生物科学课程
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生物科学课程范文第1篇
生物信息学主要由基因组学、蛋白质组学、系统生物学、比较基因组学、计算生物学等学科构成，主要涉及的内容有生物数据的收集、存档、显示和分析，体外预测、模拟基因及蛋白质的结构和功能，对生物的遗传基因图谱进行分析处理，对大量的核苷酸和氨基酸序列进行比对分析，确定进化地位等。从生物信息学的概念及其涉及的内容中可以明确生物信息学不是一门独立的学科，所以要求教师在教学过程中掌握多领域的知识和技能，才能较好地把握该课程。
1．高等数学和统计学基础
生物信息学将数学和统计学作为主要的计算理论基础，主要包括数学建模、统计方法、动态规划方法、数据挖掘等方面。此外还包括隐马尔科夫链模型(HMM)在序列识别上的应用，蛋白质空间结构预测的最优理论，DNA超螺旋结构的拓扑学，遗传密码和DNA序列的对称性方面的群论等。因此，在生物信息学教学过程中要求教师具备数学及统计学的计算方法的基础知识，能够利用牛顿迭代法、线性方程回归分析、矩阵求拟、最小二乘法等进行数学建模和计算，从而对基因和蛋白质序列进行比对、进化分析和绘制遗传图谱等。
2．生物科学基础
生物信息学包含的生物类学科有，生物化学、分子生物学、遗传学等基础学科，基因工程、蛋白工程、生物技术等应用学科。根据其课程特点，学生在学习生物信息学课程前需要学习生物化学、分子生物学、遗传学、基因组学、蛋白质组学等基本生物学课程，对于基因序列、蛋白质序列、启动子、非编码区等概念有深刻的理解，同时需要对一些重要的生物学数据库有一定的了解，如美国基因数据库(GeneBank)、欧洲分子生物学实验室数据库(Embl)和日本核酸数据库(DDBJ)等。此外，要求学生能够利用生物学数据库查找基因序列、蛋白质序列、基因及蛋白质结构模型，能够读懂数据库中基因和蛋白质的信息注释，能够计算蛋白质序列的分子量和等电点，能够为扩增特定的基因片段设计引物，能够对特定物种进行系统发育分析等。
3．计算机科学基础
计算机是生物信息学的主要辅助工具，利用生物信息学研究生物系统的过程需要能够熟练使用计算机对大量的生物信息数据进行处理和分析，这主要包括对数据信息进行搜索(收集和筛选)、处理(编辑、整理、管理和显示)及利用(计算、模拟)。所以，学生在学习生物信息学的过程中需要了解和掌握一些常用的生物信息学软件，如BLAST和FASTA序列比对分析软件，Oligo和Primer引物设计软件，VectorNTI、DNASTAR、DNASIS等综合分析软件。此外，学生还需要学习和掌握一些常用的计算机语言，如正则表达式、Unixshell脚本语言和Perl语言。利用生物信息学在处理和分析海量生物数据的过程中，计算机软硬件资源需要配合处理分析软件的运行，因此要求计算机操作系统使用Unix和Linux操作系统，这些操作系统需要大量的操作命令进行输入执行过程，对于经常使用Windows操作系统的学生来说是一个较难跨越的障碍。
二、生物信息学课程教学中存在的问题
目前国内大多数高校的生物信息学教学采用传统的教学模式，即以课堂式的理论教学为主，缺乏必要的实践教学。理论教学模式固定、教学方法单一、教学内容狭窄，通常是介绍性、科普性的课程，甚至作为公选课程。少数高校开展生物信息学的实践课程教学，但多以验证性实验为主，缺乏和专业相适应的综合性、设计性实验，而开放性实验更无从谈起。
1．教学模式固定单一
生物信息学在内容层面涵盖诸多学科领域，注重应用性和实践性。然而，目前大部分高校把生物信息学作为一门孤立的课程，这导致教师需要将大多数课程内容压缩到一门课程进行教学，在有限的教学时数下灌输大量内容，增加了学生学习的难度，降低了教学质量。再者，大多数高校仅开展生物信息学的理论教学，忽视实践教学过程，造成生物信息学理论与实践内容的脱节，使学生在学习完理论知识后难以深入理解和吸收，无法将所学的知识应用到后续的工作和学习中，最终未能体现出该门课程的价值。
2．教师专业背景薄弱
作为一门交叉学科，生物信息学的教学要求教师具有较强的数学、生物学和计算机科学背景。然而，目前从事生物信息学教学的教师即便具备深厚的生物学背景，但是多数教师在数学和计算机方面较为薄弱，并不具备完整的生物信息学知识体系，对生物信息学发展趋势也了解不多。在师资缺乏的情况下，院系开设生物信息学课程，教师为了完成教学任务，仅仅在教学中进行介绍性的讲解，在课程考查方式上通过小论文、综述和课外活动等方式完成该课程的学习。因此，无论是理论教学还是实践教学均无法实现该课程大纲的要求，从而影响学生对生物信息学课程的理解和掌握，生物信息学的实践操作能力更无从谈起。
