[计算机在生物学中的应用论文]计算机在生物学上的应用

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计算机在生物学中的应用论文

【关键词】计算机 生物学研究 生物信息学 交叉学科 一 前言 什么是生物科学在古时候，人们对生物学的认识是很有局限性的：对 生物学的认识往往停留在观察上，到了19世纪,达尔文发表《物种起源》之后， 生物学第一次总结出一个有重大哲学意义的普遍规律。此后，孟德尔发现了遗传 学的规律，沃森和克里克发现的DNA双螺旋结构以及核酸是生命本质的一系列 重大发现，为生物学发展奠定了坚实的基础，从而生物学正式摆脱了那种仅靠观 察，比较的方法，发展成为一门实验科学。

传统的生物学是一门实验科学,生物学的研究主要依靠的是对实验所 得的数据进行处理和分析。生物学还是一门发现科学，通过对在实验中发现的新 现象，新的生物规律进行分析、归纳和总结，提炼出新的生物学知识。进入到20 世纪以来，人类已经进入了信息化的社会。作为信息社会中最为重要的工具，计 算机在人们生活中发挥着日益重要的作用。随着网络技术和通信技术以及半导体 技术的发展，计算机的功能越来越强大。计算机科学是对社会各个层面影响最大， 渗透力最强的高新技术。

回顾20世纪人类所取得的科学成就，以计算机技术为代表的信息技术 得到高速的发展和应用。在以计算机科学为代表的信息科学取得快速发展的同时， 现代生物科学研究也取得了极大的成功。

二 进展 计算机在生物学研究中的应用并不是一个很新的话题，作为一门学科，它是新的，但实际上它的研究工作的开展已经有了一段历史。

(一)计算机在国内生物学研究中应用的情况 我国的科研人员在20世纪60-70年代就开始利用计算机在生物学研究 中进行数据的统计分析，但是应用的层次低，多用于教学和实验数据分析处理。

我国的生物信息工作是逐步发展起来的，20世纪80年代初仅在个别单位开展了一 些计算分子生物学的工作，如核酸序列统计分析、生物大分子二级结构预测、分 子动力学等。虽然我国在1993年就在中国人类基因组计划中加入了生物信息学的 相关研究内容，但是真正的开始是在1995年。目前，我国所用到的生物数据库和 生物系列软件多半来自于国外，基础力量还比较薄弱。

1997年，香山会议专题讨论了我国生物信息学的发展。1999年，国家 自然科学委员会生命科学部、信息科学部、数理科学部、材料科学部在北京召开 了“生命科学中的信息科学问题”论坛，提出了建立国家生物医学数据库与服务系 统，同时开展基因组及功能基因组信息分析工作。2000年国家自然科学基金委员 会主持召开的“生物信息学前沿方向”研讨会上，与会专家提出了我国生物信息学 发展的方向是：建立国家生物医学数据库与服务系统、人类基因组信息结构分析、 功能基因组相关信息分析和研究遗传密码起源与生物进化(尤其是分子进化)的 过程与机制。

近几年来，我国对生物学中的计算机应用工作越来越重视，研究的层 次也不断提高。在“HGP1%的测序工作”、“中华民族基因组中若干位点基因结构 的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研究”等项目中，计算 机都起到了重要的作用。

北京大学于1997年3月成立了生物信息学中心，中科院上海生命科学 研究院也于2000年3月成立了生物信息学中心，分别维护着国内两个专业水平相 对较高的生物信息学网站。

2003年8月18日，“作为国内服务器品牌三甲之一”的曙光信息产业(北 京)有限公司(以下简称曙光公司)与国内著名的基因组、生物信息研究中心华大基 因联合推出国内第一款完全拥有自主知识产权的生物信息专用计算机，采用先进 的基因数据库架构技术、数据定制可视化技术、数据密集技术、网格使能技术、 在线扩展技术及机群系统等技术，为国内用户搭建了一套与国际生物信息研究主 流趋势相接轨的系统平台。该系统是建立在华大基因和曙光公司在生物信息研究领域长期合作成果的基础之上，通过运用曙光公司每秒3万亿次浮点峰值运算能 力的Linux超级服务器，以支持数据密集应用为主，为国内大量致力于基因组研 究的科研工作者们提供方便、快捷的服务。“生物信息专用计算机”采用机群结构， 系统中节点根据功能划分为计算节点、数据库节点、服务节点三种类型，为生物 信息学研究提供了一个基于硬件、软件和数据库集成环境下的统一运行平台，为 各个分析软件、子数据库模块提供一致的运行和管理环境。同时用户可以根据需 要选择软件和数据库模块，无缝集成到平台上。平台提供ORACLE数据库和软件 的集成接口和管理工具。生物信息专用计算机以模块化的方式提供大量基因组学、 生物信息学研究的常用分析工具，并能实现分布式高性能计算。用户也可以根据 需要定制分析软件，添加到该专用计算机应用平台中。

