生物制品学（共12篇）
生物制品学 篇1
随着生物医药产业迅猛发展,生物制品学这一新兴学科应运而生。生物制品学是研究各类生物制品来源、结构、功能特点、应用、生产工艺、原理、现状、存在问题和发展前景等诸多知识的一门学科[1,2]。针对这 一门基础性强且 应用性突出涉及领域宽、涵盖范围广的高科技学科,如何提高生物制品学理论课堂教学质量,使课堂教学更有效地结合该领域历史、现状、研发、生产、应用、前景等问题,是每个教师在教学过程中必须深入思考的问题。
1.生物专业中开设生物制品学课程的必要性
随着现代生物技术蓬勃发展及在现代制药领域的广泛使用,我国已将生物医药产品即生物制品并入《中华人民共和国药典》(简称药典),设为药典三部(一部为中药,二部为化学药)[3]。其中药 典 (三部 )中关于生物制 品的定义 为 :生物制品是以微生物、细胞、动物或者人源组织和体液等为原料,应用传统技术或现代生物技术制成,用于人类疾病预防、治疗和诊断的药品。生物制品已成为生物药品或生物技术药品的同义词。目前,生物制品是制药业中发展最快、技术含量最高的产品,成为全球制药产业的重要组成部分。2010年生物技术药物约占全球医药市场销售总额的17%, 在世界排名前20位的畅销药物中,生物技术药物占7种[4]。因此 ,目前我国绝 大多数高校的生物专业,如生物技术、生物工程、生物制药、生物教育科学等专业均纷纷开设了生物制品学[5]。
2.教材建设和参考书选用
虽然早在19世纪末,疫苗类生物制品的开发就初见成效但生物制品学作为一门独立学科,是在近二三十年内才形成的, 因为生物制品涉及的理论与技术几乎涵盖生物医学所有学科,如微生物学、免疫学、生物化学、分子生物学、生理学、药理学、基因工程、细胞工程、蛋白质工程、发酵工程、生化分离工程等。生物制品学的教材建设明显滞后于其他生物类课程正如聂国兴等老师在其主编的《生物制品学》的第二版[2]前言所说的:“编者于2008年出版了《生物制品学》,3年间经历了次印刷,在为该书如此受市场欢迎高兴的同时,编者感到了深深的惶恐,我们深知该书之所以受欢迎,不是因为它有多么优秀,而是因为大家没有更多选择。”虽然这段话写得很谦逊,却真实地反映出生物制品学教材匮乏的现状。据笔者了解,目前全国性真正通用的生物制品学教材仅有两本[1,2]。从这个 意义上说,生物制品学教材建设任务刻不容缓。鉴于教材建设不足,教师阅读相关参考书就成为关键。令人欣慰的是,有关生物制品的著述和期刊还是较多的[6,9], 对于生物 制品学这 门日新月异的学科来说, 教师详细研读这些著述可以很好地弥补教材内容有限和滞后科技前沿的不足, 极大地开阔教师对生物制品的宏观视角和微观视野。
3.做好理论课程教学
3.1教学内容的取舍
生物制品种类繁多、庞杂无比,包括细菌类疫苗、病毒类疫苗、抗毒素及抗血清、血液制品、细胞因子、生长因子、基因药物、微生态制剂、免疫调节剂、体内体外诊断制品等[6]。在有限的课时内,全面讲述如此众多生物制品几乎是不可能的,因此,课程内容的有机取舍就显得异常重要。首先,就目前市场需求而言,生物制品主要集中在疫苗、血液制品、生物技术药物这几个方面[1,2,7,9],是讲解的主 要对象。 其次 ,对于其他内容,如免疫调节剂、微生态制剂和诊断制品等可以略讲,由于这几类生物制品发展极为迅速, 因此重点讲述该几类产品的巨大潜力和制备的基本原则和质量要求[1,6]。最后 ,对于重点讲述的生物制品,也需要适当取舍。如细菌减毒活疫苗,可以结核疫苗为代表讲清楚,其他略讲;血液制品,主要讲述白蛋白的开发与工艺流程等,其他略讲;等等。这样才能做到重难点突出,举一反三。
另外,每类生物制品的产品历史、开发过程、工艺流程、质量控制等涉及多种学科,其中课本中有关微生物学、免疫学、分子生物学、基因工程、细胞工程、发酵工程、生化分离工程等内容可以省略不讲。但是有关医学和药学等方面内容,如GMP管理、生物安全、临床试验等要适当讲述或补充[7,8]。
3.2课堂教学方法与手段
生物制品学理论知识体系庞杂,学科发展迅速,学生普遍感到难学。对于这门与应用直接相关的学科,为了达到良好的教学目的,必须在教学中改变以灌输式为主的传统教学方法,灵活采用多种教学方法与手段。
首先,提高学习兴趣是关键。生物制品虽然种类繁多,但都有一个共同点, 即本质上都是药品, 都与人的健康息息相关,只要随时把握住这条主线,就可以不自觉地激发学生学习兴趣。
其次,对比归纳可以让教学内容化繁为简。生物制品教学中有很多相似知识,如生物制品和生物药品,抗血清和多克隆抗体,血清和血浆,免疫调节剂和生物反应调节剂,等等。也有很多相反知识,如灭活疫苗和减毒活疫苗,单克隆抗体和多克隆抗体,类毒素和抗毒素,工主动免疫和人工被动免疫,等等。通过对不同事物的比较,寻求同中之异或异中之同,分别加以归纳总结,有利于学生学习和理解。最重要的是对各种不同类型生物制品的优缺点和工艺技术路线进行分析比较、总结,找出规律,有利于学生深入理解。
再次,适当运用案例式教学。自从19世纪70年代哈佛法学院在大学课程中开始使用案例式教学以来, 这一有效教学方法得到了广泛应用[10]。生物制 品学是一门实 践性极强 的学科 ,使用案例式教学具有很好的前提。虽然在有限课堂教学时间内,对所有内容进行案例式教学的可能性不大,但可以选择部分内容进行案例式教学, 如多糖疫苗的制备, 流感疫苗的生产,血浆蛋白的分离纯化,抗毒素的研制等有代表性的生物制品。
最后,充分利用多媒体教学优势。多媒体教学具有教学效率高、信息容量大、图文并茂、形象生动等优势,精美的多媒体课件可有效克服传统文字材料单调乏味的不足, 尤其是讲解生物制品的质量控制、工艺流程和产品研制等方面。同时,日常网络媒体中有很多紧密相关的专业视频和新闻线索, 适时插入这些视频有利于激发学生学习兴趣,增加学生的感性知识,短时间内获取大量知识。
3.3研究性学习和课程论文
法国数学家希尔伯特说过:“只要一门科学分支能提出大量问题,充满生命力;而问题缺乏则预示着独立发展的衰亡或中止。”西方教育家布鲁巴克说:“让学生自己提问题是最精湛的教学艺术遵循的最高准则。”指导学生进行研究性学习并采取课程论文考核的方式可有效达到这一教学目的[11]。教师可 根据学生 群体特点 ,分成几个小组,以重要生物制品,如人血白蛋白制剂、流感疫苗、诊断试剂盒等为专题,让学生自主查阅文献、归纳、总结、小组课堂答辩。同时,老师根据每个专题的小方向,给小组里每位学生单独布置不一样的课程论文,让每个学生独立查找资料,撰写小论文,教师批改,记录成绩,并选出优秀论文,让学生登台宣读。这样,既分工又合作,引导学生自主学习。
总之,作为一门年轻正蓬勃发展的学科,生物制品学缺乏其他成熟学科具有的丰富教学资源, 教师必须参阅大量有关著述与最新文献,不断丰富和更新知识,同时结合教学实际采用适当的教学方法,才能取得事半功倍的教学效果。
摘要：为了增强生物制品学理论课堂教学效果,作者在总结学科特点和教学原理的基础上,从优化教学内容、紧密结合生产实际、采用适宜的教学方法和先进的教学手段等方面入手,激发学生学习热情,增强课堂教学效果。
关键词：生物制品学,课堂教学,教学效果
生物制品学 篇2
从生物信息学研究的具体内容上看，生物信息学可以用于序列分类、相似性搜索、DNA序列编码区识别、分子结构与功能预测、进化过程的构建等方面的计算工具已成为变态反应研究工作的重要组成部分。针对核酸序列的分析就是在核酸序列中寻找过敏原基因，找出基因的位置和功能位点的位置，以及标记已知的序列模式等过程。针对蛋白质序列的分析，可以预测出蛋白质的许多物理特性，包括等电点分子量、酶切特性、疏水性、电荷分布等以及蛋白质二级结构预测，三维结构预测等。
生物信息学中的主要方法有：序列比对，结构比对，蛋白质结构的预测，构造分子进化树，聚类等。
基因芯片是基因表达谱数据的重要来源。目前生物信息学在基因芯片中的应用主要体现在三个方面。
1、确定芯片检测目标。利用生物信息学方法，查询生物分子信息数据库，取得相应的序列数据，通过序列比对，找出特征序列，作为芯片设计的参照序列。
2、芯片设计。主要包括两个方面，即探针的设计和探针在芯片上的布局，必须根据具体的芯片功能、芯片制备技术采用不同的设计方法。
3、实验数据管理与分析。对基因芯片杂交图像处理，给出实验结果，并运用生物信息学方法对实验进行可靠性分析，得到基因序列变异结果或基因表达分析结果。尽可能将实验结果及分析结果存放在数据库中，将基因芯片数据与公共数据库进行链接，利用数据挖掘方法，揭示各种数据之间的关系。
生物信息学在人类基因组计划中也具有重要的作用。
大规模测序是基因组研究的最基本任务，它的每一个环节都与信息分析紧密相关。目前，从测序仪的光密度采样与分析、碱基读出、载体标识与去除、拼接与组装、填补序列间隙，到重复序列标识、读框预测和基因标注的每一步都是紧密依赖基因组信息学的软件和数据库的。特别是拼接和填补序列间隙更需要把实验设计和信息分析时刻联系在一起．拼接与组装中的难点是处理重复序列，这在含有约30％重复序列的人类基因组中显得尤其突出。
人类基因组的工作草图即将完成，因此发现新基因就成了当务之急。使用基因组信息学的方法通过超大规模计算是发现新基因的重要手段，可以说大部分新基因是靠理论方法预测出来的。比如啤酒酵母完
整基因组（约1300万bp）所包含6千多个基因，大约60％是通过信
息分析得到的。
当人类基因找到之后，自然要解决的问题是：不同人种间基因有什么差别；正常人和病人基因又有什么差别。”这就是通常所说的SNPs（单核苷酸多态性）。构建SNPs及其相关数据库是基因组研究走向应用的重要步骤。1998年国际已开展了以EST为主发现新Spps的研究。在我国开展中华民族SNPs研究也是至重要的。
总之，生物信息学不仅将赋予人们各种基础研究的重要成果，也会带来巨大的经济效益和社会效益。在未来的几年中DNA序列数据将以意想不到的速度增长，这更离不开利用生物信息学进行各类数据的分析和解释，研制有效利用和管理数据新工具。
生物信息学在功能基因组学同样具有重要的应用 目前应用最多的是同源序列比较、模式识别以及蛋白结构预测。所谓同源序列，是指从某一共同祖先经趋异进化而形成的不同序列。利用数据库搜索找出未知核酸或蛋白的同源序列，是序列分析的基础[lol。如利用BLASTn和BLASTx两种软件分别进行核苷酸和氨基酸序列同源性比较。同源性比较的结果大体可以分为如下几种方式：与生化和生理功能均已知的基因具有同源性；虽与生化和生理功能均已知的基因具同源性，但对该基因功能的了解尚不深入，仍停留在表达水平~I：；与其它物种中生化和生理功能均未知的基因具同源性。同源性检索分析方法为该DNA片段的功能提供了间接的证据。
揭示序列数据所隐含的生物学意义的另一重要方法是模式识别技术。顾名思义，模式别的基本思想是利用存在于蛋白质序列或结构中的某些特征模式识别相关蛋白质的性质。如果某一蛋白质序列或结构中的一部分具有保守性，种保守性或者与蛋白质的生物活性有关，或者与蛋白质的折叠方式有关；那么，这种特片模式可以用来识别该蛋白家族中的新成员。换句话说，如果将已知蛋白质的特征序列模式和特征结构模式
