系统思维融合的生物工程专业“物理化学”课程教学

［摘 要］ 在新一轮科技革命背景下，生物工程专业面对学科交叉属性和复杂性科学研究范式，亟须全面提升学生的系统思维能力。为此，从“物理化学”课程先天具备的归纳演绎、宏观微观分析、逻辑和科学思维元素出发，提出了系统思维融合的专业人才培养设计。在知识和能力要素层次，设计系统思维与专业基础融合培养模式；在教学内容层次，开发系统思维融合知识框架的构建方法；在教学实践层次，构建基于逻辑方法的系统性课堂教学方法。最后，总结了系统思维反馈提高专业人才的能力培养的应用实践效果机制。

［关键词］ 交叉学科；系统思维；知识框架；能力目标

［基金项目］ 2021年度重庆大学教学改革研究项目“面向系统思维能力提升的生物工程专业物理化学课程教学与实践”（2021Y43）；2021年度重庆市高等教育教学改革研究重大项目“‘双万计划’背景下重庆市化生类专业核心课程体系重构研究与实践”（221005）；2022年度重庆市一流课程建设项目“生物医用材料学”（2022-12-010）

［作者简介］ 张吉喜（1985—），男，甘肃金昌人，博士，重庆大学生物工程学院副院长，教授，博士生导师，主要从事纳米生物材料研究；漆 超（1988—），男，四川南充人，博士，重庆大学生物工程学院副教授，硕士生导师，主要从事纳米仿生材料研究；罗彦凤（1973—），女，重庆人，博士，重庆大学生物工程学院生物工程系主任，教授，博士生导师，主要从事智能/仿生生物材料研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）03-0001-04 ［收稿日期］ 2023-10-19

近年来，生物技术及交叉应用的新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。以突变性、混沌性、随机性、进化性、智能性和自适应性为特征的复杂性科学研究范式，引发新工科背景下学科交叉程度极高的生物工程领域人才培养剧烈变革［1-2］；以整体性、结构性、动态性、综合性为特征的系统思维模式，成为本科人才教育的重要着力点［3］。生物工程是分析和解决生物学及医学问题的专业［4］，定位于以生物学的理论和技术为基础，通过数学分析、建模等定量化手段认知和阐明生命相关复杂系统的相互作用与调控机制，结合现代工程技术、改造生物或其功能以生产大量有用产物，或发挥其感知、干预、调控生命系统的独特生理功能。

生物工程专业为学科交叉综合专业，需要学生掌握分析解决复杂问题的能力［5］。为了迎接未来的挑战，生物工程专业不仅要培养学生具备强大的分析能力，还要培养他们的实际创新和探究精神、综合技能和批判性思维技能［6］，通过工程设计思维解决本专业中复杂的、跨学科的现实问题。系统思维提升的培养定位缺失，很容易导致高年级专业课培养阶段的批判性思维能力、基于数学物理理性思维能力等独立学术能力成为短板。

一、“物理化学”课程对生物工程专业综合能力培养的作用和教学难点

系统思维能极大地简化人们对事物的认知，不是将分析与综合分为截然不同的两个阶段的单向思维，而是将其通过反馈、耦合形成双向思维。生物工程强调系统观念与工程意识，重视以生命体系作为研究对象的统筹认知、整体优化和综合原理［7-8］。因此，生物工程离不开系统思维。以“物理化学”为代表的生物工程专业基础课程，密切联系生化与医药大类课程模块，紧密对接专业基础课程模块和专业核心课程模块，综合运用数学和物理等基础科学的理论、原理及方法，研究自然界变化过程中的宏观平衡性质、微观结构与性质、体系的动态性质及与这些性质相关的规律［9］。因而，该课程是培养学生归纳演绎能力、宏观微观分析能力、逻辑和科学思维能力的重要课程。对物理化学知识体系的认知和理解，非常有助于提高具有创新思维和追求的生物工程专业学生的科学素养与实践能力［10］。但该课程概念和公式较多，而且又涉及物理学、高等数学以及化学等学科知识，使用的定量语言较为抽象，理论性和逻辑性较强。如何在生物工程的专业背景下，充分利用课程内的系统思维元素，融合专业基础并实现从知识传授到能力提升的升华，是课程的主要教学难点。

