生物理论范文

一、生物学自然主义意识理论提出的背景

在同一性理论之后的功能主义认为，心理状态，即特定种类的功能状态，而“功能”即心理状态与外部行为之间的因果联系。黑箱功能主义因为把大脑仅仅视为一个能够做出刺激—反应的黑箱而没有深入研究大脑的内部结构，使得这一观点并不深入。而计算机功能主义则利用人工智能等新兴学科的成果，通过模拟大脑运行的方式来研究心灵，其主要观点是:心灵跟大脑的关系就像程序与硬件之间的关系。塞尔对此提出了著名的“中文屋论证”来批判计算机功能主义，他主张大脑天生不是一台计算机，因为计算机只是根据程序的句法学来操作的，而人的心灵是根据语法学来运行的，计算机只是把计算性质的解释指派给了大脑而已。此外，还存在同属于唯物主义，显得较为另类的版本:消除唯物主义(eliminativematerialism)和异常一元论(anomalousmonism)。正如保尔．丘奇兰德所说，“纯粹的还原论和纯粹的取消主义是关于心的问题的各种解决方案的两个极端”。消除唯物主义主张心理状态并不存在，人们所具有的信念、欲望等心理状态都是关于民间心理学(folkpsychology)的理论术语，它所提出的主张和在此基础上的假设都是错的，就像科学史上的燃素说一样，这样的理论迟早要被科学心理学理论所取代。而在异常一元论看来，在心理－物理之间根本上不存在严格的、有决定论性质的因果法则，由此得出了所有心灵事件都是物理事件的结论，从而也消除了心灵。而在心身问题内部，塞尔认为还存在我们继承的来自笛卡尔传统术语体系中隐含的四个错误假设，这些假设构成了心与物的冲突得不到解决的根源。因此，我们要在物理世界中为心灵定位，就必须对这四个假设进行质疑。所谓心理与物理之间的区别，即认为“心理的”(mental)和“物理的”(physical)包含了各自互不相容的本体论范畴:如果某事物是心理的，那么在这个方面它就不能是物理的;如果某事物是物理的，那么在这个方面它就不能是心理的。也就是说，心理的事物和物理的事物是相互排斥的，正是这个假设使得心物二元对立。一般认为，一种现象如果能够还原为另一种现象，那么这种还原的概念是清楚明白和无歧义的，即如果能够把诸A还原为诸B，那么诸A除了是诸B之外什么也不是。而在意识与脑的关系上，如果意识能够被还原为脑过程，那么意识就不过是脑过程。但是，这种对还原的片面理解往往消除了意识的存在。人们通常把因果关系狭隘地理解为在时间中被编序的、彼此离散事件之间的关系，在这种关系中原因先于结果而产生，而且“因果关系的特殊事例必定例示了一个普遍的因果法则”。然而，照此理解的话，如果脑事件能够引起心智事件，那么就会产生两个彼此分离的事件———脑神经过程和意识，而这似乎与人们熟知的常识是不相符的。人们理解的“同一性”含义也像还原概念一样被认为是当然的，即每一事物与自身的同一似乎是显而易见的，如晨星与暮星、水与H2O分子的同一性就是透明的。但是，如果心智状态与脑的神经生理学状态也以这种方式相同一的话，那么我们就存在两难境地:要么否认心智与脑神经状态的同一性，要么否认心灵的存在。

二、生物学自然主义意识理论的主要观点

生物学自然主义(biologicalnaturalism)的目标是在自然界中为意识找到位置，塞尔认为对意识的定位必须符合“科学的”世界观，而“物质的原子理论”以及“生物进化论”这两大目前证据确凿、不容置疑的理论在很大程度上构建了现代世界观，我们对此承认而不会怀疑。因此，在对意识进行自然化的理解中，生物自然主义就建立在这两大理论之上。第一，为了使生物学自然主义能够被接受，塞尔提醒我们应该忘记心身问题的讨论历史，而关注基本的物理事实。在塞尔看来，心灵的首要的和最根本的特征是意识性，他不仅给这种特征下了一个定义，而且依据生物进化论对意识在自然中是如何产生的作出了解释:这个词(意识性)意指那些知觉的或清醒的状态，它们一般在我们早晨从沉睡中醒来时开始、并在整个一天继续这种状态，直到我们再次入睡。心智现象是由脑中的神经生理过程而引起的，并且他们本身就是脑的特征……心智现象和过程如消化、有丝分裂、减数分裂或者酶的分泌一样，都是我们生物自然历史中的一部分。。第二，在塞尔看来，意识虽然有其物质性的一面，但同时也蕴含四个高阶的重要特征:定性特征、主观性、统一性和意向性，这使得意识不能在本体论上被还原为低阶神经生物学基础。所谓定性特征(qualitativeness)，即意识都具有“它感觉起来像什么”(what－it－feels－like)的特征，有哲学家用“qualia”(一般翻译为“感受质”)来表示这种性质，比如说感觉到疼痛和品尝冰激凌的状态就有着不同的感受。所谓主观性(subjectiv-ity)，即意识状态在必须通过人或者动物的主观感受到时才存在，在这个意义上，意识具有第一人称本体论的地位。所谓意识的统一场，即意识能够把触觉、视觉等感觉作为单一的、统一的意识场中的一部分而被经验到，即“规范的、非病因学(non-pathological)种类的意识是通过一个统一的结构而涌向我们的”。所谓意识的意向性(intentional-ity)，即意识能够关于、指称客体或者事件的能力。