搜集起来，构建成数据库．则可以用来确定新测定的蛋白质序列中是否具有某种特征模式，从而确定该未知蛋白属于哪个蛋白质家族。这在治疗肾病问题上具有突破性进展。
“以旧养新”学生物 篇3
关键词：新旧结合 新理念 新模式 以旧养新 推陈出新
新课改迎来了新教材，在新教学理念下，如何准确把握新教材精髓，提高课堂效率。针对教学实际，面对新课改现状，其实新旧结合的教学方式，加之针对学生实际情况的灵活运用，在“新”上做足文章，在“旧”上巧下工夫，会更有效地帮助学生掌握知识，提高学习能力。
在“新”上做足文章，新的教学观念，新的教学模式，“新”在立足教材，培养学生的学习能力。
针对“自主——合作——探究”的新教学理念，我在每次上课前，先做好教学设计，实施“学案式”课堂教学，充分体现“先学后教”的课堂模式。学案的设计要有“由易到难”的过渡，内容要有侧重。比如，自主学习板块，学生必须侧重书本的概念知识，方便学生自主学习；在自主学习巩固训练后，要有所提高，学习好的学生一般情况下自己动动脑筋就能完成，学习一般的学生，同学之间相互交流探究也能够完成，这样在自主学习和同学合作探究之间构建技能和方法体系，在互动探究部分上升到对学习规律、方法的归纳和总结。学案的设计既体现了学生的自主学习能力，又让学生在合作中探究生物学习的方法和规律，能把课本上的基础知识、基本概念以及各个知识点之间的联系，关于生物学习的简单规律和方法摸索到手，培养学生的学习能力。
学生对知识的掌握不能摸到皮毛就适可而止，而应汲取其精髓，做到举一反三，所以“学”的模式也要新。教师要变讲授为启发，变做题为训练，学生会的不讲，学生不会的要让学生先自我探究、主动交流，仍然不会的教师要适时帮助。在教学中可采用“讲解——启发——训练——归纳——提高”的教学新方式。学生会的不讲，但是重难点、疑点要讲精，讲透；学生似懂非懂的问题，在讲解过程中要结合实例启发学生，给学生及时总结规律和方法的时间；针对重难点的训练、归纳后要让学生真正做到举一反三，提高学生分析问题、解决问题的能力。
要想灵活掌握新理念、新方法，教师就必须立足教材、吃透教材，这样才不拘泥于教材，才能站在教材之上看教法、看學生，这样才能举例新颖、设计超前，解析才能创新深入透彻。创新源于课本，创意来自教材。可无论怎么改，立足教材的传统要保留。
在“旧”上巧下工夫，旧在概念知识的必须巩固，旧在动手能力必须培养。“以旧养新”，在旧的基础上设法创新，让生物学习保持持久动力。
生物不同于其他理科的学习，生物较之于其他理科类的学习，在学习方法上偏重于文科。一些生物概念知识的掌握就侧重于学生的记忆力。比如，“细胞的凋谢和细胞的坏死的区别”，看上去好像就是一个概念的两种说法，其实不然。这些区别，差之毫厘，谬以千里。学生不单单要去理解其特征，还必须得死死记住那些不同之处。有时死记硬背未必就不是好的学习方法。我们在做题上提倡学生寻规律、找方法、走捷径，但是在生物概念知识的识记上，传统的方法好像更实际可行。
生物课的学习和物理、化学等理科又有其相通之处，实验室应该成为学生经常“光顾”的地方。教师不能拿上多媒体在教室放上几个幻灯片来应付需要学生实际动手的实验。很多生物教师一想到让学生到实验室就感觉很麻烦，就会想到很多问题：学生到了实验室好奇心太重完全靠自己的想象做实验怎么办，一不小心把实验器材摔坏了怎么办，万一不小心把学生伤着了怎么办……众多的“万一”加在一起，越想越麻烦，结果教师自己图省事、图省心，就剥夺了学生动手做实验的机会，这怎么行呢？多媒体固然很有效，但是学生亲自动手获得的知识或得到的实验结果的证实更重要，这相对书本知识来说，学生会认为更有说服力。这样就会激发学生的学习成就感，更能调动学生学习生物的积极性。该做的实验就必须做，教师要不怕麻烦，该动手时就必须让学生动起手来，让学生多进实验室。学生有好奇心很正常，面对好奇心，教师要实时沟通，能靠做实验解决的问题就靠实验解决。教师必须陪着学生做实验，学生自己能完成的让学生自己动手完成，教师要提前预计学生的实验过程，把估计到的问题提前想好解决方案。每做完一次实验就得及时完成一次实验报告。敢于动手才会勤于动脑。
面对新课改，回首旧传统，作为高中生物教师，我们要想让自己的课堂充满智慧，充满活力，要想让学生真正地爱上生物，就要敢于往前走，就要敢于解放思想，就要敢于在教法上创新。创新不是与传统对立，不能简单地“拿来主义”，要学会在打破旧思想的时候汲取其营养，在抛弃旧教法的同时接受其优良之处。以旧养新，方可做到推陈出新。
生物制品学实验教学改革与探索 篇4
1 传统实验教学存在的问题
传统生物制品学实验教学主要以教师为主导, 课堂上教师按照教学大纲进行实验内容的讲解, 学生按部就班进行实验, 导致学生缺少学习的主动性与积极性, 学习质量大大下降;传统实验教学中验证性实验偏多, 综合性与设计性实验较少[1], 各个实验项目之间未能进行有机融合, 缺乏连贯性, 实验教学结束之后, 学生往往不能将所学内容融会贯通, 容易将学习的知识遗忘;传统实验教学中, 实验由教师设计, 学生不参与实验材料的准备与设计, 导致学生自主设计实验能力不足, 抑制了学生学习主观能动性的发挥;在实验考核形式上, 传统实验教学主要采用实验报告的形式, 形式过于单一, 重视实验结果, 轻视实验过程, 学生学会了基本操作, 却没有真正掌握实验的精髓。
2 教学改革的措施
2.1 实验内容与教学方式改革
我校生物制品学实验课主要针对在校生物工程专业学生, 根据其就业特点, 将理论与实践相结合, 通过制作生物制品实践, 着重对生物制品的研制、工艺及技术等方面进行介绍, 为学生未来从事生物制品相关工作打下坚实基础。实验内容主要为3种生物制品的制备:抗体的制备、转移因子的制备以及免疫荧光标记抗体的制备。通过生物制品制备实践, 学生真正了解了生物制品的概念, 掌握了生物制品的基本技术, 对生物制品有了初步认识;采用“以学生为中心, 教师为辅导”的教学理念, 将学生每6~8人分为一组, 每组推选一位组长。每次实验课都要求学生提前预习, 上课之前由学生讲解本次实验课的主要内容以及目的, 教师指导并纠正。每次实验课就此次实验课遇到的问题进行分组讨论, 由教师进行答疑解惑。通过这样的方式使学生真正了解实验, 掌握实验的精髓。实验准备由最初教师准备转变为学生自己动手准备, 通过预习列出需要准备的器材, 由各小组课余时间来教研室进行准备。生物制品学实验要求十分严格, 有些需要严格无菌以及无热原质等, 学生从基本的实验准备做起, 才能真正理解制备过程中每个步骤应该注意的问题, 培养其严谨的科学态度。
2.2 实验教学考核模式改革
传统的实验教学考核模式为对实验报告中的实验结果进行评分, 这样并不能对学生做出综合评价。围绕这一问题, 我们将实验考核分为平时考勤, 提问与讨论, 实验预习及实验记录, 实验报告等。每次上课之前进行考勤, 对有迟到、早退、旷课现象的学生进行相应减分。教师上课会进行相应知识的回顾与提问, 各小组之间讨论, 根据学生回答与讨论情况酌情给分。教师要求每位学生准备一本实验预习本及实验记录本进行实验记录并定期检查, 培养学生进行实验记录的好习惯。通过这样的教学考核模式能够帮助学生认识自身的不足, 改进学习方法, 提高学习效率。
2.3 激发学生学习兴趣
学习兴趣是学习的动力, 如果学生对生物制品学实验课产生了兴趣就会持续地专心致志地钻研它, 因此, 要提高实验教学质量, 必须先激发学生的学习兴趣。在实验教学中, 可以利用学生的好奇心讲一些有趣的内容, 比如可以举例中国是乙肝大国, 每10个人中就有1个乙肝病毒携带者, 按照这样的比例, 班级里应该有乙肝病毒携带者。学生听到这里往往注意力会比较集中, 接着可以引出乙肝5项检测试剂盒可以检测是不是乙肝病毒携带者, 用免疫球蛋白治疗乙肝患者等内容, 从而引出生物制品概念。可以告知学生严格制备转移因子, 过滤无菌后是可以直接口服的, 如果有同学最近免疫力低下可以试着口服以提高免疫力, 使学生有兴趣学习什么是转移因子, 转移因子的作用是什么, 应该怎样严格制备。还可以利用多媒体教学, 比如播放国内位于前列的生物制品研究所的发展概况, 激发学生对从事生物制品相关工作的热情, 这些关系到学生自身的内容, 可以激发学生学习兴趣, 提高学习效率。
2.4 实行开放式教学
由于生物制品实验连续性较强, 课上无法完成, 所以需要开放实验室。学生在开放性实验室不仅能进行生物制品学相关实验, 也可以由教师把关独自设计实验项目, 查阅相关文献, 准备实验材料, 进行课题研究。开放式教学是高校实验教学改革的重要内容, 不仅可以提高实验室仪器设备的利用率, 还可以培养学生实验准备、实验设计、实验操作能力以及创新意识与能力[1,2]。
2.5 加强实验室管理
随着实验室开放, 要求教师加强实验室管理。我教研室针对实验室的管理建立了严格的规章制度, 以维护实验室的正常运行。对于实验室的管理我教研室采取了以下规章制度: (1) 实行严格的登记制度:教师准备实验操作登记本, 每位学生进实验室都要进行登记, 包括实验内容、实验操作时间、所需的仪器材料、带教教师等。 (2) 加强对实验室规章制度及仪器的培训:定期开展实验仪器、实验室规章制度培训与考核, 实行奖惩制度, 增强学生的责任心与安全意识, 实行组长负责制, 也可以请在读研究生辅助带教教师对实验室进行管理。 (3) 不定期抽查制度:为每组学生安排值日, 负责实验室的干净整洁、门窗水电的安全、实验仪器有无损坏等问题, 教师进行不定期抽查。通过几年的实验室管理改革, 不仅实验室能够保持整洁卫生, 仪器得到合理使用, 也培养了学生实验室的主人翁意识以及良好的实验习惯。
2.6 重视实验师资队伍建设
近年来, 我教研室重视实验室师资队伍建设, 先后引进优秀博士包括海外留学博士多人, 这些优秀人才的引进使实验教学质量得到了提高, 他们把积累的知识孜孜不倦地传授给学生, 自己的创新意识潜移默化影响着学生, 培养了学生的科研思维。教研室鼓励有兴趣的学生加入教师的课题组, 教师课余时间指导学生进行科研, 培养了一批又一批具有初步科研意识的学生, 这些学生在进一步深造与就业过程中都受到了较高的评价, 为创新型人才的培养做出了贡献。
3 结语
生物制品学是一门新兴学科, 是一门介于生物学与医学的交叉学科。目前只有较少高校开设了生物制品学实验课程, 其教学内容、教学方法都处于探索阶段。经过几年的教学改革, 我校生物制品学实验课取得了明显的教学成果, 不仅使学生掌握了基本的技术, 加深了对理论知识的理解, 还培养了学生严谨的科学态度与创新意识, 为生物制品学科人才发展提供了良好的平台。科学技术是不断进步的, 今后如何使生物制品学实验教学与时俱进仍是实验教学改革的一个重要研究方向。
参考文献
[1]王子妤, 程雪芹, 戴建国, 等.病理学实验教学方法优化的初步探讨[J].卫生职业教育, 2015, 33 (19) :80-81.
