现代信息技术能为生命科学做什么

① 如何让信息技术与生物学科进行整合

信息技术与学科教学整合是以信息技术为先导，以系统论和教育技术理论为指导，根据学科教学规律而进行的学科教学改革。”众所周知高中生物学科是自然科学中的一门基础学科，是研究生命现象和生命活动规律的科学。生物教学要求教学方法能体现生物学科的特点，利用信息技术手段把纷繁的生物形象生动的展现在学生面前。信息技术教学主要以计算机为载体，利用计算机信息容量大，运算速度快等特点，使课堂冲破了时空限制，丰富了教学内容。同时利用计算机获可以获取、处理、编辑、存储、展示包括文字、图形、声音、动画等不同形态的信息，可以说信息技术与生物学科教学的整合已成为现今的发展趋势。
一、信息技术与生物学科整合的背景
我国传统的教学模式是在行为主义教学理论和学习理论的指导下，以教师为中心，以知识传授为核心的传授式教学模式。这种传统的教学模式由于忽视对学生的自主思维能力、认知能力和操作能力的培养，已经不能适应信息全球化背景下对人才素质的全面要求。因此，必须改变传统的学科教学的以知识传授为核心，以教师为中心的传统教学模式，创建新型的教学结构和学科教学模式，重视学生的主体独立性、自主性和能动性，培养学生独立自主地获取信息资源，整合知识结构的能力，优化学生主体内在的知识结构。在生物教学中，要实现上述教改的目标，就决然离不开信息技术与生物学科的整合。基于这样的一种背景下，我们开始了信息技术和生物学科教学整合的研究。
二、信息技术在生物学教学中应用的模式
1、计算机演播模式
这种教学模式是以教师讲，学生听为主的学习方式，在课堂中，教师借助计算机系统向学生传授知识。运用这种方法进行生物学教学，不仅可以加强讲授内容的科学性、系统性、直观性和趣味性，而且可以轻松有效地突破各种生物学教学难点。在生物学教学中的作用主要表现郑稿在：
（1） 刺激学生的多种感官，从而提高教学效率
在教学中应用计算机能通过多种渠道、多种方式，刺激学生的多种感官，使学生能利用多种感官分析器进行学习。如用形象生动的图像信号吸引学生的视觉，用音响适中、悦耳精炼的语言信号吸引学生的听觉，特别是电教媒体的特技效果突破了信息传递中的时间和空竖亮间的限制，使学生能直观地看到宏观世界、微观世界、远方或过去的事物，使信息通道得到了无限的延伸和扩展。因此，在教学中利用信息技术能真正实现视听的完美结合,有效地提高学生的注意力、记忆力，从而提高教学效率。
（2） 改进信息的转换方式，从而提高教学质量
生物学知识，有的抽象性强，有的综合复杂，有的时空跨度大，难就难在这些知识信息不能直接被学生感知。而利用计算机，可以把这些信息通过转换变成光、电、磁等信号，并以一种直观的形式，使事物真实地再现于课堂，让学生耳闻目睹、身临其境。这种直观性主要表现在它可以化微观为宏观，如：噬菌体侵染细菌的实验，我们使用多媒体系统来进行模拟就可以实现。利用计算机教学还可以化抽象为形象，如：《光合作用》这一节，主要让学生理解光合作用，即在太阳光的照射下，植物体内的叶绿体把根吸收的水分和从气孔吸进的二氧化碳，合成植物需要的养料，同时放出氧气的过程。这一过程，对于学生而言，是很难想象和理解的。而使用多媒体课件，可以帮助我们营造一个形象的光合作用过程，设计成一个动画，将这一个过程可视化、拟人化。把叶绿体描述成一个“工厂”，水和二氧化碳是这个“工厂的原料”，当这些“原料”地进入“工厂”加工后，出来的是“工厂的产品”：氧气和养料。学生通过这个贴近他们生活的动画，很快就能理解光合作用，认识光合作用对于植物的重要性。这种学习方式，易被学生接受。
2、网络查询模式
在日常的教学过程中，我们可以随时利用计算机网络查阅资料，开展研究性学习和喊纤孝协作式学习。如：提供丰富的研究资源、创设生动的研究情境、大大地扩充协作范围，提高协作的效率、改革学习的方式等。新教材在这方面为我们提供很大的便利，每节课后都提供了多个与教学相关的网站，以利于教师和学生随时查阅。信息技术的应用扩大了学生的视野，使他们得到更新、准确的资源，大大方便了教师的教与学生的学。
三、信息技术与生物学科教学整合的内容
1、信息技术与生物学科教学内容的整合
生物学科的课程教学体现在微观和宏观两个方面，教学内容包括
