医药专业物理实验课程教学改革的思考与实践

喀蔚波，孙大公，苑桂红，李 辉，邓德宁

（北京大学医学部 医用理学系，北京 100191）

教学改革

医药专业物理实验课程教学改革的思考与实践

喀蔚波，孙大公，苑桂红，李 辉，邓德宁

（北京大学医学部 医用理学系，北京 100191）

在分析国内医药专业物理实验课程教学情况的基础上，介绍了北京大学医学部物理实验课程的教学改革实践．在“坚持物理基础、增加现代内容、结合医学应用”的思想指导下，经过十几年的建设，使现在的物理实验课程基本做到了“医学应用与物理基础并重、现代技术与动手操作并重”．学生对物理实验的兴趣明显增加．最后，结合我们的教学实践对医药专业物理课程的建设和改革提出了要注重物理基础的建议．

医药专业物理课程；物理实验；教学改革

教育部与卫生部2008年印发的《本科医学教育标准——临床医学专业（试行）》提出本科临床医学专业毕业生应达到的基本要求中包括：“掌握与医学相关的数学、物理学、化学、生命科学、行为科学和社会科学等基础知识和科学方法，并能用于指导未来的学习和医学实践．”［1］而物理学本质上是一门实验科学，物理实验在物理学的教学中起着重要作用．我们在教学实践中也发现相比物理学理论课程，物理实验课程更容易激发学生学习物理学的兴趣，有助于培养学生分析问题、解决问题的能力．因此，医药专业的物理学课程应对物理实验给予更多的重视及建设．下面，我们结合国内医药专业物理实验课程的教学状况，就北京大学医学部物理实验课程建设的实践谈谈我们的思考和体会．

1 国内医药专业物理实验课程的教学状况

我们在2005年对国内医药专业物理课程的教学状况进行过一次调查，当时回收了69所院校的调查问卷．结果表明国内医药专业物理理论课的平均学时为59，物理实验课的平均学时为26．物理课学时数低于60学时及物理实验课学时低于30学时的院校均占所调查院校的72%以上，即低于平均学时数的院校占了大多数［2，3］．在寄回调查问卷的学校中有49所院校提供了详细的实验内容，根据这49所院校提供的资料整理得到的物理实验课程实验项目及分布情况见表1．

表1　调查的实验项目及分布情况

此外，仅有4所及以下院校开设的实验项目还有44个．从这个调查结果中可以看到医药专业物理实验课程的一些特点：1）物理实验课程学时明显低于理工类专业．69所院校中有25所院校的物理实验学时数低于20学时．2）实验内容比较陈旧．开设学校超过5所的实验项目中近代物理实验仅有放射性测量一项．3）实验内容结合医药应用．表1所列实验项目中旋光计的使用、A型超声诊断仪的原理与使用、心电图机的原理和使用、非正常眼的模拟与矫正等实验直接与医药应用相关．但物理实验如何与医药结合有待探讨，我们不清楚将A型超声诊断仪及心电图机等医疗设备引入物理实验能起到什么作用．

这次调查距今已有10年，新的调查现在正在进行中．虽然没有更新的数据，但是据我们了解目前医药院校物理实验课程的现状并没有得到明显的改善，部分院校的情况反而变得更差．物理实验课程的平均学时很可能会低于10年前．在这种环境下如何改革物理实验课程的教学，充分发挥物理实验课程在医药人才培养中的作用就显得更加重要．

2 北京大学医学部物理实验课程的建设经历

北京大学医学部1990年的物理实验内容与当时大多数医药院校开设的物理实验课程差别不大，没有太多自己的特点．1999年及2011年在学校经费支持下进行了2次规模较大的实验内容改革．通过10多年的建设、改革，我们物理实验课程已经具有了鲜明的特色．改革前后的实验项目见表2．