生物信息学 篇5
本实验指导书中的8个实验均设计为综合性开发实验，面向生物信息学院全体本科学生和研究生，以及全校对生物信息学感兴趣的其他专业学生开放。生物信息学实验室将提供系统的保障，包括采用mail服务器和linux帐号管理等进行实验过程管理和支持。限选《生物信息学及实验》的生物技术专业本科生至少选择其中5个实验，并不少于8个学时，即为课程要求的0.5个学分。其他选修者按照课时和学校相关规定计算创新学分。实验一 熟悉生物信息学网站及其数据的生物学意义
实验目的：
培养学生利用互联网资源获取生物信息学研究前沿和相关数据的能力，熟悉生物信息学相关的一些重要国内外网站，及其核酸序列、蛋白质序列及代谢途径等功能相关数据库，学会下载生物相关的信息数据，了解不同的数据文件格式和其中重要的生物学意义。
实验原理：
利用互联网资源检索相关的国内外生物信息学相关网站，如：NCBI、SANGER、TIGR、KEGG、SWISSPORT、Ensemble、中科院北京基因组研究所、北大生物信息
学中心等，下载其中相关的数据，如fasta、genbank格式的核算和蛋白质序列、pathway等数据，理解其重要的生物学意义。
实验内容：
1.浏览和搜索至少10个国外和至少5个国内生物信息学相关网站，并描
述网站特征；
2.下载各网站的代表性数据各10条（组）以上，并说明其生物学意义；
3.讨论各网站适合做何种生物信息学研究的平台，并设计一个研究设想。实验报告：
1.各网站网址及特征描述；
2.代表性数据的下载和生物学意义的描述；
3.讨论：这些生物信息学相关网站的信息资源，可以被那些生物信息学
研究所利用。
参考书目：
《生物信息学概论》 罗静初 等译，北京大学出版社，2002；《生物信息学手册》 郝柏林 等著，上海科技出版社，2004；
《生物信息学实验指导》 胡松年 等著，浙江大学出版社，2003。实验二 利用BLAST进行序列比对
实验目的：
了解BLAST及其子程序的原理和基本参数，熟练地应用网络平台和Linux计算平台进行本地BLAST序列比对，熟悉BLAST结果的格式和内容并能描述其主要意义，同时比较网上平台和本地平台的优缺点。
实验原理：
利用实验一下载的核算和蛋白质序列，提交到NCBI或者其他拥有BLAST运算平台的网页上，观察其基本参数设定库文件类型，并得到计算结果；同时在本地服务器上学会用formatdb格式化库文件，并输入BLAST命令进行计算，获得结果文件。
实验内容：
1.向网上BLAST服务器提交序列，得到匹配结果；
2.本地使用BLAST，格式化库文件，输入命令行得到匹配结果；
3.对结果文件进行简要描述，阐述生物学意义。
实验报告：
1.阐述BLAST原理和比对步骤；
2.不同类型BLAST的结果及其说明；
3.讨论：不同平台运行BLAST的需求比较。
参考书目：
《生物信息学概论》 罗静初 等译，北京大学出版社，2002；
《生物信息学实验指导》 胡松年 等著，浙江大学出版社，2003。
实验三 利用ClustalX(W)进行
多序列联配
实验目的：
掌握用Clustal X(W)工具及其基本参数，对具有一定同源性和相似性的核酸与蛋白质序列进行联配和聚类分析，由此对这些物种的亲缘关系进行判断，并且对这些序列在分子进化过程中的保守性做出估计。
实验原理：
首先对于输入的每一条序列，两两之间进行联配，总共进行n*（n-1）/2次联配，这一步通过一种快速的近似算法实现，其得分用来计算指导树，系统树图能用于指导后面进行的多序列联配的过程。系统树图是通过UPGMA方法计算的。在系统树图绘制完以后，输入的所有序列按照得分高低被分成n-1个组，然后再对组与组之间进行联配，这一步用Myers和Miller算法实现。
实验内容：
1.明确软件所支持的输入文件格式，搜集整理出合适的数据；
2.在Windows环境运行Clustal X，在Linux环境运行Clustal W；
3.实验结果及分析，用TREEV32或Njplotwin95生成NJ聚类图。
实验报告：
1.整理好的符合Clustal的序列数据；
2.提交数据网页记录和各步骤记录；
3.提供聚类图和多序列联配图，并说明意义。
参考书目：
《生物信息学概论》 罗静初 等译，北京大学出版社，2002；
《生物信息学实验指导》 胡松年 等著，浙江大学出版社，2003。实验四 ESTS分析
实验目的：
熟悉使用一系列生物信息学分析工具对测序得到ESTs序列数据进行聚类处理，由此对获得表达基因的丰度等相关信息，并且对这些表达基因进行功能的初步诠释，为后续实验通过设计RACE引物获得全长基因，以及进一步的功能注
释和代谢途径分析做好准备。
实验原理：
首先用crossmatch程序去除ESTs原始序列中的载体成分和引物成分，然后用phrap生成congtig和singlet，用blast程序进一步将有同源性的contig和singlet进行功能聚类，最后通过blast对聚类获得的cluster进行功能注释。在实验过程中将用到一些本实验室写好的perl程序用于连接各数据库和工具软件。
实验内容：
1.运行CodonCode Aligner程序，并用它建立工程文件，导入例子文件
夹里面的数据；练习对序列的各种查看方式。
2.使用CodonCode Aligner程序里的Clip Ends, Trim Vector, Assemble
等功能，完成序列的剪切、去杂质、组装工作。
实验报告：
1.实验各步骤记录和中间结果文件；
2.举例简要说明结果文件中数据的生物学意义。
参考书目：
《生物信息学概论》 罗静初 等译，北京大学出版社，2002；
《基因表达序列标签（EST）数据分析手册》 胡松年 等著，浙江大学出版社，2005。
实验五 利用Primer Premier5.0设计
RACE引物
实验目的：
熟悉PCR引物设计工具Primer Premier5.0的一些基本功能，能够根据实验需要选择相应的引物设计方法设计PCR引物。
实验原理：
PCR实验是当代分子生物学的基本实验之一，由于目标序列和实验目的的不同，相应设计引物的要求也不一样。本实验延续ESTs分析结果，对于其中需要获得全长的基因进行RACE引物的设计，及5’和3’RACE引物，配合接头序列设计单向引物，并模拟练习通过连接获得全长的基因CDS序列。最后设计已知全长基因序列的PCR扩增引物。
实验内容：
1.从网站下载并安装Primer Premier5.0；
2.从 GenBank 中任意获取一个 DNA 序列，设计出该序列的合适引物； 实验报告：
1.实验各步骤使用的数据、运算平台、结果文件记录；
2.比较不同引物设计平台和不同PCR实验的差别；
参考书目：
《生物信息学概论》 罗静初 等译，北京大学出版社，2002；《生物信息学实验指导》 胡松年 等著，浙江大学出版社，2003。
实验八 perl程序的安装、编写、调试 实验目的：
培养学生能在windows和Linux两种平台安装perl解释器、编写perl程序以及debug和运行的能力，熟悉perl语言基本语法，学会熟练编写和运用perl程序进行基础生物信息学研究。
实验原理：
Perl语言是一门通用的脚本语言，具有强大的字符串处理功能，是生物信息学研究的强大帮手，学会了perl语言，就能方便地处理生物信息学研究中遇到的各种字符串文本，促进研究的快速进行。
实验内容：
1.下载perl程序在Windows和Linux下的安装包并进行安装；
2.编写简单的perl程序，并学会debug；
3.编写具有简单功能的碱基处理perl程序。
实验报告：
1.perl解释器安装方法；
2.perl解释器debug方法；
3.讨论：perl语言在生物信息学研究中所起到的积极作用。
参考书目：
《PERL 编程24学时教程》（美）皮尔斯著 王建华等译，机械工业出版社，2000；
跟林奈学生物分类(中) 篇6
为了维护先贤的形象，对于一路上林奈都情绪高昂地哼唱《忐忑》神曲这种囧事，我们就不详细描述了，下面详细记述林奈给我们讲解动物分类知识的过程。
林奈：“哎伊呀伊哟，哎伊呀伊哟（《忐忑》开头两句‘歌词’）……停，等一下，屎壳郎来了吗？”
屎壳郎报了到。
林奈：“我们今天就拿屎壳郎来开刀，不，开场吧。大家想想，除了我们排便便而屎壳郎吃便便以外，人类和屎壳郎还有些什么区别呢？”
大耳熊：“我们个子比屎壳郎大。”
林奈：“大耳熊，你要看到本质的区别才行啊。人和屎壳郎最大的区别就是，我们人类有脊椎（脊柱），屎壳郎没有。以有无脊椎为标准，动物大致可以分为两种，即脊椎动物和无脊椎动物。我们后背中间那条从颈部一直延伸到臀部的又长又硬的骨骼，就是脊椎。屎壳郎虽然没有脊椎，但是它的身体表面还是挺坚硬的，我们称之为‘外骨骼’。大家可以列举些什么样的脊椎动物呢？它们又有些什么共同特征呢？”
轰轰牛：“我来自我牺牲一下吧。我是脊椎动物，我身上有毛，有尾巴，有4条腿。我牙齿坚固发达，不信请看右边的特写。我是吃我妈妈的奶长大的。”
林奈：“轰轰牛的自我献身精神令人感动。跟轰轰牛相似的动物还有狗、猫、狮子、老虎、浣熊、黄鼠狼等等不计其数。这些动物的身体都可以分为头、颈、躯干、尾4个部分，有4条腿，有指甲。头上有眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵，身上有毛覆盖。它们体温恒定，所以也被称为‘恒温动物’，不过更科学的叫法是‘哺乳动物’。当然，它们中的有些成员比较特别。比如人的尾巴就退化了，而澳大利亚的鸭嘴兽不是生幼仔而是产卵的。对了，还有能飞的蝙蝠，蝙蝠也属于哺乳动物。”
