科普教学在《生物力学基础》课程中的应用案例

乔爱科，杜田明，杨海胜，南 群，刘有军

（北京工业大学 环境与生命学部，北京100124）

 [摘 要]在面向本科生的《生物力学基础》课程的实际教学活动中，作者针对学生的生物医学工程专业背景以及力学基础知识薄弱的客观情况，着力创新科普理念和服务模式，把工程科学、人文历史、思政建设串联在科普故事里。在形式上运用互联网技术大力推进科普信息化，在内容上增强科普教育的知识性和趣味性，提高基础理论课程的吸引力和感染力，并在培养大学生正确的人生观、价值观、科学观等方面起到了潜移默化、“润物细无声”的效果。

[关键词]生物医学工程；生物力学；科学普及；教学模式；自主学习

[基金项目] 2021年度北京工业大学“研究生思政教育进科研团队”探索项目  编号：无

[作者简介]乔爱科,（1967-），男，山西省阳泉市，博士，北京工业大学，教授，研究方向：生物力学

[中图分类号]  G641     [文献标识码] B     [文章编号]     

一、 引言

中国特色社会主义发展进入了新时代，党和国家越来越重视科学普及工作以满足人民日益增长的对提升科学素养的追求。在2016年召开的全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协的第九次全国代表大会上，中共中央习近平总书记强调：“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。”这一讲话深刻诠释了科学普及（以下简称“科普”）与科学研究二者之间相辅相成的辩证关系，肯定了科普的地位和重要性，是从事科普工作的指导方针，也为科技工作者开展科普活动提出了理论支撑与明确要求。

科普是指以深入浅出、通俗易懂的方式，向大众介绍自然科学和社会科学知识的一种活动。除了普及基本的科学知识与基本科学概念之外，其主要内容还包括科学方法、科学思想与科学精神的传播以及实用技术的推广。

从事科普事业是科技和教育工作者职责所在，特别是对于高校教师而言在新时代更加突出强化了这一职责^{[, ]}。要想做好科普工作，从业者既要有较高的知识水平，又要有很好的创新能力和表达能力；既要能确保科普内容的科学性、原创性，又要有较强的文学性、艺术性和趣味性。目前，科普的形式已经不拘于过去常见的报刊或书籍，需要科技工作者利用微信、微博等现代手段^{[, ]}，针对科普对象的特点开展更有成效的科学传播。譬如笔者创建了“医用生物力学”的微信公众号，其中的科普文章都是紧密结合日常生活中的、习以为常的事情，配以生动幽默的文字和图片，剖析其背后蕴含的科学道理，让人喜闻乐见。

在面向本科生的《生物力学基础》课程的实际教学活动中，作者针对学生的生物医学工程专业背景以及力学基础知识薄弱的客观情况^[,]，着力创新科普理念和服务模式，将课堂教学内容延伸到课外科普故事中，一方面引导学生增强学习兴趣，另一方面培养学生的观察、思考和自学能力；并且把课程思政也融入到科普教学中^[]。在课上、课下都增强了师生之间的互动交流，活跃了学习和讨论的气氛。

下面略举几例进行介绍。

二、 案例分析

《生物力学基础》课程简介：本课程面向本科生，教学目的是让生物医学工程专业的学生初步而较全面地了解面向临床、保健、运动等应用领域的生物力学基本概念、基本原理和分析方法，以及相关的研究内容和研究进展等。除了相应的知识对该学科的人才非常重要外，一些基本的问题求解技术、方法和思想更为重要。本课程依据学生的特点，以身边的生物力学为主线，选择人体组织、器官、系统的运动和力学为主要内容，讨论人体运动和变形的力学现象及其相关的方法和原理。本课程的教学目标是使学生掌握“生物力学”中的基本概念、基本理论、基本方法，从运动和力学的角度再认识生物和医学问题，提升生物医学工程问题求解的水平，增强系统能力，体验实现生物医学问题的力学解释和求解的乐趣。培养学生的理想信念、家国情怀、民族自信、责任担当、职业素养、行为规范等育人元素，寓价值观引导于知识传授之中。树立科学研究的批判意识和理想信念，为发展我国医疗器材的民族产业建立加国情怀、民族自信、责任担当。为了达成以上目标，本课程将科普知识贯穿在教育教学环节中，以便于知识的传授，更激发了学生对科学知识的学习兴趣。

