生命科學與生物技術(shù)概論教學的學科交叉探索

吳 昊，姜 岷，李 莎，韋 策，唐拾貴，申 寧

(南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院，江蘇 南京 210009)

生命科學與生物技術(shù)概論教學的學科交叉探索

吳 昊，姜 岷，李 莎，韋 策，唐拾貴，申 寧

(南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院，江蘇 南京 210009)

生命科學與生物技術(shù)概論是南京工業(yè)大學為培養(yǎng)復合型人才、提高學生綜合素質(zhì)，面向全校非生物工程專業(yè)學生開設的跨學科公共選修課程。現(xiàn)根據(jù)選修生源多樣的專業(yè)背景及生命科學易與其他專業(yè)學科交互的特點，結(jié)合多年來的教學實踐，就該課程設置及教學中開展具有針對性的學科交叉問題進行探討。

公共選修課；生命科學與生物技術(shù)概論；學科交叉

生命科學與生物技術(shù)的發(fā)展對當今人類社會的發(fā)展與進步起著極其重要的作用。掌握現(xiàn)代生命科學與生物技術(shù)的基礎知識，是培養(yǎng)21世紀高素質(zhì)、創(chuàng)新型復合人才的重要組成部分。國內(nèi)的清華大學、浙江大學、華東理工大學等院校從90年代起向全校本科生開設了相關(guān)的公共選修課程[1]，并取得了良好的教學效果，目前越來越多的院校已將該類課程設置為公共選修課，有力地促進了復合型人才的培養(yǎng)。南京工業(yè)大學自1995年以來，由生物與制藥工程學院向全校的三年級本科生開設生命科學與生物技術(shù)概論公共選修課程，選修該課程的學生幾乎涵蓋了我校的理、工、經(jīng)、文、法學等各個專業(yè)。近年來針對選修學生專業(yè)背景迥異、基礎參差不齊的特點，同時為了更好地促進我校復合型人才培養(yǎng)平臺的建設與各學科的科技創(chuàng)新，進行了學科交叉融合的教學探索。

1 在教學中開展學科交叉的必要性與重要性

現(xiàn)代科學體系自近代建立以來長期呈現(xiàn)分化的發(fā)展趨勢，學科越分越細，但隨著人類對自然與社會發(fā)展規(guī)律認識的深入，到了20世紀七八十年代，科學的學科門類在繼續(xù)分化以外，還出現(xiàn)了綜合的趨勢，現(xiàn)代經(jīng)濟和社會的問題越來越復雜，一個單一學科很難回答經(jīng)濟和社會發(fā)展中的問題，使得21世紀成為多學科交叉綜合大發(fā)展的時代。所以，打破學科界限，強調(diào)學科綜合、提升綜合素質(zhì)、培養(yǎng)復合型人才成為一個很重要的趨勢。回顧從生命科學與生物技術(shù)的學科發(fā)展史，在生命科學的發(fā)展過程中，由于其它科學技術(shù)的進步，使生命科學得到了突飛猛進的發(fā)展。生命科學之所以能成為當今世界自然科學領(lǐng)域的領(lǐng)先學科，不僅依靠生物學家，還必須依靠數(shù)學家、物理學家、化學家、信息科學家、環(huán)境科學家以及工程科學家等不同學科專家的共同努力[2]。例如通過生命科學與物理學科的交叉，推動了對微觀生命現(xiàn)象的研究，發(fā)現(xiàn)了細胞，建立了細胞學說，通過對細胞微觀結(jié)構(gòu)及其遺傳代謝規(guī)律的研究，在此基礎上逐漸產(chǎn)生了微生物學、遺傳學、細胞工程、分子生物學等多門現(xiàn)代生命學科。自19世紀開始，通過化學與生命科學的結(jié)合，氨基酸、核酸、蛋白質(zhì)、酶等一系列化合物被發(fā)現(xiàn)，通過其代謝過程的研究最終產(chǎn)生了生物化學，并促進了生物工程、發(fā)酵工程、酶工程、代謝工程、基因工程等一系列現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展。近年來通過分子生物學、基因組學、信息科學和工程技術(shù)等學科交叉融合產(chǎn)生的合成生物學通過設計和構(gòu)建生物部件、裝置系統(tǒng)，并重新設計現(xiàn)有的天然生物系統(tǒng)，將對下一輪產(chǎn)業(yè)競爭如能源植物的改造、能源和醫(yī)藥化工產(chǎn)品的高效生物合成產(chǎn)生重要影響[3]。進入21世紀，社會科學開始廣泛涉入生物技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)研究及生命倫理學等領(lǐng)域，進一步規(guī)范了生命學科的發(fā)展方向。由此可見學科交叉是生命學科乃至科學發(fā)展的必然規(guī)律。

