淺談生物信息學在高中生物教學中的應用

張鵬

（江西省臨川第一中學 江西臨川 344100）

一、生物信息學的概念和意義

生物信息學是使用計算機科學、數(shù)學和統(tǒng)計學并通過生物數(shù)據(jù)的挖掘處理來分析探究生命奧秘的新興學科。隨著現(xiàn)代計算機技術的不斷發(fā)展和進步，生物信息學也得到了蓬勃發(fā)展，到達了一個新的高度。在生命科學蓬勃發(fā)展與大數(shù)據(jù)時代背景下，生物信息學迅速發(fā)展，揭示了大量生物體的奧秘，為現(xiàn)代醫(yī)學作出了許多重要非凡的貢獻，促進了現(xiàn)代社會的發(fā)展，提高了人類生活的水平。

生物信息學在許多生物研究中都有著重要的意義。人類基因組計劃，以及對小鼠和許多其它生物的基因組進行測序。但是基因組測序涉及生成非常大的數(shù)據(jù)集，于是快速發(fā)展的信息技術就有了用武之地。極其強大的計算機被用來存儲和處理這些數(shù)據(jù)。而計算機背后的人是生物信息學家，他們經常接受生物學以及數(shù)學或計算機科學方面的培訓。這些多學科研究人員開發(fā)方法和軟件工具來對計算機進行編程，以挖掘和理解所有這些數(shù)據(jù)[1]。除了發(fā)現(xiàn)不同生物基因組之間的異同，測序技術還讓我們能夠發(fā)現(xiàn)不同人之間DNA的差異，有助于我們更好地了解人類的生命活動，對于癌癥等多種疾病的診斷和治療有重大作用。在對抗新型冠狀病毒疫情的研究當中，我國科學家最早完成對新冠病毒的測序工作，為全世界防疫工作做出了及時的關鍵貢獻。在新冠病毒的核酸診斷試劑的制備，相關疫苗的研制工作，以及部分單克隆抗體的篩選思路，某些特效藥物研發(fā)當中，生物信息學相關數(shù)據(jù)，均發(fā)揮了極其重要的作用。當然，生物信息學不僅僅是在上述領域有著至關重要的作用，還在很多與人類健康、蛋白質工程、酶工程等諸多工程領域發(fā)揮著關鍵的作用。因此，從某種程度來看，生物信息學是21世紀生物科技的制高點之一。

由于生物信息學技術是一個涉及多個學科的復雜的領域，因此，我國要想在這個學科取得世界領先的成就，就需要綜合地推進該學科的發(fā)展。其中之一就是要有一大批投身生物信息學開發(fā)研究的學者?？萍嫉陌l(fā)展，人才是關鍵。而人才的培養(yǎng)不是一蹴而就的。很多著名的學者在高中階段就培養(yǎng)了自己對某些領域的興趣，這對他們的長遠發(fā)展起到了基礎性的關鍵作用[2]。因此，生物信息學在高中階段的教學滲透應用有類似的考量：為長遠的人才培養(yǎng)打下一個扎實的基礎。

二、生物信息學在高中生物教學中的必要性

1.在高中生物教學中應用生物信息學符合核心素養(yǎng)要求

在新課程改革的背景下，為促進素質教育的發(fā)展，教育部充分利用生物信息學在高中生物教學中的作用，在選修教材上添加“生物信息學與人類基因組”章節(jié)，讓學生們了解生物信息學的歷史，介紹人類基因組研究的主要成果，了解如何使用計算機來測定基因組同時熟悉序列比較常用方法及序列相似性的生物學意義。同時，生物必修二教材在《遺傳與進化》這一章節(jié)中也增添了“生物信息學”的相關知識，如蛋白質結構比對和預測、基因識別、DNA指紋驗證技術和遺傳密碼的起源等等與生物信息學有關的內容。學生在大致了解生物信息學的概念、作用和意義后，能夠提高對生物的學習興趣，認識學習生物的真正價值，并且為以后的專業(yè)和科研方向提供了選擇[3]。

2.在高中生物教學中應用生物信息學有助于創(chuàng)新教學模式

在高中生物的教學中，教師不應該僅僅著重于提高學生的學習成績，還應該關注學生綜合素質的培養(yǎng)和科學思維能力的提高。但由于受應試教育的影響，許多教師都沒有改變傳統(tǒng)教育模式和教育觀念，仍舊將自己作為課堂的主體，不注重與學生的交流。生物信息學發(fā)展非常迅速，同時對教師教學的要求也非常高。除了要有扎實的生物學學科知識，還要能夠熟練地運用信息技術在相關數(shù)據(jù)庫中進行檢索。由于很多數(shù)據(jù)庫在國外，還需要教師熟悉英語，客觀上能夠促進教師不斷地學習新的技能，促進教師終身學習理念的落地。同時還能促使教師對科學前沿的關注。因此，將生物信息學融入高中生物的教學中能夠有助于教師改變傳統(tǒng)的教學模式，創(chuàng)新教學方案，推動教師的專業(yè)成長。