1. 从授人以鱼，到授人以渔——科普故事“医学听诊器的发明”

听诊器是临床医生最常用的诊断用具。听诊是用耳朵或听诊器来探听人体内自行发出的声音。多用于听心音、呼吸音等。通过听诊，医护人员可根据声音的特性与变化（如声音的频率高低、强弱、间隔时间、杂音等）来诊断相关脏器有无病变。

现代医学即始于听诊器的发明。在听诊器发明之前，医师需将耳朵直接贴附于被检查者的体壁上进行听诊，这种方法叫做直接听诊法。该方法所能听到的体内声音很弱，只有在某些特殊和紧急情况下才会采用。

用听诊器进行听诊的方法叫做间接听诊法。此法操作方便且效果好，可以在任何体位听诊时应用。听诊器对器官活动的声音有一定的放大作用，且能阻断环境中的噪音。应用范围广，除用于心、肺、腹的听诊外，还可以听取身体其他部分发出的声音，如血管声、皮下气肿声、肌束颤动声、关节活动声、骨折面摩擦声等。

听诊器是1816年由法国医师雷奈克发明的。当时，雷奈克为一胸痛的肥胖病人看病，需要将耳朵贴在病人的胸前，但是病人肥胖的胸部，隔音效果太强了，听不到从内部传出来的声音。雷奈克非常懊恼，在小路上漫步也在思考这个问题。正好有两个小孩蹲在一条长木梁两端游戏，一个小孩敲他那一端木梁，另一端的孩子则把耳朵贴在木梁上，静听彼端传来的声音。雷奈克思路顿开，立刻返回医院，用纸卷成圆锥筒，用宽大的锥底置于病人的胸部，倾听了一阵，惊喜地发现，可以听到病人胸部内的声音了。经过多次试验，试用了多种材料和形状的听筒，形成了目前听诊器的原型。目前听诊器的两端都是喇叭形的，这与其对声音的聚集和放大作用原理是密切相关的。由于听筒的发明，雷奈克被后人尊为“胸腔医学之父”。雷奈克的好奇心和善于思考，给医学领域带来了革命性的便利和深远的影响。

案例解析：从教授知识，到教授知识发现的过程，把寻常的听诊器发明来历和科学知识融为一体；从科学发明创造的故事中启发学生从身边的事物中挖掘科学知识。进一步地，可以延伸讲解听诊器的力学原理以及听诊器设计中的材料和结构对其性能的影响，还可以启发学生结合现代信息技术改进设计新型电子听诊器等。这样，从形式到内容，深度挖掘科普教学在《生物力学基础》课程中的应用效果。

2. 从理工科教育，到人文教育——科普故事“从哈维＇弃文从医＇，到鲁迅＇弃医从文＇”

英国著名医生、生理学家威廉•哈维（1578-1657）以毕生的精力研究和发现了血液循环系统，从而确立了生理学的科学地位。哈维的功绩如同哥伦布发现美洲新大陆那样伟大。因此，威廉•哈维被尊称为“生理学之父”。威廉•哈维1597年毕业获文学学士学位。但是，哈维真正的兴趣在医学，所以他立志“弃文从医”。从剑桥大学毕业后，哈维来进入了位于意大利的欧洲最著名的高级科学学府——帕多瓦大学，进行解剖动物和人体的研究，被为“小解剖家”。由于哈维学习刻苦，独立操作能力强，他1602年获得了医学博士学位。随后，又获得了剑桥大学的解剖学博士学位。面对统治欧洲1000多年的盖仑之说，哈维没有盲从；面对教廷的残酷威胁，哈维没有却步。哈维对血液循环进行了计量实验，完全驳倒了盖仑的“血液流动、一去不复还”的谬论，创立了著名的、具有划时代意义的“血液循环学说”。