对于我国来说，生物信息学人才的培养是当务之急。生物信息学是一 个交叉学科研究领域，这对生物信息学研咳嗽痹谥  督峁股咸岢隽朔浅８叩囊  螅  乇鹗嵌杂诶醋数学或计算机专业的研究人员，不仅要掌握生物学的基础知识， 还要求深入了解生物学中的相关问题，这样的人才不是单一学科能够培养出来的， 要求跨学科地培养生物学和信息科学的复合型人才。目前中国科学院和国内一些 著名大学已经开始较大规模地培养生物信息学专业人才，这为我国今后生物信息 学的发展奠定了良好的基础。可以相信，我国未来计算机在生物学中的应用一定 会有着很大的进步与发展。

(二)福建省“计算机在生物学研究中应用”学科发展简介 福建省计算机在生物学研究中的应用虽然起步较早，但是发展一直相 对较慢，目前还没有形成较大的研究规模和较完整的研究体系。但是，福建省对 计算机在生物学研究中的应用十分重视，福建农林大学、厦门大学等多所高校开 办了计算机在生物学研究中的相关专业或研究团队并举办了几场相关的学术会 议。

福建省的厦门大学生命科学学院和福建农林大学的生命科学学院已 经开办了生物信息学本科专业，为我省培养生物信息科学人才提供了一个很好的 平台。该专业整合了生物和计算机的相关资源，有望为我省培养出更多的精通于 计算机在生物学研究中的应用人才。福建省的其它院校如福建医科大学、福建师 范大学、福建中医学院、国立华侨大学、集美大学等多所高校也有不少的教学和 科研工作者在这方面进行了一定的研究工作，福建省农科院也开展了一些生物信 息学的研究工作。例如：福建省厦门大学生命科学院的纪志梁博士主要从事生物信息学、 功能基因组和蛋白组学、计算机辅助药物设计、生物数据库和生物信息软件的开 发及应用、数据挖掘、分子进化、生命起源与进化等方面的研究，主持了生物信 息辅助药物不良反应(ADRs)的分子机理研究及预测的国家自然科学基金项目。

福建农林大学借助于其在生物学特别是农林学科上的优势，联合校内 的计算机与信息学院一起开办生物信息学专业，计算机与信息学院还成立了生物 信息研究团队，以期望借助于两个学院的实力，更好地为我省培养相关的人才。

目前福建省在发展该学科时面临的主要问题是相关人才的缺乏和研 究硬件设备的不齐全。目前，福建省尚未能在“计算机在生物学研究”的学科发展 中形成一个理想的研究梯队，从而导致了在相关的科研上以应用研究为主，缺少 理论上的创新性，而应用的研究多集中于特定的领域：如福建农林大学的相关研 究主要在于农业领域;华侨大学的方柏山教授所做的工作多集中于工业微生物的 优化控制等方面。全方位，多角度的研究格局还没有形成。

从学科建设的硬件平台来看，虽然有了较大的发展，但是距离科研的 要求还有较大的距离。因为“计算机在生物学研究中的应用”学科是一门交叉学科， 需要用到许多方面的仪器设备，而目前福建省内的这方面的投入与科研所需要的 设备还有一定的距离。

(三)计算机在生物科学研究中的学科现状 自20世纪80年代，IBM公司制造出第一台PC机以来，计算机迅速得到 了普及。而且近二十年来，计算机与信息科学已经成为发展最为迅速的学科领域， 也为生物学的研究提供了更多的技术支持。在这个时期，生物学与计算机科学相 结合的学科――生物信息学产生了，是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域 之一，也是21世纪自然科学的核心领域之一。从国外近几年的应用情况来看，生 物信息学在理论上促进了生物学研究(特别是分子生物学)研究的发展，使人类对 生命本质的认识更加深刻。生物信息学已经改变了传统生物学的研究方法，提高 了生物学实验的科学性和研究的效率。