这时莉娜很惊恐地尖叫了一声：“蛇！”接着米粉团就真的乱成一团米粉了。林奈三步并作两步跑了过去。
林奈：“哈哈，大家不要慌，这条蛇是没有毒的啦，说不定它现在比你们还要害怕好多倍呢！既然碰到蛇我们就来说说蛇的家族吧。蛇和鳄鱼、乌龟、蜥蜴等都统称为爬行动物，爬行动物可以分成3类，一类是龟鳖类，可以把身体藏在背甲中；一类是没有腿的蛇类；最后一类是有腿、指甲和5跟脚趾的蜥蜴类。你可以把爬行类动物叫做‘冷血动物’，因为它们的体温不是恒定的，当然这并不是说它们的身体就真的很冰凉。当体温下降时，爬行动物也需要转移到温度高的地方，否则会无法活动。爬行动物最大的特征就是身体表面没有毛，而是覆盖着一层鳞片。它们的繁殖方式是产卵。”
轰轰牛：“这我就搞不明白了，请问青蛙也属于爬行动物吗？”
林奈：“这个问得好。青蛙和蟾蜍、娃娃鱼等都属于两栖动物。两栖动物可以生活在陆地和水中，所以叫两栖动物。一般而言，两栖动物幼年时都是生活在水中，用腮呼吸；成年后腮消失，同时长出肺，生活在陆地上，用肺呼吸。而从幼年到成年的转变过程，叫做‘变态’过程。这个‘变态’过程有多变态？想想蝌蚪居然变成了青蛙你就清楚了，呵呵。两栖动物也叫‘变温动物’，他们的体温可以根据环境的变化而变化，所以两栖动物会在冬天冬眠。令人惊奇的是，在冬眠期间，两栖动物不用肺呼吸而是用皮肤呼吸，而且一点食物都不吃，这样一直熬到下一年的春天。”
莉娜：“两栖动物水里能游、地上能跑，适应能力真强大！而且，娃娃鱼好萌啊！”
林奈：“地球上适应能力最强的动物其实是节肢动物，因为节肢动物拥有爬、走、跑、跳、飞、游和潜等各种运动能力。节肢动物是地球上数量最多的动物种类，占了所有动物的3/4，有90多万种，其中最多的是昆虫。像屎壳郎、蜻蜓、螃蟹、虾、蜈蚣、蜘蛛等都属于节肢动物。所谓节肢动物，就是腿可以分成一节一节的动物。节肢动物都有壳，我们称之为‘外骨骼’，这是节肢动物的一项基本特征。而因为外骨骼是没有生命的，所以节肢动物都要‘蜕皮’，这个‘皮’就是外骨骼”
屎壳郎：“可是，像蜗牛那样的动物也有壳啊，但是它没有腿，所以应该不是属于我们节肢动物家族的吧？”
林奈：“屎壳郎你观察得很仔细嘛，呵呵。蜗牛确实不属于节肢动物，而是属于软体动物。蜗牛的外壳虽然坚硬，但是科学家却称之为‘外套膜’。外套膜里面包裹着一个柔软的身体，这样的动物就称作‘软体动物’。软体动物分为3种，分别是脚长在腹部的腹足类（如蜗牛），脚长在头部的头足类（如章鱼）和脚长得像斧头的斧足类（如蛤蜊）。软体动物的种类也非常多，仅次于节肢动物，光是蜗牛就有3万5千多种，这还只是占了腹足类的30%左右。”
轰轰牛：“蚯蚓虽然没有‘外套膜’，但身体也是软软的，它属于什么动物呢？”
林奈：“蚯蚓虽然身体也是软的，但是没有脚，就只有一个长长的圆筒形身体，身体分成一段一段的，所以属于环节动物。环节动物都比较恶心，像蚂蝗（水蛭）、沙蚕等都属于环节动物，为了照顾女生们的感受，我们就不多说了吧。”
屎壳郎：“恶心？蚂蝗就恶心啦？那进食和排泄都用嘴来完成的腔肠动物不就更恶心了？”
众人听完都弯腰干呕了一下。
林奈：“屎壳郎说得没错，腔肠动物确实是通过‘嘴’来进食和排泄的。而腔肠动物最大的特征就是口腔和肛门是同一个器官（众人再次干呕），所以腔肠动物都是进化程度非常低的动物，因此腔肠动物都生活在水中，像海蜇和海葵就属于腔肠动物。”
林奈：“只生活在水中的动物还有棘皮动物和鱼类，鱼类大家经常见到，我们就不说了。棘皮动物的特征也很简单，就是身体大多呈对称状，很少运动，总是固定在一个地方。这类动物的代表有海星、海胆和海参等。”
生物制品学 篇7
关键词：兽医生物制品学,实验教学,设计,方法改革,实践研究
兽医生物制品学的实验教学是以实验动物学、兽医药理学、兽医微生物学、动物免疫学、预防兽医学等多学科的实验操作技术为支撑的综合性实验,在实验教学方面难免与上述学科产生部分交叉重复。如何开展具有兽医生物制品学特色的实验教学,既较少重复其他学科的内容,又把其他学科有机的整合到一体,而且对所有药品的生产与检验、研究与开发、销售与应用、保藏与运输等各个环节具有重要的指导作用,是兽医生物制品学实验教学方法改革与实践研究的目标。
1兽医生物制品学实验教学的内容与现状
兽医生物制品学实验内容包括生物制品的免疫血清学检测技术; 疫苗的灭活剂、保护剂、免疫佐剂的制备与检验技术; 生物制品菌种( 病毒种) 的分离、培养、纯化、鉴定技术; 活疫苗的冷冻真空干燥技术[1]。 兽医生物制品的制造与检验是复杂的系统生物工程, 既以传统的兽医微生物免疫学实验技术为基础,又以基因工程、发酵工程、细胞工程等现代生物技术为依托的最主要的药品生产、检验、研究开发技术。由于兽医生物制品学实验指导书[2]的实验项目是按照生物制品厂的生产、检验流程和技术要点编写的,其实验教学的可操作性不强,需要从事生物制品学课程实验教学的教师有必要根据教学计划和人才培养方案, 改革生物制品学课程实验教学方法,提高学生对药品生产、检验、研究、营销、应用的基本技能掌握,满足兽用药品人才培养方面的社会需求。
2实验项目独立设计与实施
兽医生物制品的种类包括疫苗、类毒素、诊断制剂、抗病血清、微生态制剂、副免疫制品等,其制造与检验的主要环节是细菌与病毒的分离培养、鉴定技术; 血清学检验技术; 半成品和成品的纯净检验、安全性检验、效力检验等十余项检验技术。兽医生物制品学实验教学应按照学校的实验条件及师资队伍,根据学生的素质能力独立设置系统的实验项目,提高实验教学效果。
2.1细菌性生物制品实验项目的独立设计与实施
细菌性生物制品由于细菌的需氧性、厌氧性不同,活菌疫苗和灭活菌苗不同,细菌毒素不同,因而其制造与检验的方法各不相同。实验项目的实施根据细菌分离、培养、鉴定易操作的要求,设计了“猪霍乱沙门氏菌活疫苗制造与检验”的综合性实验项目。 实验教学环节包括: 培养基制备,菌种开毒,一级菌种和二级菌种制备,制苗菌液的大量培养,细菌血清学和特异性检验,细菌活菌计数,细菌培养物健康家兔安全性检验。该实验操作技术的核心是细菌计数技术,通过菌落计数技术,使学生理解和掌握一个菌落代表原来细菌培养液的一个细菌的含义。细菌计数技术是核定细菌性疫苗头份( 只份) 的重要检验方法; 也是菌苗效力检验攻击强毒菌数的测定方法; 也是真空冷冻干燥活菌疫苗或灭活死菌疫苗处理前后细菌存活率和灭活率的主要检测方法; 也是药品、食品、城市自来水污染杂菌计数的主要检测技术; 细菌计数技术也是药理学药敏试验研究方法、微生物学细菌分离、培养、鉴定等的重要技术。
2.2病毒性生物制品实验项目的独立设计与实施
病毒性生物制品由于病毒毒种的不同,用于畜禽种类的病毒性生物制品不同,病毒增殖复制检测的材料和方法不同,因而病毒性生物制品制造与检验方法各不相同,病毒不像细菌通过染色镜检或观察细菌菌落感知存在,而病毒只有通过血清学检测技术或动物致病回归技术才能感知病毒的存在和毒力强弱。实验设计了“鸡痘弱毒活疫苗制造与检验”的综合项目,教学实验环节包括: 病毒毒种的开毒,鸡胚人工气室制备与病毒绒毛尿囊膜接种,鸡痘病毒特异性检验,病毒最小感染量测定等操作技术。通过鸡痘病毒使绒毛尿囊膜水肿、增厚、产生单个灰白色的痘斑,使学生眼观感知到病毒的存在、毒力强弱和产生病变作用。该实验操作的核心技术是病毒人工尿囊膜接种技术、病毒和抗体特异性中和技术、病毒最小感染量测定技术、病毒感染判断技术、病毒感染材料收获制备活疫苗技术,这些技术是病毒性生物制品最基本的制造与检验技术。该实验操作技术还对动物各种病毒性传染病的病毒分离、鉴定的血清学实验室诊断、 食品药品污染外源病毒检验具有重要的指导作用。
2.3免疫血清制品实验项目的独立设计与实施
免疫血清制品包括诊断血清抗体制品、治疗用血清抗体制品、卵黄抗体制品等生物制品。由于免疫抗原分为细菌抗原、毒素抗原、病毒抗原的不同,因而免疫抗体制品的制备和检验也各不相同。实验教学设计了“抗新城疫病毒卵黄抗体的制备与检验”综合项目,实验教学环节包括: 新城疫活疫苗制备与检验、新城疫灭活疫苗的制备与检验、健康蛋鸡的免疫与卵黄抗体制备与检验。该实验操作的核心技术病毒半数感染量测定、病毒红细胞凝集试验( 血凝试验) 、血清抗体红血球凝集抑制试验( 血凝抑制试验) 、病毒灭活试验、佐剂制备与乳化试验。血凝试验和血凝抑制试验对于学生理解抽象的血清学诊断中的凝集试验、 沉淀扩散试验、免疫电泳试验、间接血凝试验、补体结合试验、中和试验、胶体金试验、酶联免疫吸附试验、 荧光抗体试验、放射性同位素试验等具有重要的指导启发意义。
3实验教学开展实施的必要条件是无菌技术和时间的延续性
3.1无菌操作技术是实验教学顺利开展和实施的根本保障
生物制品生产与检验、研究与开发、免疫注射与诊断的基本技术就是细菌( 病毒) 分离、培养、鉴定的无菌操作技术,没有无菌技术就没有生物制品的制造与检验等一系列操作过程。无菌技术贯穿生物制品制造与检验、应用的全过程,任何一个环节缺少无菌技术对生物制品来说都是不可想象。如何使学生做到无菌操作,掌握无菌技术,其措施是: 首先让学生亲自参加实验准备全过程,体会无菌控制的常规方法; 其次让学生亲自掌握灭菌技术; 最后让学生体会无菌的重要意义; 具体怎样培养学生掌握无菌操作技术, 按照文献[2]方法进行。