我国著名文豪鲁迅（1881 -1936）一生在文学创作、文学批评和思想研究等多个领域具有重大贡献。他对于“五四运动”以后的中国社会思想文化发展具有重大影响，蜚声世界文坛，被誉为“二十世纪东亚文化地图上占最大领土的作家”。鲁迅13 岁时，其父亲很不幸得了肺病，经常吐血。鲁迅就立志学医，治病救人，并改善被讥为“东亚病夫”的中国人的健康状况。鲁迅1905年在日本仙台学习的时候碰到了一件事情。课间放电影的场景里，日军抓了一个中国人要枪毙，一群虽强壮但麻木不仁的中国人正津津有味地围观，在看热闹……这时，有的日本学生斜着眼睛看着鲁迅，议论说：“看看中国人这样子，中国一定会灭亡”。这件事情也马上使他改变了学医的志向，他发现医生能救治的也只是少量的人，医学并非一件紧要的事情；如果中国人的思想不能觉醒，即使体格如何强壮，还不是被帝国主义者抓去杀头？还不是只能成为示众的材料和麻木的看客？病死多少人倒不是主要的，主要的在于改变人们的精神，要唤醒人们，中国才能有希望。而文字却可以唤醒大量沉睡中的人们。于是，鲁迅离开仙台医学专门学校，开始了他的文学创作生涯。鲁迅“弃医从文”的意义十分的重大，对于鲁迅自己而言是一次个人的觉醒，对于中国民众而言则是一场前所未有的思想觉醒的开端。鲁迅把目光集中到社会最底层，描写这些底层人民的日常生活状况和精神状况，而且自由、大胆地表现现代人的情感和情绪体验。鲁迅的小说作品数量不多，意义却十分重大。他提出了“立国”必先“立人”的重要思想，并热情地呼唤“立意在反抗，指归在动作”的“精神界之战士”。鲁迅是不朽的战士，他的作品和思想，是鼓舞人民从事新的历史创活动的永具生命力的精神遗产。

案例解析：《生物力学基础》讲授的内容包含了生物力学机理及其医学应用。将科学与人文相结合，在工科教学中培养学生的人文情怀，也是本课程教学的重要内容。哈维和鲁迅，来自东西方的两位名人，各自走了一条完全相反的路线，而最终的目标却是一样的――“治病救人”。作为生物医学工程专业这样的理工科学生，除了接受工程专业知识的教育，也需要接受人文历史知识的熏陶。“以铜为鉴，可以正衣冠，以人为鉴，可以知得失，以史为鉴，可以知兴替。”学习历史，深刻把握人类文明和科学发展的历史规律，汲取智慧、走向未来，一直是国家热切倡导人们的行动主题之一，也是培养学生历史责任感的很好途径。

3. 从科学教育，到思政教育——科普故事“舒服不如躺着”

俗话说得好啊：舒服不如躺着，好吃不如饺子。

躺着的姿势确实是舒服啊！不信？我们从生物力学的角度来分析一下。身体不同姿势对腰椎造成的压力各有不同。如果以站立时的压力为100作为参照标准，那么躺平是其中压力最小的一种姿势。

然而，躺着对身体健康的负面影响完全抵消了舒服的程度。长期躺着不动，身体各个器官都可能出现废用性退变，即退行性病变。从生物力学的角度来看，结构和功能相伴，如果功能不需要了，那么结构就会萎缩、退化、衰竭、消灭；这样下去，整个人就成废物啦！

