生物信息学的发展趋势

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生物信息学的发展趋势范文第1篇

关键词： 生物信息学 农业研究领域 应用

“生物信息学”是英文单词“Bioinformatics”的中文译名，其概念是1956年在美国田纳西州Gatlinburg召开的“生物学中的信息理论”讨论会上首次被提出的［1］，由美国学者Lim在1991年发表的文章中首次使用。生物信息学自产生以来，大致经历了前基因组时代、基因组时代和后基因组时代三个发展阶段［2］。2003年4月14日，美国人类基因组研究项目首席科学家Collins F博士在华盛顿隆重宣布人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）的所有目标全部实现［3］。这标志着后基因组时代（Post Genome Era，PGE）的来临，是生命科学史中又一个里程碑。生物信息学作为21世纪生物技术的核心，已经成为现代生命科学研究中重要的组成部分。研究基因、蛋白质和生命，其研究成果必将深刻地影响农业。本文重点阐述生物信息学在农业模式植物、种质资源优化、农药的设计开发、作物遗传育种、生态环境改善等方面的最新研究进展。

1.生物信息学在农业模式植物研究领域中的应用

1997年5月美国启动国家植物基因组计划（NPGI），旨在绘出包括玉米、大豆、小麦、大麦、高粱、水稻、棉花、西红柿和松树等十多种具有经济价值的关键植物的基因图谱。国家植物基因组计划是与人类基因组工程（HGP）并行的庞大工程［4］。近年来，通过各国科学家的通力合作，植物基因组研究取得了重大进展，拟南芥、水稻等模式植物已完成了全基因组测序。人们可以使用生物信息学的方法系统地研究这些重要农作物的基因表达、蛋白质互作、蛋白质和核酸的定位、代谢物及其调节网络等，从而从分子水平上了解细胞的结构和功能［5］。目前已经建立的农作物生物信息学数据库研究平台有植物转录本（TA）集合数据库TIGR、植物核酸序列数据库PlantGDB、研究玉米遗传学和基因组学的MazeGDB数据库、研究草类和水稻的Gramene数据库、研究马铃薯的PoMaMo数据库，等等。

2.生物信息学在种质资源保存研究领域中的应用

种质资源是农业生产的重要资源，它包括许多农艺性状（如抗病、产量、品质、环境适应性基因等）的等位基因。植物种质资源库是指以植物种质资源为保护对象的保存设施。至1996年，全世界已建成了1300余座植物种质资源库，在我国也已建成30多座作物种质资源库。种质入库保存类型也从单一的种子形式，发展到营养器官、细胞和组织，甚至DN段等多种形式。保护的物种也从有性繁殖植物扩展到无性繁殖植物及顽拗型种子植物等［6］。近年来，人们越来越多地应用各种分子标记来鉴定种质资源。例如微卫星、AFLP、SSAP、RBIP和SNP等。由于对种质资源进行分子标记产生了大量的数据，因此需要建立生物信息学数据库和采用分析工具来实现对这些数据的查询、统计和计算机分析等［7］。

3.生物信息学在农药设计开发研究领域中的应用

传统的药物研制主要是从大量的天然产物、合成化合物，以及矿物中进行筛选，得到一个可供临床使用的药物要耗费大量的时间与金钱。生物信息学在药物研发中的意义在于找到病理过程中关键性的分子靶标、阐明其结构和功能关系，从而指导设计能激活或阻断生物大分子发挥其生物功能的治疗性药物，使药物研发之路从过去的偶然和盲目中找到正确的研发方向。生物信息学为药物研发提供了新的手段［8，9］，导致了药物研发模式的改变［10］。目前，生物信息学促进农药研制已有许多成功的例子。Itzstein等设计出两种具有与唾液酸酶结合化合物：4-氨基-Neu5Ac2en和4-胍基-Neu5Ac2en。其中，后者是前者与唾液酸酶的结合活性的250倍［11］。目前，这两种新药已经进入临床试验阶段。TANG SY等学者研制出新一代抗AIDS药物saquinavir［12］。Pungpo等已经设计出几种新型高效的抗HIV-1型药物［13］。杨华铮等人设计合成了十多类数百个除草化合物，经生物活性测定，部分化合物的活性已超过商品化光合作用抑制剂的水平［14］。

现代农药的研发已离不开生物信息技术的参与，随着生物信息学技术的进一步完善和发展，将会大大降低药物研发的成本，提高研发的质量和效率。

4.生物学信息学在作物遗传育种研究领域中的应用

随着主要农作物遗传图谱精确度的提高，以及特定性状相关分子基础的进一步阐明，人们可以利用生物信息学的方法，先从模式生物中寻找可能的相关基因，然后在作物中找到相应的基因及其位点。农作物的遗传学和分子生物学的研究积累了大量的基因序列、分子标记、图谱和功能方面的数据，可通过建立生物信息学数据库来整合这些数据，从而比较和分析来自不同基因组的基因序列、功能和遗传图谱位置［15］。在此基础上，育种学家就可以应用计算机模型来提出预测假设，从多种复杂的等位基因组合中建立自己所需要的表型，然后从大量遗传标记中筛选到理想的组合，从而培育出新的优良农作物品种。

5.生物信息学在生态环境平衡研究领域中的应用

在生态系统中，基因流从根本上影响能量流和物质流的循环和运转，是生态平衡稳定的根本因素。生物信息学在环境领域主要应用在控制环境污染方面，主要通过数学与计算机的运用构建遗传工程特效菌株，以降解目标基因及其目标污染物为切入点，通过降解污染物的分子遗传物质核酸 DNA，以及生物大分子蛋白质酶，达到催化目标污染物的降解，从而维护空气［16］、水源、土地等生态环境的安全。

