現代信息技術能為生命科學做什麼

① 如何讓信息技術與生物學科進行整合

信息技術與學科教學整合是以信息技術為先導，以系統論和教育技術理論為指導，根據學科教學規律而進行的學科教學改革。」眾所周知高中生物學科是自然科學中的一門基礎學科，是研究生命現象和生命活動規律的科學。生物教學要求教學方法能體現生物學科的特點，利用信息技術手段把紛繁的生物形象生動的展現在學生面前。信息技術教學主要以計算機為載體，利用計算機信息容量大，運算速度快等特點，使課堂沖破了時空限制，豐富了教學內容。同時利用計算機獲可以獲取、處理、編輯、存儲、展示包括文字、圖形、聲音、動畫等不同形態的信息，可以說信息技術與生物學科教學的整合已成為現今的發展趨勢。
一、信息技術與生物學科整合的背景
我國傳統的教學模式是在行為主義教學理論和學習理論的指導下，以教師為中心，以知識傳授為核心的傳授式教學模式。這種傳統的教學模式由於忽視對學生的自主思維能力、認知能力和操作能力的培養，已經不能適應信息全球化背景下對人才素質的全面要求。因此，必須改變傳統的學科教學的以知識傳授為核心，以教師為中心的傳統教學模式，創建新型的教學結構和學科教學模式，重視學生的主體獨立性、自主性和能動性，培養學生獨立自主地獲取信息資源，整合知識結構的能力，優化學生主體內在的知識結構。在生物教學中，要實現上述教改的目標，就決然離不開信息技術與生物學科的整合。基於這樣的一種背景下，我們開始了信息技術和生物學科教學整合的研究。
二、信息技術在生物學教學中應用的模式
1、計算機演播模式
這種教學模式是以教師講，學生聽為主的學習方式，在課堂中，教師藉助計算機系統向學生傳授知識。運用這種方法進行生物學教學，不僅可以加強講授內容的科學性、系統性、直觀性和趣味性，而且可以輕松有效地突破各種生物學教學難點。在生物學教學中的作用主要表現鄭稿在：
（1） 刺激學生的多種感官，從而提高教學效率
在教學中應用計算機能通過多種渠道、多種方式，刺激學生的多種感官，使學生能利用多種感官分析器進行學習。如用形象生動的圖像信號吸引學生的視覺，用音響適中、悅耳精煉的語言信號吸引學生的聽覺，特別是電教媒體的特技效果突破了信息傳遞中的時間和空豎亮間的限制，使學生能直觀地看到宏觀世界、微觀世界、遠方或過去的事物，使信息通道得到了無限的延伸和擴展。因此，在教學中利用信息技術能真正實現視聽的完美結合,有效地提高學生的注意力、記憶力，從而提高教學效率。
（2） 改進信息的轉換方式，從而提高教學質量
生物學知識，有的抽象性強，有的綜合復雜，有的時空跨度大，難就難在這些知識信息不能直接被學生感知。而利用計算機，可以把這些信息通過轉換變成光、電、磁等信號，並以一種直觀的形式，使事物真實地再現於課堂，讓學生耳聞目睹、身臨其境。這種直觀性主要表現在它可以化微觀為宏觀，如：噬菌體侵染細菌的實驗，我們使用多媒體系統來進行模擬就可以實現。利用計算機教學還可以化抽象為形象，如：《光合作用》這一節，主要讓學生理解光合作用，即在太陽光的照射下，植物體內的葉綠體把根吸收的水分和從氣孔吸進的二氧化碳，合成植物需要的養料，同時放出氧氣的過程。這一過程，對於學生而言，是很難想像和理解的。而使用多媒體課件，可以幫助我們營造一個形象的光合作用過程，設計成一個動畫，將這一個過程可視化、擬人化。把葉綠體描述成一個「工廠」，水和二氧化碳是這個「工廠的原料」，當這些「原料」地進入「工廠」加工後，出來的是「工廠的產品」：氧氣和養料。學生通過這個貼近他們生活的動畫，很快就能理解光合作用，認識光合作用對於植物的重要性。這種學習方式，易被學生接受。
2、網路查詢模式
在日常的教學過程中，我們可以隨時利用計算機網路查閱資料，開展研究性學習和喊纖孝協作式學習。如：提供豐富的研究資源、創設生動的研究情境、大大地擴充協作范圍，提高協作的效率、改革學習的方式等。新教材在這方面為我們提供很大的便利，每節課後都提供了多個與教學相關的網站，以利於教師和學生隨時查閱。信息技術的應用擴大了學生的視野，使他們得到更新、准確的資源，大大方便了教師的教與學生的學。
三、信息技術與生物學科教學整合的內容
1、信息技術與生物學科教學內容的整合
生物學科的課程教學體現在微觀和宏觀兩個方面，教學內容包括