人云：毁掉一个人，最简单的方法就是让他舒服地呆着。

联想到一个网络流行词“躺平”，它是指无论对方做出什么反应，你内心都毫无波澜，对此不会有任何反应或者反抗，表示顺从心理；有得过且过、随遇而安、漫无目的、缺乏斗志的消极含义。

“内卷”的巨大竞争压力确实让不“躺平”不会像“躺平”那样舒服。选择不“躺平”，也许等不到梦想成真的那一天，但是选择“躺平”，可以预知的后果就是等死。不拼搏、不奋斗连做梦的机会都没有（“躺平”能做梦，那也是“白日梦”）；惟有奋力突围，才有凤凰涅磐、浴火重生的那一天。

青年，站起来吧！看看，蜗牛都在赛道上奋力狂奔，你还有什么理由舒服地“躺平”？不管是“内卷”、“外卷”，还是“花卷”，统统把它们踏在脚下，全方位出击，突破禁锢，寻找更多的发展机会，梦想就是属于你的！

案例解析：从生物力学的专业角度可以明确，身体健康是坚持锻炼而争取得来的。从社会学的角度可以知道，竞争实力是积极进取而磨练出来的。这个科普故事一方面解释了“舒服不如躺着”的生物力学科学原理，另一方面引申了其社会学含义，并给学生灌注正能量的情节，把课程思政的内容很自然地融入到科学知识的教学过程中^[]。既教育了学生，又能博得学生的会心一笑。本案例对于工科理论课程教学的启发意义在于，要善于联想，把社会学的故事联系到生物力学的科学问题上，其中的关键点是“交叉”与“跨界”。大胆的联想，容易产生意想不到的交叉融合效果，大大提高思政教育的潜移默化作用和“润物细无声”的效果。

三、 总结

党中央在顶层设计中，把科学普及与科技创新放在同等重要的位置，要求广大科技工作者把普及科学知识、弘扬科学精神、传播科学思想、倡导科学方法作为义不容辞的责任，传播正确的科学知识、弘扬正能量的科学精神，推动社会各阶层形成讲科学、爱科学、学科学、用科学的良好氛围。

作者坚决响应党的号召，认真贯彻落实科普教育在大学生课程教学中的应用。针对《生物力学基础》这样的基础理论课程教学，我们创新科普理念和服务模式，把生涩的理论知识融入到日常生活中司空见惯的现象里，将课堂教学内容延伸到互联网提供的便捷平台上，把生物力学的科学知识联系到社会学的问题中^[]，把工程科学、人文历史、思政建设串联在科普故事里。在形式上运用互联网技术大力推进科普信息化，在内容上增强科普教育的知识性和趣味性，提高基础理论课程的吸引力和感染力，并在培养大学生正确的人生观、价值观、科学观等方面起到了潜移默化、“润物细无声”的效果^[]。在今后的教学实践中，我们将继续努力打造“医用生物力学”的微信公众号这一网络科普资源，把课堂教学和网络资源构建成优势互补的教学平台^[]，大力拓展科普教学在《生物力学基础》课程中的应用实效。

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Application cases of popular science teaching in the course of fundamentals of Biomechanics

Qiao Aike, Du Tianming, Yang Haisheng, Zhang Liyuan, Nan Qun, Liu Youjun

(Department of environment and life, Beijing University of technology, Beijing 100124)

Abstract: In the practical teaching activities of "Fundamentals of Biomechanics" for undergraduate students, the author focuses on innovating science popularization concepts and service mode in view of the students' background of biomedical engineering and their weak basic knowledge of mechanics, and connects engineering science, humanities and history, ideological and political construction in science popularization stories. Internet technology was used to promote informatization of science popularization in form, the knowledge and interest of science popularization education was enhanced in content, so as to improve the appeal and infectivity of the basic theoretical course, and obtain a subtle and "moistening things silently" effect in the cultivation of correct outlook on life, values, scientific outlook and so on for college students.

Keywords: biomedical engineering; biomechanics; science popularization; teaching mode; independent study

北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学环境与生命学部 乔爱科：1851867958