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对物理学科与农业学科结合的探索与思考论文
论文关键词:物理学科 农业学科 学科交叉 物理农业 人才培养
论文摘 要:通过在农业科研中把物理学科知识与农业学科知识相结合的实践,探索物理学科与农业学科结合对农业可持续发展、农业人才培养等方面的有利作用。展望学科交叉对培养新世纪具有全新知识结构人才的广阔前景,推动物理农业的稳步发展,充分发挥学科交叉的潜能。
在知识经济、信息化时代,实施科教兴农不仅要善于创造新知识,吸取人类的一切文明成果,而且要善于把新知识、新成果转化成新产品,转化为现实生产力,才能发挥知识和科技的价值[1]。农业院校在科研中,考虑不同学科的交叉融合,把基础学科与优势学科整合,通过学科边缘交叉是技术创新链中必不可少的环节。
本文结合魔芋科研项目中物理技术在控制病害发生、提高产量等方面的应用,就物理学科知识与农业学科结合在农业生产中的应用和优势展开论述。探索通过物理学科与农业学科的有益结合,思考对培养新世纪合格农业人才、推动农业走可持续发展的生产模式等问题。
一、学科交叉,优势互补
在科技迅速发展的今天,时代的发展和科技的进步推进了科学技术向纵深方向发展,学科之间相互交叉渗透是当代科学发展的一个主要趋势。
现代科技发展的学科高达分化基础上的高达综合的特点说明,科技的发展需要不同学科和技术的横向联合就能形成整体优势,边缘交叉容易出现新的生长点 [2]。尤其是物理学这一基础学科,与其他学科的结合更是越来越突出,如计算物理学、数学物理、物理化学、生物物理学等,这些交叉学科的出现,无疑促进了物理学及其他学科的发展和延伸。其中物理学与农业科学的交叉渗透,使“物理农业”脱颖而出,并且有效推动了生态农业、有机农业的健康、稳步发展。
二、物理学科与农科知识结合的必然与优势
1蔽锢硌朴肱┛粕物科学相结合的必然
(1)自然科学领域内必然存在同一的、共同的联系。20世纪以来,以数学为工具、物理学为理论基础的学科发展,已逐步把除生物学以外的其他学科同一起来[3]。而物理学研究的物理运动是自然界最普遍的一种现象,它渗透于自然界的任何生命系统,因此物理学也要研究生命、时间和空间的性质、联系等,它与生物学科也存在同一的、共同的联系,这一点也是被历史证明了的。1943年,物理学家薛定谔写下了《生命是什么》一书,从物理学的角度对生命现象进行了详细的阐述。现今生命科学中的许多重要概念如“遗传密码”,就是由薛定谔首次提出的;21世纪关于生命现象的描述性信息太多了,新的工作框架——定量生物学的应运而生,使生物学、化学、物理学、数学这些基础学科联系起来;同时在农科教材中也不乏许多物理科学知识,如离心分离技术、宏观、微观方法——气体分子热运动理论、红外测温、卫星遥感、生物与熵、正常细胞的电模型、衍射现象、生物体的旋光现象、核磁共振技术和物质的放射性,等等,涉及了物理学的力、热、电、光、磁,原子物理、相对论、量子力学等许多方面。可见,物理科学与农科知识间存在着密切的联系。
(2)物理科学的思想方法和实验方法已日益渗透和应用于各个自然科学领域,包括农科的生物科学。20世纪50年代以物理学的X射线衍射结构分析为基础的分子生物学的成就与发展技术被引进了生物学,从而确定了DNA的双螺旋结构,至今X射线衍射晶体分析法仍是分析生物大分子立体结构最精确的技术[3];物理学和生物学的交叉学科生物物理学在研究思路、应用的理论和方法方面就突出了物理学的特点。
从当代科学技术发展规律以及走在国际前沿开展科学研究的美国、英国的趋势来看,21世纪生命科学与物理科学之间的融会贯通已经势不可挡。美国国家科学基金会与国家卫生研究院联手资助大学建立了多个跨学科的Bio-X中心,英国生物技术与生物科学基金会在2003年也建立了以10年为期的重大研究计划——预测生物学。这个蓬勃发展的交叉学科正在成为大量学术会议、高质量学术杂志以及基金资助机构的主角。可见,物理学科与农科生物科学间的交叉融合是必然的。
2卑盐锢碇识用于农业的现代物理农业的优势
早在20世纪70年代,日本等国就已开始研究现代物理农业工程的单项技术;我国自20世纪90年代进入物理农业—物理技术应用到农业领域,应用物理学技术、方法和基础理论研究农业生产过程和农业生物生命过程中的物理规律,以及物理因素对生物系统的作用机制,涉及物理学、材料学、动植物学及农学领域的多学科交叉综合的一门新生学科[4]。随着国际贸易农药残留标准越来越严格的动态趋势,消费者对农产品健康、安全的高要求,“物理农业”的精英们在中国应用物理农业技术方面进行了不懈的探索。
近5年来,在天津、大连等地已开展得如火如荼且已取得骄人的成绩,有力地说明把物理科技应用于农业领域,能推动传统农业的变革,是一种独特有效的生产方式。
