高中生物教學(xué)中如何巧用NCBI數(shù)據(jù)庫

謝海婷 韋艷艷，2*

（1.廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 廣西桂林 541006）

（2.華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 湖北武漢 430000）

1 引言

高中生物課程是以認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)為基礎(chǔ)、以提高每個(gè)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)為宗旨的課程。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）要求學(xué)生積極主動參與學(xué)習(xí)，在此過程中不僅獲得基礎(chǔ)生物學(xué)的知識，還要領(lǐng)略近現(xiàn)代國內(nèi)外生物科學(xué)家們在科研過程中產(chǎn)生的思路與方法?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》中的學(xué)科核心素養(yǎng)是以學(xué)生適應(yīng)未來社會發(fā)展和個(gè)人生活的需要出發(fā)，從生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任等層面發(fā)展學(xué)生。

近年來，生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)飛速發(fā)展，隨著人類“阿波羅”基因組測序計(jì)劃的完成，“后基因組學(xué)”時(shí)代的開始，社會對生物科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的關(guān)注日益顯著。NCBI數(shù)據(jù)庫（NCBI，https：//www.ncbi.nlm.nih.gov）又稱美國國家生物技術(shù)信息中心，其內(nèi)置Entrez檢索和搜索系統(tǒng)，整合了PubMed、GenBank、BLAST、Map Viewer、SNP、Protein等數(shù)據(jù)庫與檢索工具，形成一個(gè)緊密連接的系統(tǒng)和高效集約的查詢平臺。通過國內(nèi)外文獻(xiàn)的研究得到，在國外尚無將NCBI數(shù)據(jù)庫與高中生物教學(xué)整合的案例?；趯W(xué)生當(dāng)前階段的認(rèn)知程度與接受水平的分析，筆者嘗試將結(jié)合NC?BI與高中生物教學(xué)結(jié)合，以期能夠提高課堂教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的生物學(xué)科核心素養(yǎng)，提高學(xué)生信息化學(xué)習(xí)的能力，為學(xué)生未來的學(xué)習(xí)和科研奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 NCBI數(shù)據(jù)庫在高中生物教學(xué)實(shí)踐中的影響

NCBI數(shù)據(jù)庫是眾多科學(xué)家科研成果的集合，教師應(yīng)用在高中生物學(xué)教學(xué)中,不僅能使學(xué)生獲得生物學(xué)的知識，還能使學(xué)生通過閱讀科學(xué)家的論文與分析科學(xué)家的研究成果，領(lǐng)略科學(xué)家在科研過程中的思路與方法。隨著信息化時(shí)代的到來，學(xué)校組織方式得到轉(zhuǎn)變，教師的“講”轉(zhuǎn)變?yōu)榱恕耙?，學(xué)生的“聽”轉(zhuǎn)變成了“學(xué)”，集體教學(xué)也轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)別化教學(xué)和多樣化教學(xué)。通過教師對相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)操作的演示、學(xué)生對演示結(jié)果的觀察分析以及學(xué)生親身參與到教學(xué)中的教學(xué)過程，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)課堂模式，構(gòu)建學(xué)生主動參與的探究型課堂、合作型課堂。這樣不僅有利于學(xué)生對知識的掌握，還增強(qiáng)了學(xué)生的信息技術(shù)能力、生命觀念、科學(xué)探索、科學(xué)思維、社會責(zé)任。

3 NCBI數(shù)據(jù)庫在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用構(gòu)想

3.1 NCBI數(shù)據(jù)庫在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的探索

蛋白質(zhì)是高中生物學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，是貫穿整個(gè)生物學(xué)科的重要知識。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能是學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ)知識?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生理解結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一性。但是，學(xué)生在學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)相關(guān)知識時(shí)，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的模糊認(rèn)識，不易形成蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一性觀念。為此，下面將NCBI數(shù)據(jù)庫中的子庫——Structure數(shù)據(jù)庫與Protein數(shù)據(jù)庫融入生物課堂中，使學(xué)生對蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直觀、形象、明確的認(rèn)識，以此加深學(xué)生對本知識的理解和掌握。

3.1.1 相關(guān)數(shù)據(jù)庫介紹

Structure數(shù)據(jù)庫：Structure數(shù)據(jù)庫提供了有關(guān)大分子的生物學(xué)功能和進(jìn)化史的大量信息。它們可用于檢查序列、結(jié)構(gòu)與功能三者的關(guān)系、相互作用、活性位點(diǎn)等。Structure數(shù)據(jù)庫的形成不僅為生物科研工作提供了強(qiáng)大的工具，還為高中生物學(xué)教學(xué)中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的學(xué)習(xí)提供了重要的幫助。下面將應(yīng)用Structure數(shù)據(jù)庫中人的胰島素結(jié)構(gòu)，通過在課堂中呈現(xiàn)與學(xué)生動手操作實(shí)踐的方式，使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能在學(xué)生腦海中形成清晰的構(gòu)象，構(gòu)建探究型課堂，攻破學(xué)生對結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識的難點(diǎn)，增加學(xué)生的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