3．实践教学薄弱，专业教材缺乏
生物信息学实践课需要学生在网络环境下用计算机学习NCBI数据库的检索与使用、序列比对分析软件的应用、蛋白质空间结构图视软件的应用、序列拼接软件的应用等。但是目前，大多数高校开设的生物信息学课程多以理论教学为主，实践教学课时非常少或者为零，学生对于生物信息学课程的学习仅仅通过教材上抽象的文字描述进行理解和掌握，这导致学生在理论课中学到的知识无法在实践课中进行验证或操作，严重影响了生物信息学的教学质量，也偏离了教学大纲中强调的重在培养学生实践操作能力的培养目标。另外，目前还没有适用于生物科学专业的生物信息学教材。国内各大高校使用的教材多为国外教材的影印版或者中文翻译版本，这些教材偏重介绍生物信息学的理论和方法，涉及的实践内容较少，学生需要具有较高的相关知识才能接受和使用这些教材。因此，部分高校在生物信息学教学过程中往往使用自家编写的简化教材，从而造成生物信息学教学内容不统一，教学大纲混乱等情况。
4．实践课程经费不足，实践教学环境落后
当今，许多发达国家都很重视生物信息学的教学和研究，积极开展各种生物信息资源的收集和分析工作，培养大量生物信息学人才，为整个生物学的理论研究及其相关产业创新(主要是医药和农业)提供指导和支撑。国内对生物信息学的关注和认识起步较晚，其发展落后于国际发达国家。国家和高校对生物信息学的教学和科研资金投入力度不大，缺乏必要的仪器设备，生物信息学的实践教学条件得不到保障，比如大多数高校的生物科学专业没有相应的计算机实训室，配套软件也相对匮乏，落后于国际发展水平。
三、生物信息学教学模式改革的探索
1．修改理论和实践教学大纲，编写适用的实践教材
根据当今生物信息学的发展方向，制定和修改理论教学大纲，除了引物设计、基因和蛋白质序列比对、基因和蛋白质结构功能预测等基本内容外，还需添加系统进化树分析、聚类分析、蛋白质互作网络谱图等较为综合的内容。另外，增加实践教学课程比例，充实实践教学内容，结合理论教学内容增加综合性、设计性实验，适当提供科研环境，鼓励开展开放性实验。目前国内并没有系统的、专业的生物信息学实践教材，因此针对高校生物科学专业方向的特点，联合多学科领域(数学、生物科学、计算机科学)编写相应的生物信息学实践教材，在制定、修改实践教学大纲和编写教材的过程中结合学生的接受能力，由浅入深，多设实例和相关练习，使学生循序渐进的理解和掌握生物信息学的原理和方法，掌握更多的生物信息学工具。
2．紧密联系科研、基于实践问题开展教学
通过实践教学把生物信息学教学与科研有机结合起来，能够促进教学与科研的共同发展。在紧密联系科研的过程中，采用基于问题的教学(PBL)方法，通过实践教学环节，培养和训练学生把所学的生物信息学的知识和方法应用于各种生物科学领域的科研活动中，通过解决实际问题训练学生的实践技能，从而促进教学与科研的双重发展。例如，在生物信息学实践教学中多加入生产和科研中遇到的经典实例，鼓励学生利用相关的生物信息学软件及相关的理论和方法解决问题。学生也可以选择自己感兴趣的课题，利用自己熟悉的、合适的生物信息学软件和相关知识开展课题研究。此外，专业教师在指导学生课题研究的过程中还可以发现理论和实践教学的不足，不断的完善生物信息学理论和实践课程大纲和内容，提高教学质量。
3．开展多学科实践结合的教学模式
生物信息学属交叉学科，包含了不同领域的专业知识和技能，为使生物信息学教学达到教学的目标，该课程教学需要采用多学科实践结合的教学模式。多学科实践结合的教学模式是指联合不同领域、不同学科、不同专业的课程在教学的过程中结合生物信息学涉及到的知识和技能进行基础性、铺垫性教学。比如，在高等数学和统计学的教学过程中，针对生物信息学的需求，适当增加数学建模、统计方法、动态规划方法、数据挖掘等方面的基础内容，同时，开设实例实践教学，使学生理解和掌握隐马尔科夫链模型，牛顿迭代法、最小二乘法等方法的应用原理和规则;在生物科学专业课程设置上，尤其是实践课程的教学过程中，结合生物信息学涉及的引物设计、序列比对分析、基因及蛋白质结构功能预测等方面开展相应的设计性、综合性、开放性实验项目，使学生了解和掌握基本的生物信息学原理及软件的应用;在计算机科学的教学过程中，应根据生物信息学的需求，开设正则表达式、Perl语言、R语言等课程学习，以及增加Linux和Unix操作系统课程学习，使学生在学习生物信息学前打好坚实的基础。值得注意的是，生物信息学课程与其他课程的开设时间和顺序需要有一定的探索和评估，对于开设该课程的时间把握是开展多学科实践结合的教学模式的关键因素。过早开设生物信息学则会导致学生在不具备相应学科基础的条件下跨越式的接触生物信息学，无法理解和掌握相关的知识和技能;过晚开设则会使学生学习了相关学科知识和技能后，由于课程衔接不紧，导致在学习生物信息学时出现理解滞后和无法适应的现象。因此，针对不同专业和学科的特点，根据具体情况进行统筹安排，使生物信息学和其他相关学科课程有很好的衔接和过渡，以确保和提高生物信息学的教学质量。