生物體的微觀和宏觀的生理變化，生物科學發展史，經典的生物學實驗等。在處理這些問題時，用傳統的「講」，語言多麼生動形象，卻往往是枯燥，難懂的。如果適時地利用現代信息技術所獨有的虛擬現實技術，就可起到事半功倍的效果，既可活躍了課堂氣氛，又能提高課堂效率。因此，研究信息技術與生物學科課堂教學內容的整合就顯示出其強大的生命力。以高中生物教學中《神經興奮的傳導》一課為例，由於涉及到細胞內部微小結構的活動，而且與電化學內容相關，知識比較抽象，尤其是細胞膜電位的變化，學生在識記後容易遺忘，其重要原因是「突觸」、「局部電流學說」、「興奮的傳遞」、「興奮的傳導」等概念和知識屬細胞或分子學水平，學生看不到、摸不著，感到很「抽象「，許多老師面對這樣的教學內容時，容易簡單重復概念，要求學生記憶，造成學生理解困難。而將微觀過程形象化呈現正是現代信息技術的優勢所在。在教學設計上教師可以充分利用電腦動畫，演示神經遞質在突觸前膜釋放，作用於突觸後膜受體的微觀生理過程，使這部分教學內容生動形象，易於讓學生理解和記憶，從而收到很好的教學效果。
2、信息技術與生物學科教學方法的整合
在生物教學中，運用信息技術，為學生提供豐富的圖文音響資料，創設一個自主的學習情境，激發學生學習生物知識的求知慾和好奇心。在教師精心設計的學習環境下，學生主動去收集並分析有關生物知識的信息和資料，對所學習的生物學問題提出各種假設並努力加以驗證，把當前學習內容盡量與自己已有的生物知識經驗聯系起來，最終達到當前所學的生物知識的意義建構的目的。信息技術已經成為教師備課的重要工具，從查找資料，到教學設計、到教學軟體製作都可以應用信息技術；而信息技術的使用，使教師能夠創設出更加生動、逼真的問題情景和課堂討論主題，引導學生進入自主學習狀態。
四、信息技術與生物學科教學整合的意義
1、應用多媒體技術能創設多樣的情境，激發學生的學習興趣，引導學生積極主動地學習。興趣是最好的老師，是學生主動學習、積極思考、探索知識的內在動力。在生物課的教學中，若恰當地利用投影、幻燈、錄像或計算機等電教手段的整合，創設與教學內容相吻合的教學情境，使學生身臨其境，受到感染和啟示，可以充分地激發學生的學習興趣和求知慾望；在教學過程中，教師也可以通過多媒體課件特有的動畫效果、生動的解說、優美的樂曲創造出一個獨特的、可親可近的藝術世界，學生置身其中身心會倍感輕松愉快，思維也異常活躍。
2、應用多媒體技術提供直觀材料，可以引導或加深學生對知識的理解和掌握。生物教學中，有很多肉眼看不到的顯微世界，學生在理解上有一定難度。充分利用電教多媒體，可以讓抽象的、不易講清楚的概念，很容易地讓學生理解和接受。
3、利用投影教學，引導學生觀察，培養和提高學生的觀察能力。良好的觀察能力是學生學習的基本功。利用電教多媒體，在引導學生觀察，培養其良好的觀察能力上具有顯著的優勢。投影教學可以通過鮮艷明亮的圖像刺激學生感官，引導學生按照由局部到整體或由整體到局部、由局部到細節的順序進行觀察，培養學生掌握認真細致地觀察事物、分析事物的方法，提高學生的觀察能力。同時,由於多媒體在很短時間里顯示一個對象的不同方面。這樣就可以使學生能夠從不同角度進行觀察和分析,從而提出自己的看法,並在互動式探討過程中加以完善和提高。
4、應用多媒體課件，可以突出重點，突破難點，引導學生思考，提高其分析問題和解決問題的能力。在生物教學中，欲使學生學習生物學知識樂此不疲，樂以忘憂，教師則應廣開渠道，想方設法把繁難的知識化為簡易，變抽象為具體，突出教材的重點，突破教學的難點，使學生便於理解和記憶。例如在《減數分裂》一節中，學生對同源染色體分離，非同源染色體自由組合這知識點難以理解，我們利用計算機課件，使學生可從大屏幕上清楚地看到，由於紡錘絲的收縮，同源染色體彼此分離了，非同源染色體之間進行了自由組合，實現了用常規手段和錄像無法獲得的效果，從而增強了學生對難點知識的理解和掌握。
信息技術與生物學科教學的整合，不僅將信息技術廣泛地應用於生物教學之中，更重要的是讓信息技術與生物教學的內容、課程結構、課程資源進行有機地融合，成為一個和諧互動的整體。將傳統教學資源,社會實踐資源,現代信息資源有機整合,既能幫助學生學習信息技術，又能培養學生收集和處理各種生物信息，解決生物科學問題的能力。還能實現學生學習方式轉變和教師教學方式轉變，有利於學生學科思維能力的發展，學科知識結構的完善，從而達到提高學生綜合素質的目的。