美国农业研究中心（ARS） 的农药特性信息数据库（PPD） 提供 334 种正在广泛使用的杀虫剂信息，涉及它们在环境中转运和降解途径的16种最重要的物化特性。日本丰桥技术大学（Toyohashi University of Technology） 多环芳烃危险性有机污染物的物化特性、色谱、紫外光谱的谱线图。美国环保局综合风险信息系统数据库（IRIS） 涉及 600种化学污染物，列出了污染物的毒性与风险评价参数，以及分子遗传毒性参数［17］。除此之外，生物信息学在生物防治［18］中也起到了重要的作用。网络的普及，情报、信息等学科的资源共享，势必会创造出一个环境微生物技术信息的高速发展趋势。

6.生物信息学在食品安全研究领域中的应用

食品在加工制作和存储过程中各种细菌数量发生变化，传统检测方法是进行生化鉴定，但所需时间较长，不能满足检验检疫部门的要求，运用生物信息学方法获得各种致病菌的核酸序列，并对这些序列进行比对，筛选出用于检测的引物和探针，进而运用PCR法［19］、RT-PCR法、荧光RT-PCR法、多重PCR［20］和多重荧光定量PCR等技术，可快速准确地检测出细菌及病毒。此外，对电阻抗、放射测量、ELISA法、生物传感器、基因芯片等［21-25］技术也是未来食品病毒检测的发展方向。

转基因食品检测是通过设计特异性的引物对食品样品的DNA提取物进行扩增，从而判断样品中是否含有外源性基因片段［26］。通过对转基因农产品数据库信息的及时更新，可准确了解各国新出现和新批准的转基因农产品，便于查找其插入的外源基因片段，以便及时对检验方法进行修改。目前由于某些通过食品传播的病毒具有变异特性，以及检测方法的不完善等因素影响，生物信息学在食品领域的应用还比较有限，但随着食品安全检测数据库的不断完善，相信相关的生物信息学技术将在食品领域发挥越来越重要的作用。

生物信息学广泛用于农业科学研究的各个领域，但是仅有信息资源是不够的，选出符合自己需求的生物信息就需要情报部门，以及信息中介服务机构提供相关服务，通过出版物、信息共享平台、数字图书馆、电子论坛等信息媒介的帮助，科研工作者可快速有效地找到符合需要的信息。目前我国生物信息学发展还很不均衡，与国际前沿有一定差距，这需要从事信息和科研的工作者们不断交流，使得生物信息学能够更好地为我国农业持续健康发展发挥作用。

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生物信息学的发展趋势范文第2篇

1BMEs/EMBS’99国际生物医学工程学术年会

BMES是美国生物医学工程学会(BiomediealEngineeringSoeiety)的简称.EMBS是美国电气电子工程师学会(TheInstituteofEleetriealandEleetroniesEngineers)的生物医学工程分会(EngineeringinMedieineandBiologySoeiety)的简称。这两个学会每年都举行生物医学工程的国际会议。1999年，这两个学会首次联合举办学术年会(ThefirstJointMeet-ingofBMES&EMBS)。会议录用的论文近1400篇，注册人数接近2000人，堪称生物医学工程界的盛会。我们医学信息工程科研组共有8篇文章在会上发表。其中，由杨福生教授指导的博士生詹望的论文“Anewhigh一resolutionEEGteehniquebasedonfiniteresistaneenetworkmo己el”荣获BMES1999年研究生研究奖。这是唯一的来自美国本土之外的学生获奖，在会上反响很好。与以往的做法类似，会议的学术交流仍采用主题(Theme)一主轨(Track)一分组会(Session)的方式。本次会议有16个Theme，86个Traek，211个Session，共收录论文1347篇。各个主月的情况见表1.与以往的年会相比，这次年会有更多的结合生物学羞础的研究报道(如“分子、细胞与组织工程”、“生物信息学、计算生物学”等)，反映了近年来一些发达国家生物医学工程研究的一个发展趋势。同时，传统生物医学工程中的信号与图像处理，以及医学仪器仍然占有相当的比例。

2美国离校生物医学工程专业点滴

会后，我顺访了几所大学的生物医学工程系或研究所:①TheGeorgeWashingtonUni-versity，②JohnsHopkinsUniversity，③Universityofpittsburgh，④UniversityofMiehi-gan，重点了解了以下3个板城的研究情况。(1)脸与神经科学。脑功能的研究是21世纪生命科学研究的热点，各个学校与医疗单位的科研机构都十分重视。研究内容包括蓦破生理实脸、信号处理方法、临床应用以及一些有商业前景的开发项目。(2)医学超声工程。超声成像由于对人体无创、无扭而受到重视。超声成像包括反映解剖结构的B型成像，还包括血流侧t。近年来在结构成像方面普遨受到t视的是三维成像，这也是我们课翅组目前在医学超声方面研究的!点。同时，将解例结构与组织定征结合起来也是近年来研究的发展趋势，例如，组织弹性成像就是一个例子。(3)医学信息学。随粉计算机、网络技术的发展，医学信息学在近年中有了较明显的发展，如医院信息管理系统、以病人为中心的医疗信息管理及电子病案、远程医疗等。

发达国家在这方面同样也走在前面。在美国，计算机与网络已成了各行各业乃至每个家庭与个人都离不开的基本工具与环境。医学信息学的发展对提离全民医疗保健的水平起到了不可低枯的作用。在访期间，有机会与这些学校的故授进行广泛的学术交流，并探讨双方合作的项目与方式。例如，U垃ver溢tyofPittsburgh医学院神经外科研究所在脑电信号的采集与处理方面有很深人的研究，而我们科研组在这方面也承担粉国家墓金项目，双方都有兴趣在脑电信号的处理方面开展合作。从该研究所我们得到了大t珍贵的临床数据，对这些致据进行研究后，我们将撅博士生或教师去UniversityofPittsburgh开展合作研究。通过这次访问，看到了发达国家在生物医学工程方面很多有深度的基础研究。从设备条件与经费投人方面着，发达国家的优势非常明显，但我们也不是因此就无所作为。我们在生物医学信号处理的理论与实践方面经过多年努力已经接近并在某些方面达到国际先进水平。如果注意发挥自己的优势，特别是有意识地提出创新性的想法，我们一定也能取得国际上承认的研究成果.另外，在今后的研究中注意更广泛地开展国际合作，争取利用国外先进的设备与实验条件，对推动我们的研究工作也是十分必要的.