3.在高中生物教學中應用生物信息學有助于人才的培養(yǎng)

在高中生物教學的過程中滲透生物信息學的相關內容，能夠讓學生認識生物信息學的概念、作用和意義，不僅能夠幫助學生直接接觸相關領域的知識，更重要的是還能讓學生領悟科學家的科研精神和科研思路，促進學生思維能力的發(fā)展。在科研的道路上，科學思想的光輝是指路明燈，能夠吸引有志者的加入。當然，接觸了生物信息學的學生未必不一定選擇生物專業(yè)，但是大膽的想象、小心求證的科學思路、嚴謹?shù)乃季S、團隊合作的精神等能夠幫助學生培養(yǎng)良好的意志品質，能使學生在其他的科研領域有所成就。在學生未來的成長過程中，這些品質是最為關鍵的，這也是新課程標準倡導的課程的育人價值之所在。而只有培養(yǎng)出這樣的人才，才能讓我們國家在國際的科技競爭，綜合國力的競爭中立于不敗之地。

三、生物信息學在高中生物教學中的應用方案

1.增強教師的自身能力，保障教學效果

大多數(shù)教師畢業(yè)于高等師范院校，對高中生物的教學能夠得新應手。但由于生物信息學融合了數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機科學和生物學等多種學科，具有專業(yè)性和復雜性的特點，很多教師對生物信息學并沒有深刻的認識，不能很好地應用生物信息學相關的知識。因此，若教師，想在生物教學上將生物信息學應用自如，則應該多了解生物信息學的相關內容，熟悉生物信息學和生物學之間的聯(lián)系。同時，師范院校應該開設生物信息學相關的課程，給予教師掌握生物信息學技術的途徑，培養(yǎng)教師的專業(yè)素養(yǎng)，提升教師的自身能力，進而保障教學效果。除此之外，提升教師的自身能力和專業(yè)素養(yǎng)，能夠提高高中生物課堂的質量和效率。教師的自身能力不僅是一個優(yōu)秀教學課堂的前提，也是高中生物教師專業(yè)知識結構的挑戰(zhàn)。要想提高課堂效率和教學質量，高中生物教師必須從每個學生的需求出發(fā)，不斷提升自己的教學水平和能力。同時，每個學生的學習能力不同，要求教師根據(jù)每個學生的學習情況進行分層教學，才能夠從根本上提升教學的質量[4]。

2.轉變傳統(tǒng)的教學模式，創(chuàng)新教學方案

在傳統(tǒng)的生物課堂教學中，教師將自己作為課堂的主體，在講臺上講得不亦樂乎，不注重與學生的有效交流。這樣的教學方法雖然傳輸?shù)闹R量很大，但由于未及時關注學生的吸收能力和吸收情況，與學生進行有效的學習交流和溝通，往往會出現(xiàn)學生被動學習和課堂效率低下的情況。并且雖然有些高中生物知識難度不大，但由于一節(jié)課灌輸?shù)闹R量大，學生往往來不及吸收而具有學習壓力，挫敗了學生對生物學習的信心，不利于調動學生的積極性。所以教師必須改變教學模式和教學方法。

另一方面，在新課標下，高中生物教材增添了許多有關生物信息學的章節(jié)，比如選修教材中的“生物信息學與人類基因組”。而由于生物信息學相關的知識不易理解與學習，所以根據(jù)新課標要求，學生在學習有關生物信息學的知識之前，應該完全熟悉基礎生物知識，掌握教材的基本內容，并且具有一定程度的挖掘生物信息并處理分析的能力。生物信息學的教學與其他章節(jié)相比，內容豐富，較為復雜，不易教學。因此，若教師仍舊采用傳統(tǒng)的教學方法，直接向學生傳輸知識，而不關注學生的吸收情況，則會導致生物課堂具有局限性，出現(xiàn)學生課堂的參與度低，課堂效率低下等情況。所以，迫于生物信息學的教學難度壓力，教師必須轉變教學模式。教師在課堂上傳授知識的同時，應盡量留足時間讓學生們進行討論與反思，鼓勵學生自主思考。同時，教師應該采取引導式的教學模式，調動學生學習的積極性與主動性，促進教師與學生的交流，提高課堂的效率和教學的質量。

