中国医科大学物理课教学改革的思考与实践

目前，与国外相关医科大学和国内综合性大学相比，我国医科院校的物理课程学时普遍偏少，师资力量不足，难以保证高质量教学．同时，医学生普遍重视临床医学和基础医学课程，忽视普通基础课程的学习，限制了其综合能力的提高．针对上述问题，一些医科院校的物理系或物理教研室尝试对教学内容进行改革并取得了一定的成绩［1－5］：大连医科大学盖立平等利用探究性教学方法提高了学生学习影像物理的兴趣和动手能力［1］；首都医科大学刘志成等通过对医用物理实验教学的改革调动了医学留学生对于医用物理的兴趣［2］；广州医科大学颜红金尝试将医学物理学与医学课程相结合，提高了学生学习医学物理学的积极性和效率［3］．然而，上述医科院校较为重视物理、化学等基础课程教育并匹配了大量相关资源和设备．鉴于大部分医科院校的物理专业无法获得相匹配的资源，上述改革试点的成功经验尚不具备普遍性．因此，有必要对医科院校物理教学中的共性问题进行思考［4］，并通过实践探索应对上述问题． 1 医科院校物理教学的问题 与综合性大学的物理专业相比，医科院校的物理课更多地体现为医学科学服务，开设的课程多为医学物理或医用物理课．以中国医科大学为例，其物理学课程开始只有54个学时（五年制），且从2014年开始缩减为50学时．因此，很难在有限的时间内将物理学各个分支的内容系统性地介绍给学生，而不得不以较为功利化的“快餐式”教学方式为学生“介绍”包括流体力学、振动和波、声波、电学、磁学、量子物理等基本内容．学生对于各章节的公式、定理等具有恐惧心理，甚至采用学习解剖等医学基础课的方法学习物理，将课后习题“解剖”成若干关键词，并对应每个关键词背诵1～2个公式来应对计算题．有些学生产生了医学物理就是高中物理加上微积分的误解，对公式死记硬背，不求甚解，导致其无法掌握物理学作为基础学科的规律，充分地锻炼自己的逻辑思维能力和归纳总结能力．在考试中，几乎每学年都会出现考生做计算题时“搬入”完全不相干的公式，东拼西凑，应付了事．此外，受学时和教师专业背景的限制，课堂内容很难让学生体会出物理学与生命科学的联系，降低了学生对物理课的兴趣．因此，怎样充分利用有限的时间达到预期的教学效果是我们不可回避的一个问题．为了能够更好地为专业课服务，培养医科类人才，我们需要借鉴国外尤其是教育大国美国的物理教学的成功经验，结合自身实际合理选择教学内容，在授课过程中注重物理经典理论的整体性与日新月异现代科技的结合，激发学生的兴趣． 2 美国物理课教学特点 对于国内外的物理课程的教学，特别使医科院校物理课程的教学的研究和争论一直没有停止，而我国医科院校的物理课教学是否应仿效教育大国——美国的物理课教学模式也一直莫衷一是．诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生认为：“中国人学习物理是基于演绎法，即通过定理进行推演，比较适合物理考试．而美国人学习物理是从现象出发，归纳物理定律，适合科学研究．”国外的物理课教学有如下特点： （1）从现象、实验出发来讲物理．在课堂上可能以很长的篇幅做物理实验，通过实验现象得到物理结论．例如，美国萨克拉门托州立大学物理系教授保罗·彼得·尤荣（Paul Peter Urone）在讲授基于医学应用的物理时经常应用类比方法通过实验现象讲授物理原理．他在讲授血液通过毛细血管的现象及规律时，首先通过毛细玻璃管做类比，向学生展示水在毛细玻璃管中的润湿实验，通过毛细现象的介绍再来讲解血液在毛细管中的现象及规律［6］，这样将“枯燥”的理论知识通过实验操作展示给学生，能极大地调动学生的兴趣和主动性．但是，该方法对于仪器和设备有所要求，且实验时间较长，在中国国内全面开展和推广有困难． （2）理论联系实际，且有大量的实用精美插图．国外物理教材无论在原理部分，还是在例题、习题中，都联系了大量的事例．