生物信息学的发展趋势范文第3篇

21世纪是信息爆炸的世纪,特别是生物医学信息技术发展非常迅猛,许多最新的科研成果都是最先发表在互联网上。在这样的一个背景下,如何更好地提高医学生实习带教的质量是每个医学教学工作者都要面临的问题。随着现代生物医学信息技术的迅猛发展,传统的教学模式面临巨大的挑战。将生物医学信息学贯穿于眼科实习带教整个过程,将大大提高教学质量。

1传统、单一教学模式的局限性

在我国,传统的教学模式是老师讲、学生听,老师教、学生学。两者之间是主动与被动的关系,教师是传道、授业、解惑的始动者,而学生则始终处于被动者的地位[1]。而老师为了尽量“少犯错误”,总是只讲述教科书上的东西。不论是小学、中学还是大学,莫不如此。这样很可能导致这样的一个局面:培养出来的学生存在高分低能的现象,即考卷题目答得不错,现实生活中却不能应用自己的知识技能。特别是在医学生的教育问题上,许多传统教育模式培养出来的学生进入临床实习阶段后暴露出以下问题:理论知识无法联系实际,缺乏临床思维能力,缺乏信息拓展能力。而医学是一门充满探索性和变化性的科学,今天为大家普遍接受的观点可能明天就会被发现是错误的。具体到人,同样的病在不同的患者身上表现不同,同一个患者在疾病的不同阶段会有不同的表现。怎样在实践中认识疾病和治疗疾病是一个很大的难题。如何让目前的医学生以后成为名副其实的白衣天使,就需要改变以往的教学方法,大力利用生物医学信息学来提高教学质量。

2生物医学信息学在医学生实习带教中的应用

生物医学信息学是研究生物医学信息、数据和知识存储、检索并有效利用,以便在卫生管理、临床控制和知识分析过程中做出决策和解决问题的科学。以往,生物信息学和医学信息学一直是两个不同的学科,应用于各自不同的领域,随着人类基因组计划的实施,医学研究不可避免的向生物领域靠拢,这时就出现了整合的生物医学信息学。作为一门广泛的交叉学科,生物医学信息学提供新的生物医学知识的开发和共享框架[2]。生物医学信息的来源众多,科学文献、学术会议、个人交流和国际互联网等等。其中科学文献包含了图书、期刊、检索工具、专利文献、技术标准、学位论文和技术档案[3]。21世纪的生物医学信息已不单单局限于书本,在强大信息科学、计算机科学的背景下孕育而生的各类功能齐全的数据库系统和互联网交互已成为目前获取生物医学信息的主流方式。传统的生物医学信息学侧重于文献信息管理、分析研究。而现代生物医学信息学更强调计算机技术与IT应用到医药卫生领域。在具备一定知识背景的前提下,如果医学生所在实习的场所有个人计算机,并且可以互联网搜索的话,那么数字化信息会是最容易获得和最方便使用的信息来源。目前国内信息的来源以国际互联网,电子书籍和电子音像资料最多。生物医学信息学在医学中的应用很广,在医学带教中更是起到重要的作用。

就师方而言,传统的教学以书写板书为主,这样既耗时又呆板,信息的传递受到限制,而目前在带教中则更多使用的是多媒体教学和各种影音工具,这种模式不仅在较短的时间内传递更多的信息,而且方式生动易懂,能够最大限度地调动学生的积极性,使学生更好地获取知识。就学方而言,传统的国内教学更注重的是知识的单向传授,学生的被动接受,这样教学的结果往往是理论知识琅琅上口,实践能力惨不忍睹。而今随着信息学的推广和普及,学生的学习由被动转为主动,互联网浩瀚的知识吸引着学生不断探索,而知识的不断更新使临床带教过程更为活跃,无论对教师还是学生,书本将不再是获得信息的唯一手段。现今在临床带教过程中时常出现的学生通过最新的知识进展将老师问倒的情况,这种现象是令人喜悦的,而这种良性循环将更有利于医学带教的进步。笔者通过多年亲身带教经历,并做了问卷调查,反馈比较了传统板书带教和渗透医学信息学带教,初步统计结果显示医学信息学带教学生给出好评的频数更高,可见医学信息学带教方式更受学生欢迎;同时通过最后实际病例分析考核学生,结果同样显示医学信息学带教方式的学生给出答案更齐全,思维更开阔。目前国外常用的医学专业搜索引擎包括:HealthGate、MedicalWorldSearch等,常用的医学专业数据库包括MEDLINE、SIENCEDIRECT等。而国内相关的信息来源也开始健全和发展。医学生既可以直接进入以上数据库的网址查询,也可以选定主题后通过Google、Achoo、搜狐、雅虎等搜索引擎进行搜索。网上的资源十分丰富,既有经典的理论,又有最新的研究发现。而且,学生还可以将自己的问题通过电子邮件或者BBS发送给全世界的学者求助。

