物理学知识原理向遗传学教学渗透的实践与思考

罗慎，罗培高

四川农业大学，植物遗传和育种省级重点实验室，成都 611130

物理学知识原理向遗传学教学渗透的实践与思考

罗慎，罗培高

四川农业大学，植物遗传和育种省级重点实验室，成都 611130

遗传学是生物学科的核心课程，在生物学的教学与研究中具有十分重要的作用，而遗传学的知识原理与物理学的知识原理具有一定的相似性。由于遗传学教学内容较为抽象，加之学生在中学阶段所学的遗传学基础知识相对薄弱，导致部分学生缺乏学习兴趣。如何采用“渗透式”的教学方法将学生深厚的物理学知识原理引入遗传学课堂是一个值得探讨的问题。近年来，笔者应用物理学的知识原理，将部分物理知识与遗传知识进行类比教学和渗透式教学，提升学生对遗传学知识的认识层次和理解水平，进而提高学生的学习能力和创新思维能力。

物理学知识；遗传学教学；渗透式教学；类比教学；逻辑推理；学科交叉与融合

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由于物质世界的统一性，使自然科学的不同学科间具有高度的相似性和类比性。对不同学科的知识及其原理类比分析与逻辑推理，通常能够开拓视野、理清思路和升华认知水平。物理学的知识及其原理无论对自然科学还是社会科学的研究与发展均起着重要的作用。由于生命的本质是物质运动的一种方式，因此生命科学与物理学有着内在的联系。著名物理学家薛定谔曾试图运用热力学原理和量子力学理论来诠释生命的本质，此举推动了科学家利用理化方法来研究生命活动[1]。物理学和生命科学是20世纪发展最为迅速的两门学科，而21世纪则是生命科学的时代，特别是遗传学的快速进步正推动着整个生命科学的迅猛发展。一方面，随着遗传学学科的不断进步和本科教学改革的日新月异，遗传学教学知识量的剧增与其授课学时日渐压缩之间的矛盾日趋加剧；另一方面，开展多学科综合研究和学科交叉研究已成为我国乃至世界科技发展的重大需求。许多遗传学教师为了解决这一矛盾，培养学生学科交叉融合的综合创新能力，进而在教学理念和方法上进行革新[2]，如概念图的运用[3]、学科间的渗透式教学[4,5]、知识板块的网络化[6,7]以及以问题为导向的(Problem-Based Learning, PBL)教学方法[8]等。但是，如何进一步将遗传学知识类比成物理学现象，如何运用物理学严密的逻辑推理来简化复杂的遗传学问题，以及如何运用理化思维来讲授遗传学知识内容，是遗传学教师应该思考与探讨的新问题。笔者基于自己的教学经验，浅析将物理学知识和原理引入遗传学课堂的应用与实践。

1 物理学渗透加速了遗传学学科的建立与发展

1.1 物理学理论推动了遗传学学科的建立

科学发展到一定程度之后，学科之间的思维和理论往往相互融合、渗透，界线也变得更加模糊。20世纪，物理学家的视野从宏观系统转到微观理论，提出了现代物理学的两大理论支柱——量子论和相对论，这种从宏观到微观的思想也极大地影响这一时期的遗传学研究[9]。1865年，植物遗传学家孟德尔的豌豆杂交实验选用植株个体宏观表现的物理特性即“性状”为研究对象，详细地描述了性状的遗传现象，从而提出了著名的孟德尔遗传定律——分离定律和自由组合定律。后来尽管遗传学家也发现与孟德尔相似的宏观的遗传现象，但在相当长的时间里人们对控制生物性状遗传的微观理论几乎一无所知。随着物理学思想从宏观理论到微观理论的转变，遗传学家的研究焦点也从宏观的“性状”转向控制性状产生的微观粒子“基因”，即基因的组成与空间结构。物理学思想对遗传学学科的影响表现得最为直接的是许多物理学家率先提出了一些分子遗传学的精辟见解。首先著名物理学家玻尔在海森堡的“测不准关系”的基础上建立了“互补原理”[1]。随后 Chargaff基于这种原理提出了著名的 Chargaff规则[10]，这为 DNA双螺旋结构提供了有力的实验数据。其次，以德尔布吕克为首的信息学派和噬菌体学派的研究直接证明了遗传物质的本质是DNA[1]。再次，波动力学理论的创始人薛定谔1944年发表了《What is life?》的论著[11]，这本书已成为物理学对遗传学发展影响非常巨大的经典之作。 最后物理学家克里克与生物学家华生一起提出了举世闻名的DNA双螺旋结构[12]，从此遗传学发展进入了分子遗传学时代，而作为物理学家的克里克却最终以获诺贝尔生理学与医学奖而著称。由此可见，物理学思想和理论贯穿遗传学学科的建立和发展，这就是物理通常作为生物类专业的基础课程设置的理论依据。