Protein數(shù)據(jù)庫：Protein數(shù)據(jù)庫是多個(gè)來源的序列的集合，包括來自GenBank，RefSeq和TPA中帶注釋的編碼區(qū)的翻譯，以及來自SwissProt、PIR、PRF和PDB的記錄。生物學(xué)結(jié)構(gòu)和功能的基本決定因素是蛋白質(zhì)序列。下面將在Protein數(shù)據(jù)庫找到胰島素的A鏈與B鏈的序列的詳細(xì)信息來輔助蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的教學(xué)。

3.1.2 數(shù)據(jù)庫在生物教學(xué)中的應(yīng)用思路

在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能模塊的教學(xué)中，教師以胰島素蛋白（INS，insulin）為例，首先進(jìn)入NCBI官方網(wǎng)站，選擇Structure數(shù)據(jù)庫后，在搜索欄輸入“INS”，進(jìn)入結(jié)果展示界面，選擇蛋白結(jié)構(gòu)界面進(jìn)行觀察，并使用iCn3D查看工具即可查看到該蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征以及序列注釋信息，也可進(jìn)入Protein數(shù)據(jù)庫分別瀏覽胰島素的A鏈與B鏈的序列的詳細(xì)信息。在胰島素的空間結(jié)構(gòu)下方，可以查看其A鏈與B鏈的詳細(xì)注釋信息。學(xué)生通過觀察與分析A鏈與B鏈的長度、二硫鍵數(shù)目以及螺旋位置等注釋信息，加深對蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的理解。然后，進(jìn)入iCn3D查看工具查看INS的具體空間結(jié)構(gòu)。學(xué)生積極主動地利用工具界面對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的操作，形成蛋白質(zhì)二、三級結(jié)構(gòu)的概念，充分利用右邊的注釋工具。例如，在選中一段序列，左邊的iCn3D查看工具器中就會著重標(biāo)記該段序列在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的定位，加深對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)性的理解，構(gòu)建結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一性觀念。

3.2 利用NCBI數(shù)據(jù)庫辨別染色體與基因

染色體與基因是高中生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)與教學(xué)中的一大難點(diǎn)。學(xué)生初次學(xué)習(xí)時(shí)，由于染色體和基因是基于分子層面上的知識點(diǎn)，具有一定抽象性，僅憑概念的學(xué)習(xí)不易分清染色體與基因的關(guān)系。因此，這對于高中生物教師無疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》對遺傳與進(jìn)化這個(gè)模塊在生命觀念與科學(xué)思維提出了要求，即學(xué)完本模塊知識后，學(xué)生應(yīng)該能夠運(yùn)用細(xì)胞減數(shù)分裂的模型，闡明遺傳信息在有性生殖中的傳遞規(guī)律。要達(dá)到這個(gè)要求，要求學(xué)生對染色體與基因的關(guān)系要有一個(gè)清晰的認(rèn)識?；谝陨峡紤]，下面采用NCBI數(shù)據(jù)庫的相關(guān)子庫——Gene數(shù)據(jù)庫與基因組數(shù)據(jù)查看器進(jìn)行教學(xué)。

3.2.1 相關(guān)數(shù)據(jù)庫介紹

Gene數(shù)據(jù)庫：Gene數(shù)據(jù)庫是一個(gè)可搜索、側(cè)重于已完全測序的基因組、并且擁有活躍的研究團(tuán)體來提供基因特異性數(shù)據(jù)的基因數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)庫檢索，可以得到該基因的術(shù)語、染色體定位、基因產(chǎn)物及其屬性、相關(guān)標(biāo)記、表型、互相作用以及引文、序列、變異細(xì)節(jié)、圖譜、表達(dá)報(bào)告等信息。運(yùn)用該數(shù)據(jù)庫查找人與黑猩猩的胰島素基因，通過兩個(gè)同源性相近但不同種的染色體與基因的對比研究，加深學(xué)生對染色體與基因的關(guān)系理解。

基因組數(shù)據(jù)查看器（GDV）：基因組數(shù)據(jù)查看器是一個(gè)基因組瀏覽器，用于交互式導(dǎo)航真核RefSeq基因組裝配，并全面檢查基因、表達(dá)、變異和其他注釋。GDV提供易于加載的分析軌道預(yù)配置、數(shù)據(jù)軌道菜單，以方便顯示和自定義，并支持用戶數(shù)據(jù)的上傳和分析。該瀏覽器還可以生成用于發(fā)布的顯示。應(yīng)用GDV查看在Gene數(shù)據(jù)庫中檢索的基因圖譜，通過查看基因在染色體的位置與注釋信息，在學(xué)生腦海中形成具體構(gòu)象，便于分辨染色體與基因的關(guān)系。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫在生物教學(xué)中的應(yīng)用思路