3教师指导医学生进行生物医学信息学学习和应用

生物信息学的发展趋势范文第4篇

关键词：翻转课堂；生物学教学；课程资源

中图分类号：G427 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2016）21-0044-04

一、翻转课堂的理论发展

翻转课堂（flipped classroom）起源于2007年，美国科罗拉多州（Colorado）的林地公园高中（Woodland Park High School）[1]的两位化学老师，乔纳森・伯尔曼（Jonathan Bergmann）和亚纶・萨姆斯（Aaron Sams），将自己的授课PPT和实时音频录制下来放到网上供学生课前观看学习，课堂上对学习中遇到的问题进行讨论、解决。由此，两位老师开始实践一种新的教学模式， 即翻转课堂：学生课前完成对教学视频等学习资源的观看和学习，师生在课堂上互动交流，协作探究，解决问题。

随着现代教育技术的发展，翻转课堂迅速发展。2011年，美国富兰克林学院（Franklin College）的罗伯特・泰尔波特（Robert Talbert），总结出的翻转课堂理论模型[2]，包括课前的学生观看教学视频，进行导向性作业练习；课中的学生完成少量的测验，通过解决问题来完成知识的内化，最后进行总结反馈[3]。教学形式由传统课堂讲解变为课前学习加课堂探究，学生通过解决问题来内化知识，提高知识应用能力。2012年，乔纳森・伯格曼（Jonathan Bergmann）和亚伦・萨姆斯（Aaron Sams），创立了翻转学习网络FLN（Flipped Learning Network），提出翻转学习的四个关键支柱：灵活的学习环境―教师灵活安排教学，学生自主学习；学习文化的变革―教师中心转变为学生中心；定制内容―教师明确讲授的内容和学生自习内容；专业的教师―翻转课堂中需专业教师掌控课堂。2013年，美国犹他州州立大学的雅各布・毕晓普（Jacob Bishop），总结分析诸多观点后认为，翻转课堂是以学生为中心的课堂学习和以教师为中心的课外基于计算机进行个性化教学的总和[4]。

在国内，2011年，重庆市聚奎中学结合校园云技术开始翻转课堂教学，总结出“课前四步，课中五环”的翻转模式[5]。“课前四步”包括设计导学案、录制视频教学、学生自主学习、制定个别辅导计划；“课中五环”包括合作探究、释疑拓展、练习巩固、自主纠错、反思总结。通过这个模式，聚奎中学完成了教师灌输―学生接受到学生自主学习―发现问题―教师引导解决问题的转变。2012年，南京大学张金磊[6]，根据建构主义学习理论，在罗伯特・泰尔波特（Robert Talbert）的翻转课堂理论模型基础上构建了翻转课堂教学模型（图1），其中，信息技术和活动学习是两个有力支撑。信息技术支持和活动学习的开展保证了个性化、协作式学习环境的构建与生成。此理论在国内被广泛接受，成为国内翻转课堂教学实践的主要理论基础。2013年，山东省昌乐一中开始翻转课堂实践，并逐步形成了“二段四步十环节”翻转模式。“二段十环节”是指，自学质疑阶段的目标导学、教材自学、微课助学、合作互学、在线测学，训练展示阶段的疑难突破、训练展示、合作提升、评价点拨、总结反思；“四步”是指教师课前要进行课时规划、微课设计、两案编制、微课录制[7]。 这种翻转模式提高了教师对课堂的掌控能力和学生的参与度，学生知识内化的过程更符合青少年认知发展的规律。

二、翻转课堂的生物学领域应用

翻转课堂作为一种基于信息技术的新型教学模式，最终要运用到学科教学当中。国内外众多学校在生物学科领域开展了翻转课堂教学实践（表1）。下面我们就其中的两个案例进行简要评述。

1.分子细胞生物学翻转课堂

在2007年到2013年期间，耶鲁大学（Yale university）和麻省大学（University of Massachusetts），用超过5年的时间，在分子细胞生物学教学方面展开翻转教学实践，其中前三年进行传统教学，后两年运用罗伯特・泰尔波特（Robert Talbert）翻转课堂模型的理论模型进行翻转教学。实践发现，与传统课堂相比，学生学习目标更加明确，自主学习能力和展示自我能力提高，并且学生更喜欢翻转课堂中多样化的学习资料，班级平均分与女生的成绩有明显提高。但在实施翻转课堂后的几次考试中，最后一次的成绩略有下降， 同时发现，男女生成绩存在差异。分析认为，一段时间后成绩下降是由于翻转课堂对学生的学习刺激逐渐消退，学生自我内驱力降低，例如：课前不预习、课上不参与等，造成考试成绩下降，男女生成绩存在差异是因为男女生的认知水平和思维方式存在性别差异。

2.生物信息学翻转课堂

2014年，肇庆学院生命科学院，在生物信息学课程中展开翻转课堂教学实践。该教学实践借鉴了张金磊提出的翻转教学理论模型。实践发现，通过学习优质的教学资源，学生在探究能力、团队协作能力以及学术视野等方面均有提高，学生综合能力得到发展；教师角色发生转变，由学习主导者变为指导者，专业素质和掌控课堂能力也得到提高。同时，翻转课堂的实施推动了校园多媒体的建设。在实施翻转教学时，实践者发现，教师的教学和科研能力，网络资源、图书资料等硬件设施和相关教学软环境成为高质量翻转教学的限制因素。

上述实践表明，翻转课堂在学科教学中有诸多益处，但仍存在一定问题和限制因素。首先，实施翻转课堂时，学生有“接受”的心理过程，此过程受到教育环境、教育者及教学观念的制约[13]。其次，新课堂模式不能对学生形成持续性的学习刺激。因此，设计翻转课堂时要考虑四个方面问题[14]：①尊重学生的心理与认知发展规律；②在课堂内外建立有效的联系；③教师指导学生时定义和结构要清晰；④制定合理有效的评价机制。