生物体的微观和宏观的生理变化，生物科学发展史，经典的生物学实验等。在处理这些问题时，用传统的“讲”，语言多么生动形象，却往往是枯燥，难懂的。如果适时地利用现代信息技术所独有的虚拟现实技术，就可起到事半功倍的效果，既可活跃了课堂气氛，又能提高课堂效率。因此，研究信息技术与生物学科课堂教学内容的整合就显示出其强大的生命力。以高中生物教学中《神经兴奋的传导》一课为例，由于涉及到细胞内部微小结构的活动，而且与电化学内容相关，知识比较抽象，尤其是细胞膜电位的变化，学生在识记后容易遗忘，其重要原因是“突触”、“局部电流学说”、“兴奋的传递”、“兴奋的传导”等概念和知识属细胞或分子学水平，学生看不到、摸不着，感到很“抽象“，许多老师面对这样的教学内容时，容易简单重复概念，要求学生记忆，造成学生理解困难。而将微观过程形象化呈现正是现代信息技术的优势所在。在教学设计上教师可以充分利用电脑动画，演示神经递质在突触前膜释放，作用于突触后膜受体的微观生理过程，使这部分教学内容生动形象，易于让学生理解和记忆，从而收到很好的教学效果。
2、信息技术与生物学科教学方法的整合
在生物教学中，运用信息技术，为学生提供丰富的图文音响资料，创设一个自主的学习情境，激发学生学习生物知识的求知欲和好奇心。在教师精心设计的学习环境下，学生主动去收集并分析有关生物知识的信息和资料，对所学习的生物学问题提出各种假设并努力加以验证，把当前学习内容尽量与自己已有的生物知识经验联系起来，最终达到当前所学的生物知识的意义建构的目的。信息技术已经成为教师备课的重要工具，从查找资料，到教学设计、到教学软件制作都可以应用信息技术；而信息技术的使用，使教师能够创设出更加生动、逼真的问题情景和课堂讨论主题，引导学生进入自主学习状态。
四、信息技术与生物学科教学整合的意义
1、应用多媒体技术能创设多样的情境，激发学生的学习兴趣，引导学生积极主动地学习。兴趣是最好的老师，是学生主动学习、积极思考、探索知识的内在动力。在生物课的教学中，若恰当地利用投影、幻灯、录像或计算机等电教手段的整合，创设与教学内容相吻合的教学情境，使学生身临其境，受到感染和启示，可以充分地激发学生的学习兴趣和求知欲望；在教学过程中，教师也可以通过多媒体课件特有的动画效果、生动的解说、优美的乐曲创造出一个独特的、可亲可近的艺术世界，学生置身其中身心会倍感轻松愉快，思维也异常活跃。
2、应用多媒体技术提供直观材料，可以引导或加深学生对知识的理解和掌握。生物教学中，有很多肉眼看不到的显微世界，学生在理解上有一定难度。充分利用电教多媒体，可以让抽象的、不易讲清楚的概念，很容易地让学生理解和接受。
3、利用投影教学，引导学生观察，培养和提高学生的观察能力。良好的观察能力是学生学习的基本功。利用电教多媒体，在引导学生观察，培养其良好的观察能力上具有显着的优势。投影教学可以通过鲜艳明亮的图像刺激学生感官，引导学生按照由局部到整体或由整体到局部、由局部到细节的顺序进行观察，培养学生掌握认真细致地观察事物、分析事物的方法，提高学生的观察能力。同时,由于多媒体在很短时间里显示一个对象的不同方面。这样就可以使学生能够从不同角度进行观察和分析,从而提出自己的看法,并在互动式探讨过程中加以完善和提高。
4、应用多媒体课件，可以突出重点，突破难点，引导学生思考，提高其分析问题和解决问题的能力。在生物教学中，欲使学生学习生物学知识乐此不疲，乐以忘忧，教师则应广开渠道，想方设法把繁难的知识化为简易，变抽象为具体，突出教材的重点，突破教学的难点，使学生便于理解和记忆。例如在《减数分裂》一节中，学生对同源染色体分离，非同源染色体自由组合这知识点难以理解，我们利用计算机课件，使学生可从大屏幕上清楚地看到，由于纺锤丝的收缩，同源染色体彼此分离了，非同源染色体之间进行了自由组合，实现了用常规手段和录像无法获得的效果，从而增强了学生对难点知识的理解和掌握。
信息技术与生物学科教学的整合，不仅将信息技术广泛地应用于生物教学之中，更重要的是让信息技术与生物教学的内容、课程结构、课程资源进行有机地融合，成为一个和谐互动的整体。将传统教学资源,社会实践资源,现代信息资源有机整合,既能帮助学生学习信息技术，又能培养学生收集和处理各种生物信息，解决生物科学问题的能力。还能实现学生学习方式转变和教师教学方式转变，有利于学生学科思维能力的发展，学科知识结构的完善，从而达到提高学生综合素质的目的。