四、结语
生物科学课程范文第2篇
关键词:探究式教学;教学模式;生物新课程;高中
生物课程是高中阶段重要的科学课程,是自然科学中一门基础学科。《普通高中生物课程标准(实验)》(以下简称《标准》)明确把提高学生生物科学素养作为高中生物新课程理念,要求每个学生不仅要获得生物科学知识,而且要掌握科学方法和科学技能,形成科学态度与科学精神,并倡导开展以探究为核心的教学来实现这一课程理念。[1] 随着新课程实施不断深入和扩大,探究式教学在全国各地各学科教学中日益受到重视。沈平指出,课堂教学是新课程实施的基本途径,是教师进行课程参与、实现专业化发展的重要渠道。[2] 同时,课堂教学也被公认为是新课程实施的主阵地。因此,如何构建行之有效的探究式课堂教学模式,供广大高中生物学教师在实施新课程中参考,无疑是当前高中生物新课程实施过程中亟待解决的重要且紧迫的课题。
1、探究式课堂教学模式的涵义
探究式课堂教学是以探究为基本特征的一种教学活动形式,探究式教学模式起源于美国着名教育家萨其曼(J.R.Suchman)对于“独立学习者发展”的信念,他认为科学家用来分析解决问题,探究未知世界的理性智慧可以传授给学生。[3]该模式是指在教师的指导下,学生积极参与科学探索的实践过程,试图模拟科学家分析解决问题的方法,体会科学家如何面对疑难,养成主动探索、主动思考、主动获取知识和发展能力的习惯,并学会搜集和加工需要的新资料,从而获得在真实生活情境中发现问题、解决问题的方法,进而培养自己的创新能力和实践能力的实践活动。
2、探究式课堂教学模式的设计
探究式课堂教学是探究式教学的重要组成部分,在新课程背景下,探究式课堂教学的环节比以往有更丰富的内涵。借此,根据高中生物新教材(人教版)的特点和近期的教学实践,笔者围绕高中生物新课程探究式课堂教学环节的设计谈谈自己的见解,旨到抛砖引玉。
(1)妙创问题情境,巧立探究课题。
创设问题情境是组织探究活动的前提。新教材的特点之一就是在每一节的开头都设置了“问题探讨”和“本节聚焦”栏目。事实表明,任何学习愿望都是在一定问题性的情境中产生的,问题情境能够诱发学生学习的需要,极大地促进探究式课堂教学的实现。问题情境的创设讲究“妙”,课题的引入关键在“巧”,因为妙能生趣,巧能激趣。不管是巧,还是妙,都要以实际生活、生产事实或经验为出发点。《标准》指出:“生物科学与人们的日常生活、医疗保健、环境保护、经济活动等方面密切相关。”也就是说,高中生物新课程注重使学生在现实生活的背景中学习和探究生物学。因此,教师应联系生活,善于为学生准备好问题情境素材,设置适当的途径使学生进入“情境”,感受解决问题的过程。如在“生命活动的主要承担者——蛋白质”的教学过程中,可以从最近出现的“大头娃娃”引出问题,并提出课题“‘大头娃娃’形成的原因”。接着进一步创设问题情境:蛋白质有什么作用?它是怎样形成的?为什么有些食品要添加某些氨基酸?这样提出问题,确立课题,非常的巧,非常的妙,非常的新,所以,学生的学习兴趣非常的高涨。
(2)组织学生探究,提高综合素质。
学生是课堂的主体,探究是学生的探究,没有学生的主动参与,探究活动将成为空话。首先,教师应善于利用新教材设计的丰富的探究素材:“资料分析”、“思考与讨论”、“实验”、“技能训练”、“探究”等,使学生多动手,多动脑,多发言,多记录,多归纳,给予他们充分自主学习、主动探究的空间,使之体验更多科学探究的乐趣。例如,在“酶的本质”教学过程中,课前可布置学生收集巴斯德(L.Pasteur)、李比希(J.V.Liebig)、毕希纳(E.Buchner)、萨姆纳(J.B.Sumner)等科学家探索酶本质的过程及其相应的理论材料,并对此作出评价;课堂上由学生简述理论要点,组织自由演说“我从酶本质的探索过程得到的启示……”活动。这样的探究活动能为学生提供自我表现的空间,获得探究过程的体验。
其次,生物学是一门建立在实验基础上的科学。因此,实验探究是科学探究的重要环节。在实验探究教学中,要突出培养学生实验的假说能力、方案的设计能力、过程的观察与记录能力、讨论与结论的分析能力等,充分体现新课程培养学生“过程与方法”的理念。如“核酸在细胞中的分布”的探究实验,可让学生——①提出假说:DNA主要分布在细胞核,RNA主要分布在细胞质。②设计实验:取口腔上皮细胞制作临时装片水解用蒸馏水冲洗涂片用吡罗红甲基绿染色5分钟观察(先低倍镜后高倍镜)。③观察和记录:细胞核呈绿色,细胞质呈红色。④得出结论:核酸种类不同,其分布也不同。在真核细胞中,DNA主要分布在细胞核,RNA主要分布在细胞质。