三、翻转课堂的课程资源

随着翻转课堂的发展，微课和慕课等课程资源地位越来越高。微课是以阐释某一知识点为目标，以短小精悍的视频为表现形式，整合了教学素材、在线测验、教学反馈、以及交流互动等多种要素的教学手段[15]。近年来，美国萨尔曼・可汗（Salman Khan）创办的可汗学院（Khan Academy）以及TED（Technology Entertainment Design）设立的在线课程（http：///）广受关注和欢迎。国内的国家教育部教育管理信息中心创办的“中国微课网”资源平台， 全国高校微课教学比赛网[16]，以及微课网，为我国大中学校的生物学课程提供了大量的“微课”资源（表2）。

幕课全称“大规模开放在线课程”（Massive Open Online Course），是基于资源、学习管理系统并且将学习管理系统与更多网络资源综合起来的新课程模式。这种课程模式通过在授课视频中加入提问、在线测验和专题讨论的方式加强互动，并鼓励学习者利用个性化学习工具如QQ、微信等进行学习[17]。目前世界上广泛使用的的慕课平台有Coursera、Udacity、edX三大平台。Coursera是由斯坦福大学教授吴恩达（Andrew Ng）和达芙妮・科勒（Daphne Koller）创建的免费在线课程网站，目前提供涵盖人文、医学、生物学、社会科学、数学、商业、计算机科学等24个学科329门免费课程。Udacity是一个斯坦福大学教授创办的商业化课程网站，该网站主要提供计算机类课程，但是若想获得课程证书学习者必须参加考试中心组织的期末考试并支付费用。edX是一个由美国麻省理工学院和哈佛大学合作的非营利性项目，支持哈佛大学和麻省理工学院的教授向全球共享其教学资源，在线内容同时也被用于丰富校内课程[18]。2013年，北京大学和清华大学宣布加入edX[19]，随后，复旦大学和上海交通大学宣布加盟Coursera[20]。在国内，“MOOC中国”是常用的慕课平台。这几大平台中已经开设了大量生物学科慕课（表3），为生物学科翻转课堂实践提供了有力支撑。

四、面临的问题和发展趋势

1.面临的问题

翻转课堂具有提高教学效率、激发学习兴趣、培养学生团队合作交流能力等优点，但在具体的实施过程中也面临诸多问题。第一，教师如何加强自身信息技术素养。翻转课堂的第一步就是要求教师制作优质的教学视频，这对教师的多媒体制作技术要求较高，并且会耗费教师大量的时间[21]。第二，教师角色如何转变。相较于传统教学，翻转课堂教学活动展开要结合教师启发、引导、监控与学生主动性、积极性和创造性两方面内容[22]，这对教师综合素质有了更高的要求。第三，国内学生由于传统课堂的制约导致不善于提问和主动性不强，这会使得翻转课堂效果降低。第四，实施生物学翻转课堂时，是否能充分利用各种教育资源，如科技馆、植物园、动物园以及企业等[23]。第五，经济发达地区可以满足各种多媒体教学手段，经济基础较差地区或山区的学校，既没有多媒体也没有网络。在这种背景下，如何有效的整合教育资源，促进教育公平[24]，是一个亟待解决的重大问题。

2.发展趋势

翻转课堂改变了传统的课堂结构中“以知识为中心”或“以教师为中心”的现状，以学生为中心展开教学活动。不断完善的计算机及网络技术为翻转课堂的实施提供了技术支撑，但翻转课堂并不能完全替代传统课堂，而是与其他课堂形式结合，为学生提供更多元化、更适合学生的学习模式。小班制班级更适合翻转课堂的实施，更有利于实施个性化教学。对于生物学科而言，可以结合网络技术以及越来越发达的网络终端制作专题APP或专题网页来进行教学活动，例如，生物数据分析科教网（http：///）。翻转课堂模式在我国实施的时间较短，但从中国知网 （CNKI） 收录的有关翻转课堂期刊文献统计显示，2013年，与翻转课堂为主题的期刊文献只有122篇，但到2016年3月，相关期刊文献总计达到3358篇，说明翻转课堂模式在我国的关注度越来越高。随着社会经济以及科学技术的不断发展，加之各学校的深入实践，相信一定能探索出适合中国教育背景的翻转课堂模式，为中国的教育改革提供借鉴。

参考文献：

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生物信息学的发展趋势范文第5篇

生物化学工程（又叫生化工程或生物化工）是化学工程与生物技术相结合的产物。生物化工是生物技术的重要分支。与传统化学工业相比，生物化工有某些突出特点：①主要以可再生资源作原料；②反应条件温和，多为常温、常压、能耗低、选择性好、效率高的生产过程；③环境污染较少；④投资较小；⑤能生产目前不能生产的或用化学法生产较困难的性能优异的产品。由于这些特点，生物化工已成为化工领域重点发展的行业。

1.世界生物化工行业的现状

生物化工发展至今已经历了半个多世纪，最早主要是生产抗生素；随后，是为氨基酸发酵、舀体激素的生物转化、维生素的生物法生产、单细胞蛋白生产及淀粉糖生产等工业化服务。自20世纪80年代起，随着现代生物技术的兴起，生物化工又利用重组微生物、动植物细胞大规模培养等手段生产药用多肽、蛋白、疫苗、干扰素等。而且，生物化工的应用已涉及到人民生活的方方面面，包括农业生产、化轻原料生产、医药卫生、食品、环境保护、资源和能源的开发等各领域。随着生物化工上游技术——生物工程技术的进步以及化学工程、信息技术（IT）和生物信息学（bioinformatics）等学科技术的发展，生物化工将迎来又一个崭新的发展时期。

