摘要
學院數學是理工科公共基礎課程。怎樣使該課程達到對專業的支撐，提升中學生運用數學知識解決相關專業問題的能力，是學院數學班主任必須面對和不容回避的問題。本文針對生物學專業學院數學課程如何變革有利于增強中學生的學習興趣、有利于中學生學會把數學學的知識運用到生物學專業上的問題，給出了變革的有效途徑、方法和成效。我們的實踐結果實現了在結構上彰顯了數學學與生物學的有機結合；在內容上引進了有關的生物現象和當代數學學與生物學發展的動態；在技巧上彰顯了用數學學的方式處理與生物現象有關的數學問題；在療效上增強了中學生的學習興趣和運用數學知識解決與生物有關的數學問題的能力。
關鍵詞教學變革；學院數學教學；生物學專業學院數學
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在科學技術迅猛發展的明天，自然科學的各個學科，顯著地朝著綜合的方向發展，新的邊沿學科和交叉學科不斷出現,傳統的教學體系已不適應當前對人才培養的須要。正如２０１７年２月１８日教育部在清華學院舉行了高等工程教育研討會，對新時期工程人才的培養提出了“新文科”建設［1］以及《關于舉辦“新文科”研究與實踐的通知》，強調的地方院校應對接地方經濟社會發展須要和企業技術創新要求，培養出創新性和應用型人才，促進傳統文科專業改建升級［２］。為此，針對學院數學課程內容陳舊，教學方式乏味，實踐環節不被注重，考評方式單一，不同程度的脫離經濟和社會發展須要，落后于當代科學文化的發展，我們要在調查研究的基礎上，本著立足培養目標，著眼未來發展的原則，進行合理的教學變革。
1為何要變革
20世紀早期數學學發生了深刻的改革，尤其是相對論量子熱學的誕生決定了20世紀科學發展的進程，20世紀30年代之后，數學學的概念和技術越來越多地溶入到其他自然科學領域，大大地加速了其他學科的發展速率以及科學與技術的發展速率。以生物學為例，量子熱學的出現在亞細胞水平及分子水平，說明生物體系結構和功能關系成為可能，50年代正是因為把數學學的X射線技術引入生物學才確定了核苷酸的雙螺旋結構奠定了分子生物學的基礎；60年代前期技術的出現是觀察活細胞的分裂和研究活的生物樣品成為可能；而電子顯微鏡的出現則是研究細胞生物學不可缺乏的技術手段。近些年來生物科學和數學學的緊密結合和互相滲透，形成了一系列新型邊沿學科，如分子生物學，分子遺傳學，量子生物學，仿生學生物信息和控制論等。再如新文科，數學的最新科研成果直接促使了大數據統計、新型智能制造、網絡科技、人工智能等高新技術的蓬勃發展。化學學的相關概念、方法和手段在其中發揮了重要作用。據悉，在智能制造、大數據處理、人工智能等專業方向同樣深刻涉及數學學中的精典和量子特點等方面，與數學學密切相關。未來科學和技術的進步，將更極大地依賴數學學以及與之相關的交叉學科的發展[3]。新的學術思想、新理論、新知識不斷地沖擊著傳統的教學體系，剖析和總結一下我們的教學和教材現況，對照當代數學學與新商科和其他自然學科融合發展的水平和發展方向，必須調整傳統的教學體系，能夠適應學科的發展，適應時代的要求，進而達到我們的培養目標。當前，非化學專業學院數學課程教學現況和普遍存在的問題是：
1）中學生的數學基礎良莠不齊
因為中考模式變革，使學校數學部份內容作為必修，使得中學生對化學內容把握不全面，致使步入院校之后中學生的數學基礎良莠不齊，因而，一些化學課程，如學院數學舉辦上去比較困難［4］。
2)教學內容陳舊
基本上是20世紀30年代曾經的水平，80%的內容是精典化學的范圍，這種內容對前沿科學的涉及比較少物理專業有哪些專業大學，沒有反映當代數學學的概念和實驗技術，非常是已滲進相關專業領域的近代化學學的概念和技術。近代化學的內容也沒有充分彰顯近幾年高速發展的交叉領域的理念和思想，相關的數學模型沒有得到進一步拓展和探討[5]。
3)教學目的要求與教學內容嚴重相悖