再次,新课程强调,课堂探究要取得成效,合作讨论学习是不可忽视的。但目前很多学校都是大班制,学生人数多,实行分组合作讨论学习时遇到不少问题。最简单的策略是采取同位或前后学生分别组成合作小组。小组人数一般以2-6人左右为宜,教师应根据实际情况来进行调整,但要遵循“组间同质,组内异质,优势互补”的原则。即每个组中成员的组织能力、学习能力、学习成绩、思维活跃程度、性别等都应尽量均衡,并确定每个成员的分工,可以采取轮换制,如主持人、记录人、发言人、补充人等由每个成员轮流做。分好组和职务后,在进行小组合作学习前,教师还应解释清楚学习任务,说明成功标准;然后在学习过程中,教师要监控学生的行为,及时提供帮助;最后采取过程评价与结果评价以及学生自评、小组评价和教师评价相结合的方式,公正、科学、合理地肯定学生的探究学习。
(3)展示探究成果,交流彼此思想。
在探究式课堂教学过程中,对于学生的探究成果要进行展示和交流,让全体学生都可以分享成果,共享智慧,实现共同进步和新课程倡导的“全体发展”理念。正如大文豪肖伯纳(G..Bernard Shaw)所说:“如果你有一个苹果,我有一个苹果,彼此交换,那么,每个人只有一个苹果;如果你有一个思想,我有一个思想,彼此交换,我们每个人就有了两个思想,甚至多于两个思想。”
生物科学课程范文第3篇
关键词：生物信息学 课堂教学 实验教学 现代教育技术
前言
生物信息学(Bioinformatics)是一门新兴的交叉学科。广义地说，生物信息学从事对生物信息的获取、加工、储存、分配、分析和解释，并综合运用数学、计算机科学和生物学工具，以达到理解数据中的生物学含义的目标［1］。其含义是双重的:一是对海量数据的收集、整理与服务，即管理好这些数据;二是从中发现新的规律，也就是使用好这些数据。以1987年出现Bioinformatics这一词汇为标志，生物学已不再是仅仅基于试验观察的科学。伴随着21世纪的到来，生物学的重点和潜在的突破点已经由20世纪的试验分析和数据积累，转移到数据分析及其指导下的试验验证上来。生物信息学作为一门学科被广泛研究的根本原因，在于它所提供的研究工具对生物学发展至关重要，因此成为生命科学研究型人才必须掌握的现代知识。今天的实验生物学家，只有利用计算生物学的成果，才能跳出实验技师的框架，作出真正创新的研究。现在基因组信息学和后基因组信息学资源已经成了地球上全人类的共同财富。如何获取和利用基因组和后基因组学提供的大量信息，如何具有享用全人类共有的资源的初步能力，成了当今世纪生命科学学生必须掌握的基本技术和知识以及必须具有的初步能力［2］。
生物信息学以互联网为媒介，数据库为载体，利用数学知识、各种计算模型，并以计算机为工具，进行各种生物信息分析，以理解海量分子数据中的生物学含义。区别于其他生命科学课程，其在教学过程中要求有发达的互联网和计算机作为必备条件。调查显示国内高校都已建立校园网，其中拥有1000M主干带宽的高校已占调查总数的64.9%，2005年一些综合类大学和理工类院校已率先升级到万兆校园网［3］，这些都为生物信息学课程在高校开设提供了良好的物质基础。该门课程与现代网络和信息技术密不可分，在教学工作中充分利用现代教育技术较其他课程更具优势。另外，该门课程尚未完全形成成熟的课程体系，为教师学习借鉴先进的教育思想与教学实践经验，在各方面尝试教学改革提供了广阔的空间。
1 课堂教学
生物信息学主要以介绍原理、方法为主，深入浅出，注重知识更新。课堂讲授以介绍生物信息学的相关算法、原理、方法为主，而这也是教学的重点和难点。在教学中对于这部分内容应遵循深入浅出、避繁就简的原则，结合具体实例分析算法，避免空洞复杂的算法讲解，以免学生觉得枯燥乏味、晦涩难懂，产生畏惧心理，望而生畏;注重讲解算法的思想和来龙去脉，让学生真正掌握解决问题的思路，培养其科学思维能力，并采用探讨式教学鼓励学生思考，通过讨论与研究的方式循序渐进地掌握复杂的内容，介绍相关的教学和物理学知识，使学生充分体会到生物信息学与其他学科的关系及其他学科的思想方法对于生物科学的重要性，培养其自觉地将其他学科的方法和思想应用于解决生物学问题的科学素质。在教学工作中教师必须能够紧跟学科发展方向，随时进行知识更新，了解最新的前沿动态，掌握新方法，将最新的知识和方法教给学生。同时，也要在教学中鼓励学生通过各种途径自觉地关注学科发展动态，拓宽知识面，培养其自学能力和创新意识。
2 充分利用现代化教育技术，采用启发式教学