3.2系统的实验计划是实验教学顺利开展与实施的基本条件
生物制品制造与检验的全过程包括: 从原材料到培养基制备、鸡胚孵化与细胞制作、细菌( 病毒) 等菌 ( 毒) 种开毒鉴定、半成品制苗菌( 毒) 液的制造与检验、成品冻干活疫苗和佐剂灭活疫苗的制造与检验、 免疫血清制备与检验等技术环节,一个完整的生产检验周期大约2 ~ 3个月。由于兽医生物制品学实验不同其他学科的即时性验证性实验,而是需要严格的周密时间计划,教学实验的每个环节必须达到无菌要求和无菌操作,否则有细菌或病毒污染,实验就会在某一环节失败无结果。因而实验教学按照授课计划安排,按照文献[3]的方法进行。每个实验小组3 ~ 5人,每个教学班级分为8 ~ 10组不等,这样有50% 成功率的话,其他失败小组可以并入成功小组,保证每个实验项目能够完成全部操作过程,使每个环节成功且有实验结果。通过实验计划和操作使学生理解计划的重要性、无菌观念和无菌操作的重要性。
4实验教学效果
倦学高中生物现象归因及对策 篇8
一、成因剖析
1. 评价体系的影响
受应试教育观念影响, 还有不少地方政府及地方教育主管部门对学生、教师、学校的评价, 基本上以考试成绩和升学率为标准, 从而导致片面追求升学率。过重的课业负担严重损害了学生的身心健康, 使学生基本失去了可自由支配的时间, 学生没有机会深入思考、动手实践、娱乐健身, 这必然导致倦学心理的产生。
2. 高考模式的影响
从2008年起, 江苏省实行“3+学业水平测试+综合素质评价”高考新方案。这一模式很好, 但由于录取时只按照语文、数学、英语三科总分划线, 选修科目只看等级, 一些学校为了盲目追求本科上线率, 只重视语文、数学、英语, 而生物等科目的教学时间得不到保证。由于大部分学生的目标是上普通本科院校, 为了能上大学, 他们会把更多的精力放在语文、数学、英语上。还有部分学生由于基础薄弱, 目标是专科, 而专科对选修的要求更低。这必然导致绝大多数学生学习生物的积极性下降, 生物学科在他们心目中的地位大大降低。
3. 分配不合理的影响
有些上过大学的人, 收入并不高, 有的甚至找不到工作。这让学生感到迷茫, 他们也在自问:上大学到底值不值?这种情况导致部分学生产生读书无用的感觉, 对所有科目都会产生倦学情绪。
4. 家庭因素的影响
部分家庭由于经济条件不好, 上四年大学还要花费很多, 难以承受。虽然国家有政策, 可申请助学贷款, 但部分家长还是希望孩子拿个高中毕业证后立刻外出打工, 养家糊口。家长的观念和言行会影响孩子的学习热情。
不少家庭生活富裕、衣食无忧, 他们的孩子大多学习动力不足, 得过且过。
有的家长长期在外打工, 也有的忙于做生意或工作, 放松了对子女的管教, 很少督促、过问孩子的学习情况。
个别家庭对孩子的约束太多, 管得太严, 造成子女产生逆反心理:你让我学, 我偏不学。
部分家长目光短浅, 认为孩子上不上大学无所谓, 他们的言行会对子女起到潜移默化的影响。
5. 教师因素的影响
教师的教育观念影响。新课程改革已实施多年, 部分教师观念还没有彻底转变。高耗低效的课堂依然存在, 讲讲讲、练练练、考考考是他们的法宝。他们上课时目中无学生, 独霸课堂, 学生被动接受知识。生物课堂本该充满生机、趣味横生, 可他们上的课却枯燥无味。
教师的个人素养影响。在教学实践中, 课堂低效必然导致学生倦学。有的教师备课不充分, 讲解不能抓住重点、难点, 结果只能是课内损失课外补, 布置了大量的课外作业, 学生叫苦不迭。长此下去, 影响学生对生物课的学习兴趣。个别生物教师批评学生时不注意方式方法, 有的甚至当众羞辱体罚, 引起学生极度的反感。厌其师从而倦其道, 学生将对教师的怒气, 迁移到他教的课程上, 故意上课不听讲, 渐渐对生物课丧失信心。
6. 学生因素的影响
基础不好。学习是有连贯性的, 部分学生由于文化基础较差, 进入高中后要同时学习语文、数学、英语、物理、化学、生物、政治、历史、地理等科目, 他们感到力不从心, 逐渐对学习失去兴趣。
学习态度不端正。现在的高中生大多是独生子女, 部分从小被亲人宠爱惯了, 基本没吃过什么苦, 他们不想花费精力和汗水在学习上。他们对所有科目都有倦学情绪。
学习方法有问题。由于学不得法, 有的学生尽管平时也很努力, 在学习上付出很多, 但结果却不尽如人意, 他们感觉到自己的付出没有得到应有的回报, 这严重挫伤了学生学习的积极性, 导致倦学心理的产生。
二、对策
要解决倦学问题需要社会、家庭、教师共同努力, 形成合力。作为教师我们应该做到以下几点。
1. 认真研读课程标准
作为高中生物教师一定要认真研读《普通高中生物课程标准 (实验稿) 》, 领会其精髓。课程标准全面、深刻、具体地阐释了课程性质、课程基本理念、课程设计思路、课程目标、必修和选修6个模块的内容标准、实施意见等。《普通高中生物课程标准 (实验稿) 》明确指出, 提高每个高中学生的生物科学素养是本课程标准实施中的核心任务。因此我们在组织教学时, 一定不要随意拓展加深, 教学内容要贴近社会实际和学生的生活经验, 要注重与现实生活的联系, 要反映生物科学和技术的新进展。
2. 转变教育观念
要变讲堂为学堂, 变“教师带着教材走向学生”为“教师引导学生走向教材”。要创设互动的教学环境, 面向全体, 引领全体学生共同探究, 引导学生自由思考、自由叙述, 让学生在学习中学会学习, 让学生在学习中体会到成功的乐趣。
3. 建立平等和谐的师生关系
多与学生交流, 建立感情。新课程给教师角色的定位是“平等中的首席”, 教师首先是一个学习者。不少教师在教育教学过程中不尊重学生人格, 断然否定学生的独特见解。这种不平等、不民主会极大地挫伤学生学习的积极性和主动性。教师必须抛弃传统的师道尊严, 要把自己看成是集体中的一员, 融到学生中间去, 创建平等和谐的师生关系, 亲其师才能信其道。
4. 创设良好的教学氛围
情绪状态对学习效果具有重要的影响。轻松、和谐的氛围有利于集中学生的注意力, 稳定学生的情绪, 保证课堂教学效率。在生物课堂教学中, 教师一定要营造平等、民主的教学氛围, 要引导学生主动探究, 勇于质疑。教师的教态要亲切自然, 要尊重学生的每一种意见。在教学中, 教师要特别注意倾听每一个学生的声音, 绝不能独霸课堂。
5. 教给学生科学的学习方法
授人以鱼不如授人以渔, 教给学生科学的学习方法比教给他们现成的知识更重要。有了好的学习方法, 学生学起来就会得心应手, 就能体会到成功的喜悦, 就会主动学习。因此, 教师一定要注意学法指导, 告诉学生如何预习、听课、复习、做作业、实验等。
6. 增强互动的教学设计
在课堂教学中, 要增加双边活动, 尽量让学生动手、动口、动脑, 要创造机会让学生唱主角, 让他们阐述自己的观点。教师要鼓励学生大胆发言, 以促进学生之间、师生之间产生更广泛、更深刻的互动。教师要善于设计启发性、发散性问题, 扩大互动空间, 让每一个学生都动起来。
7. 给予足够的互动体验
教师要给每个学生在课堂上最好有一半的主动活动时间, 让每个学生自觉思考、操作、练习、讨论等。心理学认为, 一个人的专注程度一般只能保持10分钟左右, 10分钟后如果所专注的事物没有变化, 他的专注就会转移。因此, 教学组织形式一定要多样化。课堂上, 可增加学生个别学习、小组讨论、学生执教等形式, 加上原先的课堂提问、教师讲述等, 构成基本的教学组织形式。
8. 探究活动要落实到位
生物学本身是一门实践性较强的学科, 因此对《普通高中生物课程标准 (实验稿) 》要求的“观察与思考”“资料分析”“探究”“进一步探究”“实验”“调查”“设计”“模拟制作”“技能训练”和“课外实践”等活动一定要落实到位。决不能流于形式, 不能在黑板上讲实验, 而要在实验室中让学生做实验。教师不仅要研究考试大纲, 而且还要研究《普通高中生物课程标准 (实验稿) 》, 要把提高学生的生物科学素养放在首位。
只要社会、家庭、教师共同努力, 形成合力, 只要教师转变教育观念, 让学生真正动起来, 让他们体会到成功的乐趣, 让他们成为学习的主人, 就一定会变倦学为乐学。
生物的生力场假(学)说 篇9
1 生力场存在的基础和理由
与重力场、磁场一样, 生力场也得有它的场源体。前两者的场源体分别是单一物质、物质复合体, 它们是原子或分子的大聚合体。可把生力场的场源体分为3个层次:生物遗传物质DNA (脱氧核糖核酸) 和RNA (核糖核酸) 、细胞、生物个体。DNA是生力场的核心, 它不是一种简单的化学物质, 而是一种物质体系, 包含有海量的原子元素组分, 各生物种类之间均不相同。当DNA或RNA在它具有生物活性时 (或生物体有正常生命特征时) , 它们肯定能产生对其自身周围的物质粒子 (包括各类物质分子、离子) 有选择性的吸附力。可以推定:DNA的复制、RNA的转录及蛋白质的合成都是在其自身的生力场中完成的。若作这样的反问:假设没有生力场中的生物作用力 (简称“生力”) , 那复制、转录、合成所需的各种离子、分子又怎么能聚合在一起呢?无论如何, 这些遗传物质复杂运作的背后绝对存在一种力的支持, 而且是一种较神秘的力, 不妨称之为“活”力, 是生物活性物质才具有的特有的力。因此, 遗传物质是生命体中最基本、最核心的场源体。依此类推, 再扩展到细胞层面, 那它的场源体变得更复杂, 生力场空间更大, 其生力的形成更复杂。到了生物体时, 场源体、生力场、生力是人类直接或间接感受到的, 植物、动物、微生物是自然界中的三大生物种类, 它们各自的生力场也许人们在以往的认识和研究中没有形成这样的概念和视角, 但不得不接触和面对它。