二、“物理化学”课程中以系统思维能力提升为导向的教学设计

“物理化学”课程教学过程中，结合生物工程研究系统的复杂性问题，介绍自然界一切变化方向性、可能性与现实性之间的辩证与统一。引导学生综合运用数学和物理等基础学科的理论、原理及方法来研究生物工程过程中的宏观平衡性质、微观结构与性质、体系的动态性质以及与这些性质相关的逻辑规律，高度依赖系统思维。基于此，重庆大学生物工程学院建立了基于“归纳—演绎”与“理论—案例—融合”的“两层次三阶段”系统思维融合教学机制。

（一）系统思维与专业基础融合的培养模式

“物理化学”课程中复杂问题的解决涉及高级概念和数学推理的混合，对交叉学科学生来说具有挑战性，部分原因是课程涵盖的内容或出发点往往没有对真实系统的具体引用。以重庆大学生物工程专业为例，以高年级专业选修方向（基因与细胞工程、生物制药工程、生物医用材料工程）为引导，通过合成生物学为代表的生物工程前沿科研实例和研究思路介绍，有效激发了学生的学习兴趣，告别碎片化知识学习和应用模式，形成全新的“系统整体性”理性学习思考体系，提高学生的创新意识和科学素养。在课程知识和能力要素的组织上，以归纳演绎、查找问题、逻辑推理、分析总结、发散思维和想象能力培养为重点，实践生物工程专业核心理论技术中定边界、抓关键、找函数的分析解决问题的方法论，可以实现系统思维培养与专业基础培养的融合。

通过引用专业基础课程与专业核心课程中的变化方向和限度、反应速率和机理等典型案例，融合“物理化学”基础知识，将解决问题视为建立新联系和加深对新内容材料理解的机会，训练归纳、总结、比较的思维方式，培养学生利用专业基础课的知识解决专业问题的能力。例如，“分子生物学”“细胞生物学”等课程中，涉及物质能量代谢、物质跨膜运输等能量变化和方向，以及生物膜结构的表面物理化学。通过引入并分析这些案例的生物工程背景、设计科学的思考题、提供启发性的分析路径及物理化学逻辑，可以引导学生对生物学基础知识中结构、过程和功能的深入认知。融合多组分体系热力学和相平衡中化学势、自由度、相律等基础理论，结合生物工程原理以及生物分离工程中的精馏、萃取等工程技术的科学原理，可以帮助学生建立物理化学理论与生物工程应用之间的紧密联系。最后，在实验实践、创新前沿案例的剖析过程中，通过启发式教学实现师生双向交流，引导学生思考，促进学生形成从物质代谢小分子到生物功能大分子、细胞元器件、细胞群体的自下而上的生物工程转化利用系统认知。

（二）系统思维融合知识框架的构建方法

物理化学引导的系统思维特别依赖于抽象，因为其使用许多重叠和不完美的数学模型来表示或解释在多个尺度上发生的现象。如何引导学生从一般数学思维的理解方程式模式，切换到使用思维工具理解复杂问题的抽丝剥茧思维分析模式，高度依赖从整体与部分、整体与环境的相互作用的课程知识框架认识。在教学内容的安排上，建立讲授知识模块系统串联的运作模板，才能立足复杂变化、融合系统思维。以课程中比重最大的《热力学》章节为例，以细胞、微生物、反应器组成的转化系统变化方向和限度判别为出发点，以寻找变化量只与始末态有关的应变量、寻找理想过程、寻找不等式为目标，可以带动学生通过变量之间的关系审视不等式的物理意义，通过反思不等式如何应用于热力学“判定”程序来提取定理、定律的数学意义。进而以“要素—联系—结构—层次—环境—过程”的复杂系统构筑方式为主线，运用系统观点，利用偏微分思维开发定性定量模型，有助于梳理各章节互相联系的状态函数及自由能全微分展开的变量结构。从单组分到多组分、从气相到多相、从无相变化到相变化、从物理变化到化学反应、从本体变化到表面现象的具体案例，整理并讲授引入新变量时其他变量不变的讨论假设、从归纳到演绎各节点组成的映射关系和知识链，有助于形成系统思维知识框架图。最后，通过章节脉络的讲授促进教学视图和学习视角的融合、教学大纲概念的传递，可以有效引导学生从系统和要素、要素和要素、系统和环境的相互联系以及相互作用中分析问题、解决问题，可以形成并不断强化系统思维的“理论—案例—融合”知识和能力养成链。

