教學中使用。

教師根據選定的案例，調整具體的教學內容與教學計劃，并據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。為實現教學案例的動態更新并檢查案例教學的效果，筆者有針對性地制定了與調整后的教學內容和教學計劃相匹配的課后作業體系。首先，選定一些專業取向性較強的小型研究題目，考察學生獨立解決專業問題的能力；其次，在以多媒體技術為主的教學環境下，采用板書和教具演示相結合的教學模式，增加教學的互動性；再次，對新的教學方法進行及時的總結和反思，并對先前選定的教學案例和教學內容作相應的改進與完善。

二、生物類專業大學物理教學典型案例庫的構建

作為公共基礎必修課程，大學物理的基礎內容包含了力學、熱學、光學、電磁學、原子物理等內容。為體現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上引入高等數學來展現的，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中的應用。生物流體力學著重研究動植物體內生理流體的力學問題，如血液的剪切流動同血管內皮細胞的生長和形態有關，血液流動也總是同氧氣和營養物質傳輸、生化反應及信號傳導相聯系，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，有助于人們了解動物生理病理，對動物的繁殖育種和增產增質具有積極意義；對于人體而言，血液和淋巴循環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，血液粘度的大小和其流動的類型及生理病理狀態有直接的對應關系，這些介紹顯然要比用簡單的數學模型更有意思、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物質的交換和貯存，對這些液體在植物中的流動及其變化規律的研究將有助于農作物的澆灌、施肥、采光等一系列生產實踐，對農作物的抗旱、抗鹽、抗寒、增產增質具有實際的指導意義。這些常見的生物流體力學現象極大地激發了學生的學習興趣，有效地調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。

（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，組成蛋白質的多種氨基酸在水中能離解形成離子基團或表現出電偶極子的特性。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的一門邊緣科學。從電學介質的角度來看，生物物質或生物體具有電阻、容抗和感抗３大特性。采用生物電阻抗檢測技術，可以監測水果的采后生理情況，在水果的非破壞性監測中具有重要意義；同樣該技術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，其結果可作為篩選抗逆作物品種的參考。分子與細胞電泳技術的設計原理則能夠讓學生真正認識、理解和分析細胞、分子電泳的實驗結果，能夠根據實驗結果有效地改進實驗設計和數據采集模式，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。關于電磁場的生物學效應問題是另一個激發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、蛋白質活性、生物膜通透性變化等多方面的基礎研究。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，相關的基礎理論在大學物理學習甚至在物理學專業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，很容易調動起學生學習的積極性。基于學校的專業特點，筆者結合自身的研究經歷，向學生介紹了倉儲昆蟲音頻檢測裝置的研發過程，包括裝置研發的科學意義、實驗設計原理、實驗的困惑和誤區、試驗成功的經驗等，讓學生認識到聲學在農業生物學應用上的重要性。另外，筆者從超聲入手，向學生介紹超聲檢測（如Ｂ超）、超聲治療（超聲手術、聲動力學療法）、超聲清洗／殺菌等知識在生物學中的應用，有效地吸引了學生的注意力。這些生活常識、生產經驗與研究成果在現象上都與學生的專業背景有較好的匹配，在物理機理上又與機械波的物理特性有密切的聯系，通過生物聲學和超聲生物學的介紹，學生對機械波的產生、傳播及其與介質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用，因此筆者首先從介紹光與物質相互作用的光生物學和現代光學技術的生物學應用實例入手，讓學生感覺到自己離光學很近，然后向學生介紹二者所包含的物理學基礎知識，讓學生學會從現象看本質的學習方法，調動學生的學習積極性和主動性。除了激光外，在光學領域最引人入勝的就要數同步輻射光源，目前絕大部分的蛋白結構的解析都是在同步輻射光源上進行的，而相關的結構生物學研究在植物學、動物學、動物醫學、人體醫學、藥學研究領域有豐富的應用實例。筆者結合自己的研究經歷，向學生詳細介紹了同步輻射的基本原理、實驗設計、安全設施、工作模式等，并在課后讓具有同步輻射工作經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境中，對人類的生產、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，人們總在設法規避傷害。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研究農作物生產過程中營養物質的合成、運輸、貯存和代謝的路徑，這將對作物生產過程中的環節進行人為控制，以保證糧食的安全和質量。另外，輻射育種技術是實際的農業生產中應用最廣泛的輻射生物學技術，該技術可以用于農作物的品種改良。當前我國的載人航天事業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，容易引起學生的關注。

三、生物類專業大學物理教學典型案例庫的使用效果

在教學過程中構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建一定數量和質量的案例素材。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新實驗研究，已申請相關的試驗計劃２０余項。典型教學案例的構建和案例教學法的實施，有效地促進了教學團隊的建設。因為每位團隊成員的專業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、實施團隊分章節授課，這樣使得案例教學顯得更為專業、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建生物類專業大學物理課程教學典型案例庫”為題的教改項目已經獲得２０１１年度西北農林科技大學校級教學改革項目的支持，同時構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》教材一同出版發行。隨著案例庫構建和教學團隊建設的成功，筆者已經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

總之，構建案例庫的出發點是為了系統地開展案例教學，是為了通過案例把大學物理基礎課程內容與生物類專業課程的學習結合起來，加深生物類專業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合也是對傳統教學模式的挑戰，為西北農林科技大學及同類高校大學物理教學與生物類專業學生的培養提供寶貴的經驗。另外，把生物物理知識引入生物類專業大學物理教學不僅有助于培養學生打破固有思維、實現理論和方法的交叉創新的能力，而且對物理教師服務并融入專業學科提供了一個發展契機。隨著教師團隊的發展和課程建設的深入，物理學與生物學之間的關系將會變得更為密切。

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