目前，高等院校在教室内配备的多媒体投影播放系统促进了多媒体教学的广泛应用。生物信息学采用多媒体教学是适应学科特点、提高教学效果和充分利用现代化教育技术的一项基本要求。作为生物信息学教学的基本模式，多媒体教学使讲解的内容更加直观形象，尤其是对于具体数据库的介绍以及数据库检索、数据库相似性搜索、序列分析和蛋白质结构预测等内容涉及的具体方法和工具的讲解，可以激发学生的学习兴趣，加深学生对知识的理解和掌握，提高学生理论与实践相结合的能力。同时，由于生物信息学依赖于网络资源和互联网上的分析工具和软件，教室内的多媒体计算机连接到互联网，极大地提高了教学效果。但在实际教学中发现，多媒体教室也有局限性，学生主要以听讲为主，不能及时实践，教师讲解与学生实践相脱节，如果将生物信息学课程安排在计算机房内进行，并采用多媒体电子教室的教学方式，就可以解决上述问题。在教学中采用启发式教学，可为学生建立教学情景，学生通过与教师、同学的协商讨论、参与操作，能够发现知识、理解知识并掌握知识。
3 采用讲、练做一体化的教学模式，注重学生实践能力的培养
生物信息学课堂教学应积极学习借鉴职业培训和计算机课程教学中讲、练、做一体化的教学模式，在理论教学中增加实训内容，在实践教学中结合理论讲授，改变传统的以教师为中心、以教材和讲授为中心的教学方式。根据教学内容和学生的认知规律，应灵活地采用先理论后实践或先实践后理论或边理论边实践的方法，融生物信息学理论教学与实践操作为一体，使学生的知识和能力得到同步、协调、综合的发展。
通常可采用先讲后练的方法，即首先介绍原理、方法，之后设计相关的实训内容让学生上机实践。对于操作性内容和生物信息分析的方法和工具的讲解可采取进行实际演示的方法，教师边讲解边示范，学生在听课时边听讲、边练习，或者教师讲解结束后学生再进行练习。理论与实践高度结合，可充分发挥课堂教学的生动性、直观性，加深学生对知识的理解，培养和提高学生的实践操作能力。
4 优化生物信息学实验教学内容，发挥网络教学优势
生物信息学实验教学主要是针对海量生物数据处理与分析的实际需要，培养学生综合运用生物信息学知识和方法进行生物信息提取、储存、处理、分析的能力，提高学生应用理论知识解决问题的能力和独立思考、综合分析的能力。
生物信息学实验教学内容的选择与安排应按照循序渐进的原则，针对特定的典型性的生物信息学问题设计，以综合性、设计性实验内容为主，明确目的要求，突出重点，充分发挥学生的主观能动性和探索精神，以激发学生学习的主动性和创造性为出发点，加强学生创新精神和实验能力的培养。生物信息学实验教学以互联网为媒介、计算机为工具，全部在计算机网络实验室内完成。在教学中，充分利用网络的交互特点实现信息技术与课程的结合。教师通过电子邮件将实验教学内容、实验序列、工具等传递给学生，学生同样通过电子邮件将实验报告、作业、问题和意见等反馈给教师，教师在网上批改实验报告后将成绩和评语发送给学生，让学生及时了解自己的学习情况。教师可以通过网上论坛、聊天室和及时通讯工具QQ、MSN等对学生的实验进行指导，与其讨论问题等。网络环境下的生物信息学实验教学不仅能提高学生的学习兴趣，给学生的学习和师生的互动带来极大的方便，提高教师的工作效率，而且可以及时了解掌握学生的学习情况，有利于教师不断调整教学方案，达到更好的教学效果。
5 生物信息学采用无纸化考试，加强实践能力考核
生物信息学主要是学习利用互联网、计算机和应用软件进行生物信息分析的基本理论和基本方法。考试重点是考查学生对生物信息分析的基本方法和技能的掌握程度和对结果的分析解释能力。因此，在生物信息学考试中可尝试引入实践技能考试，通过上机实践操作重点考核学生知识应用能力。实践技能考试采用无纸化考试方式，学生在互联网环境下，对序列进行生物信息分析并对结果进行解释，不仅可考查学生对基本知识和基本原理的掌握，而且可考查学生进行生物信息分析的实际能力和分析思考能力。通过实践技能考试，淡化理论考试，克服传统的死记硬背，可促进学生注重提高理论用于实践的综合能力，同时可更有效地提高学生计算机应用能力。学生成绩评定大部分是以学生的考试成绩为主，难以对学生的学习情况和学习过程作全面地评价。因此，除采用实践技能考试并将其作为学生成绩的主要部分外，还应加强对学生平时学习态度、学习能力、创新思维等方面的考查。
总之，生物信息学教学是网络环境下生物教学的全新内容。上述教学措施提高了学生的学习积极性、实践操作能力、解决实际问题的综合应用能力及创新能力，收到了良好的教学效果，得到了学生的普遍欢迎，具有较强的可操作性和实践性。在今后的教学实践中，教师自身素质的提高和进一步的教学改革，将会不断完善生物信息学教学，培养具有跨越生命科学、信息科学、数理科学等不同领域的“大科学”素质和意识的生物信息学人才。
参考文献:
[1]赵国屏等.生物信息学[M].科学出版社，2002.