在这个阶段，计算机在生物学研究中的应用更为广泛与深远，这一时 期在生物学研究中用到的计算机技术大体有以下几个方面：
(1)数据库技术、数据挖掘技术与海量存储技术：生物信息数据库具有数据结构和组织方式复杂、数据量增长十分迅速等特点。《核酸研究》(Nucleic Acids Research)杂志连续七年在其每年的第一期中详细介绍最新版本的各种生物 学数据库。在2000年1月1日出版的28卷第一期中详细地介绍了115种通用和专用 数据库，包括其详尽描述和访问网址。在DNA序列方面有GenBank、EMBL和 DDBJ等。在蛋白质一级结构方面有SWISS-PROT、PIR和MIPS等。在蛋白质和 其它生物大分子的结构方面有PDB等。在蛋白质结构分类方面有SCOP和CATH 等。

很多数据库涉及非结构化的数据，例如：PDB中的蛋白质三级结构等。

利用传统的关系数据库对这些非结构化的数据进行管理就显得有些力不从心了， 所以，必须要采用面向对象等数据库新技术来处理复杂结构的生物数据。生物信 息数据库具有种类繁多的特点，目前各种生物信息数据库大至有600种左右，分 布在全球各个数据库服务器中。

随着数据库技术、计算机网络和人工智能等技术的发展，出现了一种 新的信息管理技术，即：数据仓库技术(data warehouse)。随着当代生物学实验的 手段不断的进步，所产生的实验数据的信息量是十分庞大的。如何在如此浩渺的 信息海洋中发现潜在的规律呢而数据仓库技术中提供了一个解决方案，就是数据 挖掘技术。数据挖掘技术一般分成四个基本步骤：数据选择，数据转换，数据挖 掘和结果分析。数据挖掘与聚类分析的方法在蛋白质的结构预测中也有广阔的应 用空间：数据挖掘可用于分析基因表达数据相似性度量，从中发现基因表达数据 相似性和波动相似性类似，从而提出以波动相似性为依据的相似性度量函数。

(2)机器学习与模式识别技术：机器学习算法(machine-learning methods)，抽象的统称，实质是一种统计学的方法，它自动地从一个样本的训练 (train- ing)过程中获得数据信息，这种方法适用于有大量数据但缺乏相应理论的 情况。如BRNNs(Bidirectional Recurrent Neural Networks,双向重复神经网络)算法 即属于机器学习算法，它的训练过程即通过对样本进行有效编码，输入网络，训 练网络各权值参数和阈值参数，使网络达到基本稳定。目前机器学习方法包括：
神经网络法、决策树法、基于事例学习法、符号性知识优化法及基于逻辑的归纳 学习法。

数据是机器学习的基础，对于生物学实验数据也一样。在大多数情况 下，生物学中的知识和数据可以用序列的模式或序列的特征来概括。

随着人工智能研究不断取得进展，人们逐渐发现研究人工智能的最好方法是向人类自身学习。因此引进了一些模拟进化的方法来解决复杂优化问题。

其中较有代表性的是：进化主义思想和联接主义思想。近年来，许多科学家致力 于这两种方法的研究。

模式识别是机器学习的一个主要任务。所谓模式，指的是对感兴趣客 体定量的或者结构的描述，而模式识别就是利用计算机对客体进行鉴别，将相同 或者相似的客体归入同种类别中。模式识别的关键是通过数据分析，提取分类对 象的本质特征，建立分类特征模型。在此基础上设计模式分类规则和分类器，判 别待识别模式的分类情况。分类特征模型描述各种目标对象的特征，以便于工作 于利用特征进行识别。模式识别主要有两种方法：一种是根据对象统计特征进行 识别，另一种是根据对象的结构特征进行识别。利用机器学习的方法可以应用于 蛋白质结构的预测，但现在的问题是从蛋白质一级结构序列预测蛋白质二级结构 和三级结构的准确率低，还有许多现实的问题需要解决。

(3)人工心智和心脑科学在生物学中的应用：了解脑及其全部功能是 2l世纪重大挑战之一，人类脑计划开始于1993年，这项行动的主要目标：创立以 web为基础的神经科学所有数据的数据库，并提供数据分析、整合、合成、建模 与模拟的先进工具，有助于实现了解健康与有病神经系统功能的最终目标。脑是 生物体内结构和功能最复杂的组织，人脑内有上千亿个神经细胞，神经突触超过 1014个，是生物体接受外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思维、发出指 令产生行为的指挥部，但它的功能目前还不为人们所了解。