在我国,应用于农业生产的现代物理农业技术有:磁化、电场处理种子技术、电子杀虫技术、空间电场防病促生技术,等等,而且取得了显着的成效。相对于化学农业来说是一种高效、无环境污染且成本低廉,易实现效益转化的农业技术 [5] ,可控制化肥和农药的使用量,并且能达到提高品质、抗病增产的目的,保证农产品达到质量、绿色、无污染的标准,具有显着的经济效益和社会效益。可见,把物理科学知识参与农业生产过程,利用物理因素和物理技术应用于农业,有着诱人的前景与潜力。
三、在农业科研中,进行物理技术与农业栽培措施有机结合的探索
前人把物理技术应用于科研已取得了一些成果,低温和紫外线辐射植株地上部分后能有效抑制病害发生,并对植株生长产生良好的影响,这在小麦、大豆、玉米、郁金香、百合、大蒜等作物上已得到证实。
魔芋是经济价值较高的作物,近年已成为山区农民脱贫致富的有效途径。然而,在魔芋生产中,魔芋软腐病已成为魔芋生产和魔芋产业发展的主要制约因素。鉴于魔芋软腐病的主要初侵染源是种芋及土壤,种芋带菌是引起植株发病的主要原因这一特性,以及温度、紫外线等物理因子影响魔芋生产的研究尚未见报道,因此,笔者于2008年至2010年间开展了“低温、紫外线对魔芋种芋生长的影响”研究,通过对魔芋种芋进行不同强度的低温冷藏和不同时长的紫外线辐射,研究不同处理对魔芋生长过程中软腐病的控制及产量表现的影响,把物理学科与农业学科知识结合应用于科研生产。通过此研究得出结论:用低温冷刺激、紫外线杀菌处理魔芋种芋能降低病害,提高产量,把物理因子低温、紫外线这样应用对魔芋的影响是正向的;试验中不施用化学农药,保证了生产的魔芋没有药物残留,绿色环保。
笔者在科研中把物理科学与农业科学结合的探索取得了一定成效,这种生产成本低、简便易行的生产方式对改善和提高魔芋品质、保护生态等方面具有现实意义。
四、物理学科与农业学科结合的展望与思考
1奔忧课锢硌朴肱┮笛频娜诤,有利于学生的就业(创业)与升造
农业院校教学与科研中注意物理科学与农业科学的融合,有利于教师的农业科研拓展,更好地服务“三农”的同时能加强学生交叉学科知识素养,能拓宽农科学生的农业生产技术。毕业生面对需要大量知识和技术的市场就业更具有绝对的优势;对于毕业且有志于继续深造的学生,可选择由交叉学科而产生的新兴领域为方向,而现代新兴的物理农业中所涉及的有关食品安全、生态农业等诸多问题有待应用科学理念和现代技术加以解决,农业院校的学生由此领域为方向就是一个不错的选择,其中加强物理学科与农业学科融合的培养对他们的知识积累无疑是一个很大的推动。
中国理论生物物理学家欧阳钟灿院士呼吁:“为培养具有全新知识结构的研究人员,首先应革新大学生命科学相关的教学”,呼吁高校生物系反省传统的教学内容和方式,适当增加数学、物理学等其他学科的知识,与美国着名的倡议“培养21世纪的科学家:本科生的生物学教育”(Undergraduate biology education to prepare research scientists for the 21st century,简称Bio2010)相呼应[3]。现在中国的一些高等院校已开设了生物物理学等交叉学科专业,希望“培养出来的跨学科学生能操同一种语言去建造生命科学的通天塔”。
2碧岣吲┮瞪产技术,走可持续发展的生产模式
在“绿色革命”“转基因作物”的粮食增产模式一一亮相的时候,物理知识应用于农业生产的物理增产技术也在低碳农业、节水农业的倡导环境中备受关注。把物理中的力、热、光、电、磁等知识与技术应用于农业生产的“物理农业”,区别于传统的“化学农业”,不用化肥、农药、生长调节剂的农业生产方式,减少环境污染,恢复耕地质量,阻止环境恶化与生态退化,是解决“先污染后治理”“先发展后治理”问题的重要途径之一。
近年物理农业已展示了它的“神奇”,相信物理农业在未来的发展中,不仅在粮食生产的健康安全、增产增收方面能取得辉煌的成绩,也能兼顾到农业生产和生态环境的相容,同时为农业、生态的可持续发展做出杰出的贡献,在农业与环境的协调发展中充分发挥物理科学知识的作用,充分展示交叉学科的魅力。
参考文献:
[1]吴文胜,程立佳.发挥高等农业院校优势,努力为科教兴农服务[J].高等农业教育,1999(4):29—31.
[2]胡跃高主编.农业总论[M].北京:中国农业大学出版社,2000(9).
[3]袁观宇.生物物理学[M].北京:科学出版社,2006.
[4]朱 杰,郭连红,王国栋.物理农业与农业物理学及其在我国农业现代化中的作用[J].农业科学研究,2008(2):64—67.
[5]张 仿.物理技术是发展生态农业的重要手段[J].安徽农学通报,2008(9):88—89.
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