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對物理學科與農業學科結合的探索與思考論文
論文關鍵詞:物理學科 農業學科 學科交叉 物理農業 人才培養
論文摘 要:通過在農業科研中把物理學科知識與農業學科知識相結合的實踐,探索物理學科與農業學科結合對農業可持續發展、農業人才培養等方面的有利作用。展望學科交叉對培養新世紀具有全新知識結構人才的廣闊前景,推動物理農業的穩步發展,充分發揮學科交叉的潛能。
在知識經濟、信息化時代,實施科教興農不僅要善于創造新知識,吸取人類的一切文明成果,而且要善于把新知識、新成果轉化成新產品,轉化為現實生產力,才能發揮知識和科技的價值[1]。農業院校在科研中,考慮不同學科的交叉融合,把基礎學科與優勢學科整合,通過學科邊緣交叉是技術創新鏈中必不可少的環節。
本文結合魔芋科研項目中物理技術在控制病害發生、提高產量等方面的應用,就物理學科知識與農業學科結合在農業生產中的應用和優勢展開論述。探索通過物理學科與農業學科的有益結合,思考對培養新世紀合格農業人才、推動農業走可持續發展的生產模式等問題。
一、學科交叉,優勢互補
在科技迅速發展的今天,時代的發展和科技的進步推進了科學技術向縱深方向發展,學科之間相互交叉滲透是當代科學發展的一個主要趨勢。
現代科技發展的學科高達分化基礎上的高達綜合的特點說明,科技的發展需要不同學科和技術的橫向聯合就能形成整體優勢,邊緣交叉容易出現新的生長點 [2]。尤其是物理學這一基礎學科,與其他學科的結合更是越來越突出,如計算物理學、數學物理、物理化學、生物物理學等,這些交叉學科的出現,無疑促進了物理學及其他學科的發展和延伸。其中物理學與農業科學的交叉滲透,使“物理農業”脫穎而出,并且有效推動了生態農業、有機農業的健康、穩步發展。
二、物理學科與農科知識結合的必然與優勢
1蔽錮硌樸肱┛粕物科學相結合的必然
(1)自然科學領域內必然存在同一的、共同的聯系。20世紀以來,以數學為工具、物理學為理論基礎的學科發展,已逐步把除生物學以外的其他學科同一起來[3]。而物理學研究的物理運動是自然界最普遍的一種現象,它滲透于自然界的任何生命系統,因此物理學也要研究生命、時間和空間的性質、聯系等,它與生物學科也存在同一的、共同的聯系,這一點也是被歷史證明了的。1943年,物理學家薛定諤寫下了《生命是什么》一書,從物理學的角度對生命現象進行了詳細的闡述。現今生命科學中的許多重要概念如“遺傳密碼”,就是由薛定諤首次提出的;21世紀關于生命現象的描述性信息太多了,新的工作框架——定量生物學的應運而生,使生物學、化學、物理學、數學這些基礎學科聯系起來;同時在農科教材中也不乏許多物理科學知識,如離心分離技術、宏觀、微觀方法——氣體分子熱運動理論、紅外測溫、衛星遙感、生物與熵、正常細胞的電模型、衍射現象、生物體的旋光現象、核磁共振技術和物質的放射性,等等,涉及了物理學的力、熱、電、光、磁,原子物理、相對論、量子力學等許多方面。可見,物理科學與農科知識間存在著密切的聯系。
(2)物理科學的思想方法和實驗方法已日益滲透和應用于各個自然科學領域,包括農科的生物科學。20世紀50年代以物理學的X射線衍射結構分析為基礎的分子生物學的成就與發展技術被引進了生物學,從而確定了DNA的雙螺旋結構,至今X射線衍射晶體分析法仍是分析生物大分子立體結構最精確的技術[3];物理學和生物學的交叉學科生物物理學在研究思路、應用的理論和方法方面就突出了物理學的特點。
從當代科學技術發展規律以及走在國際前沿開展科學研究的美國、英國的趨勢來看,21世紀生命科學與物理科學之間的融會貫通已經勢不可擋。美國國家科學基金會與國家衛生研究院聯手資助大學建立了多個跨學科的Bio-X中心,英國生物技術與生物科學基金會在2003年也建立了以10年為期的重大研究計劃——預測生物學。這個蓬勃發展的交叉學科正在成為大量學術會議、高質量學術雜志以及基金資助機構的主角。可見,物理學科與農科生物科學間的交叉融合是必然的。
2卑鹽錮碇識用于農業的現代物理農業的優勢
早在20世紀70年代,日本等國就已開始研究現代物理農業工程的單項技術;我國自20世紀90年代進入物理農業—物理技術應用到農業領域,應用物理學技術、方法和基礎理論研究農業生產過程和農業生物生命過程中的物理規律,以及物理因素對生物系統的作用機制,涉及物理學、材料學、動植物學及農學領域的多學科交叉綜合的一門新生學科[4]。隨著國際貿易農藥殘留標準越來越嚴格的動態趨勢,消費者對農產品健康、安全的高要求,“物理農業”的精英們在中國應用物理農業技術方面進行了不懈的探索。
近5年來,在天津、大連等地已開展得如火如荼且已取得驕人的成績,有力地說明把物理科技應用于農業領域,能推動傳統農業的變革,是一種獨特有效的生產方式。