自然、環(huán)境、資源等已成為當今人類社會所面臨的主要問題，人類已經(jīng)意識到妥善解決這些問題需要多學科的交叉融合并形成綜合的系統(tǒng)方案，這就要求培養(yǎng)知識面寬廣并具有創(chuàng)新意識的復合型人才。生命科學與生物技術(shù)概論課程可以為該體系人才的培養(yǎng)提供相關(guān)的知識基礎與科學素養(yǎng)，客觀上要求該課程應從學科交叉的角度開展教學。盡管生命科學是在學科交叉過程中發(fā)展壯大的，但非生物專業(yè)的學生往往很難找到本學科與生命科學的交叉點，因此對相關(guān)知識的認識往往流于形式，很難形成共鳴，更不能培養(yǎng)相關(guān)的科學素養(yǎng)，因此，通過教師的教學進行有的放矢地引導具有非常重要的作用。

2 根據(jù)學生的專業(yè)背景安排教學是實現(xiàn)學科交叉的基礎

由于生命科學與生物技術(shù)概論已成為理工科學生甚至文科學生日益關(guān)注的公共選修課，使該課程教授的對象具有兩大特點：（1）學生的專業(yè)背景迥異。選修該課程的學生幾乎涉及了理、工、經(jīng)、文、法等各個專業(yè)，其中化學工程、材料工程、環(huán)境工程、應用化學等專業(yè)的學生具有足夠的背景知識，對該課程的主要教學內(nèi)容較易理解，而更多的專業(yè)如電子、通信、經(jīng)濟管理、外語、法學等在整個培養(yǎng)方案中幾乎不涉及相關(guān)知識背景的學習。（2）學生的知識基礎參差不齊。中學教育階段開設有生物學、化學等相關(guān)課程，但由于長期存在的文理分科及“高考指揮棒”效應，導致相關(guān)學習流于形式。對本校選課學生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：理工科學生中近半數(shù)在高二后未再接觸生物學或化學，而文科學生中這一比例近100%；即使是已參加過以上課程高考應試的學生中，知識遺忘現(xiàn)象亦很普遍，課堂摸底中發(fā)現(xiàn)70%以上的學生不知道細菌是否屬于單細胞生物。但同時也發(fā)現(xiàn)一些學生具有良好的專業(yè)知識基礎，甚至熟知基因工程的原理與基本操作步驟。因此必須從學生的知識基礎及背景這個實際出發(fā)安排教學才能促進多學科的交叉，主要包括2方面。

（1）根據(jù)專業(yè)背景與知識基礎的差異設立教學班。公選課采用大班授課，教學實踐表明，專業(yè)背景迥異的學生往往其知識基礎也存在顯著差異，安排在同一教學班，理論上可以促進不同學科的交流、拓展思路，但實際操作中往往難以結(jié)合各專業(yè)學生的實際情況，導致最后回歸至同一教案、同一內(nèi)容的傳統(tǒng)教學，學生或缺乏興趣，或難以理解，導致效率低下。因此確立了“文理分離，相近合并”的排課原則，盡量將具有相同或相近專業(yè)背景的專業(yè)安排在同一個教學班，將選修的各專業(yè)按“化學材料、能源環(huán)境、機械建工、電子信息、經(jīng)貿(mào)管理、法學外語”大類進行分班教學。

（2）根據(jù)專業(yè)背景與學科交叉點設置教學內(nèi)容。作為一門公共選修課，任何一本相關(guān)的“生命科學導論”或“生物技術(shù)概論”教材都不可能適合所有專業(yè)的學生學習，同時教材內(nèi)容往往涵蓋了現(xiàn)代生命科學與生物技術(shù)的主要范疇[4～5]，從生命起源到基因工程，從生物醫(yī)學到生物信息學，該課程僅為24學時，因此教學內(nèi)容及教案必然要有所側(cè)重與取舍。我們首先根據(jù)宏觀-微觀-宏觀的原則確定了基本教學內(nèi)容，包括：生命的起源與進化、細胞、生命的化學組成、遺傳、基因工程、生物信息學、資源與環(huán)境、生物技術(shù)概論并補充當前生命科學領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點（生物材料、生物能源、生命倫理）作為教學補充。在此基礎上對不同大類的教學班，確定相應的教學重點，如化學材料類與生命科學關(guān)系較密切，以“生命的化學組成”、“生物技術(shù)概論”為教學重點，介紹其與化學工程、材料工程的相互滲透，探討其對傳統(tǒng)化工及材料工業(yè)技術(shù)發(fā)展的影響；對電子信息類專業(yè)重點教授“基因工程”、“生物信息學”，介紹信息技術(shù)對生命科學特別是分子生物學的推動，講授生物芯片技術(shù)的機理與應用；對經(jīng)貿(mào)管理類，則采取科普性教學，重點講授“生命的起源與進化”、“細胞”、“資源與環(huán)境”及生物技術(shù)對人類生產(chǎn)與生活方式的影響。實踐表明，以相關(guān)學科與生命科學的結(jié)合點作為教學重點，使學生了解相關(guān)學科與生命科學交叉融合的實例，有利于激發(fā)學生對生命科學與生物技術(shù)的學習興趣，啟發(fā)他們的創(chuàng)新思維。