② 生物信息学专业就业方向及前景分析,未来好就业吗

生物信息学专业就业方向及前景分析如下：生物信息学专业培养德、智、体、美全面发展，具有较好的分子生物学、计算机科学与技术、数学和统计学素养，掌握生物信息学基本理论和方法，具备生物信息收集、分析、挖掘、利用等方面的基本能力，能在科研机构、高等学校、医疗医药、环境保护等相关部门与行业从事教学、科研、管理、疾病分子诊断、药物设计、生物软件开发、环境微生物监测等工作的高级科学技术人才。

一、生物信息学专业简介

生物信息学是一门交叉科学，它包含了生物信息的获取、加工、存储、分配、分析、解释等在内的所有方面，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量生物数据所包含的生物学意义。它随1990年人类基因组计划（HGP）的实施和信息技术的发展而诞生，现已迅速发展成为当今生命科学最具吸引力和重大的前沿领域，为生物学、计算机科学、数学、信息科学等专业的高素质人才提供了更广阔的发展天地。

二、生物信息学专业培养要求

学生主要学习生物信息学的基本理论和方法，受到相关科学实验和科学思维的基本训练，具有较好的分子生物学、计算机科学与技术、数学和统计学素养，具备生物信息的收集、分析、挖掘、利用等方面的基本能力，具有较好的业务素质。

三、生物信息学专业学科要求

该专业对生物、计算机科目要求较高。该专业适合对自然科学感兴趣，热爱生物信息研究的学生就读。

四、生物信息学专业知识能力

1.掌握普通生物学、生物化学、分子生物学、遗传学等基本知识和实验技能；
2.掌握计算机科学与技术基本知识和编程技能(包括计算机应用基础、Linux基础及应用、数据库系统原理、模式识别与预测、生物软件及数据库、Perl编程基础等)，具备较强的数学和统计学素养(高等数学I、II、生物统计学等)；
3.掌握生物信息学、基因组学、计算生物学、蛋白质组学、生物芯片原理与技术的基本理论和方法，初步具备综合运用分子生物学、计算机科学与技术、数学、统计学等知识和技能，解决生物信息学基本问题的能力；
4.掌握生物信息学资料的查询、文献检索及运用现代信息技术获得相关信息的基本方法，具有一定的实验设计、结果分析、撰写论文、参与学术交流的能力；
5.熟悉国家生物信息产业政策、知识产权及生物安全条例等有关政策和法规；
6.了解生物信息学的理论前沿、应用前景和最新发展动态；
7.具有较好的科学人文素养和较强的英语应用能力，具备较强的自学能力、创新能力和独立解决问题的能力；
8.具有良好的思想道德素质和文化素养，身心健康；
具有较好的科学素质、竞争意识、创新意识和合作精神。