在塞尔看来，很多有意识的状态都是有意向性的，然而并非所有的意识都有意向性，也不是所有的意向性都是有意识的。既然意识具有自身的独特特征，但是意识拥有神经生物学基础的事实也是不可忽视的，那么，意识的这些独特特征是如何在物质世界中存在且不与之相矛盾呢?塞尔用生物学自然主义的四个核心论题进行了描述。在他看来，二元论与唯物主义一元论虽然有错误，但是同时也含有合理因素，因此，塞尔所采取的策略就是在吸取各自正确方面的同时否定其错误方面，从而建构出生物学自然主义意识理论。具体来说，这一理论包含意识的实在性、因果还原性质、系统突现性质和因果效力四个主要论题。意识的实在性，即意识作为实在世界中的真实现象，它有着自身的独特性质，我们不可以通过消除性还原、本体论还原而表明其不存在或者是别的什么东西，否则就会消除意识。意识的因果还原性质，即意识状态完全是由脑中较低层次的神经生物学过程引起的，“意识状态在因果上可以还原为神经生物学进程”。意识的系统突现性质(emergentproperty)，即意识是大脑的宏观特征，意识状态是脑系统在脑中的实现，而在微观层次的单个神经元则不具有意识，通过微观的神经元组织才使得脑系统的各部分有意识。意识的因果效力，即意识的实在性使得它可以像物理事物一样作为原因而起作用，例如，我相信天会下雨而使我出门的时候带上雨伞。对于意识状态的这种特征，塞尔也称之为“心理因果性”(MentalCausation)或“意向因果性”(IntentionalCausation)。通过对以上四个论题的阐述，塞尔揭示了意识的实存依据，为意识找到了在自然界中的位置。在塞尔看来，意识具有实在性，表现为在本体论上不能够被还原为第三人称现象，它有神经生物学基础，通过突现的方式产生，而且能够以因果的方式发生作用。然而，仅仅指出意识是自然的一部分，而没有从细节上分析上述意识的特征和性质是如何不与物质世界的特征和规律相冲突的，这与唯物主义一元论的某些主张相比没有什么不同之处。

三、生物学自然主义意识理论解决心身问题的路径

塞尔把心身问题分为哲学部分和科学部分来加以解决。在他看来，较为容易的哲学部分主要解决意识与其他心理现象的关系、意识与大脑的关系是什么的问题，通过对心身问题背后隐含假设的清理，他把答案归结为两大原则“首先，意识甚至所有的心理现象都是在大脑中由较低层面的神经生物学过程引起的;第二，意识与其它心理现象都是大脑较高层次的特征”。而对于较为困难的科学部分，塞尔则认为主要任务就是从细节上解释意识在大脑中是如何运行的，如果能够解决这个问题，则将是目前时代最重要的科学发现。因此，总体看来，生物学自然主义解决心身难题的路径主要有:对传统概念的重新分析和定义———拒斥概念二元论、对两种不同形式还原概念的区分;建构意识的因果—层级模型;构建“意识科学”，把意识问题的解决在经验上诉诸神经生物学。塞尔认为，传统二元论和唯物论都预设了“概念二元论”(conceptualdualism)。这一理论假定“心理”和“物理”有严格的区别:“物理的”意味着“非心理的”，“心理的”意味着“非物理的”，从而导致唯物论与二元论一样也是不融贯的，“因此唯物论在某个意义上是二元论的最美的花朵”。

由于这种观点使心、物对立，心身问题难以解决，因此必须拒斥这一理论，把意识看作大脑系统的高阶生物特征。塞尔主张，心灵的定性特征、主观性和具有意向性，与物理性质的:能在空间中定位、在空间中延续、可以通过微观物理学进行因果解释，包括作为一个因果封闭系统而发挥作用是相容的，而且意识的这三个特征“在特定的时间段里定位于大脑之中，并可以通过较低层次的进程加以因果解释，还能够以因果方式发挥作用”。这必须区分两种不同形式的还原。第一，区分因果还原(causalreduction)和本体论还原(ontologicalreduction)。因果还原指的是当某事物A的行为在因果上能够通过事物B的行为来说明，而且除了B具有这种因果能力之外，A并不具有这种能力，那么，就可以说某种A现象就在因果方面被还原成了B种类的现象;本体论还原指的是当某事物A表明只不过就是事物B时，那么某种现象A在本体论上就被还原成了B种类的现象。塞尔认为，对于意识现象而言，我们不可以对之进行本体论还原，因为“拥有意识这个概念的关键就在于抓住该现象的第一人称的主观性特征，而如果我们通过第三人称的客观化话语方式来重新界定意识的话，那么我们就会失去该要点”。因此，我们只能从因果的角度将意识还原为大脑的神经生理活动。第二，区分消除性还原(eliminativereduction)和非消除性还原。消除性还原区分了表象与实在，意在表明被还原的现象根本不存在。而对于非消除式还原来说，其适用的对象不能是已经实存的东西，例如固体性本来就是物体分子行为产生的，人们不可能把这种实存特征消除。在塞尔看来，意识不能作消除性还原，因为对于意识而言，意识在产生它的本体论意义上是实存的，而且在认识论上也是不容怀疑的，不能作“现象—实在”的区分，意识作为一种表象就是实在。心身问题的重要方面就是心身因果作用的问题，塞尔在解决这个问题的过程中同时建立了意识的因果—层级模型。在他看来，世界是由原子等物理粒子构成的事实，使得许多大系统的特征可以依据小系统的行为从因果关系上得到解释，这种因果解释有两种:一是“从左到右”，即从宏观到宏观或者从微观到微观解释，也就是用宏观现象来解释宏观现象，或者用微观现象来解释微观现象;二是“从下到上”，即从微观到宏观的解释，也就是用微观现象来解释宏观现象。意识与脑的神经过程之间的关系就符合以上的因果解释，即在因果上，具有第一人称本体论的意识可以还原为第三人称基质(神经生物学基础)，而不会导致对意识的消除。因为相对于脑神经过程来说，意识是较高层次的特征，属于宏观现象，但是由于其物理实现在脑系统之中，使得脑神经过程是较低层次的特征，属于微观现象。例如，当某人说“举起我的胳膊”的时候，通过这一有意识的决定(行动中的意向)导致他的胳膊被举起(宏观现象)。