生物科学课程范文第4篇
生物医学工程学是融合理工科学和生物医学的 理论和方法逐步成长起来的边缘性学科，其基本任 务是运用理工科原理和工程技术方法，研究和解决 医学和生物学中的相关问题。作为一门独立学科发 展的历史尚不足50年，随着现代科学技术的进步， 生物医学工程学科得到了长足的发展。它在保障人 类健康和推进疾病的预防、诊断、治疗、康复等技术 进步所起的作用日益增强，已经成为当前医疗卫生 健康发展的重要基础和有力技术支撑。
20世纪60年代，美国一些著名大学先后开启了生物医学工程学科的建设，相继启动了生物医学 工程专业人才的培养。美国的生物医学工程教育特 点是在技术产业化需求驱动建立起来的具有其自身 特性,且反映了生物医学工程学科建设与发展的前 沿特征。各个学校的本科教育课程虽然具有自己的 特色,但在课程设置上大致可以分为科学基础课程、 专业核心课程、关注领域课程、设计课程、人文与社 会科学课程、专业选修课程及其他选修课程等六 类Q_2。不同学校本科课程的主要差异体现在专业 选修课程及其他选修课程的设置上，各个学校根据 自身的生物医学工程领域的研究方向和研究水平特 点开设一些相应的选修课程，并培养学生在相应方 向上的研究探索实践能力。这是美国生物医学工程 本科教育的基本特点。
我国生物医学工程专业教育起步于20世纪80 年代,主要发源于著名工科院校的信息技术类专业 和力学专业,进而逐渐形成的生物医学工程专业教 育,后来，_些医学院校在医学物理和医用计算机技 术的基础上相继开展了生物医学工程专业教育，于 是在我国基本上形成了这样两种类型的生物医学工 程学科[4_3。上述两类院校的生物医学工程学科建 设发展模式各具侧重,遵循了共同的学科基础,在培 养生物医学工程专业人才的应用层面上有显著特 点。相对来说,工科院校的生物医学工程培养模式 注重工程技术的开发和功能拓展，医科院校则注重 医学与工程结合、工程技术在医学中的综合应用。
1 中国生物医学工程学科发展思路
生物医学工程是一种交叉学科，交叉的学科基 础及其融合的紧密程度决定了生物医学工程学科的 发展水平,交叉的学科发展推动着生物医学工程学 科的发展,并且使得生物医学工程学科研究领域变 得十分广泛,而且处在不断发展之中。
1.1学科发展轨迹在中国，基于电子信息工程发展而来的生物医 学工程学科，主要包括生物医学仪器、生物医学信号 检测与处理、生物医学信息计算分析、生物医学成像 及图像处理分析、生物医学系统建模与仿真、临床治 疗与康复的工程优化方法、手术规划图像仿真以及 图像导引手术及放疗优化等；有基于力学发展而来 的生物医学工程学科，主要包括生物流体力学、生物 固体力学、运动生物力学、计算生物力学和微观尺度 的细胞生物力学等；基于化学材料工程发展而来的 生物医学工程学科，主要包括生物材料学、组织工程 与人工器官、物理因子的生物化学效应等。
1.2学科发展特点作为交叉学科的生物医学工程学科，其发展的 关键在于交叉学科间的交叉融合。构建一种良好的 交叉结构,对推动交叉学科的发展具有至关重要的 作用。约翰霍普金斯大学对于生物医学工程这样的 交叉学科的描述有一个形象的说法：交叉学科如同 在不同学科之间建立起连接桥梁,如果在河两岸没 有坚实的基础,桥是无法建立好的,对于生物医学工 程这样一座建立在两个不同学科之间的桥来说,它的 发展要求具有坚实的交叉学科基础和交叉学科紧密 融合深度。那么在生物医学工程学科构建良好的交 叉结构,需要选取具有理论支撑和技术支撑的主干学科进行交叉,凝练学科方向,不能大而全,过于宽泛。
目前，医学仪器和医学成像技术具有良好的应 用和发展前景,应该成为生物医学工程学科的重点 发展方向。医学仪器和医学成像设备能有力推动医 疗产业的发展。医疗仪器和医学成像设备是现代医 疗器械产业中的主流产品，在产业发展中起着主导 和引领作用。其发展水平已成为一个国家综合经济 技术实力与水平的重要标志之一。产业化驱动也是 学科发展的一种动力，也为学生未来职业发展奠定 良好的基础。基于医疗卫生健康事业的需求和生命 科学发展的大趋势，生物医学工程学科应大力促进 医学仪器和医学成像方法的学科建设,从而提升整 个学科的发展水平。
生物医学工程学科的建设离不开一流的学术研 究和学术成果的应用。一流的学术研究不但能提升 学科的发展水平,而且能开拓学科纵深发展,产生良 好的经济效益和社会效益，进而增强学科服务社会 发展的能力。学术研究的前瞻性和创新性将确保学 科建设的发展动力和趋势以及学科发展的活力。
交叉学科往往具有不同程度的可替代性。可替 代性程度越高，交叉学科存在的必要性就越小。如 何减小生物医学工程学科可替代性的程度是需要深 入思考的，是需要提升学科的特异性的。生物医学 工程学的学术研究主要包括应用理论研究和理论应 用研究,应用理论研究主要涉及生物医学工程领域 所需要解决的科学问题，开展新理论、新方法的研 究。 理论应用研究主要涉及生物医学工程领域所需 要解决的科学和技术问题,借助理工科的相关理论 和方法开展应用基础研究和应用研究。应用理论研 究是理论驱动型的学术研究，理论应用研究是应用 驱动型的学术研究。 理论驱动型和应用驱动型是生 物医学工程学科学术研究的两种主要模式。 理工科 大学具有良好的理论创新基础和强大的交叉的学科 背景，开展理论驱动型研究具有自身优势。医学院 校具有丰富的医学资源，面临着大量需要应用理工 知识解决的医学问题,开展应用驱动型研究,将很好 地实现与医学的应用融合，具有较好的临床应用价 值,有力推进医学的进步与发展。各自的学术优势 将有利于生物医学工程学科特色发展,从而增强其 不可替代的程度，实现学科可持续创新发展。