在人类脑科学计划提出后，产生了一门新的交叉学科――神经信息学。

神经信息学产生的先进的信息学解决方案，将加速对脑的了解，并能将基础研究 转化为诊断、监视、处理和预防脑疾病的更好手段。反过来，关于数据与信息的 获得、存储、提取、分析、合成及可见的生物学机制的阐述，将更加清楚地解释 信息学技术，以至随着时间的推移，计算机将能超过人脑的工作。

人脑的结构和功能极其复杂，需要从不同的层次对其进行研究，包 括：从DNA、RNA、蛋白、神经元、神经网络到全脑。其中对神经网络和全脑 功能的研究近年来发展很快，成为神经信息学研究的重点。神经信息学主要从信 息和信息处理的观点来研究人脑，研究神经系统信息的载体形式，神经信息的产 生、传输与加工，以及神经信息的编码、存储与提取机理等，并从系统和信息的 观点建立以生物学实际为基础的神经网络模型。

(4)生物分子的计算机模拟技术：传统的生物分子研究主要是能过生物学实验来分析和表征生物分子，如利用测序技术确定DNA或RNA分子的序列;
能过分子遗传学方法确定基因的多态性;能过X射线衍射技术来确定蛋白质等生 物大分子的结构;通过生物化学实验来研究生物大分子之间的相互作用、药物分 子和靶分子的结合等。

现代对生物分子的研究也可有采用计算机模拟生物分子的技术。所谓 生物分子的计算机模拟就是从分子或者原子水平上的相互作用出发，建立分子体 系的数学模型，利用计算机进行模拟实验，预测生物分子的结构和功能。可以模 拟生物大分子与大分子之间的相互作用、模拟生物大分子与具有活性的小分子之 间的相互作用、研究分子之间的识别与及分子间的特异性结合。

(5)网络技术：随着人类进入了信息社会，网络已成为社会的基础设 施，对人们的生活起着重要的影响。电子邮件和新闻组已经成为生物学科研中的 最要交流工具。而且网络提供的各种服务，如：FTP服务，WEB服务等也为科研 人员提供了重要的服务。

目前，Internet上有着巨大的生物学资源和生物学的相关数据库与知识 库。使用者可以通过网络查询或搜索所需要的生物学信息，使用各个网络站点提 供的分析工具对生物实难进行分析。生物信息的研究者能够下载大量的数据，但 如何集成这些数据不是一件容易的事。

而Web Services技术由于使用标准的Web协议(http、SMTP等)和一系 列标准协议(XML、SOAP、WSDL等)为生物信息集成提供了一种崭新的方法。

当把Web Services应用到生物数据库中时，所有生物数据库系统都成了一个松散 结构中的组件，系统接口、应用通信、数据转换和目录信息都是建立在开放的、 被广为接受的标准之上，用户能迅速地访问到他们所需要的信息。

(6)高速计算能力与网格计算技术：生物学研究需要对大量的样本进 行分析计算或统计，这就为为高性能计算提供了一个大的应用领域。生物学研究 中的计算面临巨大的计算量与海量的数据，如：利用分子动力学模拟一个蛋白质 的折叠就需要一个巨型机几个星期的运算。这给高性能计算、并行计算和网格计 算提出了挑战。

(7)专家系统：专家系统(exepert system)是一种基于知识的智能系统， 它将领域专家的知识用知识表现的方法表示出来，并放入知识库中，供推理机使 用。专家系统利用知识和推理机解决那些需要特殊的、重要的人类专家知识才能解决的复杂问题。一般的专家系统是由六大部份：知识库、数据库、知识获取部 份、推理机、解释机构和使用界面组成的。知识库中的知识也可以分成事实性知 识和启发性知识两大类。生物学研究中已经有了不少的专家系统。

(8)计算机图形学：众所周知，DNA序列是两条碱基互补的脱氧核糖 核酸形成的双螺旋结构。一般认为，它们可以用一条序列来进行表示。根据文献 按照某种规则，人们可以把DNA序列转换为一条z型曲线，该z曲线与所表示的 DNA序列的关系是一一对应的，即：一个特定的DNA序列，有唯一的一条z型曲 线与它对应;反之，对任意一条给定的z曲线，可找到唯一的一个DNA序列与之对 应。也就是说，z曲线包含了DNA序列的全部信息。z曲线是与符号DNA等价的 另一种表示形式。这样就可将复杂的DNA序列转换为一条空间中的曲线。对z曲 线曲率和挠率的计算和分析，可用于识别DNA序列的不同的功能区等。DNA序 列的几何学研究是建立在计算机图形学的基础上的，对DNA序列几何学的研究 必将为计算机图形学的研究提出一些新的课题。