1课程教学改革

1.1厘清学科关系，优化课程教学内容研究生课程教学内容的选择十分重要，直接关系到研究生的教学质量[4]。在进行药剂学研究生课程教学时，一定要厘清药剂学及分支学科的关系，确定各门课程的教学内容，药剂学专论重在讲授具体的药物制剂制备新剂型、新技术与新方法，体现在“型”（赋剂成型）、“均”（药物成分分散均匀）、“效”（制剂的疗效）三个方面；物理药剂学重在“理”（药物制备基本理论，也用物理化学原理阐述制剂制备理论）；而生物药剂学与药物动力学重在“评”（制剂生物效应的评价）。这样厘清三门学科的关系，优化教学内容，组织教学。

1.2改革教学安排，增加实验教学增加物理药剂学、生物药剂学与药物动力学的教学时数，重视实验课开设，特别是物理药剂学实验的开设既不能重复药剂学的实验，又不能重复物理化学的实验，应开设“内容是药剂而实验方法却是物理化学”的实验，并且加入一定的以多成分药物为模型的实验，如“不同制剂黏度比较、多成分的同步溶出”等实验。药剂学专论可结合中西药、新药研究内容，重在教授药剂研究、生产与应用的关键共性问题。

1.3改革教学方法，统一教材与大纲改变传统的“填鸭式”的教学方式，采用启发式、讨论式、案例式、开放式等相结合的头脑风暴研究生教学法[5]，鼓励研究生采用怀疑和批判的眼光提出问题，不盲从权威，这种求异思维能摆脱习惯性思维的束缚，产生新奇独特的创造性设想。除头脑风暴法外，还可进行双语教学[6]，提高研究生专业英语的应用能力。鼓励学生参加研究生创新论坛、学科竞赛等，或是采取参观、讲座的形式开拓学生视野，打开思路，从而培养出高素质创新型研究生。对于生物药剂学与药物动力学、物理药剂学两门课程，全国应统一教材与大纲。

1.4建立多维度考核体系，考查学生的创新素质[7]研究生课程考核中引入“四位一体”的多维度考核体系，课程期终成绩由理论课成绩、平时小测验、实验课成绩、软件操作成绩四部分组成，能较完全的体现学生对课程的掌握程度。同时，学生的综合素质也得以体现，是一套科学、标准、完善的考核体系。

1.5加强师资队伍建设，确保分支学科高水平教学[4]为确保药剂学课程教学改革的成功，需特别重视师资队伍建设。如物理药剂学是比较缺少师资力量的课程，对任课教师的学术水平要求较高，需保证专职任课教师，可由药剂学教师兼任，但需进行师资培训学习。同时，可以采用“走出去”与“请进来”的策略。“走出去”，就是选送一些年轻教师去国外进修或攻读博士学位；“请进来”，就是聘请国内外一些名师为讲座教授、客座教授，把一些好的经验、方法带进来。教师要不断进取和终生学习，不断丰富自己，才能向学生传真道、授新业、解疑惑，培养出创新型人才。

2药剂学学科课程教育改革对药剂研究生创新素质的影响

2.1提升药剂研究生的研究水平课题研究是药剂学研究生从事的最好创新工作，一个人的创新能力主要是通过课题研究所获得成果而体现出来的[8]。药剂学研究生进行课题研究所需的主要背景知识为化学、数学、生物学与药学知识，其中物理化学是沟通微观物质基础（结构特征）与宏观现象（状态函数），“静态”（平衡态）与“动态”（动力学）的桥梁；数学知识是物理化学与生物药剂学的重要表达工具，生物学知识是生物药剂学与药物动力学的重要基础理论，而生物药剂学与药物动力学又是药物制剂质量优劣的评价方法，药剂学则是药物制剂研制、生产与应用的主体战场，因此对药剂学及两门分支学科的课程教学改革可为药剂学研究生创新素质与思维方法的培养提供所需的主体知识结构，提高学生的研究能力。