2 生力场的性质
生力场的特点在于它跟“生”字有关, 一方面, 它与生命密不可分。因此, 它是一个动态的物理场, 凡是影响生命表现的内因和外因均能影响生力场。内因, 指的是生物体的种类 (即其基因型和细胞质型) , 其遗传物质的结构和组分, 从内因上可以了解生物生长的特点, 如前文所述, 地球重力场可以反映地球内部质量、密度的分布和变化, 反映地球物质的空间分布、运动和变化。地球重力场是一种物理场。那么, 生物的生力场则可以反映生物体内部物质的结构和变化。现代科学已阐明, 物理现象中的基本力量有4种, 即强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。那么, 生力究竟属于哪一类相互作用, 目前尚不能明确肯定, 可能是强相互作用, 或者是强相互作用和引力相互作用的合力, 其性质有待于进一步鉴定研究。外因是指生物体所处的生态环境 (生境) 状况, 它包括生境的温度、湿度、p H值、水分、物质组分含量等。另一方面, 它与生命所处的生境有关。现代科学已阐明, 不同的生命体有不同的生境, 有生境才有生力场;因此, 生境是非常重要的因素, 可以理解为包容生力场的一个生境场。它有各种类型, 有空气中的、水中的、土壤中的等, 不同的生境场对生力场有很大的影响, 生物体不同的生力场有其特定的生境场, 2种场若相互适应, 生物的生力场表现最活跃、充分;反之, 则生物的生力场没有表现或不能表现。人们要做的就是要保护、利用、开发各种生境场, 为自身的生存和自然界其他生物的生存和可持续性发展创造有利条件。
3 生力场的运用
一旦人类建立了生力场的概念和具备这种意识, 就要科学地面对和应用它, 它是生物活性物质产生的, 跟这种物质的结构、组分肯定有关系, 不同的结构、不同的组分能产生不同的生力, 从而影响生命体的生长速度和大小, 进而影响生物世界的布局和状况。生物的杂交优势就是生力场的内因得到了改变, 从而改变了生力场, 提高了其生力, 增多了其生物产量。如能有条件、有目的地去改变某些生物的生力场, 提高或减少其生力, 就能更好地打造更适宜人类生存的环境, 更能支持人类和生物界的可持续性发展。
4 生力的测定
如果存在这么重要的生力场, 如何对其进行测定呢?这是一个非常值得研究和探讨的问题。测量地球重力, 可以用直接和间接的方法进行, 分别被称为绝对重力测量和相对重力测量[2]。生力的测定, 首先要考虑生力场所处的生境场[3,4];不同的生境场, 生力的测定方式不一样, 空气和液体较容易, 而土壤相对较难, 生力的度量暂时还给不出适宜的单位, 应是微克级甚至更小。可以说, 生力场的精确测量及其他一些考量问题还有待于更深入、更全面地研究。
参考文献
[1]《我的科学地带》编委会.我的科学地带[M].北京:知识出版社, 2010:123.
[2]张怀亮, 林彤.细胞生物场效应论与经络实质探讨[J].江苏中医药, 2004 (8) :1-3.
[3]姜建东.人体生物场的一些现象[J].气功与科学, 1997 (5) :14-15.
海洋药用生物资源学教学改革 篇10
一、根据海洋药学专业教学发展的需要, 不断修订教学内容
我校海洋药学专业开设海洋药用生物资源学、海洋生物学、海洋天然产物化学等专业课程, 三者既有紧密联系又各有侧重。由于海洋药学专业设立时间较短, 没有现成教学内容可以借鉴, 使用的教材都是自编教材, 故教学工作一直在摸索和创新中;同时教学实践中也存在很多问题, 如本专业设立之初并未全面考量细化专业课程内容, 三门课程在教学内容方面存在不同程度的重复现象, 特别是海洋药用资源学与海洋生物学有很多重叠。针对上述问题, 通过开展教师之间研讨及学生意见反馈等方式, 笔者协同其他教师一起修正教学内容, 以符合教学发展的需要。以海洋药用生物资源学为例, 突出“药用”和“资源”两个主题, 以区别于海洋生物学的教学内容 (海洋生物学重点讲授海洋生物的分类学特征) 。具体包括“药用”的海洋生物分类特征、药用部位、药用开发与应用, 及其资源分布。以软体动物为例, 不再赘述软体动物分类学特征, 而是突出介绍药用的品种, 如海兔, 具体介绍海兔生物分类特征、分布区域、药用部位、药用进展、药用进展、实例等, 如Dolastatin10、Dolastatin15等研究进展。实例选择更趋向于来源于海洋的已经成为新药或临床在研的药物, 特别是国外热点药物的追踪。本着由面到点, 逐步深入, 全面介绍药物研究过程的教学思路, 帮助学生全面了解海洋药物研发历史、流程及研究思路, 有助于培养学生的学术思维能力, 拓宽知识面和眼界。
二、紧随海洋药物前沿进展, 更新教材
目前海洋药学领域每年约有500~600篇论文发表, 1000个左右的新结构化合物被发现, 具有显著生理活性的海洋天然产物不断进入临床研究阶段, 有部分药物已经被批准, 有的药物被驳回, 如来源于芋螺的齐考诺由2005年1月首次在美国上市, 2005年2月获欧盟许可[1]。但就目前的教材而言, 特别是教材2004~2005年期间编写的, 许多知识已经陈旧, 亟需更新。特别是对海洋来源的新药或候选药物的介绍不够深入, 缺乏详细的有代表性的介绍, 因此与药物化学相比较, 缺乏系统性。因此笔者筛选了有代表性热点药物研究, 将其更新于教材中, 全面系统地介绍, 使学生在学习基础知识外, 了解最新研究动态, 扩宽了学生的视野。
三、优化教学方式, 实现师生互动
目前的教学模式主要是老师讲解为主, 缺乏学生互动。学生被动接受知识, 因此学生的创新思维和独立思考能力得不到有效锻炼, 同时缺乏对外界的了解, 如对企业的了解, 不知道企业需求是什么。并且现有教学都进行独立内容讲授, 学生了解知识往往很零散, 缺少全面整合和融会贯通。对此笔者做了大量创新。如笔者参照企业新药立项报告形式, 其内容涉及药物来源、结构、理化常数、药理活性、研究动态、专利情况、市场预测等方面, 要求学生参照模版对某种海洋来源的药物进行综述。通过大量文献检索, 规范书写报告, 学生从中学习到有哪些著名企业, 该企业的研发方向是什么, 作为药物研究中重要一环的调研报告该如何撰写, 从而全面整合已有知识, 同时扩充新知识。学生在完成作业过程中, 必然涉及到药理、药化、药剂等各种知识, 故可以将已有知识进行回顾和整合;在课堂讨论中, 采取演讲和提问的教学方式, 鼓励学生敢于质疑, 积极参与讨论, 激发学生学习热情, 锻炼学生的口才。笔者通过近三年的教学实践发现, 这种教学方式非常受学生欢迎, 但在实际操作过程中也存在一些难题, 如学生的文献检索能力有待提高。
四、开展野外实训, 巩固基础知识
海洋药用生物资源学这门课程的实践性非常强, 学生如果只是学习课本内容, 往往达不到良好的效果, 特别是无法真正了解一些海洋动物或植物。为此本校海洋药学专业开设了野外实训教学。学校与海洋研究所、海洋大学等建立实训基地, 安排前往海滨实地考察, 了解海洋动物或者植物生活环境, 观察活体或标本, 参观养殖基地, 如紫菜养殖基地、鱼虾蟹类养殖基地, 参观相关生产海洋药物企业 (如甲克素生产加工企业) , 聆听专家讲座。经过近年的教学实践, 学生通过实地学习, 加深了对课本内容的理解和掌握, 同时增强了对企业的了解, 扩展了知识面。
五、开展在企业暑期短期实习和毕业实习, 促进就业
就业是学生的头等大事。海洋药学作为一个新专业, 许多企业并不了解, 不知道这个专业学生学习过什么知识, 能够从事什么岗位, 故需要与企业沟通和合作, 使得企业了解学生。最佳办法为派学生到企业实习。为此, 本教研室教师通过与企业沟通, 设立培训基地等方式, 开展暑期短期实习和本科毕业实习等方式, 加强企业与学校, 企业与学生相互了解, 为今后学生就业打下基础。海洋药学不断发展, 与此对应的教学工作也应适应时代发展, 在教学内容和教学方式等方面进行改革创新, 以适应培养新时代复合型人才、创新型人才的需要。本教学改革针对现有问题, 针对教学内容、教材、教学方式等做了创新和改革, 取得了良好的效果。本教研室在校及院部领导的支持下还在不断努力, 为培养21世纪海洋药学专业创新型人才奠定基础。
参考文献
谈生物课堂中教学方式的转变 篇11
【关键词】教师 学生 语言 兴趣 导师
偶然读到了《好妈妈胜过好老师》，最初只是被书名挑起了好奇心，自认为不是书虫级别的我，破天荒的被书中的内容深深吸引，一口气读完。这本书的魅力在于它的朴实无华，作者用平实的语言讲述了让人耳目一新的教育理念。不单值得所有的妈妈去学习，也值得和我一样身为教师的广大同行们一读。
这本书共分为七章，每个章节都有一个主题。简单概括起来，作者从爱、学习、品格、习惯、等七个方面向我们讲述了她一直所秉承的家庭教育原则，而其中的某些教育方式刚好和我们现在的教育理念不谋而合。让我印象深刻、受益匪浅的有以下几点：
一、“像牛顿一样”——讲究语言艺术
“像牛顿一样”的批评方式是把一件不好的事用幽默诙谐的语言表达出来，让犯错误的人既知道错了，又很容易接受。
“人非圣贤，孰能无过。”学生的不足各种各样，有的粗枝大叶，有的散漫拖沓，也有的目无尊长……个体的差异构成了人性的丰富，每一个人都应该允许差异的存在。