三 计算机在生物学中的应用研究展望 虽然计算机在生物学应用中取得了不小的成果，但还有许多的问题摆 在人们面前。目前计算机在生物学研究中的应用面临着许多的挑战：
(1)需要建立交互性好的生物学应用软件，生物学数据库及相关的数 据挖掘技术。现有的生物学软件种类繁多，功能也不尽相同，但是，大部份软件 都要求用户有较强的计算机基础，甚至还有一些软件是基于linux或windws控制 台的，起特殊的命令语法不是一般的科研人员所能掌握的。而且，有些软件的源 代码不是公开的，特定用户就不能根据自己的需要对程序进行修改，进而适应自 己研究的需求。寻求一种好的方法来开发出交互性好、操作方便而功能强大的生 物学研究软件是今后一个重要的目标。

(2)需要能提示大规模数据集合中不同组分之间关系的统计分析方法 及优化算法。在生物学研究中，获取所得的实验数据往往可以根据其数据特征的 不同分成若干组分，这些组分之间的关系是怎样的如何在实验数据中确定分组的 标准如何用更快的算法更有效率的确定数据的分组标准等等都让科研人员十分 困惑。例如：不同物种间可能包含了同源或非同源的数据基因，而不同基因可能 在DNA或蛋白质序列上具有较高的异质性。因而，在基因组水平上比较不同物 种或不同基因之间的相似性，有助于揭示整个基因组进化与物种进化的规律。(3)需要开发适合于微阵列和基因芯片等新技术的数据分析工具。微 点阵杂交中涉及上万个寡核苷酸，并依杂交信号强弱、探针位置和序列确定靶 DNA的表达及多态性等。目前，迫切需要提高检测的自动化程度和数据的并行 处理能力。

四 小结 综上所述，尽管福建省的计算机在生物学研究的应用学科目前发展还 比较滞后，但只要能够抓住计算机在生物学科发展的契机，整合各方面的优势， 进行协作式的研究，就能够更好地促进该学科的发展。

计算机在生物学中的应用论文篇二 浅谈计算机技术在生物教学中的作用与应用 摘 要：作为一种高科技的教学手段，计算机教学所拥有的优势是传 统教学望尘莫及的。在课堂教学中，应用计算机技术，不仅能将生物化学的教学 内容生动形象地演示出来，还能培养学生的学习兴趣，提高学生的思维能力和逻 辑能力，开发学生的创新能力。

关键词：直观教学;人机互动;创新精神;教学方式 随着科学技术的迅速发展，传统教育、网络教育两个平台呈现在广大 教育者面前，如何使信息技术与学科课程整合，成为面向21世纪基础教育改革的 新热点。信息技术与课程整合，就是通过学科课程把信息技术与学科教学有机地 结合起来，将信息技术与学科课程的教与学融为一体，将技术作为一种工具，提 高教与学的效率，改善教与学的效果，改变传统的教学模式。其目的是把教师、 学生、教学内容整合在一起，激励学生去自主学习。

中国在生物教学过程中，因为很多学生对生物体的生命现象缺乏一种 感性的认识而导致抽象思维活动不能开展。所以，结合教学的需要，尽可能多地 为学生准备让人特别容易理解的感性认识的材料是非常有必要的。计算机能储存 很多的信息资料，能为学生呈现的感性材料以满足教学的需要，能够使无声世界 变成为有声世界，能够使抽象的事物变成具体的事物。因此，把计算机应用于教 学中，调动了学生的感官，强化了学生的感知，建立了生动的空间想象能力，解决了教师的“无米难为炊”的困境，保证了学生的抽象思维活动顺利开展。

一、充分利用计算机技术进行直观教学 计算机提供的外部刺激不是单一的刺激，而是多种感官的综合刺激。

这对于知识的获取和保持，都是非常重要的。计算机技术既能看得见，又能听得 见，还能用手操作。这样通过多种感官的刺激所获取的信息量，比单一地听老师 讲课强得多。信息和知识是密切相关的，获取大量的信息就可以掌握更多的知识。

人们一般能记住自己阅读内容的10%，自己听到内容的20%，自己看到内容的30%， 自己听到和看到内容的50%，在交流过程中自己所说内容的70%。这就是说，如 果既能听到又能看到，再通过讨论、交流用自己的语言表达出来，知识的保持将 大大优于传统教学的效果。