表2　北京大学医学部物理实验项目沿革表

续表

由于医药院校给物理实验课程经费支持的机会很少，因此1999年我们为了用好这笔经费做了大量的调研工作．北京大学物理实验教学改革的思路给了我们很大的启发，在此基础上我们确定了物理实验改革的基本思路是：坚持物理基础、增加现代内容、结合医学应用［4，5］．坚持物理基础是明确医药专业物理课程定位在通识性基础课程上，目的是使医学生了解和掌握必要的自然科学基础知识及研究方法．增加现代内容是想改变当时物理实验没有近代物理实验内容和实验方法的状况，同时也考虑到生物医学领域的研究、诊断、治疗中大量用到近代物理的方法和手段．而且近代物理实验内容还可以很好地激发学生学习物理实验课程的兴趣．结合医学应用是充分考虑到医药专业学生的特点，与理工科类学生不同，医药专业学生的专业性更强．因此，医药专业物理实验的内容设计一定要考虑与医学应用做适当的结合，不仅国内这样，日本等国也是如此［6］．但是物理实验结合医学应用绝不是简单地将医疗仪器搬进物理实验室，而是让学生了解、体会物理原理、物理方法在医学中的应用，培养医学生今后用物理原理、物理方法解决医学实际问题的能力．为此，在实验内容上我们增加了氢原子光谱、核磁共振、验证相对论动能-动量关系3个近代物理实验，以及压力传感器、温度传感器与医用传感器相关的实验．并将光的干涉、衍射、偏振等波动光学内容整合为光学综合实验．

在新增的3个近代物理实验中，氢原子光谱利用光栅光谱仪及光学多道分析器研究氢原子的发射光谱，通过CCD作为接收器用计算机采集处理数据，使学生了解光谱分析的基本装置和基本方法．核磁共振实验利用扫场的方法观察核磁共振现象并测量共振频率和g因子．而光谱技术及核磁共振技术都是在医学研究和诊断中使用非常广泛的物理技术．验证相对论动能-动量关系实验以β粒子作为研究对象，利用磁谱仪及NaI闪烁探测器分别测量 β粒子的动能和动量，验证相对论的动能-动量关系．相对论实验看似与医学应用无关，但由于使用了β、γ放射源，可以借此介绍射线与物质的相互作用，以及不同射线的防护方法．而新增的压力传感器实验由我们自己开发、设计，用压力传感器测量学生自己的脉搏波，并通过傅里叶变换将时域图变为频谱图．图1是一个学生运动前后脉搏波的时域图（a）、（b）及相应的频谱图（c）、（d）．通过比较可以看出基频频率及基频与各倍频的相对强度由哪些因素决定．这个实验后来又增加了语音信号的检测和分析．它的实验结果因人而异，也想让学生了解不是所有问题都有标准答案．实验内容更新后给我们最大的感受是学生对物理实验的兴趣明显增加，例如许多学生反映对于相对论“只听说过，没见过”，当看到实验曲线与理论曲线重合时非常兴奋．内容更新后编写的实验教材《医用物理学实验》（第二版）入选了普通高等教育“十一五”国家级规划教材［7］．现在回过头来看这次实验改革，我们认为改革的思路和实施都是科学、正确的，为以后十几年我们物理实验课程的不断改革、发展奠定了良好的基础．