身为教师，如果能在孩子们犯错误的时候，学学尹建莉老师，说一句幽默诙谐的话来批评，我想既能让學生认识到自己的错误，同时又巧妙的维护了他的自尊，更暗含了对学生的理解和尊重，何乐而不为呢？有时教师不经意的一句话会对孩子产生深远的影响。
记得有一次生物课，主要内容是关于《食品安全》的，学生的积极性很高，没等我发号施令，下面已经乱作一团了，你一言我一语，听不出个所以然。真想拍案而起，施展教师的权威来镇压一番，可是岂不扼杀了孩子们学习的欲望？真有点儿左右为难，脸色不自觉的有些难看，这时一个学生适时的“嘘~”了一声，教室里立刻安静下来，静的连根针掉下去都能听见，学生们都紧张的看向我，仿佛等待暴风雨的来临，我灵机一动，只说了一句“此时无声胜有声，该出声时才出声。”学生们先是一愣，转而一笑。没有过多的批评与说教，不必剑拔弩张，大家心知肚明。这样做真的很好。所以教师应该注重自己的语言修为，讲究语言艺术，别让口中的“利刃”刺伤学生。
二、“阅读需要诱惑”——建立学生的学习兴趣
尹建莉老师在文章中说了这样一句:人最难抗拒的就是“诱惑”，最讨厌的是“强迫”，大人孩子都一样。
这使我想到了我的日常生物教学工作。激趣导课不是一句空话，兴趣的产生在于培养，在于“诱惑”。有趣是学生产生进一步学习欲望的内在动力。因此，教师应当注重教学情境的设置，循循善诱。
生物学科作为非中考学科，常常不被重视，学生因而主观松懈，课堂成了学生的“放松时间”。为了维护正常的课堂秩序，教师经常需要强制和镇压学生，气氛剑拔弩张。有时因为秩序问题，一节课常常是准备充分却很难得到发挥,管得住人，管不住心。课堂纪律好了，听的人却是寥寥无几，心不在焉。
三、“不管”是最好的“管”——做好“导师”
“一个被管制太多的孩子，他会逐渐从权威家长手下的‘听差’，变成自身坏习惯的‘奴隶’；他的坏习惯正是束缚他的、让他痛苦的桎梏。不是他心里不想摆脱，是他没有能力摆脱。”
读了尹建莉老师写的这段话，感慨良多，心里莫名的痛了，为学生心痛，也为教师从前的课堂作为心痛。其实，我们教师对学生的课堂管理也近乎如此，为了能使一节课顺理成章的完成预设，几乎镇压了发生任何意外的可能。当然，这样的镇压势必也会泯灭孩子的天性，扼杀学生学习的积极性和和主动性，以及可能实现的自我发展。久而久之，学生成为教师的“听差”也就不足为奇了。这不能不说是教育的一种悲哀。
道家云：“无为而无不为。”反思我们的课堂教学，真的“管”得太多、“有为”太多了。生物学科是一门实验性很强的学科，常常要求学生动手实践，自主探究。教师以往的取而代之，剥夺了学生自主探究的权利，阻碍了学生的发展空间。也正因为如此，我们的课程教育改革才举步维艰，当教师真正放手把课堂还给学生的时候，学生反而不会学习，不知道该干什么，饱受“桎梏”的学生，正在变成坏习惯的“奴隶”。
很汗颜自己做教师做到了如此地步，尹建莉老师的“无为而治”让我感悟颇深。我认为，“无为”不是什么都不做，而是要做的更多。
首先，教师在备课上应狠下功夫，广纳信息，高屋建瓴才能举重若轻。
其次，要有课堂教学的“无为”意识。“老师越勤快，学生越懒惰。”这句话是有几分道理的。长期以来教师的大包大揽使得学生的自我思考意识和自主动手能力都不尽如人意，所以教师应当让学生习惯老师的“无为”，进而养成自己的“有为”。
再则，教师还应重点注意教学进程的“无为”， 教师的首要任务是“导”好课堂，而不是“管”好学生。应当允许学生的个性张扬，分享他们的“奇思妙想”，甚至要包容他们小小的“无理取闹”。尹建莉老师说“放手其实比包办代替更难，”课堂教学尤其如此，但一个合格的教师就应该张弛有度，收放自如。略带嘈杂的教室有时胜过安静的课堂，因为有声音才可能有辩驳，才具有挑战性，教师才能引导学生走的更远。教师也才真正实现了一个“导师”的作用。
生物信息学中的序列比对算法 篇12
生物信息学是80年代末随着人类基因组计划的启动而兴起的一门新的交叉学科,最初常被称为基因组信息学。生物信息学是在生命科学的研究中,以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。它是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一,同时也将是21世纪自然科学的核心领域之一。其研究重点主要体现在基因组学和蛋白组学两方面,具体说,是从核酸和蛋白质序列出发,分析序列中表达结构与功能的生物信息。
生物信息学的研究重点主要体现在基因组学和蛋白质学两方面,具体地说就是从核酸和蛋白质序列出发,分析序列中表达结构和功能的生物信息。生物信息学的基本任务是对各种生物分析序列进行分析,也就是研究新的计算机方法,从大量的序列信息中获取基因结构、功能和进化等知识。在从事分子生物学研究的几乎所有实验室中,对所获得的生物序列进行生物信息学分析已经成为下一步实验之前的一个标准操作。而在序列分析中,将未知序列同已知序列进行相似性比较是一种强有力的研究手段,从序列的片段测定,拼接,基因的表达分析,到RNA和蛋白质的结构功能预测,物种亲缘树的构建都需要进行生物分子序列的相似性比较。例如,有关病毒癌基因与细胞癌基因关系的研究,免疫分子相互识别与作用机制的研究,就大量采用了这类比较分析方法。这种相似性比较分析方法就称为系列比对(Sequence Alignment)。目前,国际互联网上提供了众多的序列比对分析软件。然而,不同的分析软件会得到不同的结果,同时所使用的参数在很大程度上影响到分析的结果。有时常常会由于采用了不合适的参数而丢失了弱的但却具有统计学显著性意义的主要信息,导致随后的实验研究走弯路。因此,生物信息学中的序列比对算法的研究具有非常重要的理论与实践意义。
序列比对问题根据同时进行比对的序列数目分为双序列比对和多序列比对。双序列比对有比较成熟的动态规划算法,而多序列比对目前还没有快速而又十分有效的方法。一般来说,评价生物序列比对算法的标准有两个:一为算法的运算速度,二为获得最佳比对结果的敏感性或准确性。人们虽已提出众多的多序列比对算法,但由于问题自身的计算复杂性,它还尚未得到彻底解决,是生物信息学中一个非常重要且具有挑战性的研究课题。
2 序列比对
比较是科学研究中最常见的方法,通过将研究对象相互比较来寻找对象可能具备的特性。在生物信息学研究中,比对是最常用的研究手段。
最常见的比对是蛋白质序列之间或核酸序列之间的两两比对,通过比较两个序列之间的相似区域和保守性位点,寻找二者可能的分子进化关系。进一步的比对是将多个蛋白质或核酸同时进行比较,寻找这些有进化关系的序列之间共同的保守区域、位点和profile,从而探索导致它们产生共同功能的序列模式。此外,还可以把蛋白质序列与核酸序列相比来探索核酸序列可能的表达框架;把蛋白质序列与具有三维结构信息的蛋白质相比较,从而获得蛋白质折叠类型的信息。
序列比对的理论基础是进化学说,如果两个序列之间具有足够的相似性,就推测二者可能有共同的进化祖先,经过序列内残基的替换、残基或序列片段的缺失、以及序列重组等遗传变异过程分别演化而来。
早期的序列比对是全局的序列比较,但由于蛋白质具有的模块性质,可能由于外显子的交换而产生新蛋白质,因此局部比对会更加合理。通常用打分矩阵描述序列两两比对,两条序列分别作为矩阵的两维,矩阵点记录两个维上对应的两个残基的相似性分数,分数越高则说明两个残基越相似。因此,序列比对问题变成在矩阵里寻找最佳比对路径,目前最有效的方法是NeedlemanWunsch动态规划算法,在此基础上又改良产生了Smith-Waterman算法。
在进行序列两两比对时,有两方面问题直接影响相似性分值:取代矩阵和空位罚分。粗糙的比对方法仅仅用相同/不同来描述两个残基的关系,显然这种方法无法描述残基取代对结构和功能的不同影响效果。用一个取代矩阵来描述氨基酸残基两两取代的分值会大大提高比对的敏感性和生物学意义。虽然针对不同的研究目标和对象应该构建适宜的替换矩阵,但国际上常用的替换矩阵有PAM和BLOSUM等。它们来源于不同的构建方法和不同的参数选择。对于不同的对象可以采用不同的替换矩阵以获得更多信息。
多序列比对就是把两条以上可能有系统进化关系的序列进行比对的方法。目前对多序列比对的研究还在不断前进中,现有的大多数算法都基于渐进的比对思想,在两两比对的基础上逐步得到多序列比对的结果。
多序列比对算法是生物信息学中的最基本算法,是生物体的进化分析、蛋白质的分析和预测等生物体研究的基础,具有重要的理论意义和使用价值。
3 序列同源性与序列相似性
序列相似和序列同源是不同的概念,序列之间的相似程度是可以量化的参数,而序列是否同源需要有进化事实的验证。序列同源(homology)指的是序列来自相同的祖先,意味着这些序列具有相同的进化历史,而序列的相似性(similarity)指的是两序列在某参数条件下的相像,它可以用相同残基的百分比或是其他的方法来表示。序列之间的相似度是可以量化的参数,而序列是否同源需要有进化事实的验证,显著的相似性通常意味着同源。
序列比对是运用某种特定的数学模型或算法,找出两个或多个序列之间的最大匹配碱基或残基数,比对算法的结果在很大程度上反映了序列之间的相似性程度以及它们的生物学特征。序列比对根据同时进行比对的序列数目多少可分为双序列比对(pairwise sequence alignment)和多序列比对(multiple sequence alinment)。序列比对从比对范围考虑也可分为全局比对(global alignment)和局部比对(local alignment),全局比对考虑序列的全局相似性,局部比对考虑序列片断之间的相似性。如下所示。
全局比对:
在实际应用中,用全局比对方法企图找出只有局部相似性的两个序列之间的关系显然是徒劳的;而用局部比对得到的局部相似性结果则同样不能说明这两个序列的三维结构或折叠方式是否相同。
4 序列比对算法
在生物分子信息处理过程中,将生物分子序列抽象为字符串,其中的字符取自特定的字母表。字母表是一组符号或字符,字母表中的元素组成序列。如DNA序列由四种核苷酸组成,用“A”,“T”,“C”,“G”代表四种碱基,其复杂度为4,“CCATGCTAGAT”可代表一个简单的DNA序列。蛋白质序列由20中氨基酸组成,由{ABCDEFGHIKLMNPQRSTV WXYZ}代表不同的残基。“X”表示某个不确定的残基。“B”表示天冬胺或天冬胺酸,用三个字符表示“Asx”。“Z”表示谷氨酰胺或谷氨酸,用三个字符表示为“Glx”,其复杂度为23,“BEGSSTTNMABNNMA”可代表一个简单的蛋白质序列。因此生物序列比对可以看作字符串的比对。对字符串的编辑操作有以下三种:插入———在序列中插入一个或多个字符;删除———在序列中删除一个或多个字符;替换———用另一个字符替代某个字符。
4.1 序列比对基本定义
定义1序列是有限长度的字符串,序列中的字符由某个有限字符集合Ω确定。对于DNA,Ω={A,C,T,G}。对于蛋白质,Ω由20种代表氨基酸的字符组成。
定义2对于序列S,|S|表示S中字符个数。S[i]表示序列的第i个字符。S[1…i]表示序列的前i个字符组成的子序列。
定义3我们用“-”来表示插入和删除所产生的空位,则:
(1)(a,a)表示匹配(从序列S到序列T没有发生变化);
(2)(a,-)表示从S中删除字符a,或是在T中插入空位;
(3)(a,b)表示用T中的字符b替代S中的a,(a≠b);
(4)(-,b)表示在S中插入空位,是从T中删除字符b。
定义4对于x,y∈Ω∪{-},定义σ(x,y)为计分函数,表示x,y比较时的得分。以下是最简单的一种定义公式:
定义5 S和T的一个比对A用序列S和T中字符的一一对应表示,其中
(1)|S'|=|T'|;
(2)S',T'去掉空格就是S和T。
定义6序列比对A的得分为M,得分M越高表示序列的相似程度越高。
4.2 序列比对算法
Needleman-Wunsch算法是双序列比对的经典算法,其使用的是动态规划的基本思想。对于长度分别为m和n的两个序列S和T,构造矩阵T,矩阵T中的最后一个元素T[m][n]即对应于最优比对的得分,而最优比对本身则可以通过回溯算法得到。该算法的时间和空间复杂度均为O(mn)。
Smith-Waterman对Needleman-Wunsch算法稍加改动,使其可以计算局部最优比对,其所需的时间和空间复杂度仍是O(mn)。
Mayers和Miller使用Hirschberg提出的技巧在时间复杂度不变的前提下将空间约减到O(m+n)。
M.Crochemore等人对经典算法加以改进,提出了一个可以在O(n2/log n)时间内实现的双序列比对算法。其主要思路是对序列进行压缩编码,从而将序列分为若干段,从而将比对所构造的矩阵分为若干块来计算。后面的块的计算可以利用前面的块的结果在常数时间内计算得出。
除了利用矩阵来计算序列比对外,还有两种常用于序列分析的后缀队列Suffix Array和后缀树。
AVID是一个双序列全局比对算法,首先,用后缀树找出所有的最大匹配子序列,并在其中选择所有不重叠,不交叉的序列作为锚点。然后用锚点作为最后比对的一部分,在锚点之间的序列部分则递归的用此算法进行比对。
生物数据的信息量极大,序列比对的计算需要耗费大量的时间。由于进行算法可以大大地加快问题求解速度,近年来对该问题并行化的研究也引起研究者的注意。
在CREW-PARM模型上,Aggarwal和Apostolico等人独立地提出了一个O(log m log n)时间,使用mn/log m个处理机的并行算法;Mi Lu等人设计了两个并行算法;一个使用mn/logm台处理机,时间复杂度为O(log2m+log m);另一个使用mn/log2mlog log m台处理机,时间复杂度为O(log2m log log m)。
对于多序列比对问题,传统方法所采用的表示模型是行一列模型,即对于输入的多个序列插入空位并排列比对,使其达到相同的长度。对于N个序列S1,…,Sn,其多序列比对是一个新的序列集S'=(S1',…,SN'),S'的所有序列长度相同,并且每一个序列Si'由Si插入空位‘-’得到。如果将各序列在垂直方向排列起来,则可以根据每一列观察各序列中字符的对应关系。图1是6个蛋白质序列片断基于行-列模型的多序列比对。
多序列比对问题实际上是两条序列比对问题的一般化推广。但是由于DNA或蛋白质数据库容量的指数级增长,当比对的序列大大超过两个时,基于基本动态规划法的多序列比对算法的计算量是非常惊人的,这使得多序列比对这一NP难题变得更加复杂。因此,为了解决这一问题,许多近似算法和启发式算法被提出。以下介绍几种典型的多序列比对算法。
动态规划方法:给定k条长度均为n的序列,根据在两条序列比对中的动态规划算法的思想,需要计算一个K维的超级立方体,该立方体的尺寸为(n+1)k。在双序列比对的动态规划解决方案中,每一项(i,j)要由(i-1,j-1)、(i-1,j)和(i,j-1)这三项来决定,在这个超级立方体中的每一项要有2k-1个相邻的项来决定。这样该问题的时间复杂度是O((2n)k),空间复杂度是O(2nk)。
渐进比对算法:渐进比对算法是最常用的、简单而又有效的启发式多序列比对方法,它所需要的时间较短、所占内存较少。这个算法首先是Hogeweg和Hesper给出的,随后Feng和Doolittle对此做了进一步研究和改进。基于渐进比对算法并被广泛使用且成为多序列比对标准方法的软件有:Clustal W和T-Coffee等。渐进比对算法的基本思想是迭代地利用两序列动态规划比对算法,先由两个序列的比对开始,逐渐添加新序列,直到所有序列都加入为止。但是不同的添加顺序会产生不同的比对结果。因此,确定合适的比对顺序是渐进比对算法的一个关键问题。而两个序列越相似人们对它们的比对就越有信心。因此,整个序列的比对应该从最相似的两个序列开始,由近至远逐步完成。作为全局多序列比对的渐进比对算法有个基本的前提假设:所有要比对的序列是同源的,即由共同的祖先序列经过一系列的突变积累,并经自然选择遗传下来的。分化越晚的序列之间相似程度就越高。因此,在渐进比对过程中,应该对近期的进化事件比远期的进化事件给予更大的关注。由于同源序列是进化相关的,因此可以按着序列的进化顺序,即沿着系统发育树(指导树)的分支,由近至远将序列或已比对序列按双重比对算法逐步进行比对,重复这一过程直到所有序列都已添加到这个比对中为止。
渐进比对算法主要由三个步骤组成:计算距离矩阵;构建指导树;依据指导树进行渐进比对。
这类算法的主要优点是:简单、快速,但存在两个主要问题:比对参数选择问题和局域最小化问题。
迭代比对方法:这种方法是使用比对记分函数反复添加一附加的序列到已比对的比对序列中,首先在所有的两条序列比对中找出距离值最小的一组,组成最优比对,然后反复地找出与最优比对距离值最小的序列。与最优比对的表头文件进行匹配,并且根据所得的结果相应的修改最优比对和表头文件。
Clustal W算法:比对过程中,先对所有的序列进行两两比对并计算它们的相似性分数值,然后根据相似性分数值将他们分成若干个组,并在每组之间进行比对,计算相似性分数值。根据相似性分数值继续分组比对,直到得到最终比对结果。
当得到多序列比对后,需要对比对的质量进行评价,SP模型是评价比对优劣的最常用模型。设得分函数具有可加性,多序列比对的得分是各列得分之和,对于某一列字符的得分可用公式(3)进行计算,即某一列字符的SP得分为一列中所有字符对得分之和:
其中ci表示该列中的第i个字符,f(ci,cj)表示字符ci和字符cj比较所得分值。具体计算时,可以先对多序列比对的每一列进行计算,然后将各列得分相加,也可以先计算所有两两序列比对的得分,然后再将得分相加。这两种计算在f('-','-')=0这一条件成立下等价。
多序列比对的目标是:在计分机制确定的情况下,寻找使得比对得分最高的多序列之间的最优比对。可以证明,利用SP模型寻找最优多重序列比对是一个NP完全问题。
要获得给定的多个基因或蛋白质序列之间的一个正确的比对是一个困难的计算问题,其困难在于两个方面:一是如何根据包括结构信息在内的生物学意义对给定比对打分,即如何获得一个完美的目标函数(Obj ective Function简称OF);二是在目标函数确定的情况下,如何求得分值最高的最优比对。前者要依据生物学的知识和实际问题的需要来决定。假设已经求得的目标函数相当完美且简单,后者也将是一个非常困难的计算问题。
5 结束语
随着生物学数据的大量积累,对序列比对算法的敏感性和运算速度提出了更高的要求,对计算的挑战就令人生畏,序列比对中的主要困难就是如何研究和设计同时具备高敏感性和高速度的算法,序列比对算法研究仍然是生物信息学中一个非常重要且具有挑战性的研究课题,对序列比对算法研究具有非常重要的意义。
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