二、利用计算机的特点，实现人机互动 以计算机、网络为核心的现代信息技术将把教师和学生引入全新的教 与学的世界，学生们可以足不出户，在家里学习，同时又与老师、同学保持着接 触。特别是在暑假里，师生之间、生生之间可以通过E-mail进行交流，及时得到 教师的指导，教师也可以通过网络对一些基础较差的学生进行辅导。学校不再有 围墙课堂将变得更为活跃，依靠互联网和远程计算机技术而建立的虚拟教室将使 教学延伸到生物学课堂之外，它将扩大学生学习的世界，使学生有机会接触遍布 世界各地的各种各样的数据库，他们将能与不同国家、不同地区、不同学校的学 习者在网上共同参与、协同进行学习;他们将有机会在网上接触各类教学的专家， 与他们进行交谈，及时获得帮助。但计算机各网络不会取代教师，只是创造交流 环境使人们共享大家的隐性知识，在共享中相互碰撞，可以大大提高学习效率和 质量，培养学生进行集体创造的意识和能力。

三、利用计算机技术，培养创新精神和信息素养 创新能力和信息素养(包括获取、分析、加工与利用信息的能力)是信 息社会所需新型人材必需具备的两种重要的能力素质。这两种能力素质的培养需 要特定的、有较高要求的教学环境的支持，计算机的超文本特性与网络特性的结 合，正好可以为这两种能力素质的培养营造最理想的环境。众所周知，因特网 (Internet)是世界上最大的知识库、资源库，它拥有最丰富的信息资源，而且这些 知识库和资源库都是按照符合人类联想思维特点的超文本结构组织起来的，因而 特别适合于学生进行“自主发现、自主探索”式学习，这样就为学生批判性思维、创造性思维的发展和创新能力的孕育提供了肥沃的土壤。与此同时，由于学生从 中有机会在Internet这样的信息海洋中自由地遨游、探索，并对所获取的大量信息 进行筛选、分析、评价、和进一步的加工，然后再根据自身的需要加以充分的利 用，显然，在这个过程中学生必将得到关于信息能力方面的最好的学习与锻炼， 从而能较快地成长为既有高度创新精神、又有很强信息能力的符合21世纪需求的 新型人材。

四、利用计算机教学，实现个性化学习 人工智能技术的发展，使得智能模拟教学得以实现，学生通过人机对 话进行自主学习、自我检测。智能辅助教学系统充分考虑到了学生主性学习，信 息资源要有较强的可选择性，以最大限度地满足学生主动求知的需要;真正做到 因材施教。智能专家系统通过模仿人类专家解决问题的推理方式和思维过程，对 教学中出现的问题做出判断和决策，进而部分替代了教师的工作，在一定程度上 实现了教师的主体解放，教师可以把更多精力用在课程教学目标、教学结构、教 材内容等的探索上，以及思考如何培养学生的道德品质、科学素养等方面的内容。

如在减数分裂的教学过程中，我先制作了几个不同梯度的积件和课堂反馈练习。

让学生按照自己的学习能力，选择不同的窗口进入，进行自主探究学习。用宝蓝 阅卷软件对每一位学生的作业进行批改和分析、统计，能在较短的时间里，获得 信息反馈，了解学生每一题的得分率，选A的占多少，选B的占多少……从而掌 握学生对知识的理解程度，学生在解题时的思维过程。我们教师可以省时省力并 能在讲评时做到有的放矢。

五，改善教学方式，加强教师和学生的互动 常规教学基本上是教师在上面讲，学生在下面听。学生处于一种被动 的地位，从而降低了学生的自主学习性，自主学习能力较差。这与培养学生自主 学习、独立学习、创新学习的宗旨不相符。因此，在设计酵母菌的呼吸时，教师 应先以人的呼吸为例介绍一下，然后再设置问题，让学生思考什么情况下酵母菌 无氧呼吸，什么情况下有氧呼吸。然后让学生进行讨论并发表自己的意见，再由 教师评论，最后让学生归纳、总结，上升为理性的知识点。通过自己的思考、讨 论，得出结论这种教学方法可以培养学生的自主学习能力。这样既活跃了课堂气 氛，又增强了学生的自信心，突出了学生的主体地位，加强了学生主体地位与教 师主导地位的有机结合。在整个学习过程中，加深了对知识的理解和记忆，提高 了课堂效率。计算机在生物学中的应用论文篇三 试谈计算机辅助教学在生物学教学中的应用 [摘要] 计算机作为一种现代化的教学媒体已逐渐进入课堂，在多年 生物学教学实践的基础上，运用多媒体技术对中学生物学的教学内容、教学过程、 教学方式进行了优化与整合，解决了生物学教学中的重点和难点，优化了课堂教 学结构，突出了学生的主体作用，培养了学生的主体意识、创新思维和综合能力， 开发了学生的智力，提高了学生的整体素质。