图1　运动前后脉搏波的时域图和频谱图

实验改革后的10年中，虽然实验内容没有大的变化，但在个别实验仪器及教学内容、教学方法上还是在不断地进行改进．同时从中也发现了一些问题．例如，相对论实验所使用的60Co放射源的半衰期在5年左右，随着放射源使用时间的增加，计数时间越来越长．同时，国家对放射源管理更加严格，放射源的日常使用、新源购置及废弃源处理等手续变得更加繁复，给实验操作带来了许多麻烦；多数学生做过了氢原子发射光谱的实验后仍然不清楚吸收光谱与发射光谱有什么异同，而吸收光谱是生物医学中常用的研究手段；计算机数据采集、处理的增加虽然使学生接触到现代化的实验技术，但无形中减少了学生动手操作的机会；还有个别实验内容单一、陈旧．为此，我们积极与学校沟通、申请，并在2011年获得学校的经费支持．这次实验内容的改革中，在“坚持物理基础、增加现代内容、结合医学应用”的基础上，针对发现的问题，我们提出了2个并重的调整方针，即：医学应用与物理基础并重、现代技术与动手操作并重．我们撤下了相对论实验，新增了验证刚体转动基本定律、超声特性研究及信息光学综合实验．刚体转动实验主要是训练学生的动手操作能力，其中涉及到长度、时间及质量等基本物理量的测量．通过这个实验我们指导学生用Excel软件进行数据处理和作图．超声特性研究实验我们在设计时不仅测量超声在液体中的传播特性，还进而研究超声在固体中的传播特性．超声在固体中的传播模式有横波、纵波及表面波，通过实验可以使学生对超声的传播有全面、深入的了解．信息光学综合实验包括了阿贝成像、θ调制及全息照相等内容，包含了图像处理的基本思想．这部分内容是学生在中学从未涉及过的，新鲜感十足．通过在频谱面做选择性滤波可以对图像进行处理的思想是脉搏语音观测实验中频谱概念的丰富和发展，虽然与医学应用没有直接联系，但很受学生欢迎．我们在教学实践中也发现，医学生对一个物理实验是不是感兴趣，不在于这个实验是否与医学应用相关，而是看这个实验是不是新颖，有没有意思．在氢原子光谱实验中增加了钬玻璃吸收光谱的测量，使学生对吸收光谱有直观的了解．

此外，我们对物理实验课程的教学内容和教学方法也进行了改进．虽然我们希望物理实验都有意思，能吸引学生，但不可能每个实验都能吸引学生，总要有一些传授实验方法，训练实验技能的实验项目，而且学生中也总有一些人对物理实验不感兴趣．因此，我们每一个实验的内容都分为必做内容和选作内容2部分，学生可以根据自己的兴趣及需求自主选择．在保证基本要求的同时，也满足了部分有兴趣学生的需求．此外，我们还将波动光学综合实验作为设计性实验，提前布置实验任务，要求学生根据教师提出的任务自己设计实验方案和实验步骤，训练学生自主、独立地完成实验．

3 北京大学医学部学生的反馈

由于我们物理实验课程没有安排书面测验及考试，只以平时实验报告的平均分作为课程成绩；而且实验项目更换后，旧的仪器即被淘汰，没有条件设置对照组与实验组进行对比．因此我们没有定量的数据说明物理实验课程改革前后的变化．只有学生在学习了物理实验课程之后的一些主观感受，令我们欣慰的是学生的许多感受与我们实验项目改革的初衷是一致的，也就是说我们改革物理实验课程的目的得到了学生的认同，并在其能力培养过程中起到了一定的作用．下面是摘录的一些学生学习完物理实验后的感想．

1）通过做8次实验，对上学期所学物理课的知识进行复习，了解基本的物理知识，也了解了医学中物理知识的应用．对医疗仪器的工作原理有一定的了解．同样，通过自己动手操作，对实验产生浓厚兴趣．总之，物理实验课上得很值，上课积极性比其他课要高，学得很快乐．

2）一直以为大一结束了就可以告别人生中的物理了，没想到迎接我的竟然是9周的物理实验，开始的我也曾抱怨过为什么我们要学习这对医学没有什么用的物理．但进入实验中，我终于发现了原来物理也可以如此有趣．生活中有如此多的事物离不开它，特别是医学．温度传感器测量并检测病人体温变化在临床上的意义，示波器定量测量各种重要生物信号，如心电、脑电、血压等，光学波动对于生命组成物质核素和蛋白结构的研究，狭义相对论对于核医学的巨大贡献，光谱分析在化学、医药上的广泛应用，核磁共振成像的重大意义等等都让我体会到了医学与物理学的密切关系，在这门课中我收获了很多，也从亲自动手中得到了很多快乐．