② 生物信息學專業就業方向及前景分析,未來好就業嗎

生物信息學專業就業方向及前景分析如下：生物信息學專業培養德、智、體、美全面發展，具有較好的分子生物學、計算機科學與技術、數學和統計學素養，掌握生物信息學基本理論和方法，具備生物信息收集、分析、挖掘、利用等方面的基本能力，能在科研機構、高等學校、醫療醫葯、環境保護等相關部門與行業從事教學、科研、管理、疾病分子診斷、葯物設計、生物軟體開發、環境微生物監測等工作的高級科學技術人才。

一、生物信息學專業簡介

生物信息學是一門交叉科學，它包含了生物信息的獲取、加工、存儲、分配、分析、解釋等在內的所有方面，它綜合運用數學、計算機科學和生物學的各種工具，來闡明和理解大量生物數據所包含的生物學意義。它隨1990年人類基因組計劃（HGP）的實施和信息技術的發展而誕生，現已迅速發展成為當今生命科學最具吸引力和重大的前沿領域，為生物學、計算機科學、數學、信息科學等專業的高素質人才提供了更廣闊的發展天地。

二、生物信息學專業培養要求

學生主要學習生物信息學的基本理論和方法，受到相關科學實驗和科學思維的基本訓練，具有較好的分子生物學、計算機科學與技術、數學和統計學素養，具備生物信息的收集、分析、挖掘、利用等方面的基本能力，具有較好的業務素質。

三、生物信息學專業學科要求

該專業對生物、計算機科目要求較高。該專業適合對自然科學感興趣，熱愛生物信息研究的學生就讀。

四、生物信息學專業知識能力

1.掌握普通生物學、生物化學、分子生物學、遺傳學等基本知識和實驗技能；
2.掌握計算機科學與技術基本知識和編程技能(包括計算機應用基礎、Linux基礎及應用、資料庫系統原理、模式識別與預測、生物軟體及資料庫、Perl編程基礎等)，具備較強的數學和統計學素養(高等數學I、II、生物統計學等)；
3.掌握生物信息學、基因組學、計算生物學、蛋白質組學、生物晶元原理與技術的基本理論和方法，初步具備綜合運用分子生物學、計算機科學與技術、數學、統計學等知識和技能，解決生物信息學基本問題的能力；
4.掌握生物信息學資料的查詢、文獻檢索及運用現代信息技術獲得相關信息的基本方法，具有一定的實驗設計、結果分析、撰寫論文、參與學術交流的能力；
5.熟悉國家生物信息產業政策、知識產權及生物安全條例等有關政策和法規；
6.了解生物信息學的理論前沿、應用前景和最新發展動態；
7.具有較好的科學人文素養和較強的英語應用能力，具備較強的自學能力、創新能力和獨立解決問題的能力；
8.具有良好的思想道德素質和文化素養，身心健康；
具有較好的科學素質、競爭意識、創新意識和合作精神。