例如，美国的保罗·彼得·尤荣编写的《College Physics》中在介绍物理知识过程中列举了大量的医学应用和插图．比如其在黏性流体的泊肃叶定律相关知识的讲解中联系了冠状动脉粥样硬化中血液的现象和规律，提高了学生特别是医学生的兴趣．该教材略去了微积分等数学推导，有利于减小物理学习的难度．而诺贝尔奖获得者罗伯特·科尔曼·理查森（Robert C Richardson）等主编的《Physics》（Second Edition）在讲授重要物理概念和物理量时，首先使学生明白为什么要引入某个物理概念或物理量，之后再给出严格定义．在内容上省略了一些公式的证明，将更多的篇幅用于讲述物理学在生物、生命科学、医学等领域的应用．这些教材通俗易懂，深受医学生的欢迎． （3）Problem－based learning（PBL）教学法．PBL教学法是以教师为引导，以学生为主体，以问题为中心，通过解决问题来学习．1969年由美国的神经病学教授Barrows在加拿大的麦克马斯特大学首创，并在世界范围内得到了推广．首先，由教师提出问题．然后，让学生通过阅读相关的书籍、期刊，通过网络检索、分析和思考以及相互间的讨论和争辩，加深对问题的认识．这种教学方法能够将书本理论知识和实践活动中的具体问题结合起来，可以弥补传统教学的枯燥、乏味，充分调动学生学习的积极性、主动性和创造性，增强了学生分析问题、解决问题和适应实际工作的能力．PBL教学的目的就是在解决问题过程中学习知识，深化对问题的理解，训练学生正确的思维和推理方法．因此，国内医学界很多相关人士极力推崇PBL教学方法，该方法也成为目前最具发展前途的教学方法．目前，PBL教学主要是在医药类专业课程中使用和推广．1999年，波士顿大学将其应用在物理学中光学的教学中，并设定PBL课题成绩占物理总成绩的20%，具体实施方法如下：其在不同的工程专业领域的学生中选取9名学生作为一个实验小组，共两组学生进行了为期3个月的试验．首先，根据学生专业特点为其提出2个与工程物理学相关的课题，让学生独立或以小组形式进行研究和讨论．要求学生每两周提交课题进展报告并与指导教师讨论，在试验期限内提交课题解决方案．结果表明，试验组学生虽然没有经过教师课堂授课（8学时），但通过PBL课题研究已掌握光学相关知识；2004年，美国特拉华大学物理与天文系的George Watson和Barb Duch等老师开展了更为系统的物理学PBL教学研究．其设立了完善的问题数据库、教学模型、评价体系和在线资料．针对运动学、电学等领域提出10多个科学问题，并不分专业设立了学生研究小组进行相关课题研究．其特点在于将物理学切入学生感兴趣的领域，比如通过分析室内和室外田径领域两位世界短跑冠军成绩的运动学影响因素来讨论哪一个才是世界跑得最快的人，激发了学生的兴趣并提高了其解决问题的能力． 综上所述，国际上主流的教学方法均致力于理论联系实际，坚持从生活和科研中出发，在实践中学习和巩固理论知识，这其实与我国的传统教育理念，如“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”“学以致用”等是相一致的，也是目前我国教育科学改革探索的出发点．目前国内很多综合性大学已经将这些教学方法应用到日常教学过程中．但是，如何将国外先进教育方法与我国的医科院校具体实际情况相结合是目前大家讨论和探索的焦点． 3 教学改革的初步尝试 目前，我校在物理课程改革方面做了一些初步尝试． 3．1 教学内容问题的改革 我校的物理学课程只有50个学时，很难将物理学的每个分枝系统地介绍给学生．因此，如何充分利用有限的时间达到预期的教学效果是我们不可回避的一个问题．为了能够更好地为专业课服务，培养医学类人才，应合理选择教学内容，注重物理经典理论的整体性与日新月异现代科技特别是生物医学技术的合理取舍，我校物理教研室针对此问题做了如下调整： （1）精讲经典物理内容．普通的物理教学一般分为力、热、光、电、原子物理等部分内容，采用螺旋式上升的方式来传授知识．