學院數學大綱要求對于與專業聯系緊密的化學現象概念和規律必須有進一步的了解，在教學中應盡量舉一些與專業有關的化學現象。在實際教學過程中，講授內容與專業知識嚴重相悖，根本沒有反映上述要求，兩者是彼此孤立的。
4)教學課時與教學內容嚴重失調
學院數學內容多，知識面分布廣。教育部高等中學學院數學教學指導委員出臺的《理工科學院化學課程教學基本要求》，建議學院數學的最低教學課時不高于126學時[6]。而實際情況良莠不齊，除工科36學時外，其他專業的學院化學學時被嚴重壓縮，有110學時的，有的54學時，甚至有48學時的。好多校區學院數學只開辦一個學期，周學時為２~3學時。
5)對學院數學的注重程度不夠
非化學專業的中學生覺得《大學化學》不是她們的專業課，學習學院數學對她們的專業學習沒有幫助，又和考研無關，所以注重不夠，缺少學習動力，滿足于考試能過關就可以。另一方面，中學、學院對學院數學課程不注重，非常是在教學評優、評優、評獎以及教學大賽等方面重專業課程輕公共基礎課程。
6）教學方式重教輕學
班主任對教學投入不足，疏于科研或心中想著別的，沒有盡心盡責。教學方式上還是“填鴨式”或“灌輸式”。數學教學中大部分時間都拿來推論公式和反復的物理運算，雖邏輯嚴謹，卻掩藏了背后的化學性質與意義，致使數學的氣味失去殆盡。造成中學生欠缺興趣和主動學習的積極性。另一方面，就數學論數學沒有突出用數學的方式處理與專業有關的化學現象，對專業現象中涉及的數學內容無任何實例，無助于中學生在專業現象中抽出數學的信息。
7）班主任數目有限，班主任更換頻繁
班主任數目有限，好多院校的相像專業都采用合班教學的方法[4]。班主任更換頻繁，班主任難于固定在某具體專業上。因而，班主任很難熟悉專業知識，更談不上結合專業須要講授學院化學。
8）重理論輕實驗
有的中學面向非化學專業開辦的學院化學課程，基本不開辦實驗課，有的雖然開辦了，學時也十分少。中學生的實驗操作機會比較少，實踐動手能力基本得不到提高。
9）考評方法和評價標準單一
考評方法欠缺針對性，對中學生的考評通常由平常成績和考試成績兩部份構成，平常成績由考勤和平常作業組成。無論平常作業還是期中、期末考試，中學生仍然離不開解題、知識點的背誦記憶[6,7]。考評內容與課程目標嚴重相悖，不能彰顯數學知識與專業知識的有效結合，不能反映對科學思維、創新能力的評價。
2如何進行變革
根據斯皮羅和喬納生觀點[8]，這是應用學院數學中良結構領域知識來解決非化學專業領域的問題（非良結構領域），這應當是中級知識的獲得方法。在學院數學學習期間，讓中學生在學院數學課程體系中去建構自己所面向專業的知識體系、技能體系和能力體系，是非數學專業學院數學課程變革的重要方向之一。在學院數學課程體系中，怎樣結合專業知識點、如何使學院化學服務于專業課學習，是變革的重點。
本文以生物學專業學院數學課程變革為例。
變革首先要明晰目的，其次是要確立變革的方式和步驟以及具體施行方案。
2.1生物專業學院數學教學變革的目的
生物專業學院數學教學變革的目的：一是使學院數學教學適應生物學學科發展和專業須要，二是使中學生有效地把握數學學的基本原理和基本實驗技能，學會處理與生物有關的化學現象，提升中學生對化學學在生物學中的重要作用的認識，因而迸發中學生的學習興趣，要實現這兩個目的，在教學中做到：
(1)在結構上彰顯數學學與生物學的有機結合。
(2)在內容上更新知識，引進有關的生物現象和當代數學學與生物學發展的動態。
(3)在技巧上應彰顯用數學學的方式處理與生物現象有關的數學問題。
這樣除了能提升中學生的學習療效，擴大中學生的知識面，并且還能增強中學生的學習興趣，變被動地學習，為主動地學習，非常的能夠提升中學生對學院數學課程的認識。
2.2變革的方式和步驟
2.2.1調查、征求意見