③ 生命科學近年來有哪些新技術

NO.1

SARAH TEICHMANN: Expand single-cell biology（擴展單細胞生物學）

Head of cellular genetics, Wellcome Trust Sanger Institute, Hinxton, UK.

在過去的十年裡，我們看到研究人員可以分析的單細胞數量大幅增加，隨著細胞捕獲技術的發展，結合條形碼標記細胞和智能化技術等方法，在未來數量還將繼續增加，對此，大家可能不以為然，但這可以讓我們以更高的解析度來研究更為復雜的樣品，我們可以做各種各樣的實驗。比如說，研究人員不再只關注一個人的樣本，而是能夠同時觀察20到100個人的樣本，這意味我們能夠更好的掌握人的多樣性，我們可以分析出更多的發展時間點，組織和個體，從而提高分析的統計學意義。

我們的實驗室最近參與了一項研究，對6個物種的250000個細胞進行了分析，結果表明，控制先天免疫反應的基因進化速度快，並且在不同物種間具有較高的細胞間變異性，這兩個特徵都有助於免疫系統產生有效的微調反應。

我們還將看到在單個細胞中同時觀察不同基因組模式的能力發展。例如，我們不局限於RNA，而是能夠看到染色質的蛋白質-DNA復合物是開放還是封閉。這對理解細胞分化時的表觀遺傳狀態以及免疫系統和神經系統中的表觀遺傳記憶具有重要意義。

將單細胞基因組學與表型關聯的方法將會發生演變，例如，將蛋白質表達或形態學與既定細胞的轉錄組相關聯。我認為我們將在2019年看到更多這種類型的東西，無論是通過純測序還是通過成像和測序相結合的方法。事實上，我們已經見證了這兩種技術的一種融合發展：測序在解析度上越來越高，成像也越來越多元化。

NO.2

JIN-SOO KIM: Improve gene editors(改進基因編輯)

Director of the Center for Genome Engineering, Institute for Basic Science, and professor of chemistry, Seoul National University.（首爾國立大學基因學研究所基因組工程中心主任、化學教授。）

現如今，蛋白質工程推動基因組工程的發展。第一代CRISPR基因編輯系統使用核酸酶Cas9，這是一種在特定位點剪切DNA的酶。到目前為止，這種方法仍然被廣泛使用，但是許多工程化的CRISPR系統正在用新變體取代天然核酸酶，例如xCas9和SpCas9-NG，這拓寬了靶向空間——基因組中可以被編輯的區域。有一些酶比第一代酶更具特異性，可以將脫靶效應最小化或避免脫靶效應。

去年，研究人員報告了阻礙CRISPR基因組編輯引入臨床的新障礙。其中包括激活p53基因 (此基因與癌症風險相關)；不可預料的「靶向」效應；以及對CRISPR系統的免疫原性。想要將基因組編輯用於臨床應用，就必須解決這些限制。其中一些問題是由DNA雙鏈斷裂引起的，但並非所有基因組編輯酶都會產生雙鏈斷裂——「鹼基編輯」會將單個DNA鹼基直接轉換成另一個鹼基。因此，鹼基編輯比傳統的基因組編輯更干凈利索。去年，瑞士的研究人員使用鹼基編輯的方式來糾正小鼠中導致苯丙酮尿症的突變基因，苯丙酮尿症是一種先天性代謝異常疾病，患者體內會不斷累積毒素。

值得注意的是，鹼基編輯在它們可以編輯的序列中受到了限制，這些序列被稱為原間隔相鄰基序。然而蛋白質工程可以用來重新設計和改進現有的鹼基編輯，甚至可以創建新的編輯，例如融合到失活Cas9的重組酶。就像鹼基編輯一樣，重組酶不會誘導雙鏈斷裂，但可以在用戶定義的位置插入所期望的序列。此外，RNA引導的重組酶將會在新的維度上擴展基因組編輯。

