浅谈生物信息学在高中生物教学中的应用

张鹏

（江西省临川第一中学 江西临川 344100）

一、生物信息学的概念和意义

生物信息学是使用计算机科学、数学和统计学并通过生物数据的挖掘处理来分析探究生命奥秘的新兴学科。随着现代计算机技术的不断发展和进步，生物信息学也得到了蓬勃发展，到达了一个新的高度。在生命科学蓬勃发展与大数据时代背景下，生物信息学迅速发展，揭示了大量生物体的奥秘，为现代医学作出了许多重要非凡的贡献，促进了现代社会的发展，提高了人类生活的水平。

生物信息学在许多生物研究中都有着重要的意义。人类基因组计划，以及对小鼠和许多其它生物的基因组进行测序。但是基因组测序涉及生成非常大的数据集，于是快速发展的信息技术就有了用武之地。极其强大的计算机被用来存储和处理这些数据。而计算机背后的人是生物信息学家，他们经常接受生物学以及数学或计算机科学方面的培训。这些多学科研究人员开发方法和软件工具来对计算机进行编程，以挖掘和理解所有这些数据[1]。除了发现不同生物基因组之间的异同，测序技术还让我们能够发现不同人之间DNA的差异，有助于我们更好地了解人类的生命活动，对于癌症等多种疾病的诊断和治疗有重大作用。在对抗新型冠状病毒疫情的研究当中，我国科学家最早完成对新冠病毒的测序工作，为全世界防疫工作做出了及时的关键贡献。在新冠病毒的核酸诊断试剂的制备，相关疫苗的研制工作，以及部分单克隆抗体的筛选思路，某些特效药物研发当中，生物信息学相关数据，均发挥了极其重要的作用。当然，生物信息学不仅仅是在上述领域有着至关重要的作用，还在很多与人类健康、蛋白质工程、酶工程等诸多工程领域发挥着关键的作用。因此，从某种程度来看，生物信息学是21世纪生物科技的制高点之一。

由于生物信息学技术是一个涉及多个学科的复杂的领域，因此，我国要想在这个学科取得世界领先的成就，就需要综合地推进该学科的发展。其中之一就是要有一大批投身生物信息学开发研究的学者。科技的发展，人才是关键。而人才的培养不是一蹴而就的。很多著名的学者在高中阶段就培养了自己对某些领域的兴趣，这对他们的长远发展起到了基础性的关键作用[2]。因此，生物信息学在高中阶段的教学渗透应用有类似的考量：为长远的人才培养打下一个扎实的基础。

二、生物信息学在高中生物教学中的必要性

1.在高中生物教学中应用生物信息学符合核心素养要求

在新课程改革的背景下，为促进素质教育的发展，教育部充分利用生物信息学在高中生物教学中的作用，在选修教材上添加“生物信息学与人类基因组”章节，让学生们了解生物信息学的历史，介绍人类基因组研究的主要成果，了解如何使用计算机来测定基因组同时熟悉序列比较常用方法及序列相似性的生物学意义。同时，生物必修二教材在《遗传与进化》这一章节中也增添了“生物信息学”的相关知识，如蛋白质结构比对和预测、基因识别、DNA指纹验证技术和遗传密码的起源等等与生物信息学有关的内容。学生在大致了解生物信息学的概念、作用和意义后，能够提高对生物的学习兴趣，认识学习生物的真正价值，并且为以后的专业和科研方向提供了选择[3]。

2.在高中生物教学中应用生物信息学有助于创新教学模式

在高中生物的教学中，教师不应该仅仅着重于提高学生的学习成绩，还应该关注学生综合素质的培养和科学思维能力的提高。但由于受应试教育的影响，许多教师都没有改变传统教育模式和教育观念，仍旧将自己作为课堂的主体，不注重与学生的交流。生物信息学发展非常迅速，同时对教师教学的要求也非常高。除了要有扎实的生物学学科知识，还要能够熟练地运用信息技术在相关数据库中进行检索。由于很多数据库在国外，还需要教师熟悉英语，客观上能够促进教师不断地学习新的技能，促进教师终身学习理念的落地。同时还能促使教师对科学前沿的关注。因此，将生物信息学融入高中生物的教学中能够有助于教师改变传统的教学模式，创新教学方案，推动教师的专业成长。

3.在高中生物教学中应用生物信息学有助于人才的培养

在高中生物教学的过程中渗透生物信息学的相关内容，能够让学生认识生物信息学的概念、作用和意义，不仅能够帮助学生直接接触相关领域的知识，更重要的是还能让学生领悟科学家的科研精神和科研思路，促进学生思维能力的发展。在科研的道路上，科学思想的光辉是指路明灯，能够吸引有志者的加入。当然，接触了生物信息学的学生未必不一定选择生物专业，但是大胆的想象、小心求证的科学思路、严谨的思维、团队合作的精神等能够帮助学生培养良好的意志品质，能使学生在其他的科研领域有所成就。在学生未来的成长过程中，这些品质是最为关键的，这也是新课程标准倡导的课程的育人价值之所在。而只有培养出这样的人才，才能让我们国家在国际的科技竞争，综合国力的竞争中立于不败之地。

三、生物信息学在高中生物教学中的应用方案

1.增强教师的自身能力，保障教学效果

大多数教师毕业于高等师范院校，对高中生物的教学能够得新应手。但由于生物信息学融合了数学、统计学、计算机科学和生物学等多种学科，具有专业性和复杂性的特点，很多教师对生物信息学并没有深刻的认识，不能很好地应用生物信息学相关的知识。因此，若教师，想在生物教学上将生物信息学应用自如，则应该多了解生物信息学的相关内容，熟悉生物信息学和生物学之间的联系。同时，师范院校应该开设生物信息学相关的课程，给予教师掌握生物信息学技术的途径，培养教师的专业素养，提升教师的自身能力，进而保障教学效果。除此之外，提升教师的自身能力和专业素养，能够提高高中生物课堂的质量和效率。教师的自身能力不仅是一个优秀教学课堂的前提，也是高中生物教师专业知识结构的挑战。要想提高课堂效率和教学质量，高中生物教师必须从每个学生的需求出发，不断提升自己的教学水平和能力。同时，每个学生的学习能力不同，要求教师根据每个学生的学习情况进行分层教学，才能够从根本上提升教学的质量[4]。

2.转变传统的教学模式，创新教学方案

在传统的生物课堂教学中，教师将自己作为课堂的主体，在讲台上讲得不亦乐乎，不注重与学生的有效交流。这样的教学方法虽然传输的知识量很大，但由于未及时关注学生的吸收能力和吸收情况，与学生进行有效的学习交流和沟通，往往会出现学生被动学习和课堂效率低下的情况。并且虽然有些高中生物知识难度不大，但由于一节课灌输的知识量大，学生往往来不及吸收而具有学习压力，挫败了学生对生物学习的信心，不利于调动学生的积极性。所以教师必须改变教学模式和教学方法。

另一方面，在新课标下，高中生物教材增添了许多有关生物信息学的章节，比如选修教材中的“生物信息学与人类基因组”。而由于生物信息学相关的知识不易理解与学习，所以根据新课标要求，学生在学习有关生物信息学的知识之前，应该完全熟悉基础生物知识，掌握教材的基本内容，并且具有一定程度的挖掘生物信息并处理分析的能力。生物信息学的教学与其他章节相比，内容丰富，较为复杂，不易教学。因此，若教师仍旧采用传统的教学方法，直接向学生传输知识，而不关注学生的吸收情况，则会导致生物课堂具有局限性，出现学生课堂的参与度低，课堂效率低下等情况。所以，迫于生物信息学的教学难度压力，教师必须转变教学模式。教师在课堂上传授知识的同时，应尽量留足时间让学生们进行讨论与反思，鼓励学生自主思考。同时，教师应该采取引导式的教学模式，调动学生学习的积极性与主动性，促进教师与学生的交流，提高课堂的效率和教学的质量。

3.明确教学目标，注重培养学生的学科综合能力

在中学一线的多年教学中，笔者有一个体会：传统学科教学存在一个明显的弊端，就是学科之间的割裂。而现代科技、工程应用等，往往是多学科的综合。因此，对传统割裂式教学模式进行适当的改良，有助于培养学生的学科综合能力，有助于培养学生解决实际问题的能力。在高中生物教学中引入生物信息学的目的之一就是通过生物信息学跨学科的特点，在教学过程中让学生直接体会这些学科是如何关联，如何运用信息技术去解决生物学等等的问题。

当然，由于笔者自身能力的制约，无法独立承担如此复杂的任务。因此，笔者通过课题研究形成一个有活力的教师科研团队。如江西师范大学生命科学学院教授，在生物信息学领域有着深厚的研究功底，对笔者团队进行生物信息学进行指导。在团队当中，也有精通信息技术的专家，有精通中学生物教学和课题研究的专家型老师，通过团队的协作配合，去达成上述目标。

4.改变教学单一性，多元化教学手段引发学生的深度思考

随着计算机技术的迅速发展，生物信息学能够成为教师的教学工具，简化高中生物的概念。传统高中生物教学方法具有单一性，常常导致学生对生物学习的厌倦和疲惫。生物信息学在高中生物教学中的应用，可以使教学知识呈现多样化，教学手段多元化。生物信息学融入高中生物教学中，改变了以往教师单一性的教学模式，对整体教学效果的提升也产生了显著影响。

与高中的其他学科相比，高中生物着重于研究生物体的结构和生命活动，导致某些生物概念和知识比较抽象，涉及的知识范围也比较广泛。加上高中学生的逻辑思维能力没有得到最大的发展，因此，在学习生物的某些概念和知识的过程中，学生往往感到困难，尤其是在学习生物信息学的相关知识时。高中生物教学中渗透的生物信息学，虽然内容相对较少，仅为学生起到认识引导作用，但由于生物信息学本身的专业性和复杂性，会让学生对相关内容的把握上感受到明显的难度。因此，教师在教学生物信息学相关知识时应尽量丰富课堂内容，提高课堂的趣味性。通过教学手段的多元化，通过信息技术发展带来的便利，将很多微观抽象的内容直观地呈现出来，在提高课堂趣味性的同时，也能够降低学习的难度。教师通过合理的教学设计，对生物信息学的内容递进式的设置，从易到难，逐层深入，也能够有效地引导学生逐渐进行深度思考，并在逐层深入的思考过程中体会到进步的快乐和成就感。比如，教师在教学“基因组测序原理”时，学生往往不易想象到基因组测序的过程，原理具有抽象性和复杂性，教师对于这种抽象不易想象，过程复杂的知识可以运用多媒体，为学生播放基因组测序的动画，通过直观的方式向学生展示，比课本上生硬的生物知识和繁琐的生物名词来得直接具体，使抽象的知识具体化和形象化，有利于学生梳理明确该过程，突破了学习的难点。

5.在高中生物教学中注重与生活的联系

生物信息学与生活有着紧密联系，生物信息学的研究能够揭示人体的奥秘，促进医学的发展和进步，所有的科学研究都是致力于促进现实社会的进步，提高人类生活的质量。因此，在新课程的改革下，要求高中生物教学要回归实际生活，提倡教学高中生物的过程中加强生物与生活的联系，追求科学世界与生活世界的统一，让学生理解到学习生物的价值，学习学科知识的价值之一在于服务生活，为人类社会的发展贡献出自己的一份力量。这也吻合了新课程标准提倡的生物学核心素养的社会责任[5]。

结语

随着计算机的快速发展以及越来越多信息处理数据软件的兴起，集生物、数学、统计学、计算机科学等多种学科为一体的生物信息学不断进步。在高中生物教学中融入了生物信息学，要求学生在学习生物基础知识的同时，也要了解生物在其他方面的应用。在高中生物的教学中，生物信息学可以作为生物教学的辅助工具，帮助教师更好地引导学生学习生物，激发学生对生物的兴趣，增强学生自身的科研意识，培养学生的跨学科综合能力，为学生长远的发展打下扎实的基础。

受限于自身能力，生物信息学在高中生物教学的应用还存在一些局限。虽然无法达到最理想的情况，但是通过生物信息学在高中生物教学中的应用，至少给高中阶段的学生们播种了一颗种子，期待这颗种子在未来合适的条件下萌发并茁壮成长！