3 探索與討論式的教學方式是促進學科交叉的關(guān)鍵

傳統(tǒng)的“注入式”教學方法在面向生物專業(yè)學生時，其弊端往往因為學生在課前課后的自我努力程度差異而顯現(xiàn)不出，但是對于非生物專業(yè)的學生，這樣的教學效果就會大打折扣[6]。在教學中我們體會到：即使是最生動的多媒體課件，如果只是教師單方面的講授難以激發(fā)學生的學習積極性，必須鼓勵學生自主學習，即根據(jù)其專業(yè)背景，結(jié)合已有的基礎知識，對學習的內(nèi)容進行探索與總結(jié)，變被動為主動。因此在教學中我們經(jīng)常結(jié)合重要知識點布置一些小課題，讓學生在課外查閱資料，然后在課堂上進行廣泛討論，在討論中教師將各學科的知識引入到相關(guān)問題中，并解釋其所能發(fā)揮的作用，通過討論讓學生掌握其中的原理與要點，了解發(fā)展動態(tài)，激發(fā)學生的興趣，拓展思路。例如在講授生物能源時，提前讓學生查閱關(guān)于生物能源的背景資料，了解發(fā)展生物能源的原因、生物能源的種類與優(yōu)點，在課上討論時，教師通過巴西發(fā)展甘蔗酒精的應用實例說明走可持續(xù)性發(fā)展道路對人類生產(chǎn)方式的影響與意義，然后根據(jù)教學班專業(yè)的不同地將討論的方向引向?qū)W生所熟悉的學科領(lǐng)域中，如對理工專業(yè)的學生主要探討如何降低生物能源的生產(chǎn)成本、如何將滲透汽化等新型化工手段應用于該領(lǐng)域，如何從生物能源出發(fā)開發(fā)新一代動力系統(tǒng)（氫燃料電池）；而對文科專業(yè)則重點探討發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)應注意的宏觀問題（如“與人爭糧，與糧爭地”、“如何建立自主的知識產(chǎn)權(quán)”）和現(xiàn)有的解決方法及其優(yōu)缺點（發(fā)展新一代生物燃料、原料的替代等）；最后將討論回歸于合理發(fā)展生物能源對促進全社會節(jié)能減排的作用。在整個討論中還可將之前學習的部分內(nèi)容如糖類物質(zhì)的分類、工業(yè)微生物、基因工程的原理、發(fā)酵的一般過程等相關(guān)知識點進行隨堂復習，在實現(xiàn)學科交叉的同時加強其對重點內(nèi)容的掌握。

4 運用合理的考核手段檢驗學科交叉的教學效果

考核的目的是為了加深學生對現(xiàn)代生命科學與生物技術(shù)的基本認識，使他們認識到生命科學與各專業(yè)學科之間的直觀或潛在聯(lián)系，正確看待該學科與其他學科融合對人類社會發(fā)展的影響。在具體實施中，將學生的課堂互動與課后資料的檢索納入到平時成績。對課程考試采取因?qū)I(yè)而異的原則設定試題與考試方式，對化學、化工、材料、環(huán)境、能源等與生命科學或生物技術(shù)關(guān)系密切的專業(yè)采用閉卷考試方式，在考察課程基礎知識的同時，重點考察學生對相關(guān)領(lǐng)域中學科交叉現(xiàn)狀的了解程度；對其他背景迥異的專業(yè)則以開卷考試的方式，除了測試是否具備生命科學相關(guān)的基本素養(yǎng)外，重點考察其對生命科學與社會發(fā)展之間關(guān)系的認識。對以上涉及到學科交叉的具體試題不設單一的標準答案，鼓勵學生在答題中發(fā)表自己的見解。

通過以上的教學探索，激發(fā)了廣大學生對生命科學與生物技術(shù)概論的學習興趣，課后，很多學生與授課教師交流其對生命學科的認識及其對相關(guān)交叉領(lǐng)域的思考，根據(jù)統(tǒng)計，我校每年均有數(shù)十名來自化工、材料、機械、化學等專業(yè)的本科生報考生物工程類的研究生并有相當?shù)目忌讳浫。€有一些學生將生命科學的一些原理與方法引入到其相關(guān)專業(yè)的創(chuàng)新設計及科學研究中，這些均促進了我校各學科群之間的交流，拓展了化工、生物、材料、自動化等學科方向的研究思路與合作空間，取得了良好的教學效果。

[1]杜虹，吳丹奇.大理科模式中生命科學導論課程的設計與實踐[J].高教論壇，2006，4：37～39.

[2]雷正瑜.從生命科學的發(fā)展談多學科交叉融合的必然性[J].湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學院學報，2006，4（2）：1～3.

[3]匡廷云.學科交叉在生命科學研究中的作用[J].杭州師范大學學報(自然科學版)，2010，9（3）:161～164.

[4]季靜，王罡.生命科學與生物技術(shù)[M].北京:科學出版社，2005.

[5]吳慶余.基礎生命科學[M].北京:高等教育出版社，2004.

[6]劉旭光.非生物專業(yè)開展生命科學教學面臨的思考[J].中國電力教育，2009，17：79～80.

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