1.2 物理学为遗传学的发展提供现代化的实验手

段和技术保障

物理学原理对遗传学的发展具有十分重要的影响。首先，基于物理学原理的光学显微镜的发明为细胞遗传学的研究创造了良好条件。运用光学显微镜，生物学家观察到了减数分裂和有丝分裂等基本的遗传学行为，同时光学显微镜也是核型分析的必要设备。不难看出，光学显微镜加速了遗传学中“染色体理论”的提出，推动了细胞遗传学的发展。其次，1927年，物理学家马勒用X射线对果蝇进行处理，获得了在遗传学中具有极大研究价值的突变体，开辟了新的遗传学研究领域。再次，运用阿斯特伯开创的X射线衍射所获得的DNA数据，是DNA双螺旋结构提出的重要实验数据。最后，瑞士科学家用X射线晶体成像法得到了DNA关键部位的原子结构，为人们从分子水平向更为微观的原子角度揭开生命的奥秘奠定了理论基础。综上所述，基于物理学原理的仪器设备是遗传学发展过程中必不可少的物质条件。因此，遗传学教师在教学中灵活运用物理学原理来讲解基本的遗传学概念，用物理学的思维进行逻辑推理，既能激发学生的学习兴趣，提升学生的认识水平和层次，又能让学生了解一些遗传学研究中的主要仪器设备，更能让学生明白学科间的交叉整合已成为生命科学发展的主流趋势。

在遗传学课堂中适当介绍物理学知识原理在遗传学学科建立和发展过程中的贡献与作用，使学生明白不同学科发展往往是相互促进、相互影响的，这将有助于开阔学生的视野。通过一些经典人物故事的讲解，如克里克、薛定谔在生命科学特别是遗传学的进步与发展中的贡献等，将极大地激发学生的学习兴趣和内在动力。此外，这些经典故事在遗传教学中的介绍不仅能强化学生数、理、化、生是一“家”的意识，而且能暗示学生团队合作精神通常是攀登科学高峰必不可少的个性品格。

2 物理学思维向遗传学教学渗透的典型案例

2.1 基于力学原理的“双弹簧振子模型”有助于学

生深入理解细胞分裂过程

在遗传学教学中灵活运用物理学的知识原理，通过类比和逻辑推理来深入理解遗传现象的本质，有利于开拓学生的视野，激发其学习兴趣，进而提高学生学习的自觉性和主动性，培养学生的自学能力[13]。细胞分裂特别是减数分裂是三大经典遗传定律即分离定律、自由组合定律和连锁互换定律的细胞学基础，也是深入理解性状传递的必备知识。因此，细胞分裂既是遗传学教学中的重点，又是教学难点[6]。根据笔者自身的体会：在细胞分裂的不同时期，染色体交替进行中心运动(前期到中期)和极向运动(中期到后期)是学生深入领会这一复杂过程的最大障碍，并且染色体呈现这种周期性往返运动的生物学机制也尚不完全清楚，从而使得学生难于理解，教学效果较差。在过去10余年的教学生涯中，笔者一直试图提出一个理想的教学模型来帮助学生理解细胞分裂这一复杂过程。实践证明“双弹簧振子模型”的教学效果良好，该模型已于2012年在国际知名的生物学教学杂志 The American Biology Teacher发表[14]，该模型主要是基于物理学的思维和原理，其主体内容包括：将来源于细胞两极的纺缍丝类比成两根弹簧；把染色体着丝粒表面的一对半球形的动粒类比成磁铁的正极和负极；将染色体的单向振动比喻成单个弹簧振子而将染色体共定向比喻成双弹簧振子；进而将赤道板比喻成双弹簧振子的平衡点[14]。基于上述的基本假设，很容易运用物理学的知识进行逻辑推理和相关知识的讲授。在此基础上采用PBL教学法进一步阐述是什么原因确保了染色体分离的准确性与精确性。这样也许会让学生提出如下问题：什么原因造成在不同的细胞时期染色体运动方向相反？控制染色体在细胞分离过程中周期性往返运动的信号分子是什么？动粒与纺缍丝连接、染色体单向振动和共定向的机理是什么？是什么原因导致姐妹染色单体或者二价体分离等科学问题。学生可能怀着好奇的心理去努力尝试找到相应的生物学证据，接下来给学生一定的时间去思考和查证。几天后可将遗传学研究中关于染色体运动、分离的各种模型如文中参考文献[15～20]的全文陆续分发给大家，运用类比和逻辑推理的方法在课堂上对问题进行一一解答。由此，遗传学的教学内容得到有效更新，从而避免知识点过于老化，真正做到遗传学教学与遗传学研究同步发展和与时俱进。这样既能有效激发学生的学习兴趣，也能培养学生自学能力，更能提高学生对理科知识的综合运用能力。

2.2 DNA空间结构的热力学问题与生物遗传和变异的本质联系

能量在所有生命活动过程中起着十分重要的作用，遗传和变异则是整个生物界既对立又统一的两个最基本、最普遍的生命特征。众所周知，影响遗传和变异的核心物质 DNA分子具有不同的空间结构，而不同的结构形式所对应的能量级别不一样。因此，在遗传学教学中适当运用逻辑演绎推理阐明这些现象的内在联系，既可以强化学生思维的综合性、完整性和创新性，也可以促进学生养成“探究式”学习的良好习惯，还可以激发学生的学习兴趣和提高其自学能力[4,6,13]。B-DNA是所有生物体内DNA分子存在的主要形式，其对应的能量(势能)最低，因此是所有DNA构象中最为稳定的形式，恰恰是这种稳定性确保了物种内不同个体间或者世代间生物性状的连续性和相似性，这种构象是DNA分子作为遗传物质必备的能量学基础。反之亦然，Z-DNA是目前报道的构象中能量(势能)最高的二级结构形式，在生物体内极易诱导DNA分子的改变，通常被看作是导致生物变异的内因。这样就有效建立起了“B-DNA对应遗传”和“Z-DNA对应变异”的核酸分子空间结构与生物学功能之间的内在逻辑关系。在此基础上进一步运用普朗克恒量知识来讲解环境是如何将“遗传”和“变异”有机地统一起来，因为生物生长环境中的一些物理射线(如X射线和γ射线)具有较高的能量，该能量可将 DNA分子的局部区域从“B-DNA”构象改变成“Z-DNA”构象，进而导致生物性状发生改变即变异，再通过DNA构象转换的科学实验中的相关证据[21,22]阐明这种解释的科学性和合理性。由此说明环境因素可能是遗传和变异的桥梁和纽带。这将有效拓宽学生的联想空间，刺激学生探索和学习的激情和兴趣，完善学习的知识结构，提高其认识层次。