生物化工行业经过50多年的发展，已形成了一个完整的工业体系，整个行业也出现了一些新的发展态势。下面简要描述生物化工行业的现状。

1．1工业结构

由于生物化工涉及面广，涉及的行业多，所以从事生物化工的企业较多。据报道，90年代中期，美国生物化工企业有：000多家，西欧有580多家，日本有300多家。近年来，虽然由于行业竞争日趋激烈，生物化工企业有较大幅度减少，但与生命科学（主要指医药和农业生化技术）诸侯割据的局面相比，生物化工行业依然是百花齐放，百家争鸣。既有象诺华、捷利康等从事生命科学的世界性大公司，也有象DSM、诺和诺德等大型的精细化工公司，当然也有在某一方面有专长的小公司如Altus等。而且，由于世界大公司正把注意力向生命科学部分转移，生物化工行业百花齐放的局面在很长一段时间内不会有什么改变。

1．2产品结构

传统的生物化工行业主要是指抗生素（如青霉素等）、食品（如酒精、味精等）等行业，而在目前，它已几乎渗透到人民生活的各方面如医药、保健、农业、环境、能源、材料等。同时，生物化工产品也得到了极大的拓展：医药方面有各种新型抗生素、干扰素、胰岛素、生长激素、各种生长因子、疫苗等；氨基酸和多肽方面有赖氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、苏氨酸、脯氨酸等以及各种多肽；酶制剂有160多种，主要有糖化酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、青霉素酶、过氧化氢酶等；生物农药有Bt、春日霉素、多氧霉素、井岗霉素等；有机酸有柠檬酸、乳酸、苹果酸、衣康酸、延胡索酸、已二酸、脂肪酸、卜酮戊二酸、l亚麻酸、透明质酸等。还有微生物法1，3．丙二醇、丙烯酞胺等。

目前，全球生物化工年销售额在400亿美元左右，每年约以7％～8％的速率增长。从产品结构来看，生物化工领域生产规模范围极广，市场年需求量仅为千克级的干扰素、促红细胞生长素等昂贵产品（价格可达数万美元／g）与年需求量逾万吨的抗生素、酶、食品与饲料添加剂、日用与农业生化制品等低价位产品（部分价格不到：美元／g）几乎平分秋色。高价位的产品市场份额在50％～60％，低价位的产品市场份额在40％～50％。而且，根据近年来生物化工的发展趋势及人们对医药卫生的重视来看，高价位产品的发展速率高于低价位产品。

1．3技术水平

生物化工经过80年代以后的蓬勃发展，不仅整个行业技术水平有大幅度提高，而且许多新技术也得到广泛应用。

1．3．1发酵工程技术已见成效

据估计，全球发酵产品的市场有120～130亿美元，其中抗生素占46％，氨基酸占16.3％，有机酸占13．2％，酶占10％，其它占14．5％。发酵产品市场的增大与发酵技术的进步分不开。现代生物技术的进展推动了发酵工业的发展，发酵工业的收率和纯度都比过去有了极大的提高。目前世界最大的串联发酵装置已达75m＼许多公司对发酵工艺进行了调整，从而降低了生产成本。如ADM（ArcherDanie1sMid1and）和Cargill公司在20世纪90年代初对其发酵装置进行改造，将以碳水化合物为原料的生产工艺改为以玉米粉为原料，从而降低了生产成本，ADM公司生产的赖氨酸成本比原先降低了一半。

1．3．2酶工程技术有了长足的进步

酶工程技术包括酶源开发、酶制剂生产、酶分离提纯和固定化技术、酶反应器与酶的应用。目前世界酶制剂从酶源开发到酶的应用都已进入了良性发展阶段，各阶段生产企业和用户关系密切，合作广泛。据报道，1998年全球工业酶制剂的销售额为13亿美元，预计到2010年将增长到30亿美元，每年以6．5％的速率增长。其中食用酶占40％，洗涤用酶占33％，其它（主要是纺织、造纸和饲料等用酶）占27％。

1．3．3分离与纯化技术也有很大进步

影响生化产品价格的因素，首当其冲的是分离与纯化过程，其费用通常占生产成本的50％～70％，有的甚至高达90％。分离步骤多、耗时长，往往成为制约生产的“瓶颈”。寻求经济适用的分离纯化技术，已成为生物化工领域的热点。已大规模应用的分离纯化技术有：双水相革取、新型电泳分离、大规模制备色谱、膜分离等。

1．3．4上游技术广泛应用于下游生产

利用基因工程技术，不但成倍地提高了酶的活力，而且还可以将生物酶基因克隆到微生物中，构建基因菌产生酶。利用基因工程，使多种淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、氨基酸合成途径的关键酶得到改造、克隆，使酶的催化活性、稳定性得到提高，氨基酸合成的代谢流得以拓宽，产量提高。随着基因重组技术的发展，被称为第二代基因工程的蛋白质工程发展迅速，显示出巨大潜力和光辉前景。利用蛋白质工程，将可以生产具有特定氨基酸顺序、高级结构、理化性质和生理功能的新型蛋白质，可以定向改造酶的性能，从而生产出新型生化产品。

1．3．5新技术在生物化工中也得到了极大的应用

比如，在超临界液体状态下进行酶反应，从而大大降低酶反应过程的传质阻力，提高酶反应速率。超临界C02无毒、不可燃、化学情性、易与反应底物分离。利用超临界CO2取代有机溶剂进行酶反应，具有极大的发展潜力。又比如，微胶羹技术已被广泛用于动物细胞的大规模培养、细胞和酶的固定化以及蛋白质等物质的分离方面。