為了把握生物專業對學院數學課程的要求和對化學知識的需求，必須調查、征求各方面的意見進行研究。為了使搜集的意見具有代表性，應首先征詢生物學專業三、四年級中學生的意見。由于她們已在二年級第一學期學完學院數學，到了三、四年級，在她們陸續的專業課程中會漸漸用到所學的化學知識。為此，有直接的體會，但是感受也會很深刻。其次，還要征詢生物學專業班主任的意見。由于生物學專業的班主任很清楚，在自己所教的專業課中用到什么數學知識，以及她們在講授這部份內容時的難點是哪些。
中學生們的意見是這樣的：學院的生活早已過了兩年，回想起在二年級第一學期學習的學院數學，有些朋友早已沖淡了，有些朋友卻嘗到了學好化學的甜頭，……光學、電學、聲學及熱力學為我們對生物學的深入研究打下了基礎；生物學的研究所需的一些技術，如電泳、光譜、色譜、質譜分析及離心技術等都與數學學有密切的關系……，但是，這種體味是我們在學習化學后許久才感遭到的，所以希望今后的數學課能更多地與生物學聯系，迸發朋友們的學習興趣、更早意識到學院數學對學習生物學的重要性。
部份班主任的意見：熱力學第二定理，熵、無序有序的變化規律，以及信息論在生物學中有著重要的作用；電鏡的基本原理所涉及的電磁學理論多講一些；降低波譜及光學傅里葉變換以及晶體衍射等內容；降低化學學中的X射線、β射線以及紫外線對基因誘發突變的重要作用等。
通過督查表明：
(1)化學學與生物學的緊密聯系，應在教學中有意識地彰顯下來；
(2)在學院數學教學中必須適當地引進與數學有關的生物現象，能夠充分、有效地彰顯兩者的密切聯系；
(3）生物學專業學院化學的教學變革除了是值得的，并且是必須堅持做下去。
2.2.2查閱生物學專業教材
為了進一步全面了解所講的數學知識賦于什么生物現象之中，必須查閱生物學專業的教材，并系統地把這種內容進行剖析總結。在《人體與植物生理學》教材中，我發覺有許多生理現象須要化學的知識來幫助解釋，如生物電現象、血液循環、聲音、能量代謝等等。就生物電現象而言，關于它的形成機制并不非常清楚，只是多數學者都接受霍奇金學派的離子學說。這部份內容在這門課程中是中學生不容易接受的難點。除了由于生物學方面的，并且也有化學學方面的困難。如“極化”的概念、“輸運”的概念（生物學上稱作運轉），“電勢差”的概念等，這種都是數學學基本的，并且也是重要的概念。非常像“極化”“輸運”這類概念在數學學中也是中學生較難理解的。為此，有必要把這部份內容總結整理下來，作為一個專題，首先在數學課中讓中學生們了解一下，在這個專題中重點突破來自數學上的難點，這樣在她們將來學到這門課程時，可以把注意力集中到來自生物方面的難點，這樣接受上去就容易多了。因而才能提升中學生的學習療效。在《動物生態學》《植物生態學》以及《遺傳學》中部份涉及到生命進化論的內容。這部份內容看起來似乎與數學學沒有哪些聯系。但是，這部份內容在歷史上卻造成了歷時一個世紀的化學學家和生物學家的論戰，但是在哲學上也是常常談論的課題。生命的進化是從簡單到復雜，從低級到中級，也就是說它的演變是越來越邁向“有序”、走向“進步”。這與學院化學學中熱力學第二定理的內容則恰好相反。熱力學第二定理告訴我們：任何一個孤立系統，它的自發演變是邁向混亂，邁向平衡，表現為“退步”。為澄清二者之間的關系，清除歷史上在這個問題上的誤會，同時批判歷史上的偽哲學家們，借此來制造混亂的丑陋面目，有必要把這兩個內容總結一下，作為一個專題講給中學生。
據悉，通過查閱《生物物理》《微生物學》《植物生理學》《普通植物學》《細胞生物學》《進化論》《分子生物學》《電子顯微鏡原理及應用》《生物化學》等教材，并結合學院數學內容，總結了12個專題，這種專題是：
(1)離心技術
(2)血管生理
(3)輸運現象物質通過質膜進出細胞
(4)熱力學第二定理與生物進化論
(5)底泥水
(6)生物電現象
(7)電泳技術
(8)生物磁現象
(9)電子顯微鏡結構及原理
(10)聲音對生物體的作用
(11)激光在生物學中的應用
(12)X射線在生物學中的應用