学生在初中、高中、大学都学习这5部分内容，不过内容的层次不断提高，深度逐渐增加．事实上，对于医学类人才某些经典物理学的内容掌握到高中的水平已经足够，没有必要花费大量课时深讲细究如经典物理的相关推导．基于这种状况，我们可以在教学中大胆地放弃某些和医学关联较小、对数学功底要求高、学生理解难度大的内容，比如理想气体分子动理论、热力学基本定律及熵增加原理、相对论基础相关公式、量子力学中薛定谔方程、混沌动力学基础等章节；利用有限的时间对医学生在今后的专业课学习中可能涉及的内容进行精细处理，如对流体、声波等章节的基本规律进行细致讲解，由于这些内容与医学联系较多，能够提高学生对物理学的兴趣． （2）强化近代物理基础，充实物理在生命医学领域中的应用．物理学是自然学科的基础，尤其是伴随着科学技术的不断进步，物理学和其他学科，如材料、信息、自动化、电子等学科的关系越来越紧密．随之而来的交叉学科对医学的发展起着巨大的推动作用．而如何使物理学的新发展更加迅速地在医学领域得到应用，解决医学中的问题，搭建物理与医学之间的桥梁是我们医科院校物理教师一直思考的问题．中国医科大学物理教研室在物理理论授课过程中安排了实验教学课，使学生能够近距离了解近代物理基础．比如，通过计算机可视化操作窗口使学生通过软件界面操作完成油滴实验、光电效应实验，加深了其对实验现象和原理的理解．此外，我们还设立了生物材料、心脑肺器官及血管系统动力学与流变学等研究方向，结合研究领域的内容开设了生物物理学、血液流变学和运动生物力学等物理类专业课程，强化了物理在生命科学领域中的指导作用． 3．2 授课方式问题及其改革 目前，中国医科大学的物理课面向包括七年制、五年制、留学生、高职、中专等各层次学生，师资力量严重不足．因此，目前授课方式多采用大班教学，且对不同群体采用了不同的授课方式．比如对七年制学生采用双语授课，对留学生采用全英语授课，对其他层次学生采用全中文授课．但是，这种方式同样存在很大的弊端．以给七年制学生授课为例，存在如下问题：（1）由于学生众多，很难在课堂上针对个性化的问题进行详细的解释；（2）多媒体教学的进度较快，学生很难消化知识；（3）双语教学中由于专业词汇量大，导致学生无法顺利理解物理知识的具体内容和内涵，从而无法体验物理的严谨与美感，物理学习演变为外语学习；（4）由于每位教师的授课量大，无法及时在课后与学生交流，使学生有很多问题无从下手，增加了学生对物理的恐惧；（5）在我校的教师中，科研负责人由于科研任务重，大多不愿承担教学任务．主要授课老师科研训练时间较少，很难为学生传递前沿理念．且由于职称评选需要严格的科研指标，导致很多擅长教学的老师不得不以大量的时间和精力投身于科研，导致教学质量的下降． 因此，需要对授课方式进行改革，通过采用多种方式的讲授既保证教学进度的完成，又可以个性化地对学生进行指导，提高学生的素质．具体的改革探索如下： （1）PBL教学与传统教学相结合．借鉴本校医学基础课程PBL授课的成功经验，在物理课的个别章节中尝试采用PBL教学．比如，在生物力学的讲授中，以口腔医学中全瓷冠修复体为切入点，提出全瓷冠与金属烤瓷在力学性能方面的差异、如何提高全瓷冠的力学性能等相关科学问题，适当给学生布置自学任务，鼓励他们直接在国外知名英文网站和本科室配备的相应教学课件中搜索相关知识，然后再在课堂以小组讨论、教师引导的形式得出正确结论．同时，通过对这些科学问题的总结，向学生传输一些课本上并未包含的一些前沿科学技术，比如纳米技术和3D打印技术，然后再以这些前沿技术为切入点，让学生研究这些技术在医学相关领域中的应用．这样，充分利用了网络资源补充了课堂教学的不足．学生对国外知名大学的学习情况有了一定程度的了解，既学习了知识，又开拓了眼界，养成了自主学习知识研究问题的好习惯，为他们今后的研究工作打下良好的基础．