第一篇：初中化学课堂趣味化学实验教学探讨

【摘要】在初中化学教学课堂上组织趣味实验，能够让学生们更加喜欢化学教学内容，加强化学知识学习印象，激发学生对于化学知识的热爱，帮助提升化学成绩，提升化学课堂的整体教学水平和教学质量。本文分析了趣味化学实验的重要作用，重点研究了如何利用趣味化学实验来提升初中化学课堂教学质量。

【关键词】初中化学课堂；趣味化学实验；教学策略

跟初中其他科目相比，初中化学教学的操作性比较强，更加注重实验教学，为了能够在化学教学中培养初中生具备实践能力，提升初中生的实际操作能力，需要组织更多的趣味化学实验，能够让学生对于化学教学内容更加容易理解。在教学中教师利用趣味实验调动起学生们的学习积极性，吸引学生详细观察实验过程和实验结果，帮助学生加强了化学知识印象，在轻松愉快的气氛当中巩固化学知识。

一、趣味化学实验的重要作用

初中是学生成长发展的重要年龄阶段，相比起小学生来说他们对于世界有了更加全面的了解，相比起高中生来说他们拥有更多的新鲜感和好奇心，因此在化学课堂教学中组织进行趣味性教学，能够充分地调动起学生们的学习积极性，让学生能够更加积极的投入到化学学习当中。趣味性教学不仅仅能够培养学生们的学习兴趣，还能够在一定程度上促进学生的全面发展。初中化学是一门以实验为基础的重要学科，化学知识大多数都来自于生活，跟学生们的生活实际事物息息相关，通过学习化学知识，学生能够通过化学知识来了解日常生活中的现象，同时也能够利用化学知识解决日常生活中存在的问题。在进行化学教学中组织趣味性实验，引导学生主动参与到化学实验当中，能够促进学生积极探索化学知识，体会到科学研究的艰辛。化学教师在进行教学时可以适当跟生活现象相结合，加强学生的理解和感悟。

二、初中化学课堂趣味化学实验教学策略

1.强化演示实验教学

1研究空间更广阔

近年来生命科学的飞速发展过程中最显著的特点就是其研究空间的扩大化,它不仅在宏观方面研究各个生物体内的器官以及组织结构联系;自然界个体与群体、群体之间及其与外在环境间的内在联系;生态系统及其内部物质循环、能量交换。同时由于生物体存在物质层次性,各个生物大分子中又包含着碳、氢、氧等各种各样的原子,甚至原子内又存在电子、质子和中子等物质。因此分子生物学研究应运而生,现代生物科学日趋向微观世界进军,并出现了一门新的电子生物学学科。由此可知,随着生物科学理论与其相关实验的多方面结合,诸多生命物质疑团将在微观分子研究中得到合理解释,人类对生命的认识将进一步深化,其控制和改造生物的能力也将显著提高。

2多学科相互渗透

生物科学的另一个特点在于其与数学、力学、化学、物理学、天文学、地质学以及工程技术等多学科之间的联系日益密切,彼此之间相互渗透,互为一体,这种渗透与反渗透作用便推动了现代生命科学的重大发展。举例来说,力学、化学以及物理学对生物科学的渗透作用产生的结果便是在此基础上形成了一系列有重大影响作用的边缘学科,例如生物力学、生物化学以及生物物理学,由此开创了现代生命科学的研究新方向。同时生物科学对力学、化学以及物理学的反渗透作用产生的结果便是新形成类似化学仿生学以及物理仿生学等新兴学科。随着信息时代的到来,量子力学、信息论以及控制论等新兴学科有了飞速的发展,再其强大的影响力下电子生物学、生物信息论以及生物控制论等边缘学科也得到了更多学者的关注与研究。现代生命科学与多领域、多学科之间相互渗透的新特点促使人们学习更多的知识来充实自己,不断汲取多方面知识扩大视野显得尤为重要,那种只局限于研究自己专业领域的科技人才将逐渐被社会所淘汰,隔行如隔山的状况将不再适应于社会发展。

3实验手段更先进

随着人们探索空间与认识领域的不断深化,理论研究与实际应用也结合的越来越紧密,实验手段日趋先进与现代化,这是生物科学现代化发展的又一个重要特点,更是其不断进步的必要条件与重要标志。换句话说,生命科学只有依赖于实验技术与手段的不断更新才能有飞速的突破与长远的进步,科学实验的技术水平与方法手段决定着生命科学的发展高度。假如现代生命科学缺乏先进的现代化实验仪器,那么其发展进程将受到停滞,甚至一事无成。由此看来,不断汲取新方法,创新新技术,完成生物科学实验手段的现代化任务显得尤为重要。在生命科学领域,尤其是应用化学、应用物理学方面的新技术、新方法创新,不仅方便人们从细胞水平上进行生物规律的探究,更有利于推动人们从分子水平上对生命物质的微观结构以及运动规律研究分析,这不仅是现代自然科学领域对生物的新认识,更是人类社会的历史性进步。

4结束语

总而言之,现代生命科学在不断向前发展的过程中会涌现出更多新特点,使之彼此联系,互为一体,生命科学也将在其中得到更好更快的发展与丰富,从而引发出更多绚丽多彩的新边缘学科。因此在快速发展的新世纪我们应该全面把握现代生命科学的新特点,了解其发展趋势,刻苦钻研,为生命科学的新发展贡献力量。

河北工业大学是一所以工为主、多学科协调发展的国家“211工程”建设的重点大学,河北工业大学物理实验中心(以下简称为“中心”)是国家级物理实验教学示范中心.多年来中心致力于体制改革、团队发展、课程建设和教学科研工作,取得了丰硕的成果.但是,在教育教学改革实践中也遇到了很多问题,比如课程体系老化、学生预习环节失控、实验考试难以进行、部分优秀学生的能力得不到拓展以及不能实现产学研转化等.针对这些问题,中心在学校和学院的领导和支持下,经过几年的努力,逐步建立起了以学生为主体、以多层次物理实验课程体系为核心、以虚拟仿真实验教学平台为支柱、以学生竞赛和“大学生创新创业训练计划项目”为拓展,面向学生自主学习的物理实验教学体系.

1多层次的物理实验课程体系

中心逐步建立起了多层次的物理实验课程体系(见图1).以主干课程和专业课程为核心,其他课程作为核心课程的扩展,以校管选修课的形式面向全校各年级各专业开放.这些课程成为物理实验基础课程的有益补充和物理实验创新教育的平台[6G7].以校管选修课的形式而不是学生课外活动的形式拓展物理实验课程体系有以下优点:(1)学生可以通过修学选修课,尤其是创新类选修课获得相应的学分;(2)在该课程体系下,学生的上课时间、课时和实验仪器可以得到保证;(3)原则上学生可以根据兴趣自主选择感兴趣的课程;(4)上选修课的教师可以获得教学工作量;(5)教师可以对教学的各个环节实施有效的掌控,保证教学质量.

2虚拟仿真实验教学平台的建设

根据新课程体系中教学资源合理配置的需要及实验教学过程中预习、考试等环节缺失的问题,中心结合自身特色和实验教学未来发展的趋势,借助安徽省科大奥锐科技有限公司雄厚的技术研发实力和良好的产学研合作平台,以大学物理实验为核心,利用虚拟现实、人机交互等信息化技术,秉承“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则,构建了大学物理虚拟仿真实验教学的软、硬件平台,实现了在实验预习、开放教学、复习、考核环节中真实实验不具备或难以完成的教学功能.

2．1硬件平台硬件平台包括以下3个方面:(1)中心服务器组,由2台IBM专业服务器及相关配套设备组成;(2)全校园无线网络覆盖,提供免费上网环境;(3)学校公用的大型机房,为没有网络终端的学生提供上机条件,为物理实验上机考试提供考场.

2．2软件平台软件平台以基于组件的物理仿真实验系统为核心,通过与其他系统互联协作,形成服务全校师生、服务社会的开放共享虚拟仿真实验教学平台。(1)大学物理虚拟仿真实验中心门户网站系统.中心信息展示的窗口和交互、管理的平台.网站有强大的内容管理能力,便于查询检索,以实现协作和共享,网站有保证数据机密性和完整性的安全机制.随着实验室信息化建设的迅猛发展,该网站已成为全面展示实验教学示范中心工作及特色的平台,是实现实验室与实验教学智能化管理及其他系统相互衔接的重要手段.(2)教学管理及选排课系统(开放的实验教学平台).为培养学生的自主学习能力,必须营造学生自主学习的开放实验教学平台.实验教学的开放性,是指实验的内容、时间和空间对学生开放.要实现实验教学的开放性.首先要从教学组织模式的角度,提供学生自主学习的机会和条件[8].该系统实现了实验教学排课、学生自主选课、成绩管理等功能,丰富了教学辅助手段,细化了各项管理,进一步提高了实验教学的开放性和交互性,进一步体现以学生为主体、教师为主导的实验教学模式.同时,该系统也是其他系统数据互联的基础平台.(3)基于组件的物理仿真实验系统.通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导(包括文本、视频和音频)和学生的操作有机地融合为一体,形成一部活的、可操作的物理实验教科书.仿真实验仪器的关键部位可拆解,在调整中可以实时观察仪器各种指标和内部结构动作变化(见图3).通过仿真实验,学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解,可以达到真实实验都难以实现的效果.系统有很强的统计分析功能,能够分析学生使用仿真实验的时间、次数、错误等.虚拟仿真实验结果体现不同实验操作导致的实验误差,实验真实度高.该系统提供统一的数据接口,与预习系统、考试系统互联,为仿真实验预习和考试提供虚拟实验资源,实验项目覆盖力、热、光、电和近代物理实验,共计30套(见表1).另外还有3套特色大型仪器的仿真实验资源和一个可以独立运行的Online版的虚拟仿真实验系统。(4)物理实验预习与自动评判系统.该系统在“基于组件的虚拟仿真实验系统”的基础上,建立与理论考试相结合的在线实验预习环境,从根本上解决了实验仪器状况及师资力量不足的问题,为开展面向大面积学生的大学物理实验课程预习及考核提供了可实际操作的平台.在预习考核内容方面,该系统有理论知识点(通过单选题、多选题、填空题、判断题)和动手操作(通过仿真实验操作)2个方面的预习,并且针对每一个实验项目设有实验原理、实验简介、仪器介绍和整个实验操作过程的录像等辅导资源.达到了理论和实际操作2个方面的同时预习.使用该系统,教师可以便捷地录入和编辑预习题库,系统随机生成预习试卷,并可以对学生的预习答题和操作情况做出自动评判.一方面,学生做完预习就可以看到自己的预习成绩,可以随时了解自己的预习成果,使学生能不断加深预习,提高预习的效果;另一方面,教师可在课前掌握学生预习效果,为课堂讲解的侧重点提供依据.(5)物理实验考试与自动判卷系统.该系统以“基于组件的虚拟仿真实验系统”为基础,针对大面积实验教学中实验设备和课时不足、教师工作量繁重等瓶颈,解决学生实验能力无法考核的问题.该系统是基于互联网的软件,利用学校公共机房资源,可实现大面积学生的同时在线虚拟仿真实验考试.在考试内容上,有理论知识点考试(通过单选题、多选题、填空题、判断题)和动手操作考试(通过仿真实验操作).在考试监督和评分上,软件通过内置的统一专家评判系统,为所有学生的评分提供同样的标准,保证了评分的客观性和公平性.系统的动手操作考试部分是学生通过仿真实验来进行,学生整个操作过程都会由专家系统自动给予评分,相当于一个教师对一个学生进行监考,保证了评分的及时性和全面性,同时也减轻了教师的工作量.考试内容涵盖了表1中的30个基于组件的虚拟仿真实验.(6)实验教学交互系统.集音频视频交互、电子白板、文档演示、文字交互、课程录像及点播、文件下载、论坛交流等功能于一体,为中心提供远程实时交互的信息化网络教学环境,实现教学的开放性以及教学管理、视频答疑、课程点播、远程课程、视频会议等在线教学功能.系统为物理实验教学提供了基于页面的网络教学、培训和视频会议平台,为实验在线教学提供了高效的现代化教学手段,保证了教学质量的提高.以上6大系统紧密关联,协同配合,基于校园网平台,突破时间、空间限制,面向我校所有学生共享开放.中心教学系统与资源部署在校园网的云计算平台之上,已实现校内教学、科研、管理及生活区域的100％覆盖,本校师生可以按照身份信息在中心教学管理平台上注册后,便可以通过中心网站,在校园内、外授权使用虚拟仿真实验教学系统平台.资源使用方式灵活多样,可以借助于PC、笔记本计算机、iPad等多种终端设备,不受人数、时间、空间限制地开展“物理实验预习、复习和考试”,在提升资源利用效率的同时,较好地满足了校内多学科、多专业、不同层次的多元化实验教学需求,切实提高了学生的创新能力和实践能力.