基因編輯技術在臨床上的常規應用可能還需要幾年的時間。但是我們將在未來一兩年看到新一代的工具，將會有很多的研究人員對這項技術感興趣，到時候他們每天都會使用這些技術。屆時必然會出現新的問題，但創新的解決方案也會隨之出現。

NO.3

XIAOWEI ZHUANG（庄小威）: Boost micros resolution （提高顯微鏡解析度）

Professor of chemistry and chemical biology, Harvard University, Cambridge, Massachusetts; and 2019 Breakthrough Prize winner.

超解析度顯微鏡的原理驗證僅僅發生在十幾年前，但今天這項技術相對來說再平常不過，生物學家可以接觸到並豐富知識。

一個特別令人興奮的研究領域是確定基因組的三維結構和組織。值得一提的是，基因組的三維結構在調節基因表達中起到的作用越來越大。

在過去的一年裡，我們報道了一項工作，在這項工作中，我們對染色質進行了納米級的精準成像，將它與數千個不同類型細胞的序列信息聯系起來。這種空間解析度比我們以前的工作好一到兩個數量級，使我們能夠觀察到各個細胞將染色質組織成不同細胞之間差異很大的結構域。我們還提供了這些結構域是如何形成的證據，這使我們更好地理解染色質調節的機制。

除了染色質，我們預見到在超解析度成像領域空間解析度有了實質性的提高。大多數實驗的解析度只有幾十納米，雖然很小，但與被成像的分子相比卻沒有什麼差別，特別是當我們想解決分子間的相互作用時。我們看到熒光分子和成像方法的改進，大大提高了解析度，我們預計1納米解析度的成像將成為常規。

同時，瞬時解析度變得越來越好。目前，研究人員必須在空間解析度和成像速度之間做出妥協。但是通過更好的照明策略和更快的圖像採集，這些限制可以被克服。成千上萬的基因和其他類型的分子共同作用來塑造細胞的行為。能夠在基因組范圍內同時觀察這些分子的活動，將為成像創造強有力的機會。

NO.4

JEF BOEKE: Advance synthetic genomes （先進的合成基因組）

Director of the Institute for Systems Genetics, New York University Langone Medical Center, New York City.

當我意識到從頭開始寫一個完整的基因組變成可能的時候，我認為這將是一個對基因組功能獲得新觀點的絕佳機會。

從純科學的角度來看，研究小組在合成簡單的細菌和酵母基因組方面取得了進展。但是在合成整個基因組，特別是哺乳動物基因組方面仍然存在技術挑戰。

有一項降低DNA合成成本的技術將會對行業產生幫助，但是目前還沒有上市。今天發生的大多數DNA合成都是基於亞磷醯胺化學過程。所得核酸聚合物的最大長度和保真度都受到限制。

許多公司和實驗室都在研究酶促DNA合成——這種方法有可能比化學合成更快、更准確、更便宜。目前，還沒有一家公司在商業上提供這種分子。但是去年10月，一家總部位於巴黎的叫做DNA Script的公司宣布，它已經合成了一種150鹼基的寡核苷酸，幾乎符合化學DNA合成的實際限制。

作為一個群體，我們還研究了如何組裝人類染色體DNA的大片段，並且我們可以使用這種方法構建100千鹼基或更多的區域。現在，我們將使用這種方法來解剖大的基因組區域，這些區域對於識別疾病易感性非常重要，或者是其他表型特徵的基礎。

我們可以在酵母細胞中快速合成這些區域，因此我們應該能夠製造數十到數百種以前不可能檢測到的基因組變體。使用它們，我們將能夠檢查全基因組關聯研究中涉及的數千個基因組基因座，它們在疾病易感性方面具有一定意義。這種解剖策略可能使我們最終能夠確定這些變體的作用。

NO.5

CASEY GREENE: Apply AI and deep learning（應用人工智慧和深度學習）

Assistant professor of systems pharmacology and translational therapeutics, Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia.