張鵬

（江西省臨川第一中學(xué) 江西臨川 344100）

一、生物信息學(xué)的概念和意義

生物信息學(xué)是使用計算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)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(xué)科。隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，生物信息學(xué)也得到了蓬勃發(fā)展，到達(dá)了一個新的高度。在生命科學(xué)蓬勃發(fā)展與大數(shù)據(jù)時代背景下，生物信息學(xué)迅速發(fā)展，揭示了大量生物體的奧秘，為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)作出了許多重要非凡的貢獻(xiàn)，促進(jìn)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(xué)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(jìn)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(shù)就有了用武之地。極其強(qiáng)大的計算機(jī)被用來存儲和處理這些數(shù)據(jù)。而計算機(jī)背后的人是生物信息學(xué)家，他們經(jīng)常接受生物學(xué)以及數(shù)學(xué)或計算機(jī)科學(xué)方面的培訓(xùn)。這些多學(xué)科研究人員開發(fā)方法和軟件工具來對計算機(jī)進(jìn)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(shù)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(dāng)中，我國科學(xué)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(guān)鍵貢獻(xiàn)。在新冠病毒的核酸診斷試劑的制備，相關(guān)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(dāng)中，生物信息學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)，均發(fā)揮了極其重要的作用。當(dāng)然，生物信息學(xué)不僅僅是在上述領(lǐng)域有著至關(guān)重要的作用，還在很多與人類健康、蛋白質(zhì)工程、酶工程等諸多工程領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。因此，從某種程度來看，生物信息學(xué)是21世紀(jì)生物科技的制高點(diǎn)之一。

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

二、生物信息學(xué)在高中生物教學(xué)中的必要性

1.在高中生物教學(xué)中應(yīng)用生物信息學(xué)符合核心素養(yǎng)要求

在新課程改革的背景下，為促進(jìn)素質(zhì)教育的發(fā)展，教育部充分利用生物信息學(xué)在高中生物教學(xué)中的作用，在選修教材上添加“生物信息學(xué)與人類基因組”章節(jié)，讓學(xué)生們了解生物信息學(xué)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(jī)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(xué)意義。同時，生物必修二教材在《遺傳與進(jìn)化》這一章節(jié)中也增添了“生物信息學(xué)”的相關(guān)知識，如蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對和預(yù)測、基因識別、DNA指紋驗(yàn)證技術(shù)和遺傳密碼的起源等等與生物信息學(xué)有關(guān)的內(nèi)容。學(xué)生在大致了解生物信息學(xué)的概念、作用和意義后，能夠提高對生物的學(xué)習(xí)興趣，認(rèn)識學(xué)習(xí)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(xué)中應(yīng)用生物信息學(xué)有助于創(chuàng)新教學(xué)模式

在高中生物的教學(xué)中，教師不應(yīng)該僅僅著重于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，還應(yīng)該關(guān)注學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和科學(xué)思維能力的提高。但由于受應(yīng)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(xué)生的交流。生物信息學(xué)發(fā)展非常迅速，同時對教師教學(xué)的要求也非常高。除了要有扎實(shí)的生物學(xué)學(xué)科知識，還要能夠熟練地運(yùn)用信息技術(shù)在相關(guān)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)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(jìn)教師不斷地學(xué)習(xí)新的技能，促進(jìn)教師終身學(xué)習(xí)理念的落地。同時還能促使教師對科學(xué)前沿的關(guān)注。因此，將生物信息學(xué)融入高中生物的教學(xué)中能夠有助于教師改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，創(chuàng)新教學(xué)方案，推動教師的專業(yè)成長。

3.在高中生物教學(xué)中應(yīng)用生物信息學(xué)有助于人才的培養(yǎng)

在高中生物教學(xué)的過程中滲透生物信息學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，能夠讓學(xué)生認(rèn)識生物信息學(xué)的概念、作用和意義，不僅能夠幫助學(xué)生直接接觸相關(guān)領(lǐng)域的知識，更重要的是還能讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)家的科研精神和科研思路，促進(jìn)學(xué)生思維能力的發(fā)展。在科研的道路上，科學(xué)思想的光輝是指路明燈，能夠吸引有志者的加入。當(dāng)然，接觸了生物信息學(xué)的學(xué)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(xué)思路、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S、團(tuán)隊合作的精神等能夠幫助學(xué)生培養(yǎng)良好的意志品質(zhì)，能使學(xué)生在其他的科研領(lǐng)域有所成就。在學(xué)生未來的成長過程中，這些品質(zhì)是最為關(guān)鍵的，這也是新課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)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(xué)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用方案

1.增強(qiáng)教師的自身能力，保障教學(xué)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(xué)能夠得新應(yīng)手。但由于生物信息學(xué)融合了數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)等多種學(xué)科，具有專業(yè)性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，很多教師對生物信息學(xué)并沒有深刻的認(rèn)識，不能很好地應(yīng)用生物信息學(xué)相關(guān)的知識。因此，若教師，想在生物教學(xué)上將生物信息學(xué)應(yīng)用自如，則應(yīng)該多了解生物信息學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，熟悉生物信息學(xué)和生物學(xué)之間的聯(lián)系。同時，師范院校應(yīng)該開設(shè)生物信息學(xué)相關(guān)的課程，給予教師掌握生物信息學(xué)技術(shù)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(jìn)而保障教學(xué)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(zhì)量和效率。教師的自身能力不僅是一個優(yōu)秀教學(xué)課堂的前提，也是高中生物教師專業(yè)知識結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)。要想提高課堂效率和教學(xué)質(zhì)量，高中生物教師必須從每個學(xué)生的需求出發(fā)，不斷提升自己的教學(xué)水平和能力。同時，每個學(xué)生的學(xué)習(xí)能力不同，要求教師根據(jù)每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分層教學(xué)，才能夠從根本上提升教學(xué)的質(zhì)量[4]。

2.轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，創(chuàng)新教學(xué)方案

在傳統(tǒng)的生物課堂教學(xué)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(xué)生的有效交流。這樣的教學(xué)方法雖然傳輸?shù)闹R量很大，但由于未及時關(guān)注學(xué)生的吸收能力和吸收情況，與學(xué)生進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)交流和溝通，往往會出現(xiàn)學(xué)生被動學(xué)習(xí)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(xué)生往往來不及吸收而具有學(xué)習(xí)壓力，挫敗了學(xué)生對生物學(xué)習(xí)的信心，不利于調(diào)動學(xué)生的積極性。所以教師必須改變教學(xué)模式和教學(xué)方法。

另一方面，在新課標(biāo)下，高中生物教材增添了許多有關(guān)生物信息學(xué)的章節(jié)，比如選修教材中的“生物信息學(xué)與人類基因組”。而由于生物信息學(xué)相關(guān)的知識不易理解與學(xué)習(xí)，所以根據(jù)新課標(biāo)要求，學(xué)生在學(xué)習(xí)有關(guān)生物信息學(xué)的知識之前，應(yīng)該完全熟悉基礎(chǔ)生物知識，掌握教材的基本內(nèi)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(xué)的教學(xué)與其他章節(jié)相比，內(nèi)容豐富，較為復(fù)雜，不易教學(xué)。因此，若教師仍舊采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，直接向?qū)W生傳輸知識，而不關(guān)注學(xué)生的吸收情況，則會導(dǎo)致生物課堂具有局限性，出現(xiàn)學(xué)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(xué)的教學(xué)難度壓力，教師必須轉(zhuǎn)變教學(xué)模式。教師在課堂上傳授知識的同時，應(yīng)盡量留足時間讓學(xué)生們進(jìn)行討論與反思，鼓勵學(xué)生自主思考。同時，教師應(yīng)該采取引導(dǎo)式的教學(xué)模式，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性，促進(jìn)教師與學(xué)生的交流，提高課堂的效率和教學(xué)的質(zhì)量。

3.明確教學(xué)目標(biāo)，注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科綜合能力

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

當(dāng)然，由于筆者自身能力的制約，無法獨(dú)立承擔(dān)如此復(fù)雜的任務(wù)。因此，筆者通過課題研究形成一個有活力的教師科研團(tuán)隊。如江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授，在生物信息學(xué)領(lǐng)域有著深厚的研究功底，對筆者團(tuán)隊進(jìn)行生物信息學(xué)進(jìn)行指導(dǎo)。在團(tuán)隊當(dāng)中，也有精通信息技術(shù)的專家，有精通中學(xué)生物教學(xué)和課題研究的專家型老師，通過團(tuán)隊的協(xié)作配合，去達(dá)成上述目標(biāo)。

4.改變教學(xué)單一性，多元化教學(xué)手段引發(fā)學(xué)生的深度思考

隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，生物信息學(xué)能夠成為教師的教學(xué)工具，簡化高中生物的概念。傳統(tǒng)高中生物教學(xué)方法具有單一性，常常導(dǎo)致學(xué)生對生物學(xué)習(xí)的厭倦和疲憊。生物信息學(xué)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用，可以使教學(xué)知識呈現(xiàn)多樣化，教學(xué)手段多元化。生物信息學(xué)融入高中生物教學(xué)中，改變了以往教師單一性的教學(xué)模式，對整體教學(xué)效果的提升也產(chǎn)生了顯著影響。

與高中的其他學(xué)科相比，高中生物著重于研究生物體的結(jié)構(gòu)和生命活動，導(dǎo)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(xué)生的邏輯思維能力沒有得到最大的發(fā)展，因此，在學(xué)習(xí)生物的某些概念和知識的過程中，學(xué)生往往感到困難，尤其是在學(xué)習(xí)生物信息學(xué)的相關(guān)知識時。高中生物教學(xué)中滲透的生物信息學(xué)，雖然內(nèi)容相對較少，僅為學(xué)生起到認(rèn)識引導(dǎo)作用，但由于生物信息學(xué)本身的專業(yè)性和復(fù)雜性，會讓學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的把握上感受到明顯的難度。因此，教師在教學(xué)生物信息學(xué)相關(guān)知識時應(yīng)盡量豐富課堂內(nèi)容，提高課堂的趣味性。通過教學(xué)手段的多元化，通過信息技術(shù)發(fā)展帶來的便利，將很多微觀抽象的內(nèi)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(xué)習(xí)的難度。教師通過合理的教學(xué)設(shè)計，對生物信息學(xué)的內(nèi)容遞進(jìn)式的設(shè)置，從易到難，逐層深入，也能夠有效地引導(dǎo)學(xué)生逐漸進(jìn)行深度思考，并在逐層深入的思考過程中體會到進(jìn)步的快樂和成就感。比如，教師在教學(xué)“基因組測序原理”時，學(xué)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(fù)雜性，教師對于這種抽象不易想象，過程復(fù)雜的知識可以運(yùn)用多媒體，為學(xué)生播放基因組測序的動畫，通過直觀的方式向?qū)W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(xué)生梳理明確該過程，突破了學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

5.在高中生物教學(xué)中注重與生活的聯(lián)系

生物信息學(xué)與生活有著緊密聯(lián)系，生物信息學(xué)的研究能夠揭示人體的奧秘，促進(jìn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，所有的科學(xué)研究都是致力于促進(jìn)現(xiàn)實(shí)社會的進(jìn)步，提高人類生活的質(zhì)量。因此，在新課程的改革下，要求高中生物教學(xué)要回歸實(shí)際生活，提倡教學(xué)高中生物的過程中加強(qiáng)生物與生活的聯(lián)系，追求科學(xué)世界與生活世界的統(tǒng)一，讓學(xué)生理解到學(xué)習(xí)生物的價值，學(xué)習(xí)學(xué)科知識的價值之一在于服務(wù)生活，為人類社會的發(fā)展貢獻(xiàn)出自己的一份力量。這也吻合了新課程標(biāo)準(zhǔn)提倡的生物學(xué)核心素養(yǎng)的社會責(zé)任[5]。

結(jié)語

隨著計算機(jī)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(xué)、統(tǒng)計學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科為一體的生物信息學(xué)不斷進(jìn)步。在高中生物教學(xué)中融入了生物信息學(xué)，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)生物基礎(chǔ)知識的同時，也要了解生物在其他方面的應(yīng)用。在高中生物的教學(xué)中，生物信息學(xué)可以作為生物教學(xué)的輔助工具，幫助教師更好地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)生物，激發(fā)學(xué)生對生物的興趣，增強(qiáng)學(xué)生自身的科研意識，培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科綜合能力，為學(xué)生長遠(yuǎn)的發(fā)展打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

受限于自身能力，生物信息學(xué)在高中生物教學(xué)的應(yīng)用還存在一些局限。雖然無法達(dá)到最理想的情況，但是通過生物信息學(xué)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用，至少給高中階段的學(xué)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！