（三）基于逻辑思维的系统性课堂教学方法

以“物理化学”课程独具的寻找变化“可能性”和“现实性”的课程逻辑为出发点，在教学方法上建立基于建模思维的教学方法体系。（1）从整体性角度突出系统思维，启发学生透视系统中所有元素（体系、环境、平衡态、过程、路径、特性变量、特性函数）和元素之间的关系，大胆假设、小心求证，建立数学和图形的理解与所代表的宏观和亚微观现象的联系。（2）从层次性角度组织教学，引导学生从专注个别事件到洞悉系统的潜在结构自变量和应变量的深入思考，理解复杂问题简单化过程的理想化和建模、关键变量全微分展开的解决思路，掌握以过程为导向的引导式和探究式学习方法。（3）从相关性角度强化教学，培养学生综合应用归纳与演绎、理想模型与实际过程的辩证思维和进行可视化表征的认知，用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程。（4）从综合性角度结合案例反馈教学，引导学生在建模的过程中积极地调整与修改认知“变化及其一般规律”的概念模型结构，并通过多种形式的认知呈现，帮助学生丰富和拓展内部的认知概念模型。

三、系统思维反馈提高专业人才的能力培养目标

新工科、新医科背景下，以“物理化学”课程为载体培养的系统思维，可以反馈引导学生形成以数学思维和工程学技术为画笔、以生物学为画布，不仅寻求理解，还寻求创造的生物工程创新创造过程认知。首先，可行性和现实性、过程和路径、变量与变化相结合的物理化学思维，可引领学生以国家和行业需求为导向认知问题，在理学、工学、信息、医学等跨学科理论和技术的综合运用中，增加解决问题的体量和高度，使成长模式从基于知识逻辑体系的理论能力培养，走向面向生命与健康复杂问题的复合能力培养。其次，从细胞、组织与微生物培养，到生物活性组分的分离、纯化、分析与检测，从分子生物学、微生物学、基因工程等实验技术，到生物工程单元设备与反应器设计，专业问题体系中往往涉及多种相态、多种组分、多步过程及多元作用。系统思维促进学生首先形成对研究对象各个部分和相关的各种因素的认识综合。自2019年实践系统思维融合式生物工程专业人才培养至今，重庆大学生物工程专业“物理化学”课程累计授课52人，学生评教排序从前59.02%提升至前3.39%，培养的学生获批国家级/重庆市大学生创新训练项目15项，参加全国大学生生命科学竞赛、生物医学工程创新设计竞赛等学科竞赛获二等奖以上奖励13项。

结语

综上，从新工科背景下生物工程专业系统思维能力提升出发，以复杂问题的理想化表象及其修正、科学问题的逻辑推演、科学实验的理性思维、科学现象的辩证思考为元素，以“物理化学”课程为载体构建一种进行系统思维与逻辑方法融合培养的教学模式，可以形成多学科交叉领域能力培养体系，提高学生解决生物工程领域复杂问题的能力，培养学生成为复合型创新领军人才，为全面实现生物工程专业培养目标提供保障。

参考文献

［1］白云鹏，王启要，庄英萍，等.探微知著，辟新为用：华东理工大学生物工程新工科专业建设实践［J］.高等工程教育研究，2021（3）：49-53.

［2］袁文杰，姬芳玲，赵婷婷，等.新经济形势下的生物工程一流专业建设与实践［J］.生物工程学报，2022，38（12）：4789-4796.

［3］孙刚成，杨晨美子.系统思维视域下的新工科人才核心能力培养［J］.系统科学学报，2024，32（2）：108-113.

［4］钟晗，王建红，高红波，等.生物科学支撑技术助推生物经济发展：中国生物工程学会第十四届学术年会生物科学支撑技术高峰论坛概述［J］.中国生物工程杂志，2021，41（11）：130-131.

［5］刘佩勇，崔振波，亓红强，等.生物工程专业综合改革举措的探索与实践［J］.高教学刊，2021（7）：131-134.

［6］朱益波，吴凌天，吴金男，等.应用型本科高校围绕解决生物工程专业复杂工程问题能力培养的课程体系思考与构建［J］.生物工程学报，2021，37（9）：3383-3388.

［7］吴凌天，吴金男，朱益波，等.工程教育专业认证背景下生物工程项目实践创新课程建设的逻辑与实践［J］.生物工程学报，2021，37（12）：4455-4464.