對生物信息學的理解精選(九篇)
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第1篇：對生物信息學的理解范文
關鍵詞：大數據；生物信息學；教學探索
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）29-0210-02
一、引言
生物信息學是由生物學與數學、計算科學交叉形成的前沿學科，主要通過研發并應用計算機技術及數學與統計方法，對海量生物數據進行管理、整合、分析、建模，從而解決重要的生物學問題，闡明新的生物學規律，獲得傳統生物學手段無法獲得的創新發現。生物信息學是當今生命科學和自然科學的重大前沿領域之一，是多學科之間的交叉領域。因此，做好生物信息學教學工作對提高生物信息學研究水平具有重要的理論和實踐意義。
隨著高通量測序數據的大量出現，生命科學已經進入到大數據時代，生物信息學研究的重點將轉移到組學的研究上。相應地，生物信息學教學的重點也要從單個基因的分析轉向多個基因甚至在組學水平的分析。在生物大數據背景下，對生物信息學專業的人才需求也將越來越大。本文結合生物大數據的特點和教學經驗，談談目前生物信息學教學中存在的問題，并針對這些問題提出自己的建議和方法。
二、生物大數據的特點
“大數據”一詞最初起源于互聯網和IT行業，它具有數據量大、數據多樣化、高速、有價值等特點。生物大數據不僅帶有“大數據”的特點，而且具有生物數據自身的特性，具體表現在：
1.數據量大：全球每年生物數據總量已經達到EB量級，完整的人體基因組有約30億個堿基對，個體化基因組差異達6百萬堿基。同時由于高通量測序成本的下降，目前大量的生物物種得以全基因組范圍的基因組從頭測序、重測序以及轉錄組測序，積累了大量的生物數據。
2.數據種類多：由于測序儀器種類繁多，產生的測序數據格式也各不相同。除高通量測序產生的基因組和轉錄組數據外，另外還有蛋白組、代謝組、表型組、相互作用組的序列數據和結構數據。
3.數據增速快：這主要體現在數據的急劇增長速度上，幾乎每一周都有關于某一物種的全基因組或者轉錄組測序的信息。尤其是隨著新一代測序技術的發展，更大數量級的基因組數據產出日漸增加――每臺高通量的測序儀每天可產生約100GB的數據。
4.數據價值高：隨著生物信息學的發展，越來越多有價值的信息可從生物數據中挖掘出來，這些價值不僅體現在生物科研領域，而且已應用于農業和醫學等領域。
三、大數據背景下生物信息學教學中存在的問題
經過多年的發展，生物信息學教學雖然有了一定的提高和改善，但還存在一些問題，主要表現在：
（一）課程設置不合理
生物信息學是由生物學與數學、計算科學交叉形成的前沿學科，對生物背景的學生來說，需要掌握計算機和數學特別是統計學方面的知識和技能。但由于受課程設置的影響，很多學校只把C語言作為計算機的必修課，而沒有在大一或者大二年級開設概率論和數理統計，并且生物統計學等課程也只是在大三或者大四才作為選修課或者限定選修課來開設的，造成部分開課專業學生的數理基礎比較薄弱，因此在后續學習中存在一定的困難。
（二）教材內容不夠全面
由于生物信息學發展日新月異，各種分析生物大數據的算法、方法和軟件層出不窮，并且其更新換代是非常快的，而國內外相關教材的內容不夠全面，并且其更新速度較慢，不能緊跟生物信息學的最新發展，造成教師在授課時要綜合多本生物信息學教材的內容，不利于學生對生物信息學內容的全面掌握，從而制約了生物信息學教學的發展。
（三）教師的教學方法單一
生物信息學課程目前雖然在很多院校已經開設，但由于該學科對教師的授課水平和學生的學習能力要求較高，目前多數學校對于生物信息學的授課方式還是以教師講授為主的填鴨式教學方式。隨著大數據時代的到來，傳統的教學方式和方法遠不能滿足生物信息學教學的需要。
四、生物大數據背景下生物信息學教學的建議和方法
為了適應大數據背景下生物信息學的教學形勢，針對目前教學中存在的問題，作者結合自己的教學實踐，建議從以下5個方面改進和提高生物信息學教學。
（一）合理設置基礎課，強化基礎理論
生物信息學是一門交叉性很強的學科，以復雜而強大的理論體系作為支撐，所涉及的內容包括計算機編程、信息檢索以及數據庫技術等。為了讓學生學好生物信息學這門課程，各院校可以合理設置生物信息學的專業基礎課，將生物信息學課程定位在大三或者大四年級學生，在大一、大二年級做好高等數學、數據庫原理以及Perl語言等與之相關課程的教學工作，這些學生在掌握了一些與生物信息學相關的基礎理論知識后，其對生物信息學的學習能力和理解能力才會有較大的提高。此外，學校要鼓勵學生了解國內外有關大數據和生物信息學技術的發展趨勢，并推薦有代表性且通俗易懂的文章和書籍，以強化學生的基礎理論體系，為生物信息學的學習提供必要的知識儲備
（二）培養大數據意識，加強對大數據分析的科學素養
生命科學研究已經進入到大數據時代，生物大數據的挖掘已經在農林科學、醫學等領域產生巨大的效益，所以我們要培養學生樹立大數據思維意識，全面認識生物大數據帶來的機遇和挑戰。生物信息學以生物數據為對象展開分析，它同時具備具體性和抽象性的特點。具體性是指以數據為對象挖掘出的生物學知識是客觀存在的，其對生物學規律的解釋性較強；抽象性是針對生物信息學中的理論和方法而言的，一般要求學生具有一定的生物信息學專業基礎。在進行生物信息學教學時，要激發學生的學習興趣，逐漸培養學生的大數據意識，規范學生對大數據分析的基本方法。可以通過實例，讓學生參與到具體的生物信息學分析中去，以便理解生物信息學數據分析的基本操作流程，并在業余時間開展生物大數據在農業和醫藥行業成功應用的案例調查，以便激發學生利用生物信息學手段分析大數據的熱情。
（三）優化教材內容，精心安排教學內容
鑒于目前生物信息學發展速度快，而國內外相關教材的更新速度較慢，所以要求在生物信息學教材的選取方面要下大力氣，并且在授課時整合各個教材的優點。一般在生物信息學授課中整合以下三本書的內容：David W. Mount編寫的《Bioinformatics Sequence and Genome Analysis》、李霞主編的《生物信息學》以及陳銘編寫的《生物信息學》。
在教學過程中，為了使學生在有限的課堂教學時間內掌握生物信息學課程的主要內容，首先要優化課程教學體系，統籌安排教學內容，在生物信息授課中要抓住以下兩條主線：序列―結構―功能―進化；基因組―轉錄組―蛋白組―相互作用組―代謝組，多組學貫穿。同時針對不同專業的特點與人才培養目標要求，合理分配各章節的教學課時，做到突出與專業密切相關的內容重點精講。如在生物技術專業中，增加課時講授分子藥物設計章節，不僅要讓學生了解生物信息學與分子藥物設計的關系，而且要讓學生掌握計算機輔助藥物設計的理論方法以及軟件操作。因此，以生物信息學教學內容的兩條主線為依托，緊密圍繞各專業的培養目標，做到理論聯系實際，構建的教學體系和教學內容既能讓學生掌握學科的知識理論體系，又有利于培養學生理解、分析、運用學科知識解決實際問題的能力。
（四）合理選用教學方法，提高教學效果
實踐表明，不同的教學內容采用不同的教學方法授課可以收到良好的教學效果。為實現生物信息學課堂教學目標，完成相應的教學任務，教師要根據每堂課的教學內容，采用合適的教學方法，調動學生學習的積極性和主動性，提高課堂教學效果。可以從解決問題的角度出發進行理論教學。在理論課教學中，如果仍沿用傳統的灌輸式教學模式，肯定達不到預期的教學效果。課堂教學還可以根據需要，適時融入案例教學、問卷調查、多媒體展示、影片教學等方法，提高實際教學效果，培養學生的綜合素質和創新思考能力。
上機實習注重發揮學生的主觀能動性。生物信息學是一門實踐性很強的課程，上機實習是教學的重要環節，它不但能夠幫助學生更好地理解理論課所學知識，而且能夠提高學生運用生物信息學的理論和方法解決實際問題的能力，對培養學生獨立思考能力、觀察能力、動手能力起著重要作用，更是培養學生創新能力的重要途徑。
（五）理論和實踐相結合，注重考核的靈活化
生物信息學是一門融合了多個學科的實踐性很強的課程，對應的考核方式應該與其他專業課程有所區別，其最終的成績不應該只以理論課考試的成績為準。理論知識的考核注重學生對生物信息學基本概念、分析流程和主要分析算法的掌握情況，主要以試卷考核的方式為主，采用統一考核方式和評判標準。對于上機技能的考核，主要強調的是學生對不同類型數據進行分析時應掌握的相關軟件使用技能的考查，也應納入到學生的成績考核中，我們認為理論考試占70分、實習成績占30分是一個好的評價方式。
五、結束語
大數據背景下對生物信息學的教學提出了新的更高的要求。本文針對《生物信息學》教學中存在的問題，結合自己的教學經歷對改進生物信息學教學和方法進行了一些探討。本文認為要做好大數據時代的生物信息學教學，要從強化基礎理論、培養大數據意識、精心設計教學內容、創新教學方法和改革考核評價體系等五個方面來開展和抓好生物信息學教學。
參考文獻：
第2篇：對生物信息學的理解范文
摘要：為培養醫學院校生物科學和生物技術專業學生的生物信息學基礎知識的掌握和軟件的應用能力，結合近年該課程的教育教學改革實踐，不斷探索科學完善的教學體系和教學模式。從教學內容、教學方式和實踐能力培養等幾個方面進行了探索與實踐。使學生在生物大數據時代，具備初步的生物信息學分析技能和實踐操作能力。
關鍵詞：生物信息學；生物科學；生物技術；教學模式改革
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）26-0145-02
一、開設生物信息學課程的必要性
生物信息學學科發展迅速，不斷與其他學科相互滲透，而醫學院校生物科學和生物技術專業的學生主要從事生命科學相關的研發和技術，涉及生物、醫藥、食品、環境、農業等領域。掌握生物信息學這門工具，為今后走上工作崗位，提供新的研究手段和途徑是十分必要的。因此，在醫學院校部分專業（如生物科學，生物技術等）開設生物信息學必選課程具有重要意義。
二、目前存在的問題
1.教學內容陳舊和教學資源缺乏。我國高等院校開設生物信息學時間相對較晚，在教材選擇中首先調研了其他院校和目前出版的教材內容情況。發現大部分生物信息學教材都包括生物大分子（核酸和蛋白質）的信息資源，基因組分析信息資源，數據庫搜索軟件，核酸序列分析和多序列比對等軟件的核心內容，除了共性的章節外，不同的教材內容和重點各不相同。但是生物信息學發展迅速，除了基礎內容外，大部分內容都在快速地更新，比如引物設計軟件的使用等。而目前，生物信息學教學資源較匱乏，完善的生物信息學課程的教學大綱、教案、教學視頻、多媒體課件和習題等教學資源稀少。
2.課程內容與教學課時不匹配，教學進程安排不夠合理。首先，由于生物信息學是一門多學科交叉的綜合性學科，生物信息學課程學習前需要理解和掌握一些生命科學相關知識背景，如基因組學、蛋白質組學、生物化學、分子生物學和遺傳學等，深刻理解一些生物學基本概念，如基因序列、蛋白質序列、非編碼區、啟動子等，并初步了解一些重要的生物學數據庫。因此，講解透徹該門課程需要教師在課堂上花費一定的時間介紹相關背景知識。然而由于醫學院校學生課程門類眾多，客觀條件決定無法為生物信息學安排足夠多的課時。目前我校教學大綱規定的授課僅為20學時，學時少與教學內容多的矛盾就顯得非常突出。教師需要在有限的教學時數下灌輸大量內容，因此無法深入講解每個章節的內容，增加了學生學習的難度，降低了教學質量。
其次，教學進程安排不夠合理。以我校生物技術專業學生為例，本科二年級第一學期學習生物信息學課程。此階段學生雖然學習了一年多的專業基礎理論知識，但是專業基礎知識較為薄弱，同時實驗設計等相關實踐較少，缺乏對實驗細節的理解與實驗設計的整體把握。而生物信息學課程是一門實踐性學科，所以有必要在生物信息學課程的教學中滲透實驗設計的理念，課程學習中靈活運用專業基礎知識，達到學生的專業基礎知識與生物信息學的知識與不脫節，從而激發學生學習熱情。
3.教學模式單一，理論與實踐教學脫節。對于醫學院校生物科學和生物技術專業的學生，本課程培養的主要目標是：如何在現有數據庫中查找想要的信息，如何通過在線程序或利用現有的分析軟件，處理相關數據，解決生物學問題。學生需要通過親身實踐，才能熟練掌握生物信息學的數據庫、分析方法、軟件。但是很多醫學院校教學條件有限，沒有相應的計算機實訓室，配套軟件也相對匱乏，教師在授課過程中根據課件照本宣科，并不能結合具體實例邊講解邊示范操作，同時，多數高校開設的生物信息學課程以理論教學為主，缺乏實踐教學課時。然而，生物信息學的學習，如數據庫的檢索與使用、序列比對分析軟件的應用、引物設計軟件的應用等都需要學生在實踐課中進行驗證或操作，理論知識與實踐環節脫節嚴重，從而影響了學生對課程的理解和掌握。
三、生物信息學教學模式改革探索
1.修改理論教學大綱，精選教學內容。由于生物信息學內容繁多，應針對不同專業特點精心挑選授課內容，在有限的課時中讓學生學到最基本且重要的生物信息學理論知識。目前我們選用的是浙江大學出版社第一版的生物信息學，結合生物科學和生物技術兩個專業的特點，本教學團隊編寫了教學大綱，對教材內容進行了更新和優化，將重點集中于應用性較強的生物信息學實踐分析技能和離線單機版生物信息學軟件的使用上，具體內容包括核酸及蛋白序列數據庫、序列的相似性搜索、序列比對、系統進化樹的構建以及蛋白質的結構與預測和引物設計等基本內容。同時考慮生物信息學學科的前沿性和交叉性，我們又增加了蛋白質組學和非編碼RNA，基因芯片、qPCR、深度測序等操作原理及流程預測等內容。為了適應生物信息學快速發展的要求，擴大學生的知識面，推薦了包括DavidW .Mount編寫的《Bioinformatics Sequence and Genome Analysis》和國家“十一五”規劃教材李霞主編的生物信息學等幾種不同類型的參考教材供同學課外閱讀。
2.創新教學方式，推行靈活多樣的教學模式。生物信息學的課程學習和軟件使用與網絡的使用緊密相關，一方面，為克服學生多，無法使每位學生實時進行電腦操作的弊端，我們利用能夠接收無線網絡信號的設備，實現上課時教室內有網絡，這樣在授課過程中就可以實時在線帶領學生進行生物信息學分析，如稻菘獠檠、序列提交過程、蛋白質結構域分析、蛋白理化性質及結構預測等重要內容，通過實時演示連貫教學內容，讓學生得到了更加直觀的實踐體驗，加深了對各種分析方法的學習和理解[1]。另一方面，由于課程學時（僅20學時）的限制，學生們不可能完全依賴課堂時間很好的掌握該課程，除了采取集中授課方式之外，本團隊利用搭建的“分子生物學”省級精品資源共享課程網絡平臺，開辟了“生物信息學”專欄，提供相關文獻、相關分析軟件及其使用步驟等信息；并聘請校內外相關領域專家開展專題講座，組織相關領域青年教師開展專題研討等形式，從而加深學生對課程內容的理解。
3.緊密聯系科研，開展基于實踐的問題式教學。針對生物信息學課程的特點，打破應試考核方式，本教學團隊注重理論結合實踐的問題式教學方式引導。一方面，各專業課程中增加實踐教學課程比例，根據生命科學的發展，不斷充實實踐教學內容，增加綜合性、設計性實驗，從而將生物信息學技術滲入日常教學環節中；另一方面，面向全校招募相關領域青年教師，鼓勵并指導學生參與青年教師科研項目，并積極申報國家級和省級大學生科研項目。目前創新性實驗和探索性實驗全面覆蓋生物科學和生物技術專業全體學生，學生在解決科研問題時逐步學會運用生物信息學知識，如文獻查閱、目的基因序列的獲取、基因序列的分析方法等，提高了學生生物信息學知識和技術的實踐能力和理論理解力。
四、結語
生物信息學是生命科學領域研究的重要的工具和載體[2]，針對生物信息學課程的特點，醫學院校生物信息課程的改革可進一步加強理論教學的系統性、規范性和針對性，提高學生對生物信息學知識的應用能力。在課程體系建設基礎上，大膽嘗試新的教學方法和手段，突出醫學特色，培養適用于現代精準醫療的創新型生物學專業人才。
參考文獻：
第3篇：對生物信息學的理解范文
關鍵詞：生物技術;生物信息學;教學;實踐
中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）47-0123-02
生物信息學（Bioinformatics）是在生命科學的研究中，以計算機為工具對生物信息進行儲存、檢索和分析的科學，是一門新興的交叉學科。生物信息學針對生物學問題，發展各種算法及軟件，對迅速增長的浩如煙海的核酸和蛋白質序列進行收集、整理、儲存、、加工等，目的在于通過生物信息學手段及分析，逐步認識生命的起源、進化、遺傳和發育的本質，破譯隱藏在DNA序列中的遺傳語言，揭示生物體生理和病理過程的分子基礎，為探索生命的奧秘提供合理和最有效的方法或途徑[1]。作為當今生命科學和自然科學領域發展最為迅速的學科之一，生物信息學已成為介于生物學和計算機科學前沿的重要學科。實驗室的每一項技術，從簡單的克隆、PCR到基因數據分析都需要在計算機上應用生物信息學的方法進行處理。因此，對生物技術專業的學生而言，具備一定程度的理解和應用生物信息學方法和技術的能力是十分必要的。
目前，國內外許多高等院校相繼開設了生物信息學課程，我校也于2007年針對生物技術專業學生開設了此門課程。該課程不僅是一門新興的學科，而且學習難度大，理論課內容相對枯燥，如何讓學生更好地掌握本門課程的內容，是教師在教學過程中值得深思的問題。實驗教學是幫助學生理解抽象理論知識的有力手段，在教學中顯得尤為重要，但由于開設專業的特殊性，生物信息學實驗教學一直比較薄弱。本文對過去實驗教學中存在的問題進行了分析，并針對問題結合《基因工程原理》課程以及自己的科研對教學內容進行了優化和教學方法上的改進，取得了一定的成效。
一、過去教學中存在的問題
（一）實驗課教學學時偏少
生物技術專業五年制生物信息學課程總學時為72學時，其中理論48學時，實驗24學時。生物信息學課程最主要的目標是培養學生通過在線程序或利用生物信息學軟件來分析生物學問題的能力，有效解決學生實驗學時不足，實際操作時間少，解決實際問題能力較弱的問題。
（二）與其他課程聯系較少
生物信息學課程開設在生物技術專業教學進程的第6學期，此時學生已具備普通生物學、細胞生物學、分子生物學、生物化學、醫學免疫學、遺傳學、基因組學、基因工程原理等生命科學的基礎知識。但是，在生物信息學理論課和實踐課學習的內容，如查閱的文獻、分析的目的則由授課教師自行指定，忽略了與其他課程的聯系，不利于學生系統地學習專業課的知識。
二、教學體系的改革和完善
（一）增加實驗課教學學時
從2012年起，我校生物技術專業由五年制調整為四年制，同時在修訂教學進程的時候將學時調整為理論36學時，實驗36學時，理論課結束后即為該內容的實踐部分，以此增加學生的實踐訓練時間。
（二）將基因工程原理實驗課程與生物信息學實踐相聯系
在基因工程原理的實驗中，我們把家蠅防御素基因作為目的基因，主要設計的實驗內容包括：（1）目的基因的獲得：利用PCR技術擴增已經克隆到pMD-18T載體上的家蠅防御素基因;（2）pSK質粒載體的小量制備;（3）目的基因與載體的酶切;（4）目的基因與載體的連接;（5）大腸桿菌感受態細胞的制備;（6）重組質粒的轉化;（7）重組子的藍白斑篩選;（8）菌落PCR鑒定重組子[2]。
在學生對基因工程實驗內容熟悉的基礎上，我們在生物信息學的教學過程中對學生提出問題：家蠅防御素基因現有的研究現狀是怎樣的？PCR擴增目的基因的過程中引物該如何設計？獲得陽性重組子后我們如何判斷獲得的插入序列就是目的基因呢？
針對這樣的疑問，我們結合基因工程實驗對教學內容進行適當的調整：（1）PUBMED獲取文獻信息：由學生通過PUBMED查找近五年發表的有關家蠅防御素基因研究的文獻;（2）核酸序列分析：以家蠅防御素基因為對象，分核酸序列的檢索、搜索開放閱讀框（ORF）、限制性酶切分析、引物設計、載體序列識別、核酸序列的比對、分子質量/堿基組成/堿基分布分析和序列轉換共8大部分內容進行講解和學生實踐操作;（3）蛋白質序列分析：同樣以家蠅防御素蛋白為對象，分蛋白質序列檢索、蛋白質序列比對、蛋白質基本性質分析（蛋白質的氨基酸組成、分子量、等電點、親疏水性分析、跨膜區分析、信號肽分析）、蛋白質功能預測、蛋白質結構預測（蛋白質二級結構和三級結構預測）共5大部分內容進行講解和指導學生進行實踐操作。
（三）以科研促進生物信息學的教學改革
筆者所在課程組主要集中于功能基因組學的研究，涉及了功能基因的獲取、生物信息學分析、功能驗證等方面的內容。學生在課程學習中，參與到教師的科研課題中，學會運用生物信息學所學知識實際解決科研問題。學生可自行完成從文獻的查閱、目的序列的獲取（由公共數據庫獲得或實驗室測序獲得）、基因序列的分析、理論推導氨基酸序列基本性質的分析及結構和功能的預測、系統發育分析，如有可能，學生可通過實驗的方法驗證生物信息學分析的結果，同時鼓勵學生自主選擇感興趣的基因、蛋白進行課程設計研究，實踐結束后學生將結果以論文形式提交給教師。
三、教學探索的成效
生物信息學是一門實踐性很強的學科，實驗教學作為培養學生的重要手段，在該門課程學習中有著舉足輕重的作用。在醫學院校生物技術專業生物信息學課程的教學中，立足于生物醫學視角的實踐教學，以與醫學相關的基因、蛋白質等數據作為研究的主體，結合基因工程實驗教學改革生物信息學的授課內容，有利于學生對專業課程知識的系統學習。同時，結合生物信息學研究前沿和自主科研課題成果，形成科研教學相融合的實踐性教學，能夠充分調動學生學習的主動性和積極性，進而激發學生的求知欲和創新能力。教學與科研形成相輔相成的互助關系，科研成果轉化為教學資源，明顯充實了教學內容，提升了教學水平和學生能力。在教學改革探索過程中，已有學生參與到課題組的科研工作中，利用所學的生物信息學知識，通過指定題目或自主選題，順利完成畢業實習并發表了科研論文《印鼠客蚤線粒體COⅡ基因的克隆、序列測定和分子系統學分析》[3]、《美洲大蠊i型溶菌酶基因的克隆及其功能預測》[4]、《致倦庫蚊防御素基因的克隆與原核表達及蛋白純化》[5]、《德國小蠊致敏原Blag 2的Glu 233突變的分子對接研究》[6]、《伏馬菌素B1特異單鏈抗體的同源建模及分子對接模擬研究》[7]等，證明生物信息學課程教學改革切實可行。
參考文獻：
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[5]王S，王吉平，張春林，等.致倦庫蚊防御素基因的克隆與原核表達及蛋白純化[J].動物醫學進展，2012，33（11）：45-50.
第4篇：對生物信息學的理解范文
關鍵詞：微課；探究式教學；生物信息學
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）28-0127-02
隨著網絡技術、信息技術和移動終端的快速發展，我們已進入“微信”、“微博”、“微電影”和“微課”的“微時代”。“微課”是指在5～10分鐘的時間內，以視頻為主要載體，記錄教師在教學過程中圍繞某個知識點而開展的可視化、數字化的教學活動。由于微課可以通過智能手機、平板電腦等多種移動終端來制作、展現和學習交流，它已經被越來越多的學生和教師接受。探究式教學是適應高等教育改革和發展的必然趨勢，如何在教學中更好地實施探究式教學，是目前生物信息學探究式教學模式在實踐環節面臨的重要問題。本文就如何在生物信息學探究性教學實踐中應用“微課”教學手段提高探究性教學效果進行了探討。
一、探究性教學是生物信息學教學的發展方向
探究式教學模式是指學生在教師的指導下，根據自身先前認知結構中的相關經驗，通過體驗、發現、探索、協作等方式主動獲取知識、解決問題的一種教學模式。區別于以教師為中心、以知識掌握為本、以知識結構為驅動的傳統教學，探究性教學以學生為中心，以能力發展為本，以問題或任務為驅動開展教學活動。
1.探究性教學是生物信息學教學改革的必然趨勢。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010―2020年）》指出，要“遵循教育規律和人才成長規律，深化教育教學改革，創新教育教學方法，探索多種培養方式，形成各類人才輩出、拔尖創新人才不斷涌現的局面”。同時，《國家中長期生物技術人才發展規劃（2010―2020年）》指出，我國生物技術的開發應用總體水平與世界先進水平還有較大差距，在支撐我國生物產業發展的過程中缺乏高層次創新型人才和優秀創業型人才，需要增加人才資源開發投入，完善人才發展體制。綜合上述兩個綱要可以看出，未來迫切需要具有創新能力和素質的生物專業人才，而創新人才培養的關鍵在教育。所以，以“自主、探究、合作”為主要特點的探究式教學，符合國家教育教學改革和生物人才的發展規劃，是生物信息學教學改革的必然趨勢。
2.探究性教學模式適于生物信息學交叉學科的教學。生物信息學是由生物學與數學、計算機科學等學科交叉形成的前沿學科，主要通過研發并應用計算機技術及數學與統計方法，對生物數據進行管理、整合、分析、建模，從而解決重要的生物學問題，闡明新的生物學規律，獲得傳統生物學手段無法獲得的創新發現。生物信息學人才培養的主要目標是具有創新能力和素質的生物信息學專業人才，這就要求在生物信息學實踐中，當提出某一生物學問題時，可以借鑒和利用不同學科的思路和方法去探究。只要有利于揭示生物學規律的結果都可以保留，而不必拘泥于不同探究結果的同一性。這與探究性教學中以培養學生的能力發展為目標是一致的。
二、生物信息學探究性教學中存在的主要問題
目前生物信息學探究性教學應用于教學實踐的時間不長，雖然取得了一定的成果，但在實踐環節還存在以下主要問題。
1.學生的基礎知識不扎實，導致探究性教學效果不好。生物信息學是生物、數學與計算機等學科形成的交叉學科，在進行探究性的教學過程中，涉及到數學與計算機方面的知識和技術比較多，而生物背景的學生在這方面的知識比較欠缺或者不強，所以在探究性問題的自主探究時，表現出參與的興趣不高、設計的方案較為單一、小組協作的效率較低等實際問題，從而導致探究性教學效果不好。
2.學生的動手實踐和創新能力不強，導致探究性教學沒有落到實處。在按照自主設計的探究方案進行上機實踐時，大部分學生的自主設計方案不能在上機時間內完成。除過設計較為復雜的情況外，大部分原因是由于學生自身對計算機的linux操作系統、perl編程語言以及相關的操作技術不熟造成的，有些細節在他們的自主設計中沒有考慮到，所以總會碰到很多超乎其想象的問題。本來這些問題在課外時間學生可以繼續解決，但由于學生的學習科目很多，上機沒有完成的內容很少有學生在課外繼續探究，導致探究性的上機實踐活動沒有落到實處。
3.教師的授課時間和水平限制，導致探究性教學的教師導向作用不明顯。教師能否提出啟發性的，適于進行探究性的問題是探究性教學能否取得成功的關鍵所在。但是由于課時和教學內容的限制，很多提出的問題還是以教師為中心，學生沿著教師的思路向統一的結果或者答案靠攏，學生并沒有根據自身的知識結構從多種途徑進行探索。
三、微課為生物信息學探究性教學的有效實施提供了新的思路和方法
微課是指以視頻為主要載體，記錄教師圍繞某個知識點或教學環節開展的簡短、完整的教學活動。其核心組成內容包括微教學視頻以及與該教學主題相關的微教案、微課件、微練習、微反思、微點評、微反饋等輔教學資源。
微課的特點有三點：首先微課短小精悍，通過多媒體和網絡技術進行教學內容傳播，有利于學生利用碎片化時間進行學習；其次，微課的教學容量小，主題突出，內容獨立精練，有利于學生查缺補漏，各取所需，能夠實現教與學的個性化選擇。最后，微課的時間一般很短，通常限制在5～10分鐘之間。
為在短時間內達到良好的學習效果，微課常采用問題式的、案例化的教學方法，微課有助于激發學習者的學習興趣，啟迪學習者進行思考，這與探究式教學模式所主張的體驗式學習、自主學習的思想是一致的。所以在探究性教學中可以使用微課。另外，微課有很大的靈活性，可以針對生物信息學探究性教學中的某一具體問題進行微課授課，微課為生物信息學探究性教學的有效實施提供了新的思路和方法。
四、微課在生物信息學探究性教學實踐中的應用
按照生物信息學探究性教學的主要環節，微課可以分為課前預習類、課堂教學類、課后復習和拓展類。下面結合案例談談微課在生物信息學探究性教學實踐中的應用。
1.微課在課前預習中的應用。生物信息學探究性教學授課內容大多涉及一些數理統計和計算機知識，然而對于生物背景的大學生在這方面基礎較弱。所以，教師可以根據學生學習新知識所需的數理知識設計制作具有針對性的微課，讓學生在預習新課時根據自己的實際情況選擇性地觀看微課，為后續新課的探究性學習打好基礎。例如在講到序列對數據庫的檢索（Blast）一節內容時，可以將Blast一節授課內容中用到的正態分布、極值分布、統計學p值的顯著性檢驗等知識做成微課，供學生在課前預習。
2.微課在課堂教學中的應用。在生物信息學探究性教學的課堂教學實踐中，教師應該積極去引導和促進學生進行探究，過多使用微課的形式可能會讓學生失去探究的動力，形成對微課的依賴，所以在利用微課進行教學時，教學內容應該有所選擇，應該主要針對教學中的重點和難點內容制作微課，并上傳到相應的課程學習網站上，以便學生在課堂學習外，還可以利用課外時間進行觀看和探究。例如在講到“序列對數據庫的檢索（Blast）”一節內容時，在課堂教學中可以利用微課探究不同核酸或者蛋白打分矩陣的選擇對blast結果的影響，或者探究不同的E值對blast結果的影響。
3.微課在課后拓展中的應用。由于學生自身的知識結構和理解能力的差異，他們對同一知識和操作的理解和掌握程度會有所不同，而課堂教學不可能針對每一個學生進行探究式教學，因此，教師可以根據課堂教學的實施狀況和學生的實際能力，將具有拓展性的學習輔助材料（教學視頻、輔文檔等）設計制作成微課程，以滿足學有余力的學生利用課外時間繼續進行探究性學習。例如“序列對數據庫的檢索（Blast）”一節課的教學結束后，可以在課后拓展內容中利用微課引入近年發生的“中東呼吸綜合征（MERS）”，然后引導學生利用blast工具探究引起“中東呼吸綜合征”的冠狀病毒（MERS-CoV）序列特征，并分析其進化趨勢。
五、結語
在生物信息學探究性教學實踐過程中運用微課，有助于學生自主學習和創新能力的培養，不僅提高了探究性教學在課堂中的教學效果，而且可以使學生的探究性學習延伸到課外。微課作為一種新型的教學技術，隨著其在生物信息學探究性教學實踐中的廣泛應用，必將促進生物信息學教學的改革和學生創新能力的發展。
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第5篇：對生物信息學的理解范文
[關鍵詞]生物信息學；案例教學；生物類專業
[中圖分類號]G64 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-6432（2014）48-0179-03
生物信息學是一門交叉科學，它包含了生物信息的獲取、處理、存儲、、分析和解釋等在內的所有方面，綜合運用生物學、數學、計算機科學等方法，闡述和理解數據所包含的生物學意義。作為21世紀生命科學領域發展最為迅速的學科之一，生物信息學已成為介于生物學和計算機科學前沿的重要學科。實驗室的每一項技術，從簡單的克隆、PCR到基因數據分析都需要在計算機上進行處理。因此對生物學專業的學生而言，具有一定程度的理解和應用生物信息學技術的能力是十分必要的。而課程是為培養目標服務的。這就要求教師在有限的授課時間內，使學生不僅掌握基本的理論知識，緊跟科研的最新進展，而且在今后的科研工作中能學以致用。
1 理論與實踐相結合的教學手段
根據當今生物信息學的發展方向，教師結合理論教學內容增加綜合性、開放性實驗，使學生循序漸進地理解和掌握生物信息學的原理和方法，進而運用合適的生物信息學工具解決問題。本文以兩個案例解析這一教學過程。一是信息的簡單檢索。在獲取生物信息的同時，理解數據庫概念、動態規劃和bootstrap等算法；二是高通量測序的數據分析。在實現大規模數據處理和分析的同時，掌握統計分析基礎知識。
1.1 生物信息的簡單檢索
近一二十年，生物學數據，尤其是序列數據，以指數級的方式增長。以GenBank的核酸數據庫為例，每12～20個月數據就翻一番，略高于Moore定律提供的參考數值。如何從這些海量數據中獲取想要的信息，已成為生物學專業學生必須掌握的技能之一。而如何正確獲取和應用信息，則需要了解數據是如何被存儲、解析，以及背后隱藏的算法。因此圍繞正確挖掘數據信息這一主題，設計以下案例，通過4步展開教和學。
1.1.1 講解
基于大數據教師引申出數據庫存儲信息的概念。而后分類介紹常用的基因組數據庫、核酸序列數據庫、蛋白質序列數據庫、蛋白質結構數據庫以及各種常用復合數據庫。
1.1.2 演示
了解上述常用的數據庫之后，教師實例演示數據庫檢索。通過逐層提出問題，誘導學生思考如何利用上述不同的數據庫資源，一步一步挖掘所需的信息。例如，被測序的片段是哪個基因？該基因編碼的蛋白質序列是什么？是否有保守的功能結構域？在亞細胞的什么位置發揮什么功能？可能的三級結構？和哪些蛋白或RNA存在可能的相互作用？它在進化中又是如何演變的？
1.1.3 實踐
讓學生上機操作上述實例，體驗各個數據庫的側重點，并理解不同軟件不同參數的意義或差別。比如GenBank和Swissprot的側重點，PAM-n和BLOSUM-n的選取。
1.1.4 成文
引導學生形成可重復計算的科學文檔。對每一個案例，教師展示常規性的文件組織形式：/data，/analysis，/scripts，/reference等。寫說明文檔的時候，要求學生記錄每一個分析步驟的所有細節：數據庫的網址、軟件的名稱、版本、輸入的文件、精確的運行參數、結果的提取等。
通過這樣的案例教學模式，一是較好地將知識點融合串聯到教師講授和學生上機操作中。二是使學生不僅熟悉各種常見的數據庫，而且理解數據庫中各個軟件及其參數的意義，遇到實際問題也不再束手無策。而教師也可以充分參與到學生的學習中，對學生上機操作過程中出現的一些主要理論與技能問題了如指掌。通過教―學―練―教―練，達到學以致用的教學目的。三是培養學生創建較好的文檔及其組織形式，形成科學研究的可重復性（replication）和可復現性（reproducibility）。不僅有利于追溯前因，而且對代碼的復用，以及對結果應用于新項目都非常必要。
1.2 高通量測序數據的分析
隨著高通量測序技術的興起，大量物種的全基因組數據、轉錄組數據和其他類型數據被測定完成或正在進行中，每天都有成千上萬的數據被源源不斷地輸入相應的生物信息庫中。這些大規模數據的不斷產出，使得生物學專業學生掌握高通量數據分析技術已成為一種趨勢。因此，教師有必要將這部分內容由理論講授過渡到上機操作。
1.2.1 介紹
教師以DNA測序技術發展為主線，理論介紹De Novo測序、ChIP-seq測序、RNA-seq測序、Methyl-seq測序等。并通過拍攝的錄像，向學生直觀地展示不同的測序儀及其特點。
1.2.2 演示
教師對整個分析過程進行詳細的闡述并實時上機演示（下圖）。以轉錄組RNA-seq為例，包括測序質量的評估（堿基組成和堿基質量分析）、clean reads的篩選、利用TopHat/Bowtie將篩選出來的reads比對到參考轉錄本、統計reads在參考基因上的分布情況及覆蓋度，判斷比對結果是否通過第二次質控、通過cuffmerge將重復測序得到的reads形成一致性轉錄本、基因結構優化、基因覆蓋度統計、使用cuffdiff篩選差異表達基因和鑒別可變剪切體、對結果基因進行聚類分析、GO和pathway富集性分析。
1.2.3 實踐
讓學生分組討論并上機實現上述數據分析流程。掌握基本的Linux命令、統計計算和可視化分析。
1.2.4 成文
引導學生形成規范化文檔和腳本，以便回溯和可重復性使用。
高通量數據分析不僅涉及的知識點多，而且需要在Linux下進行簡單的操作和軟件的使用。對生物學專業的學生來說，容易造成心理上的抗拒。教師可以采用“分而食之”的策略：將教學內容分成相對獨立完整又有一定聯系的幾個部分（下圖）。對于每部分內容，教師利用已講解的相關知識給學生實時演示，并給出教師自己的理解和結果。然后把學生分組，讓他們根據自己的理解，帶著興趣和疑問上機實踐。并在上機操作過程中，鼓勵學生之間、學生與教師之間及時討論交流。最后讓學生將所有內容串聯起來，介紹本組的實驗內容及解決辦法。通過這種方式能較明顯地消除心理顧慮，有助于學生獨立思考，獨立解決問題。
“RNA-seq數據分析”案例教學流程圖
2 以能力測試為中心的考核方式
對于生物學專業的學生而言，生物信息學是一門實踐性很強的學科。因此，教師采用以“能力測試”為中心，知識與技能考核并重的考核方式。以上述兩個案例為例，在期末考試中，教師將NCBI GEO中“（RNA-seq[Title]）AND “Mus musculus”[porgn：__txid10090]”722個實驗數據，隨機分配給每個學生。要求每個學生對分配到的RNA-seq數據進行差異表達分析，聚類分析和富集性分析。并選擇合適的基因，分析其保守的功能結構域、亞細胞定位以及可能的蛋白質結構和功能、可能結合的轉錄因子、相互作用的蛋白質網絡和信號通路、構建相應的系統進化樹。
學生對上述每一個小題從“知識點”、“參考資料”、“使用軟件或工具”、“參數”、“腳本”、“結果”分別答題，不僅非常有效地明確所學的內容，而且很好地杜絕了作弊行為。
3 教學效果
為了解案例教學的效果，本課程案例教改活動向2011級生物科學和免疫學專業學生QQ群發放電子問卷，共收回82份答卷，統計結果如下表所示。從表中可以看出，案例教學模式使學生有較強的參與感，能較好地提高學生的學習興趣，學生對理論問題的認識更為深刻。
4 結 論
案例教學基于具體的事例，將一系列的知識點有機地串聯起來，并通過實例操作達到學以致用的目的。從學生反饋意見可以看出，這種理論與實踐結合的教學模式，很好地提高了學生的學習興趣。考慮到有限的授課時間和不同學生的學習背景，作為教師需要設計合適的案例，從而達到較好的教學效果。一般可以遵循以下原則。
4.1 具有代表性
所選的案例既要經典又要緊跟科學前沿。比如第一個案例所蘊含的數據庫檢索、序列比對和系統進化樹的構建，在生物信息學中，屬于較經典且核心的知識點。而第二個案例選擇的對象則與當前的科研熱點緊密聯系。
4.2 具有偏向性
生物信息學本身是個交叉學科，涉及的知識點相對較多。面對生物類專業背景的學生，我們側重生物信息學方法或者工具（軟件）的應用，而不是強調算法。比如第一個案例中系統進化樹的構建，我們只是以5條8bp長的序列為例講解最小進化法和鄰接法、最大簡約法、最大似然法以及貝葉斯推斷，重點在于強調不同的數據適合采用上述哪些方法以及如何用Mega等軟件實現系統進化樹的構建。
4.3 先后案例有層次性
比如第一個案例中，學生掌握了Windows下的序列比對。對于第二個案例中Linux下的Bowtie就容易理解并操作。
4.4 具有拓展性
比如第一個案例中，在Windows的DOS下進行批量序列比對時，不同的參數設置，輸出不同的數據格式。第二個案例中，Bowtie最多允許3個錯配，如果允許更多的錯配數，則可以采用SOAPaligner/ SOAP2實現。學生可以根據自己的興趣和能力，選擇拓展性內容進行繼續學習。
4.5 良好的成文習慣
引導學生養成良好的文檔組織和書寫習慣。每一個案例，都要求學生形成可重復性和可復現性的文檔，對于整理分析思路、核實結果、重復使用代碼都起到事半功倍的效果。
生物信息學是現代生物科學研究的重要工具和載體。如何有效正確地應用生物信息學，是每一個生物實驗者需要具備的能力。教師應緊跟學科發展的速度，圍繞學以致用的原則，將案例教學科學地、和諧地應用到教學實踐中，不僅使學生掌握一定的理論知識，從而正確地應用軟件工具，而且逐漸培養學生自我分析和解決問題的能力。
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第6篇：對生物信息學的理解范文
關鍵詞:Java教學;案例驅動;生物信息學專業;醫科院校
中圖分類號:G642 文獻標識碼:B
1引言
隨著生物信息學研究的飛速發展,帶來了對開源、可重復利用和面向對象的程序包和軟件的迫切需求。Java作為面向對象編程語言工具,在生物信息學的研究中具有廣泛的應用。目前,學界已經針對生物信息學中的各種問題,開發了很多基于Java的軟件工具,比如BioJava、Cytoscape等等。BioJava是用于分析和表示生物序列(如DNA、RNA和蛋白質)的基礎庫;Cytoscape是用于繪制和分析各種生物學網絡,基于Cytoscape的插件已達數百種,針對各種類型的網絡給出更有針對性的分析。此外,美國國立生物技術信息中心NCBI[4]作為生物信息學領域最權威和廣泛使用的平臺也提供了相應的Java API。這些都說明Java是從事生物信息學研究的強有力的工具。
在醫科院校生物信息專業開設Java課程,特別是在完成生物信息相關專業基礎課程后,學生通過學習Java課程,會使學生掌握從事生物信息研究的平臺工具,從而更好的完成理論學習到實踐環節的跨越。為了講授好Java語言這門課程,我們對醫科院校生物信息專業本科生的特點進行了深入的分析,并在我們的教學實踐中注重與科研實踐相結合,注重課程之間相銜接,注重課內課外相促進,寓學于做,以練帶學,取得了較好的教學效果。
2由淺入深,注重課程聯系,增強學生學習興趣
作為一名醫科院校生物信息專業的學生,要求既要有良好的數理基礎與計算機應用知識,又要有較為系統扎實的生物信息學理論基礎,學習廣泛的課程,涉及數學、物理、計算機、生物等多個學科。計算機只是作為生物信息學學習和研究的應用工具,醫科生不可能進行計算機專業的系統學習。因此,醫科生普遍對自己的編程能力缺乏信心。針對這樣的情況,我們在教學實踐時會用一些生動有趣,并且幾句簡單的代碼就能實現的功能,先把復雜的問題簡單化,隨著課程的不斷推進,學生慢慢入門,再把簡單的問題逐漸復雜化,讓學生認識到編程語言不僅精妙深刻,而且博大精深,程序也可以編寫的很美妙,這的確是可以終其一生去不斷研究和探索的深刻學問。這樣就使學生產生自己繼續鉆研下去的興趣。
要增強學生學習的興趣和動力,提升本課程在整個課程體系中的地位和作用也是十分重要的,因此在授課過程中我們非常注重與其他課程的銜接和聯系,結合其他課程,設計案例。比如,此門Java課程與計算機圖形學在同一學期開課,用applet實現分形幾何中的繪圖算法,即增強了Java的教學效果,又加深學生對圖形學理論的理解。此外,之前開設過的數據庫原理,如果在Java的教學中引入數據庫的連接和數據庫操作,豈不知新而溫故。
3案例驅動,結合科研實際,提升課堂教學效果
在教學中,我們采用案例驅動的教學方法,每一部分的理論知識,都要配以相應的案例講解來幫助學生消化和理解理論知識。教師講解的案例都是代碼級別的,定義規范,流程清楚,可讀性強,具備參考價值,這樣可以促使學生養成良好的編程習慣。另外,教師以多媒體手段演示代碼的編制調試過程,使學生對編程環境更加熟悉,能夠靈活運用跟蹤、斷點等調試手段,使學生能夠置身于程序開發的氛圍中,而不是被動的接受。
為了讓學生更深刻的了解Java在生物信息領域研究中的實際應用,我們在教學中所使用的實例大部分來源于生物信息學科研實踐中遇到的具體問題,把對這些實際的生物信息學問題的解決方案轉化為課堂教學的生動案例,讓學生看得到這些編程技術的實際作用,在學習中慢慢滲透和培養學生的科研能力。生物信息學是現代的前沿學科,很多畢業生將來可能會繼續從事相關的科研工作,因此這方面的培養是非常必要的。如表1所示,我們列舉了部分具體的教學內容及相應采用的實例。
表1教學內容與教學案例
教學內容 典型案例
Java基礎知識 基因類和蛋白類的定義;實現基因DNA序列向蛋白氨基酸序列的轉化算法。
Java與文件操作 實現多種分析軟件的輸入、輸出數據格式的轉換,主要用到BufferedReader、BufferedWriter、FileReader、FileWriter等類。
Java Applet 根據用戶提供的轉錄因子集合,動態繪制這些轉錄因子所參與的基因轉錄調控網絡圖;用applet實現分形集合中的繪圖算法。
Java與Servlet 簡單實現多物種的轉錄因子和靶基因注釋系統,即根據用戶輸入的轉錄因子或靶基因列表和選擇的物種信息,以表單形式返回相對應的靶基因或轉錄因子信息。
Java與數據庫 通過連接數據庫,查詢得到轉錄因子與靶基因間的對應關系,以及添加、修改和刪除數據庫中的轉錄因子與靶基因間的對應關系數據。
Java與網絡 現有的基于Web的轉錄因子結合位點預測工具Match只支持單個序列的輸入,不支持批量預測,通過網絡編程利用Match工具實現轉錄因子結合位點的批量預測。
4以練帶學,鼓勵自主學習,培養實踐創新能力
師傅領進門,修行靠個人。授課的目的是為了讓學生牢牢掌握Java這門工具,要熟練掌握語言工具,動手聯系往往比單純的理論學習來得更重要。在課堂上教師通過對典型案例的講授,教給了學生解決某些具體問題的方法,激發了學生渴望親自動手實踐的熱情,他們愿意通過自己的努力來制作一份豐富的“大餐”。通過布置課程大作業,使其作為課程考試的一部分,這樣就可以培養學生學以致用的能力。
課外大作業涉及了較為完整的軟件開發過程,包括前期的系統設計,到后期的程序歸檔,以及幫助文檔的編寫和制作,通過這個流程讓學生了解Java軟件開發的全過程,積累了一定的軟件開發經驗。為激發大家的積極性,我們不限制題目內容,大家可以根據自己的興趣,自己選題,以下列舉學生的一些課程大作業的題目:分形樹,Koch雪花,Flamboyent皇冠等計算圖形學中分形幾何圖形的實現;讀心術、拼寫練習、圍棋對弈等游戲的制作;計算器、日常事務管理器等工具軟件的實現;還有分析基因序列特征、繪制蛋白互作網絡圖、批量預測轉錄調控關系等等的生物信息學軟件。其中基本涵蓋了上課時所講授的大部分相關技術,我們對用到每種技術的使用頻率進行了統計。如圖1所示。
教為不教是我們教學的一個重要目的,培養學生自主學習的能力是學生培養創新實踐能力的基本要求。在進行課程大作業的實踐中,我們鼓勵學生運用各種信息資源(如網絡、書籍)來解決問題,利用搜索工具求解,通過專業論壇向其他編程愛好者請教,共同探討來解決困難等等;我們提倡學生使用JDK幫助文檔來查閱各種Java類的用法,而不是死記硬背,允許學習和利用他人已經編好的程序,
就像搭積木一樣,逐漸累積起自己的知識體系,通過消化吸收他人的解題思想,通過查閱資料來解決自己的課程設計問題,培養學生舉一反三的能力。
圖1學生在課程實踐中應用到的Java技術
5小結
為了提升Java課程的教學效果,在授課過程中我們對教學方法做了很多的探索和實踐,緊緊圍繞學生學習興趣、課堂教學效果、創新實踐能力培養這幾個環節開展教學研究與教學實踐,同時也很好的把握住了Java這門工具性語言實踐性強以及在醫科院校生物信息學專業應用目標明確的特點,從科研實踐中提取大量案例融入課堂教學,并通過課外大作業進一步鞏固學生所學理論,培養學生學以致用能力,取得了較好的教學效果,可以為同行提供一些借鑒。
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第7篇：對生物信息學的理解范文
【關鍵詞】計算機應用；人工智能；生物信息學；數據挖掘技術
【中圖分類號】TP391
【文獻標識碼】A
【文章編號】1672—5158（2012）10-0078-01
一、生物信息數據庫的現狀及問題
在生物信息學的發展過程中，逐步建立起了大量基于網絡的生物數據庫，而且開發了眾多檢索工具，從而實現了生物信息數據的智能處理和綜合分析。生物信息數據在具有增長迅猛、更新及時、種類繁多等特點的同時，更表現出高度的復雜性、多樣性和不一致性。
隨著生物信息數據量的激增以及數據處理能力的復雜程度不斷提高，現有的生物信息數據庫已經逐漸暴露出許多問題。三大核酸數據庫依靠傳統方式交換數據，無法及時反應出其他專用生物信息數據庫的變化情況以及非核酸類數據信息。網上所提供的大部分數據分析工具采用面向問題的搜索方法，搜索效率隨著問題規模的擴大而降低，并且無法智能地對數據中存在的未知知識進行發掘。為此，在后基因組時代，需要將數據倉庫思想及智能數據挖掘技術運用到生物信息學領域中。
二、基于生物信息數據倉庫的數據挖掘技術
（一） 生物信息數據庫中的算法工具
在生物信息學中，基因比對是最常用和最經典的研究手段。在核酸序列或蛋白質序列之間進行兩兩比對，比較兩個序列之間的相似區域和保守性位點，尋找二者的相似形、同源性，進而探尋可能的分子進化關系，揭示序列中蘊涵的結構、功能等信息。數據挖掘主要存在以下幾種經典分析模式：關聯模式分析、序列模式分析、分類分析、聚類分析，其中關聯模式分析應用最為廣泛。
（二） OLAP和數據挖掘技術
傳統的針對數據庫的開發工具多為聯機事物處理模式，它主要是面向具體的查詢和統計，有著較為具體的應用目的。然而隨著越來越多數據庫的出現，數據量的迅猛增長，OLTP在數據資源的充分利用、為用戶提供有效支持和幫助等方面，則顯得力不從心。因此，基于數據倉庫的聯機分析處理以及數據挖掘引起了日益廣泛的關注和應用。OLAP是一種自上而下、不斷深入的分析工具。用戶提出問題或假設，OLAP則負責從上而下深入地提取出關于該問題的詳細信息，并以可視化的方式呈現給用戶。DM是一種決策支持過程和挖掘性工具，它主要基于人工智能、機器學習、統計學等技術，高度自動化地對原始數據進行分析，發現隱藏在數據中的模式，做出歸納性和預測性的推理。
（三） 基于生物信息數據倉庫的數據挖掘技術
實現數據挖掘的前提條件是必須具有海量數據，而這恰恰是數據倉庫的基本特點之一，二者緊密結合可以有效解決大量應用中出現的問題。在生物信息學領域，使用數據挖掘技術可以大幅提高研究人員的工作效率，改變原有的預測法；數據挖掘算法還可以結合生物信息專業領域的公式算法，根據研究人員的設想，對數據進行全面高效的分析。
基于數據挖掘等技術發展起來的智能決策技術具備了在生物信息學領域中大展身手的天賦，特別是基于海量數據的數據挖掘和開采技術更具有廣泛的需求和應用背景。另一方面，目前生物信息學的研究方法和發展情況，已經形成了較為完善的智能決策系統，成為數據倉庫和數據開采較為成功的應用案例。另外，現有各種生物信息應用分析軟件從一定程度上講，已經反映并且實現了數據倉庫及數據挖掘的思想和技術。
三、實現生物信息異地多源數據庫的綜合利用
（一） 建立基于Web的生物信息數據倉庫
基于現有的生物信息數據庫，運用數據倉庫思想，利用OLAP和數據挖掘技術，建立生物信息數據倉庫，是一種不需要大幅增加硬件設備以及物理裝置的前提下，實現基于Web平臺的生物信息集成與處理平臺的可行方案。設計一個基于Web的生物信息數據倉庫，其主要結構由五部分組成：外部數據源；基于Web的數據調度、傳輸；數據的變形整合；元數據規則、元數據管理；基于Web的綜合管理平臺。
DWBW以DDBJ／EMBI／GeneBank作為主要數據源，同時以其他主要的生物信息數據庫作為整個數據倉庫的基本數據源。通過分析數據庫結構和數據結構類型，建立DWBW的元數據規則。這樣，基于上述各種數據庫就可以建立起一個基于Web的虛擬數據倉庫，由于不存在一個物理上位于某地的存儲中心來保存這些數據，用戶面對的只是基于網絡的分布式虛擬的數據倉庫。其模型、算法的運行由專用的分析工具服務器來完成，而對于數據的調用和整理都是在源數據庫上進行的，根據不同用戶提交問題的不同，具體分析過程則由分配服務器交給服務器去完成分析，只是最終將結果返回請求分類服務器，顯示給用戶。
DWBW將通過統一的基于Web的頁面與用戶進行交互，在后臺則主要由請求分類服務器、Web服務器及專用分析工具服務器共同完成對問題的提交和分析，實現對數據倉庫元數據規則的理解，然后根據分類的結果，與相關分析工具進行匹配，將問題提交到相應的分析工具服務器進行處理。處理完成后返回給請求分類服務器，進而返回給提交問題的用戶。
（二） DWBW的關鍵技術
生物信息學元數據的抽取。數據的整理和抽取，是開發所有數據倉庫時所遇到的最難解決也是最具挑戰性的問題之一。將不同時期生成的大量歷史數據中的數據結構、字段的定義以及對象之間的關系等一系列的描述信息整理出來，并制定一套通用可行的規范，本身就是一個工作量巨大、難度極高的問題。因此，數據倉庫元數據的抽取整理，成為建立DWBW的關鍵問題。數據抽取、清洗、轉換和裝載過程與一般數據倉庫建立過程中的數據整理不完全相同，其數據具有規范性強，存儲結構相對簡單，轉換、裝載容易等特點。
虛擬生物信息數據倉庫的建立。虛擬生物信息數據倉庫實現對生物信息平臺相關數據的組織和集成，并且將不同主題的數據對象分別存儲到各個數據集市中，同時還將建立起部分有價值數據的在線OLAP數據庫。虛擬數據倉庫采用中間件充當數據中心，提供信息的訪問接口，對存貯在不同數據源的生物信息數據進行存取操作。由于虛擬生物信息數據倉庫一般不是針對實時數據進行分析統計，所以對于時間效率的要求不如一般查詢統計那么高，這就確保了開發處于不同物理位置數據源的虛擬DWBW具有可行性。同時，對于一般性的查詢比對等基本操作，不會影響其工作效率和準確性。
基于Web面向用戶的綜合平臺的開發設計。此平臺主要提供一個用戶操作的平臺，除了集成基因比對、功能預測、序列分析、基因提交等傳統的操作以外，還允許用戶對虛擬數據倉庫中的數據運用數據挖掘技術，提供更多的分析支持工具。
第8篇：對生物信息學的理解范文
關鍵詞：生物工程；專業外語；教學改革
中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2016）26-0027-02
DOI：10.16657/ki.issn1673-9132.2016.26.016
當前，大學本科生物工程專業就業較為困難，反映出學生專業學習過程與社會需求之間的矛盾，課程設置、教學內容、教學模式、考核方式等均不同程度地與社會發展不相適應。其中尤其需要對生物工程專業外語課程的教學模式和內容進行改革，以契合一般市屬高校應用型人才培養目標的要求，切實體現有區別的、個性化的教學理念。
一、生物工程專業外語的教學目的
生物專業英語是面向生物工程專業高年級本科生開設的限選課程，本課程教學內容主要涉及普通生物、微生物學、遺傳學、分子生物學等領域的專業基礎知識。通過本課程，向學生介紹如何撰寫科技論文、投稿等方面的知識，幫助已有一定英語基礎的學生提高其閱讀、翻譯專業英語的能力，目的是擴大學生專業英語的詞匯量和閱讀量，讓學生掌握專業英語書刊的閱讀技巧，了解文獻檢索及科技論文的文體特點和寫作方法，從而為學術論文的閱讀寫作打下堅實的基礎。
二、常規生物工程專業外語的教學模式
（一）課程設置
多數高校生物工程專業在大三第二學期或大四第一學期開設專業外語課程，一般為每周2學時。貴陽學院生物與環境工程學院生物工程專業該門課程安排在第四學年的第一學期，學時數36學時，屬于專業選修課。這時學生已經完成基礎外語和所有生物工程專業基礎課以及基因工程、分子生物學、遺傳學、發酵工程等專業課的學習，其實已經學習了很多生物學的專業外語詞。此時，開設生物工程專業外語課可以幫助學生強化和復習以前其他專業課中接觸過的專業詞匯，進一步加深理解。
（二）教材
各高校生物工程專業外語的教材也各不相同，有的高校采用了姜巨全主編、化學工業出版社出版的高等教育“十二五”國家級規劃教材――《生物專業英語》作為教材，有的農林高校采用了蕭浪濤主編、中國農業出版社出版的《生物學專業英語》，該書是全國高等農林院校十二五規劃教材。目前，最新的教材是科學出版社出版的《農業與生物科學專業英語》，該書是譚萬忠、王進軍教授對專業英語課程長期教學經驗與教學成果的總結，其內容和編排都比較新穎。由于生物學發展迅猛，日新月異，教材的更新遠遠滯后于新技術、新方法、新理念和新詞匯的產生速度。有的學校采用任課教師自編講義作為教材，如選用SCI期刊中發表的重要學術論文，或者摘錄和提煉英文生物學相關專業書籍的內容等。這些教學內容往往比較生僻，通用性弱，尤其是基礎較差的學生學習起來比較困難，不好掌握。因此，亟待編寫實用性、可讀性和通用性強的生物學專業外語教程，以適應新的教學要求。
（三）課程考核
多數高校專業外語課程屬于專業選修課的范疇，通常以考查形成完全課程考核，因此很多學生對這門課程不夠重視，甚至完全不當回事。不同高校生物學專業外語的考查方式不盡相同，有的采用開卷答題，有的課程論文翻譯，有的還以PPT回報的方式考查，相對隨意和簡單的考查方式，使得很多學生忽略了該門課程的學習。因此，很有必要研究一套系統的有針對性的生物學專業外語教學內容，并制訂出適用于不同基礎、不同層次學生的考核標準，逐步規范生物學專業外語的教學和考核過程，實現因材施教，科學考評。
三、生物工程專業外語教學模式的創新
教學模式的創新關鍵是要根據教學對象的特點，基于學生的學習基礎，認識能力以及可接受的教學方式，進行有針對性的啟發和引導。大學的教育重點不是知識本身，而是如何獲取知識、甄別知識以及運用知識進行創新、創造。因此，筆者認為生物工程專業外語教學模式創新應該從教學手段以及課程內容兩方面入手。
（一）靈活多樣的教學手段
隨著手機APP應用時代的到來，學生成為“低頭族”的主要群體，因此開發具有一定趣味性和探索性的生物學專業外語學習的手機應用軟件，適應新時代學生的學習特質，將有助于提高學生的學習興趣，吸引學生主動學習專業外語。在網絡時代，各種微課程教學資源越來越豐富，但如何根據每個學生的特點進行個性化教學依然比較困難，學校可以嘗試建立由生物專業教師與基礎英語教師聯合教學的在線平臺，讓生物學專業教師發揮生物專業教學的優勢，基礎英語教師發揮英語語言教學的優勢，相互配合，互為補充。這樣，不僅學生的選擇面更廣，也可以兼顧到不同學生的特點，實現了網絡平臺的差異化教學。通過靈活多樣的教學手段和方式提高學生對專業外語的學習興趣，擴展學生學習的時間和空間，在潛移默化中逐步提高了他們的專業外語水平。
（二）專業外語與其他相關課程的整合
大學生物工程專業通常都開設有文獻閱讀與檢索、科技論文寫作、生物信息學等課程，這些課程一般學時較短，教學內容比較單一，重點培養學生查閱專業文獻、專業數據庫，運用數據或模型分析軟件，撰寫學位論文的基本知識和技能。其實這些課程之間并非孤立，它們之間有著緊密的聯系。學生只有具備一定的專業外語知識和查閱文獻及運用生物信息學軟件的能力，能夠在做好實驗后完成學術論文撰寫才算合格，才不枉費大學四年的學習。基于此，筆者建議將文獻閱讀與檢索、科技論文寫作、生物信息學等課程與專業外語課程相整合，即在教授文獻檢索的方法、科技論文寫作的技巧、生物信息學軟件應用當中滲透專業外語教學，讓專業外語的教學不再孤立和抽象，從而與具體的知識運用和技能培養相結合，提煉和精簡其他課程的教學內容，使其更好地與專業外語教學相關結合。
實踐證明，通過整合相關課程，精簡學習內容，突出重點，壓縮專業綜合學時，能給學生更多自由空間，實現自主學習，同時還可以增強學生對這些知識的綜合認知力和理解力。
四、展望
當前有關生物專業英語教學改革與探討的論文雖然較多，但多數關注教學技巧提高①、教學內容革新②、教學手段創新③等方面，少有關注教學內容與生產實踐相脫節，知識水平與應用不相適應等問題。教學的目的是培養社會所需要的人才，人才培養的目標是運用所學知識進行創新、創造，并解決實際問題。今后在生物工程專業外語教學中，我們應更多關注如何培養和提高學生綜合運用知識的能力和水平，提高他們的綜合素養，讓他們真正學有所用，用之有道。
注釋：
① 王娟. 生物科學專業生物專業英語課程教學改革探討[J].安徽農業科學， 2011，39（18）：11339-11340.
第9篇：對生物信息學的理解范文
信息、生物、新材料三大前沿領域
信息、生物、新材料是21世紀前30年發展最快、最熱門的三大領域，它們集結了當今世界最強勢的研究力量。但在這些關系未來發展的關鍵領域中，我國許多核心技術仍依賴追蹤、模仿和引進國外技術，原始創新能力明顯不足。
從更寬的視野來看，不僅僅是這三個領域的發展需要高揚“自主創新”的信心與勇氣。實際上，整個中國科技正面臨著前所未有的發展壓力：對外要適應國際科技競爭的緊迫形勢，對內要滿足經濟社會發展進程中的重大戰略性需求。而原始創新能力和技術創新能力的薄弱，已成為當前和未來相當長時期內影響我國整體競爭力的極大障礙。
面向未來15年的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》即將，科技部等有關部門正在著手制定科技“十一五規劃”——關于中國科技“未來”的探討與關注，在最近一年多來達到了前所未有的程度。就是在這樣帶著幾分焦灼、幾分期待、幾分信心的探討氛圍中，“自主創新”成為人們關于中國科技發展的共識。
帶著這個共識，再來看中國科技發展面臨的“壓力”，在很大程度上已經變成了未來發展的重大機遇。未來10年，中國在這三大領域中最有可能實現自主創新的關鍵技術群究竟有哪些？有限的科技經費究竟應當投入到哪些突破口？
下一代移動通信技術
移動通信是人類社會發展中的一大奇跡。2004年12月，全球（蜂窩）移動通信用戶總數已達17億以上，超過已有百年發展歷史的固定通信用戶數。過去10年，移動通信技術完成了由第一代模擬通信技術向第二代數字通信技術的過渡，當前正處于由其巔峰狀態向第三代（3G）移動通信技術過渡的進程中。
目前，世界發達國家紛紛投入力量進行第三代及下一代移動通信標準、技術和產品的開發。
——3G移動通信：國際電信聯盟（ITU－T ）批準為3G 的三大標準分別是歐洲的WCDMA，美國高通公司的CDMA2000和中國大唐電信的TD－SCDMA。3G已在全球30多個國家開始商用。
——增強型3G（Enhanced 3G）：為了克服3G 技術不能很好支持流媒體等業務的不足，國際電信聯盟已在制定增強型3G技術標準。專家預測，增強型3G技術將進入商用。
——4G（或Beyond 3G）：下一代移動通信即所謂超3G（以下統稱Beyond 3G）技術的研究是國際上的熱點。Beyond 3G具有更高的速率與更好的頻譜利用率。 歐盟、日本、韓國等國家已開始4G框架的研究，預期Beyond 3G技術可望在2010年后開始商用。
中國移動用戶總數已達3.34億，居世界第一，總體技術水平與國際同步，處于由第二代向第三代的過渡時期。我國3G移動通信技術已經具備了實現產業化的能力，我國大唐電信2000年5月提出的TD－SCDMA標準已成為國際電信聯盟正式采納的三大標準之一。此外，在國家“863”計劃的支持下，開展了Beyond 3G技術的研究，預期該技術可望在2010年后開始商用。
Beyond 3G技術對我國經濟社會發展和國防建設具有十分重要的意義。 德爾菲專家調查統計結果顯示，我國研發水平比領先國家落后5年左右， 通過自主開發或聯合開發，在未來5年可能形成自主知識產權。以華為、 中興為代表的一批高技術通信設備制造業公司，在第三代移動通信設備（3G）等研發方面緊跟國際前沿，打破了國外公司對高技術通信設備的壟斷，開始參與國際通信標準的制定，開發具有自主知識產權的核心技術，具備了參與國際競爭的能力，具備實現技術和產業跨越式發展的契機。
中國下一代網絡體系
下一代網絡（NGN）泛指以IP為核心，同時可以支持語音、 數據和多媒體業務的因特網、移動通信網絡和固定電話通信網絡的融合網絡。
世界各國和國際通信標準化組織都在積極開展下一代網絡的研究開發工作。國際電信聯盟電信標準化部門（ITU－T）、歐洲電信標準化協會（ETSI）、互聯網工程任務組（IETF）、第三代伙伴組織計劃（3GPP）等，都在致力于下一代網絡體系的研究。目前，美國、日本、韓國、新加坡以及歐盟都已啟動了下一代互聯網研究計劃，全面開展各項核心技術的研究和開發。
我國在下一代網絡的研究方面已取得了較大進展。“九五”期間，863計劃建成了“中國高速信息示范網”（CAINONET）、國家自然科學基金委支持的“中國高速互連研究試驗網NSFCNET”等重大項目，目前已開始基于NGN的軟交換技術在移動和多媒體通信中的應用研究。中興、華為等企業還推出了基于軟交換的NGN解決方案；在下一代互聯網研究上，中興、港灣網絡等推出的高端路由交換機，可應用于國家骨干IP網絡建設，以及大中型寬帶IP城域網核心骨干和匯聚。國內公司還開始自行設計高端分組交換定制ASIC芯片。我國已成為少數幾個能夠提供全系列數據通信設備的國家之一。
下一代網絡技術對促進我國高新技術的發展，以及對改造和提升我國傳統產業具有舉足輕重的作用，對國家安全至關重要。從總體上看，我國互聯網技術跟隨國外發展，在技術選擇上缺乏系統研究，走過一些彎路，至今與國外仍存在較大差距。無論網絡用戶規模、網絡應用、網絡技術或網絡產品都尚有很大的發展空間。從全局著眼，應不失時機地開展中國下一代網絡體系的研究、應用試驗、關鍵技術研究和產品開發。不能像第一代互聯網那樣，技術、標準都是外國的，給國家安全造成隱患。
納米級芯片技術
當前，集成電路的發展仍遵循“摩爾定律”，即其集成度和產品性能每18個月增加一倍，按照器件特征尺寸縮小、硅片尺寸增加、芯片集成度提高和設計技術優化的途徑繼續發展。
自上世紀90年代以來， 全球集成電路制造技術升級換代速度加快。 當前國際上CMOS集成電路大規模生產的主流技術是130nm， 英特爾等部分技術先進的芯片制造公司已在用90nm進行高性能芯片生產。2005年，美國AMD公司已開始量產90nm的高性能芯片，國際上對65nm技術的開發也已成功。伴隨130nm到90nm技術的升級， 考慮到擴大生產規模和降低成本，大多數公司將使用12英寸替代8英寸硅基片， 這也必將帶來半導體設備的大量更新。
近年來我國一些先進集成電路制造公司的崛起，使國內集成電路制造工藝技術與國際先進水平的差距有了顯著的縮小，但整體水平仍與先進國家相差2～3代。目前，我國集成電路設計公司年設計能力已超過500種，主流設計水平達到180nm，130nm技術正在開發中，90nm技術的研發也開始著手進行。從產業發展看，我國集成電路已初步形成由十多家芯片生產骨干企業、十多家重點封裝廠、二十多家初具規模的設計公司、若干家關鍵材料及專用設備儀器制造廠組成的產業群體，設計、芯片制造、封裝三業并舉的蓬勃發展態勢。以中科院計算所為代表的研究機構和企業在CPU研發方面所取得的新進展，標志著我國集成電路設計具有較強能力，與國際先進水平的差距進一步縮小。目前我國芯片業大多集中在低端的交通、通信、銀行、信息管理、石油、勞動保障、身份識別、防偽等領域，IC卡芯片所占比重一直占據芯片總體市場的20％左右。
世界第一顆0.13微米工藝TD－SCDMA 3G手機核心芯片10月9日在重慶問世
今后的IC是納米制造技術的時代，而納米級芯片技術是我國趕超國際的關鍵，它的成功將會是我國IC工業發展史上的重要里程碑和持續發展的動力，專家認為應優先發展。
中文信息處理技術
包括漢字和少數民族文字在內的中文信息處理技術，是漢語言學和計算機科學技術的融合，是一門與語言學、計算機科學、心理學、數學、控制論、信息論、聲學、自動化技術等多種學科相聯系的邊緣交叉性學科。
隨著互聯網的發展，中文信息處理技術已滲透到社會生活的各個方面。1994年，微軟開始進入中文軟件市場，微軟的WORD把國產WPS擠出了市場，繼而Windows中文版又把國產中文之星擠垮。微軟憑借其強大的優勢地位，使國產的中文信息處理軟件舉步維艱。中文版的Windows、Office等占據了大部分的中文軟件市場，使中文信息處理逐漸喪失了其特殊地位。
經過二三十年的努力，我國的中文信息處理，包括中文的編碼、字型、輸入、顯示、輸出等的基本處理技術已經實用化，目前正在逐漸擺脫“字處理”階段，處于向更高級階段快速發展的時期。包括中文的文字識別機和手寫文字識別、語音合成、語音識別、語言理解和智能接口等技術的研究已獲得進展。中文的全文檢索、內容管理、智能搜索、中文和其他文字之間的機器翻譯等技術也正在開發、研制，并取得了較大進展，涌現了聯想、方正、四通、漢王、華建等公司。
隨著中國加入WTO與世界各國交流的逐漸擴大以及網絡信息時代的來臨， 中文信息處理技術越發顯得重要，其自動化水平的提高，將大大促進我國科技、國民經濟和社會發展，同時使中華民族的文化在信息時代得到新的發展。未來無疑應當加強中文信息處理技術的研發投入與政策傾斜。
人類功能基因組學研究
20世紀末啟動的人類基因組計劃被公認為生命科學發展史上的里程碑，其規模和意義超過了曼哈頓原子彈計劃和阿波羅登月計劃。隨著人類基因組、水稻基因組以及其他重要微生物等50多種生物基因組全序列測定工作的完成，國際基因組研究進入到功能基因組學新階段。
功能基因組學已成為21世紀國際研究的前沿，代表基因分析的新階段。它是利用結構基因組所提供的信息和產物，發展和應用新的實驗手段，通過在基因組或系統水平上全面分析基因的功能，使生物學研究從對單一基因或蛋白質的研究轉向多個基因或蛋白質同時進行系統的研究，是在基因組靜態的堿基序列弄清楚之后轉入對基因組動態的生物學功能學研究。從1997年迄今已發表的有關功能基因組學的論文數以千計，其中不少發表在《細胞》《自然》《科學》等國際著名刊物上。
目前功能基因組研究的重點集中在四個方面：一是基因測序技術研究。預計今后幾年內，測序技術將繼續發展，特別是有一些重要的改進將直接用于功能基因組的研究；二是單核苷多態性（SNP）以及在此基礎上建立的SNP單體型研究；三是基因組有序表達的規律研究。主要包括基因的深入鑒定、基因表達與轉錄組研究、蛋白和蛋白質組研究、代謝網絡和代謝分子研究、基因表達調控研究等；四是計算生物學和系統生物學研究。
近幾年來，在國家“863”計劃、國家重大科技專項等的資助下，我國功能基因組學研究取得了一系列進展。中華民族占世界人口的1／5，有豐富的遺傳疾病家系資源，這是我國發展功能基因組研究的有利因素。“十五”期間，我國參與國際蛋白質組計劃、國際人類基因組單體型圖計劃，高質量按時完成了項目中所承擔的21號染色體區域的任務，建立并完善了中華民族基因組和重要疾病相關基因SNPs及其單倍型的數據庫的建設，在國際一流雜志上發表了一批高水平學術論文，申報了一批國家專利，收集、保存了一批寶貴的遺傳資源，并初步建立了遺傳資源收集網絡和資源信息庫的采集管理系統，組建了一批國家級基地，培養了一支隊伍，建立了一批技術平臺。但總體而言，我國在功能基因組研究及應用方面的原始創新成果數量較少，還不能為醫藥生物技術產業的發展提供足夠的知識和產品。
未來研究重點包括：
——功能基因組研究。重點開展植物功能基因組研究、人類功能基因組研究和重要病原微生物及特殊微生物功能基因組研究；
——蛋白質組學研究。蛋白質組學是一個新生領域，目前還處于初期發展階段，仍有許多困難有待克服。我國應選擇具有特色的領域開展研究；
——生物信息技術。我國的研究重點應集中在生物信息數據庫的構建、生物信息的開發、加工、利用及生物信息并行處理方面；
——生物芯片技術及產品。通過微加工技術和微電子技術在固體芯片表面構建的微型生物化學分析系統，以實現對細胞、蛋白質、DNA以及其他生物組分的準確、快速、大信息量的檢測。常用的生物芯片包括基因芯片、蛋白質芯片、生化反應芯片和樣品制備芯片等。生物芯片的主要特點是高通量、微型化和自動化。我國生物芯片研究緊跟國際前沿，它將對我國生命科學研究、醫學診斷、新藥篩選具有革命性的推動作用，也將對我國人口素質、農業發展、環境保護等作出巨大的貢獻。
專家認為，我國人類功能基因組學研究的研發水平比領先國家落后5年左右， 若能高度重視，充分利用我國已有的技術和資源優勢，未來10年我國可能實現人類功能基因組學研究的跨越發展。
蛋白質組學研究
隨著被譽為解讀人類生命“天書”的人類基因組計劃的成功實施，生命科學的戰略重點轉移到以闡明人類基因組整體功能為目標的功能基因組學上。蛋白質作為生命活動的“執行者”，自然成為新的研究焦點。以研究一種細胞、組織或完整生物體所擁有的全套蛋白質為特征的蛋白質組學自然就成為功能基因組學中的“中流砥柱”，構成了功能基因組學研究的戰略制高點。
目前蛋白質組學的主要內容是建立和發展蛋白質組研究技術方法，進行蛋白質組分析。為了保證分析過程的精確性和重復性，大規模樣品處理機器人也被應用到該領域。整個研究過程包括樣品處理、蛋白質的分離、蛋白質豐度分析、蛋白質鑒定等步驟。
附圖
自1995年蛋白質組一詞問世到現在，蛋白質組學研究得到了突飛猛進的發展。我國的蛋白質組研究也在迅速開展，并取得了許多有意義的成果，中國科學家已經在重大疾病如肝癌，比較蛋白質組學的研究等方面取得了重要成就，在“973 ”計劃的資助下，我國已經開始了二維電泳蛋白組分離研究、圖像分析技術和蛋白質組鑒定質譜技術研究等。
如何抓住國際上蛋白質組學研究剛剛啟動的時機，迅速地進入到蛋白質組學研究的國際前沿，是擺在我國生命科學研究發展方向上的一個重要課題。
目前我國在該領域的研發基礎較好，只比先進國家落后5年左右。 蛋白質組學屬科學前沿，專家建議結合我國現行的基因組研究及其他有我國特色或優勢的領域開展研究，不要重復或追隨國際已有的工作，而應走自己的路，未來10年內有可能取得重大科學突破。
生物制藥技術
生物制藥被稱為生物技術的“第一次浪潮”，其誘人前景引起了全世界各國政府、科技界、企業界的高度關注。
在過去的30年間，全球生物技術取得了令人矚目的成就。據美國著名咨詢機構安永公司2004年和2005年發表的第十八和第十九次全球生物技術年度報告分析，2003年全球生物技術產業營收達410億美元。目前已有190余種生物技術產品獲準上市，激發起投資者對生物技術股與融資的興趣。
近20年來，我國醫藥生物技術產業取得了長足的進步，據《中國生物技術發展報告2004》統計，我國已有25種基因工程藥物和基因工程疫苗，具有自主知識產權的上市藥物達9種，重組人ω－干擾素噴鼻劑2003年4月獲得國家臨床研究批文，可用于較大規模高危人群的預防。但總體上與世界先進水平相比還存在很大的差距，醫藥生物技術產品的銷售收入僅占醫藥工業總銷售額的7.5％左右。
為加快我國生物制藥技術的發展，今后的研究開發重點是：
——生物技術藥物（包括疫苗）及制備技術。圍繞危害人民健康的神經系統、免疫系統、內分泌系統和腫瘤等重大疾病和疑難病癥的防治與診斷，應用基因工程、細胞工程、發酵工程和酶工程等技術，開發單克隆抗體、基因工程藥物、反義藥物、基因治療藥物、可溶性蛋白質藥物和基因工程疫苗，拓寬醫藥新產品領域；
——高通量篩選技術。目前，國外許多制藥公司已把高通量篩選作為發現先導化合物的主要手段。典型的高通量篩選模式為每次篩選1000個化合物，而超高通量篩選可每天篩選10萬多個化合物。隨著分析容量的增大，分析檢測技術、液體處理及自動化、連續流動以及信息處理將成為未來高通量篩選技術研究的重點；
——天然藥物原料制備。目前，已經發現人類患有3萬多種疾病，其中1／3靠對癥治療，極少數人能夠治愈，而大多數人缺乏有效的治療藥物。以往多用合成藥物，隨著科技的進步，人們自我保健意識增強，對天然藥物的追求與日俱增。當前世界各國都在加強天然藥物的研發。
生物信息學研究
在生命科學的研究中，以計算機為工具對生物信息進行儲存、檢索和分析，對基因組研究相關生物信息獲取、加工、儲存、分配、分析和解釋——上世紀80年代一經產生，生物信息學就得到了迅猛發展。其研究一方面是對海量數據的收集、整理與服務；另一方面是利用這些數據，從中發現新的規律。
具體地講，生物信息學是把基因組DNA序列信息分析作為源頭， 找到基因組序列中代表蛋白質和RNA基因的編碼區；同時， 闡明基因組中大量存在的非編碼區的信息實質，破譯隱藏在DNA序列中的遺傳語言規律；在此基礎上，歸納、 整理與基因組遺傳信息釋放及其調控相關的轉錄譜和蛋白質譜的數據，從而認識代謝、發育、分化、進化的規律。另外生物信息學還利用基因組中編碼區的信息進行蛋白質空間結構的模擬和蛋白質功能的預測，并將此類信息與生物體和生命過程的生理生化信息相結合，闡明其分子機理，最終進行蛋白質、核酸的分子設計、藥物設計和個體化的醫療保健設計。
生物信息學的發展已經將基因組信息學、蛋白質的結構計算與模擬以及藥物設計有機地連接在一起，它將導致生物學、物理學、數學、計算機科學等多種科學文化的融合，造就一批新的交叉學科。
科學家們普遍相信，本世紀最初的若干年是人類基因組研究取得輝煌成果的時代，也是生物信息學蓬勃發展的時代。據預測，到2005年生物信息的全球市場價值將達到400億美元。
我國生物信息學研究起步較早。20世紀80年代末，國內學者就在《自然》上報道了免疫球蛋白基因超家族計算機分析的工作。目前，多家大學和研究機構也相繼成立了生物信息中心或研究所，各種原始數據庫、鏡像數據庫和二級數據庫也已經逐步建立，同時我國還建立了相關的工作站和網絡服務器，實現了與國際主要基因組數據庫及研究中心的網絡連接，開發了用于核酸、蛋白結構、功能分析的計算工具以及蛋白質三維結構預測、并行化的高通量基因拼接和基于群論方法開發的基因預測等多種軟件。中國學者還運用自主開發的電腦克隆程序，開展了大規模EST 數據分析，建立了一系列基因組序列分析新算法和新技術，并在國內外著名科學雜志上發表了一系列論文，取得了引人注目的進展，尤其在人類基因組基因數目的預測上獲得了與目前的實驗事實相當吻合的結果，在國際上獲得普遍認可。
農作物新品種培育技術
最近幾年，農業生物技術的發展對農業產業結構調整產生的巨大影響，已引起各國政府和科學家的高度重視。農業生物技術領域研究中最活躍的是育種技術——應用現代分子生物學和細胞生物學技術進行品種改良，創造更加適合人類需要的新物種，獲得高產、優質、抗病蟲害新品種。這使得新品種層出不窮，品種在農業增產中的貢獻率將由現在的30％提高到50％。國際水稻研究所已經培育出每公頃7500公斤的超級水稻，非洲培育出增產10倍的超級木薯。
我國該領域的基礎研究和高技術研究取得了一批創新成果：如植物轉基因技術、細胞培育技術、秈稻的全基因組測序、花粉管通道轉基因方法等，使研制具有自主知識產權的轉基因農作物新品種成為現實和可能。目前，已培育出畝產達到807.4公斤的超級雜交稻；2004年轉基因抗蟲棉的種植面積已占全國棉花種植面積的50％左右；利用細胞工程技術培育的抗白粉病、赤霉病和黃矮病等小麥新品種已累計推廣1100多萬畝；植物組織培養和快繁脫毒技術在馬鈴薯、甘蔗、花卉生產中發揮了重要的作用。
專家認為，我國農作物新品種培育的研發基礎較好，整體科研技術與國外處于同等水平，只要充分利用資源，發揮優勢，很可能在該領域取得突破。
納米材料與納米技術
納米科技是上世紀末才逐步發展起來的新興科學領域，它的迅猛發展將在21世紀促使幾乎所有工業領域產生一場革命性的變化。納米材料是未來社會發展極為重要的物質基礎，許多科技新領域的突破迫切需要納米材料和納米科技支撐，傳統產業的技術提升也急需納米材料和技術的支持。
近年來，科技強國在該領域均取得了相當重要的進展。
在納米材料的制備與合成方面，美國科學家利用超高密度晶格和電路制作的新方法，獲得直徑8nm、線寬16nm的鉑納米線；法國科學家利用粉末冶金制成了具有完美彈塑性的純納米晶體銅，實現了對納米結構生長過程中的形狀、尺寸、生長模式和排序的原位、實時監測；德國科學家巧妙地利用交流電介電泳技術，將金屬與半導體單壁碳納米管成功分離；日本用單層碳納米管與有機熔鹽制成高度導電的聚合物納米管復合材料。
在納米生物醫學器件方面，科學家用特定的蛋白質或化合物取代用硅納米線制成場效應晶體管的柵極用以診斷前列腺癌、直腸癌等疾病，成百倍地提高了診斷的靈敏度。另外，納米技術在醫學應用、納米電子學、納米加工、納米器件等方面也有新進展。與此同時，國外大企業紛紛介入，推動了納米技術產業化的進程。
當前納米材料研究的趨勢是，由隨機合成過渡到可控合成；由納米單元的制備，通過集成和組裝制備具有納米結構的宏觀試樣；由性能的隨機探索發展到按照應用的需要制備具有特殊性能的納米材料。
納米材料和技術很可能在以下四個領域的應用上有所突破：一是IT產業（芯片、網絡通訊和納米器件）；二是在生物醫藥領域應用納米生物傳感的早期診斷和治療，到2010年將給人類帶來新的福音；三是在顯示和照明領域的應用已有新的進展，納米光纖、納米微電極等已產生極大影響；四是納米材料技術與生物技術相結合，在基因修復和標記各種蛋白酶等方面蘊育新的突破，預計2010年納米技術對國際GDP的貢獻將超過2萬億美元。
我國納米材料研究起步較早，基礎較好，整體科研水平與先進國家相比處于同等水平，部分技術落后5年左右。目前有300多個從事納米材料基礎研究和應用的研究單位，并在納米材料研究上取得了一批重要成果，引起了國際上的廣泛關注。據英國有關權威機構提供的調查顯示，我國納米專利申請件數排名世界第三位。
國內目前已建成100多條納米材料生產線，產品質量大都達到或接近國際水平。與發達國家相比，我國的差距一是在納米材料制備與合成方面尚處于粗放階段，缺乏應用目標的牽引，集成不夠；二是納米材料計量、測量和表征技術明顯落后于國外，對標準試樣和標準方法的建立重視不夠，對表征手段的建立投資不足；三是納米材料的基礎研究、應用研究和開發研究出現脫節，納米材料研究缺乏針對性；四是學科交叉、技術集成不夠。
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信息技術正在發生結構性變革
目前，信息技術正在發生結構性的變革，在信息器件向高速化、微型化、一體化和網絡化發展的同時，軟件和信息服務成為發展重點。大規模集成電路正快速向系統芯片發展；移動通信技術正在向第三代、第四展，將提供更優質、更快速、更安全的服務，并帶來巨大的經濟利益；電信網、計算機網和有線電視網三網融合趨勢進一步加快，無線網絡成為世界關注的重點；全球化的信息網絡將像電力、電話一樣為社會公眾提供各種信息服務，越來越深刻地改變著人們的學習、工作和生活方式，也將對產業結構調整產生重大影響。
微電子技術、計算機技術、軟件技術、通信技術、網絡技術等領域的發展方興未艾，極有可能引發新一輪產業革命。
大顯神通的新材料
高性能結構材料是具有高比強度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的材料，對支撐交通運輸、能源動力、電子信息、航空航天以及國家重大工程起著關鍵性作用。
新型功能材料是一大類具有特殊電、磁、光、聲、熱、力、化學以及生物功能的材料，是信息技術、生物技術、能源技術和國防建設的重要基礎材料。當前國際上功能材料及其應用技術正面臨新的突破，諸如信息功能材料、超導材料、生物醫用材料、能源材料、生態環境材料及其材料的分子、原子設計正處于日新月異的發展之中。
信息功能材料發展的重點是磁性材料、電子陶瓷材料、壓電及光電(磁)晶體、高性能封裝材料等方面。超導材料的主要特征是零電阻和排磁通效應，是20世紀留給人類開發核聚變能、高效運輸工具、低耗傳輸電能和精密探測器件的新型功能材料。