以人與黑猩猩的胰島素基因?yàn)槔?，在Gene數(shù)據(jù)庫的檢索欄中輸入“INS”，進(jìn)入搜索結(jié)果后，分別選擇人和黑猩猩的胰島素基因，進(jìn)入基因組數(shù)據(jù)查看器查看兩個(gè)物種的特定基因INS在基因組上的位置以及其全部基因組的完整信息，在界面中可以觀察到兩個(gè)物種的INS基因皆存在11號染色體上以及染色體上其他基因的詳細(xì)信息。也可通過鼠標(biāo)定位到特定基因的位置，查看該段基因的完整信息，增強(qiáng)對同一基因位于不同物種的染色體上的概念。除此之外，還可以通過切換物種以探索更多不同物種基因的信息，繼而區(qū)分開染色體與基因的抽象概念。

4 NCBI在生物教學(xué)其他模塊中的應(yīng)用

生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任這四個(gè)領(lǐng)域是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要成分。為了在中學(xué)生物教學(xué)中能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，教師結(jié)合NCBI，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生物學(xué)前沿科學(xué)進(jìn)行教學(xué)，在每個(gè)環(huán)節(jié)中培養(yǎng)學(xué)生的能力，從而提高課堂的有效性。NCBI數(shù)據(jù)庫具有龐大的數(shù)據(jù)庫與工具，除了以上數(shù)據(jù)庫與工具能夠運(yùn)用到生物教學(xué)課堂外，還有很多子庫也能運(yùn)用到生物課堂中來，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生牢固地掌握知識體系，明確地辨析易混淆以及不理解的概念。NCBI的其他子庫在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用情況（表1）。

NCBI數(shù)據(jù)庫不僅可以查找到許多有關(guān)的蛋白質(zhì)與基因的序列、結(jié)構(gòu)、功能，還能夠通過PubMed數(shù)據(jù)庫查找生物科研文獻(xiàn)。近年來，乳腺癌、肺癌、青蒿素等關(guān)鍵詞成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)方向，教師通過在PubMed數(shù)據(jù)庫中查找相關(guān)文獻(xiàn)，帶領(lǐng)學(xué)生一起閱讀，共同走進(jìn)科研前線。通過對學(xué)者們的研究理論、研究過程、研究成果進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的英文閱讀水平，擴(kuò)展學(xué)生以及教師的視野，了解國內(nèi)外學(xué)者在生物、醫(yī)學(xué)以及藥物研究方面的研究現(xiàn)狀，了解生命科學(xué)前沿的發(fā)展，養(yǎng)成良好的生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任感，從而對學(xué)生未來無論是參與學(xué)術(shù)科研，還是社會選擇就業(yè)都起到了引導(dǎo)與奠基作用。

表1 NCBI的其他子庫在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

5 總結(jié)

綜上所述，NCBI數(shù)據(jù)庫擁有龐大的生物醫(yī)學(xué)信息資源和強(qiáng)大可靠的檢索工具，為廣大生物醫(yī)學(xué)研究者進(jìn)行科研工作提供了便利。信息化時(shí)代的到來，為了適應(yīng)學(xué)校組織形式的轉(zhuǎn)變，教師要更新教學(xué)觀念，通過將NCBI與高中生物學(xué)教學(xué)的融合，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的知識傳授課堂，提倡探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)。學(xué)生使用NCBI過程，不僅擴(kuò)展了科學(xué)知識及眼界，還提高了英語閱讀水平，促進(jìn)形成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)、信息化的學(xué)習(xí)能力以及基本的科學(xué)研究的能力。

由于NBCI的載體是網(wǎng)頁，需要良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。為了獲得預(yù)期的教學(xué)效果，需要學(xué)校提供環(huán)境上的保障支持，避免因?yàn)榫W(wǎng)速問題影響課堂進(jìn)度而導(dǎo)致教學(xué)效果降低。教師使用NCBI前，要提前學(xué)習(xí)NCBI的相關(guān)知識，認(rèn)識NCBI的整體功能，掌握操作步驟，精確地分析檢索結(jié)果，整理與知識點(diǎn)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并且精心設(shè)計(jì)符合學(xué)生現(xiàn)有的身心發(fā)展水平的教學(xué)設(shè)計(jì)，以期待學(xué)生在掌握生物學(xué)知識的同時(shí)領(lǐng)悟生物學(xué)的本質(zhì)，不斷地提升利用信息技術(shù)獲取生物學(xué)知識的能力。