2.3 物理距离与遗传距离是讲授连锁遗传定律的重要概念

物理距离和遗传距离之间的逻辑关系也许是加快物理学知识原理向遗传学教学渗透的催化剂。基于基因间遗传距离计算的连锁作图和精细遗传图谱的构建既是生物学中基因图位克隆及其下游研究的必要条件，也是连锁遗传定律在科学研究中的实际应用。不难看出，遗传距离是遗传学教学中的重点和难点。通过讲解遗传距离和物理距离之间的区别与联系，明确二者的内涵，是深入理解连锁遗传定律的有效手段。遗传距离是通过计算两个基因位点间的重组率来表示，是一种相对位置关系，用厘摩(cM)表示。而物理距离则是两个基因位点间实际的间隔距离，以两基因间碱基对的数目作为衡量单位。通常来说，基因间的遗传距离越大，其物理距离也越大，变化的趋势是一致的，但二者间又不是完全的直线性关系。这也说明基因在空间上的物理位置在一定程度上会影响遗传学行为。进一步运用联想教学法引入常染色质和异染色质的概念来解释染色体不同区域组成的物理差异与变换频率的关系，从而建立起物理学组成与生物学功能之间的内在联系。也可在此基础上深入讲解干扰与符合系数等一系列的基本概念。这种方式能引导学生运用已有的数、理、化知识建立起自然科学的创新思维体系，提高学生的综合创新能力和竞争能力。

2.4 维持遗传学学科的完整性和独立性是确保渗透式教学取得良好效果的重要途径

为了保证遗传学学科的完整性和独立性，在遗传学教学中进行物理学知识原理进行渗透式教学要防止遗传学和物理学学科间基本概念的混淆。根据过去的教学经历，以下措施在一定程度上能避免这一问题。首先，准确理解学科间知识原理的相似度，只采用相似度很高的知识原理进行渗透教学，不要为了进行渗透式教学将不同学科间相似度较低的知识原理进行牵强的类比和推理；其次，适当控制渗透式教学的数量，不宜过多比较学科间知识点的异同，只需要将经典的内容进行渗透，通过举一反三、触类旁通的思路即可；最后，以遗传学概念为主而物理学概念为辅是防止概念混淆的重要手段。

3 物理学知识原理向遗传学课堂渗透的思考

3.1 物理学渗透是创新性复合型人才培养的内在要求

创新既是人类进步的灵魂，更是科学研究中永恒的主题曲。创新性人才的培养无疑是人才培养的最高目标，因此作为高等学校的主要任务就是努力提高学生的创新思维能力。《国家中长期教育改革和发展规划纲要》明确了高等教育改革的核心内容就是探索创新性复合型高素质人才培养的新模式。目前，学科间交叉、融合已成为自然科学研究的一种必然趋势，因此，灵活运用物理学原理及其思维来分析生命活动的本质，已成为高等院校人才培养目标的内在需要。过去，由于许多学生没能将各门课程的知识点进行有机的联系，其所学知识很难形成一个完整的理论体系，严重制约学生逻辑思维能力和综合创新能力的提高。物理学知识和原理具有高度严密的逻辑性，有助于学生通过类比的方法去理解其他学科的知识重点及其难点，达到触类旁通的良好效果。由此可见，将物理学知识原理向遗传学课堂进行渗透式教学，找到遗传学知识和物理学原理之间的共性和个性，在学科间建立起完整的知识体系和逻辑体系已是创新性复合型人才培养的要求。

3.2 物理学渗透是提高教师教学水平的重要途径

教师自身的教学水平和教学艺术将直接影响其教学效果。能否有效的激发学生学习兴趣以及能否调动学生学习的主动性和积极性也取决于教师的自身素质。而巧妙运用学生掌握的学科间的知识原理及其思维方式进行渗透式教学是提升教师教学水平和教学艺术的重要途径。渗透式教学的前提是要求教师自身对各科学间的知识点具有完整的知识体系和逻辑框架，对相关学科的知识原理和逻辑思维都要有一定的见解和领会，特别是它们之间本质的逻辑联系。把物理学知识原理向遗传学课程进行教学渗透，加深遗传学教师对遗传学基本知识、概念和理论的理解，促进遗传学教师对各学科知识点进行类比和逻辑演绎，进而激发教师对教学工作的激情。由此可见，学科间渗透式教学是拓展教师的知识面和全面提高教师自身素质的主要手段。