在我國,應用于農業生產的現代物理農業技術有:磁化、電場處理種子技術、電子殺蟲技術、空間電場防病促生技術,等等,而且取得了顯著的成效。相對于化學農業來說是一種高效、無環境污染且成本低廉,易實現效益轉化的農業技術 [5] ,可控制化肥和農藥的使用量,并且能達到提高品質、抗病增產的目的,保證農產品達到質量、綠色、無污染的標準,具有顯著的經濟效益和社會效益。可見,把物理科學知識參與農業生產過程,利用物理因素和物理技術應用于農業,有著誘人的前景與潛力。
三、在農業科研中,進行物理技術與農業栽培措施有機結合的探索
前人把物理技術應用于科研已取得了一些成果,低溫和紫外線輻射植株地上部分后能有效抑制病害發生,并對植株生長產生良好的影響,這在小麥、大豆、玉米、郁金香、百合、大蒜等作物上已得到證實。
魔芋是經濟價值較高的作物,近年已成為山區農民脫貧致富的有效途徑。然而,在魔芋生產中,魔芋軟腐病已成為魔芋生產和魔芋產業發展的主要制約因素。鑒于魔芋軟腐病的主要初侵染源是種芋及土壤,種芋帶菌是引起植株發病的主要原因這一特性,以及溫度、紫外線等物理因子影響魔芋生產的研究尚未見報道,因此,筆者于2008年至2010年間開展了“低溫、紫外線對魔芋種芋生長的影響”研究,通過對魔芋種芋進行不同強度的低溫冷藏和不同時長的紫外線輻射,研究不同處理對魔芋生長過程中軟腐病的控制及產量表現的影響,把物理學科與農業學科知識結合應用于科研生產。通過此研究得出結論:用低溫冷刺激、紫外線殺菌處理魔芋種芋能降低病害,提高產量,把物理因子低溫、紫外線這樣應用對魔芋的影響是正向的;試驗中不施用化學農藥,保證了生產的魔芋沒有藥物殘留,綠色環保。
筆者在科研中把物理科學與農業科學結合的探索取得了一定成效,這種生產成本低、簡便易行的生產方式對改善和提高魔芋品質、保護生態等方面具有現實意義。
四、物理學科與農業學科結合的展望與思考
1奔憂課錮硌樸肱┮笛頻娜諍,有利于學生的就業(創業)與升造
農業院校教學與科研中注意物理科學與農業科學的融合,有利于教師的農業科研拓展,更好地服務“三農”的同時能加強學生交叉學科知識素養,能拓寬農科學生的農業生產技術。畢業生面對需要大量知識和技術的市場就業更具有絕對的優勢;對于畢業且有志于繼續深造的學生,可選擇由交叉學科而產生的新興領域為方向,而現代新興的物理農業中所涉及的有關食品安全、生態農業等諸多問題有待應用科學理念和現代技術加以解決,農業院校的學生由此領域為方向就是一個不錯的選擇,其中加強物理學科與農業學科融合的培養對他們的知識積累無疑是一個很大的推動。
中國理論生物物理學家歐陽鐘燦院士呼吁:“為培養具有全新知識結構的研究人員,首先應革新大學生命科學相關的教學”,呼吁高校生物系反省傳統的教學內容和方式,適當增加數學、物理學等其他學科的知識,與美國著名的倡議“培養21世紀的科學家:本科生的生物學教育”(Undergraduate biology education to prepare research scientists for the 21st century,簡稱Bio2010)相呼應[3]。現在中國的一些高等院校已開設了生物物理學等交叉學科專業,希望“培養出來的跨學科學生能操同一種語言去建造生命科學的通天塔”。
2碧岣吲┮瞪產技術,走可持續發展的生產模式
在“綠色革命”“轉基因作物”的糧食增產模式一一亮相的時候,物理知識應用于農業生產的物理增產技術也在低碳農業、節水農業的倡導環境中備受關注。把物理中的力、熱、光、電、磁等知識與技術應用于農業生產的“物理農業”,區別于傳統的“化學農業”,不用化肥、農藥、生長調節劑的農業生產方式,減少環境污染,恢復耕地質量,阻止環境惡化與生態退化,是解決“先污染后治理”“先發展后治理”問題的重要途徑之一。
近年物理農業已展示了它的“神奇”,相信物理農業在未來的發展中,不僅在糧食生產的健康安全、增產增收方面能取得輝煌的成績,也能兼顧到農業生產和生態環境的相容,同時為農業、生態的可持續發展做出杰出的貢獻,在農業與環境的協調發展中充分發揮物理科學知識的作用,充分展示交叉學科的魅力。
參考文獻:
[1]吳文勝,程立佳.發揮高等農業院校優勢,努力為科教興農服務[J].高等農業教育,1999(4):29—31.
[2]胡躍高主編.農業總論[M].北京:中國農業大學出版社,2000(9).
[3]袁觀宇.生物物理學[M].北京:科學出版社,2006.
[4]朱 杰,郭連紅,王國棟.物理農業與農業物理學及其在我國農業現代化中的作用[J].農業科學研究,2008(2):64—67.
[5]張 仿.物理技術是發展生態農業的重要手段[J].安徽農學通報,2008(9):88—89.
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