当然，根据我校的实际情况，要兼顾物理知识体系的完整性和学生的考试考核，上述PBL教学学时占总学时数不超过10%，其余部分仍采用传统的授课方式为学生讲授相关内容，完成既定的课程进度．因此，如何更好地协调PBL教学和传统教学的关系和比例仍然需要不断的探索． （2）科研与教学相结合．学生是科技工作者的后备军．而作为科研的重要内容，学术会议和报告无疑是交流科研思想的最有效方式之一．除了提高学生对传统知识的理解，还应增加其对科研前沿的了解，为其今后定向奠定基础．因此，可以参考著名高校和中科院体系对学生的培养方式，将相关专家邀请进物理课堂，通过专题讲座的形式使学生了解物理学与医学的关系，明确学科的学习目标，增强学习动力．目前，我科室针对部分本科毕业生采用了上述方法，在课余邀请了本市兄弟院校和科研院所的相关专家介绍了与所学的物理基础知识相关的科技前沿．例如，东北大学材料物理与化学研究所的Barbar博士做英文报告介绍医用材料的应用进展及其生物学评价，让学生深刻了解到物理学、材料科学与医学交叉学科为传统医学带来的变革，使其认识到临床专业也需要其他学科的支持，不能仅仅关注单一学科；中国科学院金属研究所专用材料与器件部的于晓明博士做报告介绍了医用材料表面改性及其在临床医学中的应用，为学生阐明了材料的物理及化学特性在心脏和骨科领域中的应用，提高了学生的学习积极性．值得指出的是，由于经费限制，该方面的尝试也只是在小范围内展开，而所请的相关专家也是在本市工作，完全是义务劳动并自己担负市内交通费用．如果要将活动扩展到市外甚至海外，今后仍需要学校政策扶持和教师本人积极申请相关研究项目．此外，本校为促进学生全面发展，大力推行七年制回归基础、大学生创新活动等项目，为师生双方互相学习提供了平台．部分物理教师利用这些机会，结合自身的科研条件和学生的兴趣与学生共同制订科研方向，鼓励学生尽早进入实验室进行科学研究．通过学生自己动手做实验，加深其对相关知识的理解，提高了学生学习物理知识的兴趣和相关能力．以笔者为例，近3年，通过课堂授课和上述学生培训项目，先后吸引了包括临床、生物技术、生物医学工程等专业的15名学生参与本人材料物理方面的省级研究课题，通过师生双方的交流合作，不仅提高了学生的科研能力，而且激发了本人在科研中的灵感，为成功申请到国家级研究课题奠定了基础． 此外，自2014年起，我校已从政策上调整教学－科研的权重，在职称评定文件中加入了教学论文和授课学时的要求．因此，对于教学方面的思考和探索同样作为科研课题，促进教师积极调整授课方式，丰富授课内容．部分物理老师以问卷的形式对学生对于物理课的困惑和建议进行了系统化研究，为课程内容和授课方式的改革提供了相关数据和参考．部分物理老师将自己的科研课题穿插入理论授课中，以笔者为例，在讲授电磁学的抗磁性时，介绍了自己在超导领域的研究课题．课后学生当面或通过电子邮件所问问题中，仅有10%左右是与课后习题相关，其余均与磁学特性的相关应用有关．通过近两年尝试，在医用物理课授课中，学生总体提问题的数量从之前的平均每学时1个左右提高到现在的1．5个左右．此外，在期末考试前1～2周内，学生所提问题的内容与考试的关联度，从之前的100%下降到80%左右．而学生物理考试的不及格率从2014年前的7%～10%下降到2014—2015年的2%～3%．由此可见，学生学习物理的动力也并不仅仅局限于考试压力了，而且成绩得到了提高． 4 结语 综上所述，我们分析了医科院校物理课教学中存在的共性问题，参考和借鉴了美国物理课教学的特点，并结合自身特点在教学改革方面进行了初步的探索，取得了良好的效果．当然，物理课教学改革是一项长期、艰巨的任务，需要从政策导向、教学内容、方式和培养学生兴趣等多方面共同发展，才能提高医科院校的物理课的教学质量，提高医学生的综合能力，培养高素质的医学人才．

文章来源：《中国医学物理学杂志》 网址: http://www.zgyxwlxzz.cn/qikandaodu/2020/1217/384.html