3特色虚拟仿真实验助推学研转化

一、生物医学影像学在生物医学工程中的地位

BME的重要目标之一是发展非侵入式的诊断技术用于治疗和诊断疾病。生物医学影像是一种非常有效的对结构与功能进行诊断的非侵入式技术。现在，生物医学影像学已成为现代化医院的主要标志之一，它是临床研究的一种主要工具，也是医院开展新技术、新业务的重要基础。生物医学影像学是如此的重要，美国国立卫生研究院（NationalInstitutesofHealth，NIH）在20世纪初就改变了它们传统的疾病和器官的机构模式，建立了国立生物医学影像学与生物工程学研究院（NationalInstituteofBiomedicalImagingandBioengineering，NIBIB）。而在我国国家基金的医学科学三处，影像医学不再是BME中的一个分支，而是被放到与BME同等的地位。美国最近开展的一项被认为可与人类基因组计划相媲美的脑科学研究计划，正是生物医学影像学在神经科学领域的巨大应用。根据美国劳工部的统计显示，BME专业是美国就业领域中需求增长最快的专业，从2010年到2018年预计有72%的增长，而生物医学影像学又是BME中增长最快的领域。

生物医学影像学随时间在飞速地发展，被广泛应用在临床和基本生理和生物学的研究之中。大量的新发明出现在生物医学影像领域，被用于创建新的影像模式；提高图像的空间与时间分辨率与对比度；提供更为方便使用的影像数据分析和可视化；进行远程医疗等。生物医学影像学是一门交叉学科，它的飞速发展不仅需要优秀的生物医学影像从业人员，也对生物医学影像的教育提出了更高要求和全新的挑战。如何提高生物医学影像人才队伍的综合水平，已迫在眉睫。

二、生物医学影像学教育

1.生物医学影像学从业者的变化

现代化的大型生物医学影像设备是集物理、材料、机械、电子、计算机、自动化、网络等多种技术于一体的精密仪器。它的操作、维护和保养均十分复杂，对操作者的素质要求比较高。数十年前，大型生物医学影像设备的从业者是一些受过医学图像培训的物理学家。随后，这项工作主要由本科物理专业、研究生医学物理专业的毕业生充当。而在今天，大型生物医学影像设备的操作者主要来自于BME专业毕业的本科生和研究生。BME的教育由于融合了物理科学、工程方法和技术以及生物医学，使得BME专业的毕业生极为适合生物医学影像学方面的工作。生物医学影像学从业者的变化给人们提出了三个教育中的问题：是否所有的BME学生都需要对生物医学成像有一些基本的了解和认识？BME专业的学生需要掌握哪些生物医学影像学知识？如何使学生更好地了解、设计及使用成像系统？