1.3学科体系作为一级学科的生物医学工程，包含学科的理 论体系和技术体系，且该体系离不开所交叉的学科 的理论体系和技术体系的支撑，此外生物医学工程 学科理论体系和技术体系既要有学科自身的特色， 又要具有可持续发展和一定程度上的不可替代性， 这样学科才会有旺盛的生命力。要面向医疗卫生、 生物科学所涉及的重大、重要技术理论问题及基础 应用开展学术研究。实现良好的学术研究定位,形 成自己的理论体系和技术体系。
2 大数据时代的生物医学工程学科发展
守正创新是生物医学工程学科发展的必由之 路,人类已进入大数据时代,所谓大数据（big data), 或称海量数据，是指由于数据容量太庞大和数据来 源过于复杂,无法在一定时间内用常规工具软件对 其内容进行获取、管理、存储、检索、共享、传输、挖掘 和分析处理的数据集。大数据具有“4V ”特征:①数 据容量（volume)大;②数据种类（variety)多，常常具 有不同的数据类型和数据来源；③动态变化 (velocity)快,如各种动态数据，非平稳数据，时效性 要求高;④科学价值(value)大,尽管目前利用率低, 却常常蕴藏着新知识和重要特征价值或具有重要预 测价值。大数据是需要新的分析处理模式才能挖掘 分析出其蕴藏的重要特征信息[<3。
人体生老病死的生命过程就是一个不断涌现的 生物医学大数据发生源，这种源源不断的生物医学 大数据的检测、处理与分析,将给生物医学工程学科 的建设与发展带来新的机遇和挑战。模式识别、人 工智能、数据挖掘和机器学习的发展将带动大数据 处理技术的进步。生物医学大数据广泛涉及人类医 疗卫生健康相关的各个领域：临床医疗、基础医学、 公共卫生、医药研发、临床工程、心里、行为与情绪、 人类遗传学与组学、基因和蛋白质组学、远程医疗、 健康网络信息等，可谓包罗万象,纷繁复杂。生物医 学大数据中蕴藏了种种有科学价值的信息,研究有 效的大数据挖掘的新理论、新技术和新方法,对生物 医学大数据进行关联和融合计算分析，充分挖掘生 物医学大数据中的信息关联和特征关联和数据空间 映射关联,既能为疾病的预防、发生发展、诊断和治 疗康复提供系统化的全新的认识，有利于深入疾病 机理研究分析，开展个性化诊疗。还可以通过整合 系统生物学与临床数据，更准确地预测个体患病风 险和预后,有针对性地实施预防和治疗。
生物医学工程学科所面临的生物医学大数据主 要包括多模态医学影像数据、多种类医学信号数据 以及基因和蛋白质组学的生物信息数据。生物医学 大数据在生物医学工程学科领域内有着广泛深远的 应用前景,从三个方面应用将推动生物医学工程学 科的发展。
(1) 开展多模态影像大数据计算分析。医学影 像学科的发展从早期看得到，到看得清，目前的看得 准,未来的趋势是看得早。只有看得准和看得早才 有利于临床早期干预，提高治疗预期。医学影像大 数据计算分析在影像诊断、手术计划、图像导引、远 程医疗和病程跟踪将发挥越来越大的作用。
建立新的医学影像大数据计算分析模型和数值 计算方法,挖掘多模态影像数据的特征数据和特征 关联,将会提供强有力的影像诊断分析手段,极大地 推动影像技术的发展，具有重要的临床应用价值和 科学价值。
(2) 开展多种类医学信号大数据计算分析。医 学信号大多直接产生于生理和病理过程中的信号， 能在不同层面上表达生理和病理相关机制特征。融 合多种医学信号的大数据计算分析，能对生理病理 过程进行更好更全面的阐释，不仅能深入了解生理 病理的状态特征和过程特征，而且能实现个体健康 监测和管理。可以很好地开展回顾性研究和前瞻性 研究,推进系统化的医学应用研究。实现强大的多 种医学信号数据的特征挖掘及特征关联计算分析。 大数据挖掘能够增加准确度和发现弱关联的能力， 能更好地认识生理病理现象和本质。
(3) 开展基因和蛋白质组学的生物信息大数据 计算分析。基因组学、蛋白质组学、系统生物学和比 较基因组学的不断发展涌现了海量的需要计算分析 的生物信息数据，已进入计算系统生物学的时代。 开展生物信息大数据计算分析，可以拓展组学研究 及不同组学间的关联研究。从环境交互、个体生活 方式、心里行为等暴露组学，至细胞分子水平上的基 因组学、表观组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组 学、基因蛋白质调控网络,再到人类健康和疾病状态 的表型组学等不同层面不同方向上实现大规模的关 联计算分析，可以全面阐述生命过程机制,挖掘生命 过程特征及关联特征。
生物科学课程范文第5篇