③ 生命科学近年来有哪些新技术

NO.1

SARAH TEICHMANN: Expand single-cell biology（扩展单细胞生物学）

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

在过去的十年里，我们看到研究人员可以分析的单细胞数量大幅增加，随着细胞捕获技术的发展，结合条形码标记细胞和智能化技术等方法，在未来数量还将继续增加，对此，大家可能不以为然，但这可以让我们以更高的分辨率来研究更为复杂的样品，我们可以做各种各样的实验。比如说，研究人员不再只关注一个人的样本，而是能够同时观察20到100个人的样本，这意味我们能够更好的掌握人的多样性，我们可以分析出更多的发展时间点，组织和个体，从而提高分析的统计学意义。

我们的实验室最近参与了一项研究，对6个物种的250000个细胞进行了分析，结果表明，控制先天免疫反应的基因进化速度快，并且在不同物种间具有较高的细胞间变异性，这两个特征都有助于免疫系统产生有效的微调反应。

我们还将看到在单个细胞中同时观察不同基因组模式的能力发展。例如，我们不局限于RNA，而是能够看到染色质的蛋白质-DNA复合物是开放还是封闭。这对理解细胞分化时的表观遗传状态以及免疫系统和神经系统中的表观遗传记忆具有重要意义。

将单细胞基因组学与表型关联的方法将会发生演变，例如，将蛋白质表达或形态学与既定细胞的转录组相关联。我认为我们将在2019年看到更多这种类型的东西，无论是通过纯测序还是通过成像和测序相结合的方法。事实上，我们已经见证了这两种技术的一种融合发展：测序在分辨率上越来越高，成像也越来越多元化。

NO.2

JIN-SOO KIM: Improve gene editors(改进基因编辑)

Director of the Center for Genome Engineering, Institute for Basic Science, and professor of chemistry, Seoul National University.（首尔国立大学基因学研究所基因组工程中心主任、化学教授。）

现如今，蛋白质工程推动基因组工程的发展。第一代CRISPR基因编辑系统使用核酸酶Cas9，这是一种在特定位点剪切DNA的酶。到目前为止，这种方法仍然被广泛使用，但是许多工程化的CRISPR系统正在用新变体取代天然核酸酶，例如xCas9和SpCas9-NG，这拓宽了靶向空间——基因组中可以被编辑的区域。有一些酶比第一代酶更具特异性，可以将脱靶效应最小化或避免脱靶效应。

去年，研究人员报告了阻碍CRISPR基因组编辑引入临床的新障碍。其中包括激活p53基因 (此基因与癌症风险相关)；不可预料的“靶向”效应；以及对CRISPR系统的免疫原性。想要将基因组编辑用于临床应用，就必须解决这些限制。其中一些问题是由DNA双链断裂引起的，但并非所有基因组编辑酶都会产生双链断裂——“碱基编辑”会将单个DNA碱基直接转换成另一个碱基。因此，碱基编辑比传统的基因组编辑更干净利索。去年，瑞士的研究人员使用碱基编辑的方式来纠正小鼠中导致苯丙酮尿症的突变基因，苯丙酮尿症是一种先天性代谢异常疾病，患者体内会不断累积毒素。