3）虽说以后物理会淡出我们的学习范围，不过作为大学期间最后一门物理课，还是挺有趣的．老师给了我们很大的空间去思考和操作．我们慢慢地，面对一个陌生的仪器也不会被它的高科技震撼得无从下手了．我想这应该是最大的收获，提高了自己去探索的能力．

4）时光飞逝，半个学期以来陪伴我成长的物理实验结束了，其实在看到课表上唯一的与医学没什么直接联系的这门课时，我觉得很奇怪，又很期待．奇怪的是物理实验课能给我这样一个医学生带来什么，或者说这门课于我有什么意义．期待的是它能摆脱“死记硬背”的医学院校的影子，带来一点我久违了的理科的气息．我觉得物理实验课给予我的不仅仅是预习报告一大堆，实验报告一大堆．它让我切实地感受到物理真的很有用，学习物理实验是一件很快乐的事．

5）觉得物理实验很好玩！虽然每个实验与原理都让人一头雾水，但操作都远比想象的简单好多好多，而且做的时候很迷茫，但结果一出来总是特别有成就感．最让我印象深刻的就是验证相对论和氢原子光谱，前者我们组的实验曲线与理论曲线几乎就是重合的，后者我们所得氢原子能级与理论值一模一样，好有成就感！

6）从前我很讨厌物理这个学科，但是物理实验课让我见到了物理学的魅力，原来它不仅仅是白纸上枯燥的推导运算，而是可以应用到生活中解决实际问题的．书上说包括物理实验在内的物理基础课程绝不仅仅是提供一些基本物理知识，而在医药人才培养中具有其他课程不能替代的重要作用，这我深信不疑．

7）尽管物理实验并没有运用什么专业的知识，但在我感觉，这种探索和思考的课程或许更多地留给我们一些精神财富……．可以说大学物理对我印象最深的是这半学期的实验，……．物理是一门实验理论结合的课程，但我更爱这能享受乐趣的实验．因为实验中我们能感到探索的乐趣和研究的快乐，这正是如今中国青年所缺乏的一种精神．

8）第一、这个课有意思．我觉得这点特别不容易，高中时候物理实验课那种无聊的感觉深深印在脑子里了，以至于我开始还担心这课会不会是高中的延续？只是验证一些实验规律，然后就一直在那里折腾小球．但是，从我一上物理实验课，我就发现这课跟高中不一样……．第二，这课让我有所思考．老师在讲解实验原理的时候带着我们思考，联系实际生活中的应用，体会物理与医学的密切联系……．再者就是亲自动手实验的时候，深深体会到物理学家是多么伟大，光学实验稍稍移动一点点，就会引起极大变化，很难想象当年那些物理学家在条件远不如今天的情况下，如何发现物理规律？如何用实验验证？这需要极大的信心和无数次的努力．所以每个成功者背后都是辛勤的汗水．

从上面这些学生的话语中可以明显地感受到物理实验带给他们的快乐和收获．

4 小结

医药专业的物理课程如何定位在国内一直存在争议，有的偏重物理基础，有的偏重医学应用．一些医药院校的物理教师总觉得物理在医学中的应用都很重要，哪个也不想舍去．在课时有限的情况下，能舍去的就只剩下物理基础了．我们曾经指出过如果物理课程全部是医学应用的内容，估计离物理课程被砍掉就不远了［8］．因为这些内容后续的医学课程都会讲到，开设物理课程还有什么必要？物理课程具有其他课程无法替代的作用，才是其立足和发展的根本．因此，医药专业的物理课程过度强调物理学在医学中的作用只能是适得其反，不如以物理学本身的魅力吸引学生．我们物理实验课程的改革实践，特别是学生的体会就是很好的证明．也只有这样才能使医学生掌握物理学的基本概念、基本规律和基本方法，为其今后用于解决实际问题打好基础．