3.明確教學目標，注重培養(yǎng)學生的學科綜合能力

在中學一線的多年教學中，筆者有一個體會：傳統(tǒng)學科教學存在一個明顯的弊端，就是學科之間的割裂。而現(xiàn)代科技、工程應用等，往往是多學科的綜合。因此，對傳統(tǒng)割裂式教學模式進行適當?shù)母牧?，有助于培養(yǎng)學生的學科綜合能力，有助于培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。在高中生物教學中引入生物信息學的目的之一就是通過生物信息學跨學科的特點，在教學過程中讓學生直接體會這些學科是如何關聯(lián)，如何運用信息技術去解決生物學等等的問題。

當然，由于筆者自身能力的制約，無法獨立承擔如此復雜的任務。因此，筆者通過課題研究形成一個有活力的教師科研團隊。如江西師范大學生命科學學院教授，在生物信息學領域有著深厚的研究功底，對筆者團隊進行生物信息學進行指導。在團隊當中，也有精通信息技術的專家，有精通中學生物教學和課題研究的專家型老師，通過團隊的協(xié)作配合，去達成上述目標。

4.改變教學單一性，多元化教學手段引發(fā)學生的深度思考

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，生物信息學能夠成為教師的教學工具，簡化高中生物的概念。傳統(tǒng)高中生物教學方法具有單一性，常常導致學生對生物學習的厭倦和疲憊。生物信息學在高中生物教學中的應用，可以使教學知識呈現(xiàn)多樣化，教學手段多元化。生物信息學融入高中生物教學中，改變了以往教師單一性的教學模式，對整體教學效果的提升也產生了顯著影響。

與高中的其他學科相比，高中生物著重于研究生物體的結構和生命活動，導致某些生物概念和知識比較抽象，涉及的知識范圍也比較廣泛。加上高中學生的邏輯思維能力沒有得到最大的發(fā)展，因此，在學習生物的某些概念和知識的過程中，學生往往感到困難，尤其是在學習生物信息學的相關知識時。高中生物教學中滲透的生物信息學，雖然內容相對較少，僅為學生起到認識引導作用，但由于生物信息學本身的專業(yè)性和復雜性，會讓學生對相關內容的把握上感受到明顯的難度。因此，教師在教學生物信息學相關知識時應盡量豐富課堂內容，提高課堂的趣味性。通過教學手段的多元化，通過信息技術發(fā)展帶來的便利，將很多微觀抽象的內容直觀地呈現(xiàn)出來，在提高課堂趣味性的同時，也能夠降低學習的難度。教師通過合理的教學設計，對生物信息學的內容遞進式的設置，從易到難，逐層深入，也能夠有效地引導學生逐漸進行深度思考，并在逐層深入的思考過程中體會到進步的快樂和成就感。比如，教師在教學“基因組測序原理”時，學生往往不易想象到基因組測序的過程，原理具有抽象性和復雜性，教師對于這種抽象不易想象，過程復雜的知識可以運用多媒體，為學生播放基因組測序的動畫，通過直觀的方式向學生展示，比課本上生硬的生物知識和繁瑣的生物名詞來得直接具體，使抽象的知識具體化和形象化，有利于學生梳理明確該過程，突破了學習的難點。

5.在高中生物教學中注重與生活的聯(lián)系

生物信息學與生活有著緊密聯(lián)系，生物信息學的研究能夠揭示人體的奧秘，促進醫(yī)學的發(fā)展和進步，所有的科學研究都是致力于促進現(xiàn)實社會的進步，提高人類生活的質量。因此，在新課程的改革下，要求高中生物教學要回歸實際生活，提倡教學高中生物的過程中加強生物與生活的聯(lián)系，追求科學世界與生活世界的統(tǒng)一，讓學生理解到學習生物的價值，學習學科知識的價值之一在于服務生活，為人類社會的發(fā)展貢獻出自己的一份力量。這也吻合了新課程標準提倡的生物學核心素養(yǎng)的社會責任[5]。

結語

隨著計算機的快速發(fā)展以及越來越多信息處理數(shù)據(jù)軟件的興起，集生物、數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機科學等多種學科為一體的生物信息學不斷進步。在高中生物教學中融入了生物信息學，要求學生在學習生物基礎知識的同時，也要了解生物在其他方面的應用。在高中生物的教學中，生物信息學可以作為生物教學的輔助工具，幫助教師更好地引導學生學習生物，激發(fā)學生對生物的興趣，增強學生自身的科研意識，培養(yǎng)學生的跨學科綜合能力，為學生長遠的發(fā)展打下扎實的基礎。

受限于自身能力，生物信息學在高中生物教學的應用還存在一些局限。雖然無法達到最理想的情況，但是通過生物信息學在高中生物教學中的應用，至少給高中階段的學生們播種了一顆種子，期待這顆種子在未來合適的條件下萌發(fā)并茁壯成長！