2.生物医学影像学的知识结构和应掌握的基本知识

生物医学影像学的知识来自于多个学科领域，包括电气工程学、机械工程学、生物物理学、数学、物理学、材料科学、生物学等。生物医学影像学需要具备基本能量物理、辐射、辐射能量与物质的交互、硬件设计与实现、数据收集、分析和可视化、组织器官基于图像的建模、数学变换、信号和图像处理、软件工程、信息论以及高性能计算等多方面的知识。由于生物医学影像学在BME教育中的重要性，BME的学生即使未来不从事相关的工作，他也应该学习生物医学成像和生物医学图像处理的基础课程。他们应该理解常用图像模式的基本成像原理和它们的优缺点，如何进行基本的图像分析与处理，常用模态图像的基本解释等。而未来准备从事相关工作的BME学生，则应该选择一到两种影像模式，围绕它们的具体应用进行更深入的学习与研究。

生物医学工程学科（BiomedicalEngineering,简称BME）是一门由理、工、医相结合的边缘学科,是多种工程学科向生物医学渗透的产物。它运用了现代自然科学和工程技术的原理和方法,从工程学的角度,在多层次上研究人体的结构、功能及其相互关系,揭示其生命现象,为防病、治病提供新的技术手段，其目的是解决医学中的有关问题，保障人类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务。生物医学工程学科的最大的特点即是一门高度综合的交叉学科。生物医学工程兴起于20世纪50年代，它与医学工程和生物技术有着十分密切的关系，而且发展非常迅速，成为世界各国竞争的主要领域之一。生物医学工程学这个名词最早是出现在美国。1958年在美国成立了国际医学电子学联合会，1965年该组织改称国际医学和生物工程联合会，后来成为国际生物医学工程学会。生物医学工程学除了具有很好的社会效益外，还有很好的经济效益，前景非常广阔，是目前各国争相发展的高技术之一，现今市场规模可达1000～2000亿美元。生物医学工程学的学科内容包括了生物信息学、生物力学、各种医疗仪器装备、医学物理学以及医学材料等，它的发展将随着世界高技术的发展，如航天技术、微电子技术等的发展而得到长足进步。随着生物医学工程学科的高速发展，对相关人才的需求日益增大，为此，我国有大量的医科、药科大学、综合大学和理工科院校都设置了生物医学工程从本科到博士的专业及领域。在2008年4月北京举行的“亚太生物医学工程国际会议”上，各种院校生物医学工程学科专业教育、课程建设等问题被提出并进行探讨，对于交叉学科教育教学模式的创立进行了研究，说明这一问题已经成为高校教育教学研究的热点。本文在对生物医学工程学科特色、对医科药科、综合性大学、理工科大学办学特点进行分析的基础上，对于在各类院校中设置的生物医学工程专业的特色建设进行阐述。

1生物医学工程专业内容特色概述

生物医学工程是一门新兴的边缘学科，它综合了工程学、生物学和医学的理论和方法，在各层次上研究人体系统的状态变化，并运用工程技术手段去控制这类变化。其学习内容包括以下几个方面。

1.1医学影像技术

即通过X射线、超声、放射性核素、磁共振、红外线等手段及相应设备进行成像的技术，现还有正在兴起的阻抗成像技术等。

1.2医用电子仪器装备

分为诊断仪器和治疗仪器两大类。诊断仪器主要是用以采集、分析和处理人体生理信号，现在使用较多的是心脑电、肌电图仪和多参数的监护仪等，而通过体液来了解人体内生物化学反应过程的生物化学检验仪器也已逐步完善并走向微量化和自动化。治疗仪器设备则是采用X射线、γ射线、放射性核素、超声、微波和红外线等仪器设备，如X射线深部治疗机、体外碎石机、人工呼吸机等。手术设备如γ刀、激光刀、呼吸麻醉机、监护仪、X射线电视等。现代化医疗技术中还将设备功能更加多样化、复杂化。

1.3生物力学

1什么是物理学?

古希腊人把所有对自然界的观察和思考，笼统地包含在一门学问里，那就是自然哲学.科学分化为天文学、力学、物理学、化学、生物学、地质学等，只是最近几百年的事.在牛顿的时代里，科学和哲学还没有完全分家.牛顿划时代的著作名为“自然哲学的数学原理”，就是一个明证.物理学最直接地关心自然界最基本规律，所以牛顿把当时的物理学叫做自然哲学.17世纪牛顿在伽利略、开普勒工作的基础上，建立了完整的经典力学理论，这是现代意义下的物理学的开端.从18世纪到19世纪，在大量实验的基础上，卡诺、焦耳、开尔文、克劳修斯等建立了宏观的热力学理论;克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼等建立了说明热现象的气体分子动理论;库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等建立了电磁学理论.至此，经典物理学理论体系的大厦巍然耸立.然而，正当大功甫成之际，一系列与经典物理的预言极不相容的实验事实相继出现，人们发现大厦的基础动摇了.

在这些新实验事实的基础上，20世纪初，爱因斯坦独自创立了相对论，先后在普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定愕、玻恩等多人的努力下，创立了量子论和量子力学，奠定了近代物理学的理论基础.本世纪随着科学的发展，从物理学中不断地分化出诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理等名目繁多的新分支，以及从物理学和其它学科的杂交中生长出来的，诸如天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等众多交又学科.什么是物理学?试用一句话来概括，可以说:物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科.尽管这个相当广泛的定义仍难以刻画出当代物理学极其丰富的内涵，不过有一点是肯定的，即一与其它科学相比，物理学更着重于物质世界普遍而基本的规律的追求.物理学和天文学由来已久的血缘关系，是有目共睹的.当今物理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能或粒子物理，另一个是天体物理.前者在最小的尺度上探索物质更深层次的结构，后者在最大的尺度上追寻宇宙的演化和起源.可是近几十年的进展表明，这两个极端竟奇妙地衔接在一起，成为一对密不可分的姊妹学科.物理学和化学从来就是并肩前进的.