這種專題在生物學專業的學院數學課中講過,療效挺好。這種專題講過之后，進行了問卷調查，結果表明：中學生喜歡上專題課；在專題課上能學到有用的知識，并希望能堅持下去。如問卷調查中有的中學生講到在數學學中引入數學生物專題，可以使我們對專業課的學習加深理解，有助于專業和數學知識的聯系，因而為進一步闡述生物知識奠定基礎，我們對那些內容十分感興趣。如能再引入一些現代化學與生物的聯系及科學前沿的課題將是錦上添花。又如，有的寫道：化學與生物學有著內在的有機聯系，因而引入數學與生物專題，相當必要，可算一大教學變革，使我們學到專業課學校不到的知識，促使我們對專業課的學習，對將來的電鏡等好多課，就會有相當大的幫助。
2.2.3重新制訂教學大綱
為了實現教學變革的目的，把變革落到實處，基于以上的工作重新修訂了學院數學教學大綱，把變革中有成效的內容寫進新的大綱。新大綱主要有以下幾點變革：
(1）刪掉與生物專業關系不密切，又不影響其他教學內容的部份，非常是學校已學過的內容；
(2）增設新內容和設置化學與生物專題。增設的內容主要是與化學學有關的生物現象，增設專題的目的是集中反映用數學學的方式處理生物現象中的數學問題，另一方面專題不固定，目的在于能及時反映當代前沿課題，寓科研與教學之中，培養中學生的科研能力。
(3）充分彰顯數學學與生物學的互相滲透，把生物學對化學學的需求滲透到每一部份，做到了每一部份每章都引進了生物學的內容，12個專題分散在每一章里。
(4）引進信息化教學手段和課外實踐活動，如視察電競實驗室等。
(5）增設討論課。對有些專題，因為中學生在本專業中已學過，因而可以用中學生來講，你們討論，班主任總結的方法進行。
3變革成效
通過變革，使中學生們有了新的認識，課堂活躍上去了，課上課下都有中學生爭著跟老師討論問題，非常是大部份中學生對化學與生物專題表示極大的興趣。我們的變革取得了如下成效（數據對比見表1）：
(1）化學與生物專題的引入，使中學生們真正深刻感悟到數學學在生物學中的重要作用，從根本上改變了過去中學生對化學學的認識，這樣做比班主任在引言中指出數學學的重要性要有力有效的多。
(2）中學生在認識上有了飛越，學習興趣自然激增，因而提升了學習療效;非常是對于提升中學生的剖析問題和解決問題的能力有極大的推動作用。
(3）學到了在本專業學校不到的有用知識，寬廣了視野，比如離心技術、電泳技術，不再是簡單的機械操作，這兒蘊含著眾多數學知識的妙用。
(4）編撰了《物理與生物專題》講義。
(5）出版了《大學化學》（生物類專用）教材。
4教學變革中幾點感受
(1）變革過程飽含著艱難的勞動，有苦也有樂，它既是一種創造性的活動，也是一種探求性的活動，它隨時都面臨著成功和失敗的挑戰，也面臨著被理解與不被理解的矛盾，有支持的也有反對的。為此，在這個過程中要堅定信念，克服各類阻力，揚長避短，把變革堅持下去，經受實踐的檢驗。
(2）變革須要解放思想，有認識上的革新，還要有對未知不斷探求的精神，比如當查閱生物專業資料碰到不懂的生物知識時，要勇于不恥下問，直至看懂為止。
(3）變革并不是一個人的事，它須要集體的合作，各方面的支持。就生物專業普通化學教學變革而言，它涉及的不單是任課班主任本身，還有與之有關的部門、對象以及整個專業的教學體系。我們的教學變革之所以有所進展，是與有關的生物學班主任、生物系和化學系兩個大學領導以及生物教科辦的大力支持和幫助分不開的。
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作者簡介:呂樹臣，男，黑龍江師范學院院長，主要從事化學教學科研工作,研究方向為量子光學，。
引文格式:呂樹臣.生物學專業學院化學教學變革實踐探求[J].化學與工程，2021，31（6）：57-62.
Citethis:LVSC.andofinmajor[J].and,2021，31（6）：57-62.(in)
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