有人曾提出物理学课程既是医药专业的公共基础课程，在流体、几何光学等内容上又具有专业基础课程的性质，甚至在 X射线、核医学上还具有专业课程的性质．把这么多责任加在理论课加实验课平均不足100学时的物理学课程上，只能使物理教师不知所措，什么都想讲的结果只能是什么也讲不清楚．因此，对于医药专业的物理学课程不要赋予过多的责任，简单地将其定位在通识性基础课程上，定位于培养医学生的科学素养，从这个角度审视物理学课程的教学内容和教学方法可能会有豁然开朗的感觉．

我们在此强调物理基础的重要性并不是说物理课程不需要与医学应用结合，而是目前医药院校的物理课程过分强调医学应用，好像物理课程上只有讲X射线、CT、磁共振成像、心电图才能吸引学生．但是，第一、这门课是物理学课程，没有相应的物理基础，如何介绍医学应用．物理在医学中的应用完全可以开设后续课程介绍；第二、上物理课时的医学生几乎还没有开始医学课程的学习，他们尚不具备理解这些内容的医学背景．第三、物理教师基本上是物理专业的教育背景，让其讲医学应用的效果显然不如讲物理基础．而且，我们的教学实践证明物理内容也可以吸引学生，其实物理学的基本规律就可以解释许多与医学相关的简单现象．我们现在的物理实验项目绝大多数在理工科类高校的大学物理实验室中都能见到，脉搏语音观测实验也于2012年被南方科技大学引入．但是，我们的学生学完物理实验课程后都能强烈地感受到物理在医学中的应用．因此，医药专业的物理课程应该以物理基础为主，医学应用为辅，在注重物理基础的同时兼顾医学应用．

［1］ 本科医学教育标准——临床医学专业（试行）［EB／OL］．http：／／www．moe．gov．cn／s78／A08／gjs_left／moe_ 740／s3864／201406／t20140604_169784．html

［2］ 童家明，刘成玉，周晓彬，等：普通高等学校医药类专业物理理论课教学现状调查［J］．大学物理，2005，24（7）：55-59．

［3］ 童家明，刘成玉，周晓彬，等：普通高等学校医药类专业物理实验课教学现状调查［J］．物理与工程，2005，15（4）：49-53．

［4］ 喀蔚波，李玉梅，孙大公，等：医学院校物理实验现代化建设的一些设想［J］．大学物理；2000，19（4），42-44．

［5］ 喀蔚波，李玉梅，代云，等：坚持物理基础、增加现代内容、结合医学应用——北京大学医学部物理实验的教学改革实践［J］．中国医学物理学杂志，2004，21（5）：306-307．

［6］ 李辉，孙大公，王铭，等：中日医学专业物理学基础课程教学的比较［J］．大学物理，2014，33（12）：35-38．

［7］ 喀蔚波．医用物理学实验 ［M］．2版．北京；北京大学医学出版社，2008．

［8］ 喀蔚波．对医药专业物理课程的几点看法［J］．中国医学物理学杂志，2010，27（2）：1816-1820．

Thinking and practice on teaching reform of physics experiment course for medical specialty

KA Wei-bo，SUN Da-gong，YUAN Gui-hong，LI Hui，DENG De-ning
（Department of Medical Science，Peking University Health Science Center，Beijing 100191，China）

The current situation of physical experiment courses in domestic medical specialty is analyzed，and an education reform practice of the physics experiment course of Peking University Health Science Center is introduced．Directed by the idea of“adhering to the basic of physics，increasing the contemporary contents，combiningwith applied medicine”，a ten-year education reform practice results in a new physical experimental course．This course emphasizes both medical applications and physics，and places value on both modern technology and handson operation．It turns out that students show more interest to this physical experiment．A suggestion is put forward that emphasis should be laid on the basic of physics in the physics course construction and teaching reform for medical specialty．

physics course for medical specialty；physical experiment；teaching reform

O4-33

A

1000-0712（2016）10-0046-06

2016-02-23；

2015-03-16

喀蔚波，（1962—），男，北京人，北京大学医学部医用理学系副教授．