3.3 物理学渗透是教学手段多元化的结果

合理应用多元化的教学手段是提高教学效果的前提条件。通过多元化教学手段合理搭配，将讲授内容进行集约化和系统化归类，引导学生从不同的层次和视角来分析问题和解决问题。物理学概念形象生动，其逻辑推理又具有高度的严密性，因此灵活运用物理学思维来讲授遗传学知识，将增强学生对遗传学知识掌握的系统性和完整性。此外，丰富多样的物理学知识是供遗传学教学渗透的良好素材，如前面所述的光学原理、力学原理、热力学原理等。其实，遗传学教学中进行物理学渗透使得案例教学法、提问式教学法、启发式教学法以及PBL教学法更加行之有效。显而易见，物理学渗透是自然科学领域教学手段多元化的必然产物。

3.4 物理学渗透是遗传学学科发展的必由之路

物理学蕴含着丰富的科学理论和学术思想，而它们通常是生物学研究中许多高、精、尖仪器设备得以问世的理论基础。随着物理学知识和遗传学乃至整个生命科学进行快速的交叉、融合，使得一些交叉学科如生物物理学、系统生物学、生物信息学等应运而生，一些新的科学概念如“DNA芯片”和“DNA存储器”日新月异。而这些交叉学科的发展和新研究领域的建立又反过来促使遗传学学科快速发展，如生物信息学和DNA芯片技术已成为解析基因功能的重要手段和方法。又如，利用拓扑学和热力学知识来研究基因的传递[21]和表达[22]。反之，新的概念出现也可能为遗传学提供更为广阔的应用前景，比如“DNA存储器”的出现暗示遗传学的进步可能引发信息科学领域的革命性的转变。显而易见，将物理学及其他理化知识如化学[4]和数学[5]学科的知识原理向遗传学乃至整个生命科学的教学和科研进行交叉和融合，已成为遗传学和生命科学发展的必由之路。

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(责任编委: 王晓群)

The practice and discussion of the physical knowledge stepping into genetics teaching

Shen Luo, Peigao Luo

State Key Laboratory of Plant Breeding and Genetics, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China

Genetics, one of the core courses of biological field, play a key role in biology teaching and research. In fact, there exists high similarity between many genetic knowledge and physical knowledge. Due to strong abstract of genetic contents and the weak basis of genetics, some students lack of interests to study genetics. How to apply the strong physical knowledge which students had been learned in the middle school in genetics teaching is worthwhile for genetics teachers. In this paper, we would like to introduce an infiltrative teaching model on applying physical knowledge into genetic contents by establishing the intrinsic logistic relationship between physical knowledge and genetic knowledge. This teaching model could help students more deeply understand genetic knowledge and enhance students’ self-studying ability as well as creating ability.

physical knowledge; genetics teaching; infiltrative teaching; analogical teaching; logistic reasoning; cross and integration of disciplines

2014-02-13;

2014-05-23

国家自然科学基金项目(编号：31271721)，教育部“高等教育质量工程”(农学专业综合改革－《普通遗传学》双语教学课程)(编号：ZG0449)和四川省“高等教育质量工程”(农学专业综合改革－《普通遗传学》双语教学课程)项目资助

罗慎，学士，助教，研究方向：普通生物学教学。Tel:028-86290983; E-mail: 651715458@qq. com

罗培高，博士，教授，博士生导师，研究方向：遗传学教学和小麦抗病分子细胞遗传学及其生理学研究。Tel: 028-86290978; E-mail: lpglab@sicau.edu.cn

10.3724/SP.J.1005.2014.0952

时间: 2014-7-1 14:56:55