[关键词] 计算机辅助教学;中学;生物学教学;素质教育 知识经济时代的到来，使传统的教学模式受到了前所未有的挑战，随 着信息技术的应用和发展，计算机辅助教学已成为广大教育工作者实现教育现代 化的重要手段。随着科学技术的飞速发展，对中学生能力的培养和智力开发要求 越来越高。在中学全面推进由“应试教育”向素质教育转变的今天，中学生物学教 学如何适应当前教育改革的新形势，培养学生的综合能力，开发学生的智力，提 高学生整体素质已成为当前中学生物学教学改革面临的重要课题。运用计算机多 媒体辅助生物学教学，改进了传统的教学手段和方法，优化了课堂教学结构，提 高了课堂教学质量，减轻了学生课后学业负担，取得了良好的教学效果。计算机 辅助教学以丰富多彩的直观形式，使大脑不同功能区交替活动，产生积极学习的 兴趣和动机等非智力因素的综合效应，有利于促进教师转变教育思想和观念，提 高自身素质;有利于促进教学模式、体系、内容和方法的改革。

1计算机辅助教学的目的和意义 1.1 目的 随着计算机辅助教学的发展，生物教学过程中应运用相关的信息，如 何结合教学实际在课堂中应用计算机来辅助教学，这就是研究此课题的目的。1.2 意义 此课题研究的意义有以下几个方面：
1.2.1激发兴趣，培养学生的观察能力直观性和趣味性是计算机教学的 特点，也是生物教学的原则。许多生物现象来自于直观形象或景观，逼真、形象、 趣味性的画面能引起学生极大的兴趣;动态的动画制作能反应生物的运动状态， 打破时间与空间、宏观与微观的限制，有利于学生感知和理解。根据教学需要， 恰如其分地运用计算机辅助教学动静结合、图文并茂的特点，充分调动学生的视 觉、听觉，使学生在不知不觉中进入思考和解决问题的境界，这些是传统教学方 法不可能做到的。

1.2.2增大课堂教学密度，提高教与学的效率计算机的快速信息处理和 图像传输特点，在一定程度上代替了黑板，可使教师省去板书时间，有更多的精 力讲课和注意学生反应，及时调整教法和进度。以前占课时较多的内容在较少的 时间内就可完成，因而加大了教学密度;大多数多媒体课件适合学生的接受能力， 有利于使学生摆脱抽象、难懂继而厌学的情绪，对减轻学生的心理和课业负担， 优化课堂结构，提高教与学的效率，有重要的现实意义。

1.2.3突破难点，培养学生的思维能力生物学中许多微观现象无法用肉 眼观察，一些科学原理和抽象概念难以通过实物展示，这时可利用计算机辅助教 学模拟各种动态过程，对其进行形象化描述。由具体到抽象形成学生自己的思维 方式，培养了学生逻辑思维能力及发现问题、解决问题的能力。

1.2.4抓住重点，培养学生信息处理能力现代生物教学中，有时会遇到 很多的信息，这就需要学生在平时的课件所给的信息中，抓住信息的要素，培养 分析信息、处理信息的能力。

2计算机辅助教学的基本内容 2.1理论方面 信息技术、生物课程、信息技术与生物课程的整合。

2.2实践方面 一是如何将各种信息整合到生物学科的教学中;二是如何将多媒体技术运用于生物课堂教学中;三是培养学生获取信息，分析和处理信息，应用信息 的能力。

3计算机辅助教学的价值 在整个教育体系中，教师、学生是其基本的构成要素，随着信息技术 在生物教育领域的广泛应用，教育信息化的深入展开，使教师的作用、学生的能 力要求等都发生了深刻的变化。

3.1教师的作用 传统的教育中，教师的基本作用是向学生传递一定学科的专业知识。

多媒体技术的广泛应用，学生可以自主的学习，在这种情况下，教师的作用为：
①学习的组织者和协调者：对某一特定内容，学生可以通过老师所给的信息、因 特网等途径学习，教师不再只是讲授，而应对学生的学习活动进行组织、指导和 协调。②资料的收集者和整合者：教师应尽量收集资料和相关信息，整合到生物 学科的教学中，扩展学生的知识面，提高学生的认知水平。③学生信息能力的培 养者：学生在利用所给资料自主学习中，信息能力是十分重要的，教师应注重学 生信息能力的培养。