2．世界生物化工行业的发展趋势

2．1工业结构

行业与行业间的划分将日趋模糊，企业间的合作将加大。目前，许多从事医药、农业、环境、能源等方面生产的企业，正在从事生物化工生产。特别是某些从事传统化工行业的生产厂家，也纷纷涉足生物化工领域。如杜邦公司，长期以来主要从事有机化工和聚合材料的生产，现在正加大生物化工的开发力度，已开发成功了生物法生产1,3-丙二醇工艺，并正在开发用改性大肠杆菌生产己二酸工艺。DSM公司以前主要从事抗菌素方面的生产，现也加大了生物化工的投资力度。

由于生物化工涉及面广，许多生化公司都有自己的专长，它们之间为了商业利益的合作也非常活跃。此外，随着从事传统行业的生产厂家的加入，由于技术与生产方面的原因，它们与从事生物化工开发与生产的企业合作也很频繁。所有这一切，都使生物化工行业的合作越来越广泛。如杜邦公司与杰宁科乐公司合作开发用生物法生产1，）丙二醇，进一步生产PTT树脂。荷兰的Purac公司与美国Cagill公司合资建设年产3．4万tL。乳酸装置，并计划进一步发展到6．8万V入DSM公司与美国Maxygen公司签定了三年的研究合同，以利用Maxygen的

DNA重排和分子培养技术，开发在7一ADCA和其它青霉素生产中使用的酶和菌种。

2．2产品结构

生物化工产品正向专业化、高科技含量、高附加值方向发展。传统的低价位产品受到冷落，而高价位产品如生化药物、保健品、生化催化剂等则备受青睐。许多公司为了追求较高利润，都将低附加值的产品剥离。如日本武田药品工业公司不再生产味精，转而生产其它高附加值的调味品如肌甘酸二钠（IMP）和鸟甘酸二钠（GwtP）。另外，生物化工将涉足它以前很少涉足的领域如高分子材料和表面活性剂等。

生化药物由于附加值高而成为今后生物化工领域发展的重点。1997年生化药物市场销售额达130亿美元，其中细胞分裂素80亿美元，激素30亿美元，其它20亿美元；就具体药物而论，促红细胞生长素35亿美元，人胰岛素18亿美元，粒性白细胞克隆刺激因子16亿美元，人生长激素15亿美元，小干扰素11亿美元。预计今后其市场销售额还将以8％的速率增长。

在氨基酸方面，虽然用于药物合成氨基酸的量相对较小，但其发展潜力很大。据报道，500种主要药物中，有18％含有氨基酸或其衍生物的合成。在药物合成中，使用最广泛的是L。脯氨酸、r苯甘氨酸和r对羟基苯甘氨酸。L。脯氨酸用于血管紧张素转化酶（ACE）的合成，匹苯甘氨酸和r对羟基苯甘氨酸用于抗生素的合成。另外，多肽也是今后的发展重点之一。多肽是指有2以上氨基酸用肽键组成的化合物，在临床上使用非常广泛，主要用于治疗癌症、HIV病毒和兔疫系统功能减退、对传统抗生素产生抗体的感染以及疫苗等。全球合成多肽原药的产量在100kg左右，但销售额达2．5亿～3亿美元，而做成制剂的销售额则达25亿～30亿美元。多肽原药需求量的年增长率在10％以上。

碳水化合物方面，用于临床的碳水化合物受到人们越来越多的关注。但是，用于临床的碳水化合物结构复杂，如一对单糖，其不同的化学键就多达22种。因此，用化学法合成复杂的碳水化合物比较困难，难以实现工业化，而用酶法合成则是一条切实可行的途径。

作为生化催化剂的酶，也将是今后发展的重点。1997年，生化用催化剂销售额约1．3亿美元，在过去的3～5年间，每年增长速率在8％～9％，预计在未来的3～5年间，将以同样速度增长。生化催化剂主要用于手性药物的合成。当前，手性药物已成为国际新药研究与开发的新方向之一。

1997年手性药物制剂世界市场的销售额为879亿美元，占药品市场的28．3％，到2000年将达到900亿美元。在未来的25年内，约有一半的手性药物要通过生化催化合成，因此，生化催化剂无论从需求量和需求种类来看，都具有很大的发展潜力。

生化表面活性剂由于具有无毒、生物降解性好等优点，今后可能成为表面活性剂的升级换代产品，但目前还处于探索阶段。

生物化工在高分子材料、特殊化学品、生物晶片、环保等方面也将有极大的发展潜力。

2．3技术水平

不断提高菌株活力、发酵水平、生化反应过程、分离纯化水平，依然是生物化工面临的课题。

在菌种开发方面，由于从20世纪70年代以来从自然界中筛选菌种以获得新的代谢产物的机会明显减少，人们便考虑利用已知菌种经适当改变其代谢特性后生产新的产品。如日本协和发酵公司已成功地把生产谷氨酸的菌种改为生产色氨酸。

在生化反应器方面，反应器放大一直是一个老大难的问题。因此，利用计算机技术对整个生化反应过程进行数字化处理，从而优化反应过程，是今后的发展方向之一。

在分离纯化方面，亲和层析受到广泛重视，并有人研制了一种综合专家系统软件包，可在几分钟内告知对方被分离物系的分离方法和顺序，以便根据产品所需进行取舍。

另外，在生化过程的在线检测和控制方面，利用生物传感器和计算机监控，依然是今后的发展方向。

在酶催化反应中将发展有机溶剂中的催化反应。

生物上游技术的发展，将对生物化工产生深远影响。人们对从病毒、细菌、植物、动物到人类基因组顺序测定工作十分重视，并在此基础上形成了基因许多产品一哄而上，盲目上马，遍地开花，最终形成恶性竞争，许多企业破产倒闭。在竞争中生存下来的企业，也是元气大伤，难以进一步组织技术改造。如仅江苏省停产的发酵生产线就多达上百条。另外，行业内企业间的生产水平相差悬殊，企业技术装备水平达到20世纪80年代以后国际先进水平的仅占20％～30％，多数处于20世纪60～70年代水平。