如果说物理化学还是它们在较为唯象的层次上的结合，则量子化学已深人到化学现象的微观机理.物理学和生物学的关系怎么样?对于如何解释生命现象的问题，历史卜有吁两种极端相反的看法:一是“生机沦”，认为生命现象是由某种“活力”主宰着，水远不能在物理和化学的基础上得到解释;另一是“还原论认为一切生命现象都可归结(或者说，还原)为物理和化学过程.1824年沃勒成功地在实验室内用无机物合成了’尿素之后，生机论动摇了.但是、能否用物理学和化学的原理与定律解释生命呢?回答这个问题为时尚早.不过，生命科学有自己独特的思维方式和研究手段，积累了大量知识，确立了许多定律，说把生物学“还原”为物理学和化学，是没有意义的.可是物理学研究的是物质世界普遍而基本的规律，这些规律对有机界和无机界同样适用.物理学构成所有自然科学的理论基础，其中包括生物学在内.物理学和生物学相互渗透，前途是不可估量的.近四、五十年在两学科的交叉点上产生的一系列重大成就，如D、、双螺旋结构的确定、耗散结构理论的建立等，充分证明了这一点.现在人们常说，21世纪是生命科学的世纪，这话有一定道理.不过，生命科学的长足发展，必定是在与物理学科更加密切的结合中达到的.

2物理学与技术

社会上习惯于把科学和技术联在一起，统称“科技”，实际上二者既有密切联系，又有重要区别.科学解决理论问题，技术解决实际问题.科学要解决的问题，是发现自然界中确凿的事实和现象之间的关系，并建立理论把这些事实和关系联系起来;技术的任务则是把科学的成果应用到实际问题中去.科学主要是和未知的领域打交道，其进展，尤其是重大的突破，是难以预料的;技术是在相对成熟的领域内工作，可以作比较准确的规划.历史上，物理学和技术的关系有两种模式.回顾以解决动力机械为主导的第一次工业革命，热机的发明和使用提供了第一种模式.17世纪末叶发明了巴本锅和蒸汽泵;18世纪末技术工人瓦特给蒸汽机增添了冷凝器、发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等，完善了蒸汽机，使之真正成为动力.其后，蒸汽机被应用于纺织、轮船、火车;那时的热机效率只有5一8%.1824年工程师卡诺提出他的著名定理，为提高热机效率提供了理论依据.

到20世纪蒸汽机效率达到15%，内燃机效率达到40%，燃气涡轮机效率达到50%.19世纪中叶科学家迈耶、亥姆霍兹、焦耳确立了能量守恒定律，物理学家开尔文、克劳修斯建立了热力学第一、第二定律.这种模式是技术向物理提出了问题，促使物理发展了理论，反过来提高了技术，即技术~物理~技术.电气化的进程提供了第二朽模式.从1785年建立库仑定律，中间经过伏打、奥斯特、安培等人的努力，直到1831年法拉第发现电磁感应定律，基本上是物理上的探索，没有应用的研究.此后半个多世纪，各种交、直流发电机、电动机和电报机的研究应运而生，蓬勃地发展起来.有了1862年麦克斯韦电磁理沦的建立和1888年赫兹的电磁波实验，才导致了马可尼和波波夫无线电的发明.当然，电气化反过来大大促进了物理学的发展.这种模式是物理~技术~物理.本世纪以来，在物理和技术的关系中，上述两种模式并存，相互交叉.但几乎所有重大的新技术领域(如电子学、原子能、激光和信息技术)的创立，事前都在物理学中经过了长期的酝酿，在理论和实验上积累了大量知识，才突然迸发出来的.没有1909年卢瑟福的。

粒子散射实验，就不可能有40年代以后核能的利用;只有1917年爱因斯坦提出受激发射理论，才可能有1960年第一台激光器的诞生.当今对科学、技术，乃至社会生活各个方面都产生了巨大冲击的高技术，莫过于电子计算机，由之而引发的信息革命被誉为第二次工业革命.整个信息技术的发生、发展，其硬件部分都是以物理学的成果为基础的.大学都知道，1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱发明了晶体管，标志着信息时代的开始，1962年发明了集成电路.70年代后期出现了大规模集成电路.殊不知，在此之前至少还有20年的“史前期”，在物理学中为孕育它的诞生作了大量的理沦和实验_L的准备:1925一1926年建立了量子力学;1926年建立了费米一狄拉克统计法，得知固体中电子服从泡利不相容原理;1927年建立了布洛赫波的理论，得知在理想晶格中电子不发生散射;1928年索末菲提出能带的猜想;1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念，解释了正霍耳系数的存在;同年贝特提出了费米面的概念，直至1957年才由皮帕得测量了第一个费米面，尔后剑桥学派编制了费米面一览表.总之，当前的第二次工业革命主要是按物理一，技术，物理的模式进行的.