值得注意的是，碱基编辑在它们可以编辑的序列中受到了限制，这些序列被称为原间隔相邻基序。然而蛋白质工程可以用来重新设计和改进现有的碱基编辑，甚至可以创建新的编辑，例如融合到失活Cas9的重组酶。就像碱基编辑一样，重组酶不会诱导双链断裂，但可以在用户定义的位置插入所期望的序列。此外，RNA引导的重组酶将会在新的维度上扩展基因组编辑。

基因编辑技术在临床上的常规应用可能还需要几年的时间。但是我们将在未来一两年看到新一代的工具，将会有很多的研究人员对这项技术感兴趣，到时候他们每天都会使用这些技术。届时必然会出现新的问题，但创新的解决方案也会随之出现。

NO.3

XIAOWEI ZHUANG（庄小威）: Boost micros resolution （提高显微镜分辨率）

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

超分辨率显微镜的原理验证仅仅发生在十几年前，但今天这项技术相对来说再平常不过，生物学家可以接触到并丰富知识。

一个特别令人兴奋的研究领域是确定基因组的三维结构和组织。值得一提的是，基因组的三维结构在调节基因表达中起到的作用越来越大。

在过去的一年里，我们报道了一项工作，在这项工作中，我们对染色质进行了纳米级的精准成像，将它与数千个不同类型细胞的序列信息联系起来。这种空间分辨率比我们以前的工作好一到两个数量级，使我们能够观察到各个细胞将染色质组织成不同细胞之间差异很大的结构域。我们还提供了这些结构域是如何形成的证据，这使我们更好地理解染色质调节的机制。

除了染色质，我们预见到在超分辨率成像领域空间分辨率有了实质性的提高。大多数实验的分辨率只有几十纳米，虽然很小，但与被成像的分子相比却没有什么差别，特别是当我们想解决分子间的相互作用时。我们看到荧光分子和成像方法的改进，大大提高了分辨率，我们预计1纳米分辨率的成像将成为常规。

同时，瞬时分辨率变得越来越好。目前，研究人员必须在空间分辨率和成像速度之间做出妥协。但是通过更好的照明策略和更快的图像采集，这些限制可以被克服。成千上万的基因和其他类型的分子共同作用来塑造细胞的行为。能够在基因组范围内同时观察这些分子的活动，将为成像创造强有力的机会。

NO.4

JEF BOEKE: Advance synthetic genomes （先进的合成基因组）

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

当我意识到从头开始写一个完整的基因组变成可能的时候，我认为这将是一个对基因组功能获得新观点的绝佳机会。

从纯科学的角度来看，研究小组在合成简单的细菌和酵母基因组方面取得了进展。但是在合成整个基因组，特别是哺乳动物基因组方面仍然存在技术挑战。

有一项降低DNA合成成本的技术将会对行业产生帮助，但是目前还没有上市。今天发生的大多数DNA合成都是基于亚磷酰胺化学过程。所得核酸聚合物的最大长度和保真度都受到限制。

许多公司和实验室都在研究酶促DNA合成——这种方法有可能比化学合成更快、更准确、更便宜。目前，还没有一家公司在商业上提供这种分子。但是去年10月，一家总部位于巴黎的叫做DNA Script的公司宣布，它已经合成了一种150碱基的寡核苷酸，几乎符合化学DNA合成的实际限制。

作为一个群体，我们还研究了如何组装人类染色体DNA的大片段，并且我们可以使用这种方法构建100千碱基或更多的区域。现在，我们将使用这种方法来解剖大的基因组区域，这些区域对于识别疾病易感性非常重要，或者是其他表型特征的基础。

我们可以在酵母细胞中快速合成这些区域，因此我们应该能够制造数十到数百种以前不可能检测到的基因组变体。使用它们，我们将能够检查全基因组关联研究中涉及的数千个基因组基因座，它们在疾病易感性方面具有一定意义。这种解剖策略可能使我们最终能够确定这些变体的作用。

NO.5

CASEY GREENE: Apply AI and deep learning（应用人工智能和深度学习）

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