二是产品结构不合理，品种单一，低档次产品重复生产，不能适应需求。在我国高档的医药生化产品如激素、生长因子、干扰素、药用多肽等，有的产量很小，有的没有生产，因此每年都需进口。

三是在生产技术上，工艺、设备不配套，上下游技术不配套，产物的收得率低。我国虽然某些产品如柠檬酸、乳酸等发酵水平较高，但大多数产品的收率都低于国外，酶制剂的活力也明显低于国外，生化反应器和分离纯化技术更是落后国外15～20年。每年都要花费大量资金从国外进口生物反应器、细胞破碎机、分离纯化设备及分离介质、生物传感器和计算机监控设备。

四是有些产品投入产出比达15／＝以上，造成严重的资源浪费和环境污染。

五是基础研究薄弱，技术创新能力不强，企业的技术开发、技术吸收能力差，生产发展多数依靠传统的夕蜒型、粗放型扩大投资的增长模式，效益低、市场竞争力低。

3．2建议针对我国生物化工行业存在的问题，笔者有以下建议：

3．2．1扩大经济规模，提高竞争力要鼓励建设大型的生物化工企业集团公司，使之集科研、开发、生产、销售干一体。尤其要培育一批科技创新型企业。同时，也要鼓励在某些方面有一定特色的小型技术创新型生化公司的发展，并淘汰一批生产规模小、生产技术落后、没有市场竞争力的企业，从整体上优化我国生物化工的产业结构。

3．2．2调整产品结构要发展高档产品，如高档医药生化产品、功能性食品及添加剂（主要有低热值、低胆固醇、低脂肪、提高免疫功能、抗炎、抗癌等产品）、生化催化剂等。另外，也应发展众多精细化工产品及用化学法无法生产或很难生产的产品，如微生物多糖、生物色素、工业酶制剂、甜味剂、表面活性剂、高分子材料等。

3．2．3节约有限资源，强化环境保护在生化生产组学（genomics）。近年来又在信息学（informatics）的基础上建立了生物信息学（bioinformatics）。信息学的内容包括信息科学十生物技术十生物工程十生物动力学等的综合信息系统。可以预见，基因组学和生物信息学在生物化工中应用的商业前景极为可观。

另外，其它行业的新技术如分子蒸馏技术、组合化学（combinatoricalchemistry）等，也将在生物化工中得到应用。

3.我国生物化工的发层现状及建议

3．1发展现状

我国生物化工行业经过长期发展，已有一定基础。特别是改革开放以后，生物化工的发展进入了一个崭新的阶段。目前生物化工产品也涉及医药、保健、农药、食品与饲料、有机酸等各个方面。

在医药方面，抗生素得到迅猛发展61998年我国抗生素的产量达到33486h青霉素的产量居世界首位。其它生化药物中，初步形成产业化规模的有干扰素、白细胞介素。2、乙型肝炎工程疫苗。

在农药方面，生物农药品种达12种，主要有苏云金杆菌、井岗霉素、赤霉素等。其中，井岗霉素的产量居世界第一位。

在食品与饲料方面，作为三大发酵制品的味精、柠檬酸、酶制剂的产量也有很大的增加／1998年味精产量从1990年的22．3万、增加到56．4万一柠檬酸产量从1990年的6．13万、增加到56．4万一酶制剂从1990年的8．5万t增加到24万t。酵母及淀粉糖的产量也有明显增加。我国的味精生产和消费居世界第一，柠檬酸的生产和出口也居世界第一。另外，1998年乳酸的产量在1．5万t左右，赖氨酸的产量在2万t左右，卜苹果酸的产量在6000t。

在有机酸方面，衣康酸的产量达5000乙我国开发的生物法长链二元酸工艺居世界领先地位，目前生产能力达500Va以上，并有数家企业有建设长链二元酸生产装置的意向。

在保健品方面，我国已能用生物法生产多种氨基酸、维生素和核酸等。另外，我国生物法丙烯酞胺的生产能力达到2万V山与日本同处于世界领先地位。

但是与发达国家相比，我国生物化工行业存在着许多问题：

一是我国的生物化工产业主要以医药、轻工、食品业为主。部分企业对生物化工产品大都是精细化工产品这一点了解不够，加之行业规范也不够，导致过程中，应选择合适的原料，以降低成本与消耗，并加强废物处理，减少环境污染。

3．2．4提高生产技术水平，特别是下游技术水平因为我国生物技术上游技术水平与国外相差仅3～5年，而下游技术水平则比国外相差15年以上，改造传统发酵产品生产技术，不断提高发酵法产品的生产技术水平，开发生物反应器，提高我国生物化工产品分离和提纯技术，大规模开发生物化工装备等应首先提上议事日程。另外，还应积极采用微生物法代替化学法，开发基础化工新产品的工业化生产技术。

3．2．5加强产学研结合，注重上下游结合国内生物化工技术力量分散，为了做到优势互补，应加强产学研结合。另外在生物化工生产过程中遇到的很多问题，都是由于上、下游结合不够紧密而影响技术经济指标。因此，在人力和财力的投入上，应考虑上下游结合，以加快生物化工产业的发展。