实验是初中生物教材的重要内容,是获取知识和实践创新的重要手段。它具有现象明显、说服力强的特点,是文字表述的重要辅助,在教学中有着独特的价值。离开了实验,生物学的概念、原理及规律就如同空中楼阁。作为以实验为基础的学科,苏科版生物学新教材非常注重对学生进行实验技能的培养,通过观察和实验,不仅可以使学生加深和掌握生物学事实性知识,而且还非常有利于培养学生的学习兴趣。因此,即使在课时紧张的情况下,也应尽量让学生多动手多实践,而绝不能把实验做在黑板上、讲在嘴巴里。首先要重视教材里的实验课。如在“蚯蚓在什么样的物体表面爬得最快”的探究实验中,鼓励学生自己去寻找不同的材料,自己去亲身实验探究。课堂上有的学生将蚯蚓放在光滑的玻璃面上,有的放在包装盒纸板上,有的放在软软的海绵上,更有甚者将蚯蚓浸放在水里。通过观察比较,直观得出结论:姐卿在粗糙的硬纸板上爬得最快。理由是蚯蚓的运动须依靠刚毛的协助,只有在粗糙的表面才爬得快。实践证明:初中学生对实验有着天然的好奇心和浓厚兴趣,他们乐于动手,热衷探索,教师只要做好组织引导,巧妙引导,让学生大胆实践,学生就能通过自由自在的探究享受到成功的乐趣。其次要充分利用教材中的探究性实验,引导学生进行丰富多彩的“研究性学习”。当然这绝不是让学生上网搜、直接抄、随意编,而应该组织学生真正参加实践活动,以学生感兴趣的生物学问题为研究主题,以个人或小组活动方式进行专题研究。通过学生的自主性、探索性的合作学习,使学生主动获取有关生物体结构、功能及进化方面的知识。如生物学与地理等学科相结合,可以为学生设计探索生物多样性与环境保护、植被破坏与水土流失、乱伐森林与沙尘暴肆虐的关系,以及环境污染与人类疾病发生的关系等课题,从而建立起师生平等民主、教学相长的教学关系,有效提髙学生分析问题、解决问题的能力,彰显生物学科价值。
二、让学生成为课程资源的开发整合者
生物世界是絢丽多彩的,因此,生物课程资源无疑也是丰富的,可以说是衣食住行、生产生活等无所不在。诚然,教材编者、教研人员和任课教师责无旁贷应该依据“课程标准”有意识、有目的地开发和利用好各种课程资源,但是,如果发挥学生的主体优势,让学生参与到课程资源的有效整合开发,必将对学生个性品质与创新精神的发展产生奇特的作用。如在学习“花的结构”一课时,笔者曾发现一个怪现象:教师和学生都用鲜花实物标本学习了花的结构,课堂气氛也相当活跃,但课堂检测的反馈显示,学生对结构知识点的掌握并没有预想的那么好,特别是将桃花换成百合花后,学生更是错误百出。教师细心回顾课堂后发现了症结所在:学生带到课堂上来的都是很容易买到的康乃馨(虽然颜色有异),导致学生缺少对不同种类花朵的观察、比较与解剖,所以学习效果不佳。由此启示教师应该研究解决一系列与生物教学计划相关的问题。如,生物教材所涉及的各种植物有哪些是可以通过校园种植解决的?哪些可移栽?其他标本如何解决?校园小池塘可养殖哪些生物?如何分工?这样一来,一个班的学生就可能观察到十几种花,在动手解剖时就能轻松掌握本课的知识重点。又如在学习《没有细胞结构的微小生物——病毒》一课时,很多学生都对课文提到的“病毒能帮助完成转基因过程”这一点非常感兴趣,少部分学生还能讲出一点小知识,但仔细追究发现,大多数都只停留在对“转基因”这个名词本身的记忆印象上,而对概念的内涵却知之甚少。于是我提议全班学生围绕“转基因技术”“基因治疗”分组查找相关资料,下一课时进行小组比赛,看谁找得又多又好。结果,每个小组都能找到一些新奇有趣的资料,大家都听得津津有味。可见,合理地开发利用课堂生成性资源加以深化整合,有利于提高教学的有效性。自此,大部分学生都开始养成自觉收集学习资料的习惯,每当学习某些内容需要举例说明时,通常都能有不少学生能帮上忙。教师鼓励学生自己寻找合适的学习素材,丰富了课堂的教学资源,既开阔了学生的视野,又拓宽了他们的学习领域。
三、让学生成为情境问题的主动思考者
思维能力是考查学生科学素养高低的重要标志。培养学生的思维能力,教师的重要任务之一就是要善于创设问题情境和创造性地发现问题,用问题激发学生的探索欲望和思考空间。例如,在学习“遗传物质存在于细胞核中”时,选用学生都熟悉和喜欢的节目《爸爸去哪儿》中的明星父子(父女)的图片并提问:为什么他们长得如此相像?由此引发学生积极的思考和热烈的讨论。这时,教师便可进一步提出:那么决定子女相似于父母的遗传信息存在于细胞的什么部位呢?通过设置悬念,触发主动思考,激发学生的好奇心理和探求情趣,促使他们迫不及待地想继续探索,由此顺理成章地引导学生主动参与阅读、理解课文。顺势结合课文中提供的相关图文资料信息,提问:“你知道克隆是怎么回事吗?克隆羊多莉是怎么产生的?请观看影片《小羊多莉的身世》。”学生带着问题观看视频,对分析解决“细胞核是遗传信息库”这个难点问题有很大的帮助,而且直观的影像让学生清楚了遗传物质存在于细胞核中,使学生对整个克隆过程有了更深刻的理解,也催生着学生更深人的思考。接着教师拓展提问:“你们对争议比较多的克隆人这一事件有哪些看法?请各小组收集有关信息,阐明你们的观点。”各小组学生在积极准备了一个星期后,将各自的观点带到了课堂上,争相发表自己的观点,展示支持的证据,下课时大家还意犹未尽,我为他们能够收集到如此丰富的资料而感到惊奇,这说明了学生们对周围热点问题的关心。在这个过程中教师并没有发表任何见解,也无需告诉他们什么是对什么是错,也不要求他们有一个最终的标准答案或者掌握什么新的知识,教学应该重在学习过程,重在知识技能的应用,重在亲自参与探索性实践活动,获得感悟和体验,而不是仅仅接受别人传授的经验。
四、总结