3.2对学生的价值 用计算机辅助教学，可以给学生更多、更快的认知过程，培养学生自 主学习、主动获取知识的能力，分析处理信息的能力，培养学生发现问题、解决 问题的能力。

4计算机辅助教学在生物教学中的应用 4.1优化教学过程，提高课堂效果，着意培养学生创新意识 教学过程优化的标准其一是看效果，其二是看效率。从总的目标上来 看，一定条件下，教学过程的最优化，教学效率的最高化，质量效果的最大化， 是现代教育所追求的主要目标之一。在传统教学中，板书是很费时的。然而，利 用计算机辅助教学系统简洁省时，同时又能生动形象地连续放映，直观易懂。基 于这样的认识，我重新建构了生物学科课堂教学模式。在讲授“基因的分离规律” 一节内容时，按传统的教学模式要三个课时，而运用计算机辅助教学课件只用两 个课时。我分别在两个平行班做了试验，并考察了学生的掌握情况：结果是用课件的班成绩合格率达94%，而另一个班却只有76%。也许一节课的实验结果还不 足以证明计算机辅助教学的巨大优越性，但它至少让我们看到了运用计算机辅助 教学的高效潜力，能为学生腾出更为广阔的发表独立见解的思维空间，使学生有 充足的时间进行联想、思考和分析，让老师有更多的时间来增加教学信息和解答 学生提出的问题，在自由讨论中激燃创新思维的火花。

4.2增大课堂信息量，开阔学生视野，实现个性化教学，着力推进素 质教育 如何加大课堂密度，增大信息量，这是信息时代对教育的呼唤和要求， 也是教育工作者必须认真考虑的问题。“大信息、全开放、多媒体、高效益”的改 革目标就是顺应时代的要求所提出来的。众所周知，图形不是语言，但接受起来 比语言更直观、更形象，包含更多的信息量，而动画又比图形更进一步。利用计 算机辅助教学，可以使图片、文字、声音、音乐等各种呈现教学信息的手段同时 使用，使学生置身于情景之中、多渠道、多层次、全方位地接受信息，它对开拓 学生的视野，丰富学生的知识有着积极作用。如“生物对环境的适应”一课，上课 伊始，先展现一组画面：茂密的热带雨林，炎热干旱的沙漠，冰雪覆盖的雪山， 鸟儿飞翔的天空，神秘的海底世界和牛羊成群的草原。

不同的生态因素形成了如同画面上所展现的各种生存环境，以及与之 相适应的各种动物、植物，那么，这些动、植物是如何与其生存的环境相适应呢 随即引出课题。随着课程的深入，通过计算机辅助教学课件，把学生带入到“天 苍苍，夜茫茫，风吹草低见牛羊”的草原诗境;展现高原上气憾冰雪的奇松异木;
沙漠里高大的纺锤树、挺拔的仙人鞭;冻土带的勇御贫瘠和寒冷的地衣、苔藓和 水中舞动风姿的海带等。以图画、动画代替语言的描绘，化虚为实，化繁为简， 化抽象为直观，把生物对环境适应的普遍性展现的淋漓尽致，使教学过程呈现出 极强的直观性、活泼性和教娱性。又如，在“根的吸收作用”课件的应用部分，我 补充介绍了“十七种常见的农作物缺钾的症状”等彩色图片及文字说明，学生可根 据实际选学有关内容，为学生自主学习提供更广阔的空间，实现个性化教学。

4.3利用计算机辅助教学课件突破教学难点，掌握重点 生物学所包罗的内容非常广，时空和地域跨度都很大。有很多生物现 象不是一些简单的标本或几幅挂图所能展示的，也不是教师用一般语言所能描绘 表达明了的。这就为老师的教，学生的学带来了很大的难度。计算机技术在图形 处理上具有独特的功效，它可以变抽象为具体、变静态为动态，将微观过程加以宏观模拟，把宏大场景作微观处理，对瞬变搞定格分析，化枯燥为生动，激发学 生兴趣，消除学生的“学习障碍”。

如：“减数分裂”一节是全书的重点，更是理解上的难点。这个过程看 不见、摸不着，极其抽象。如果单纯以“自学+讲解”的形式来讲授，虽然也能强 调出重点，但在理解和掌握上有难度。而用计算机辅助教学生动形象地展示精子 的形成过程，把学生带进减数分裂的微观世界，让学生积极观察，勇于思索，充 分调动学生积极思维的主动性。然后通过独立思考，小组讨论，合作交流，最后 用动画展示同源染色体发生互换的动态过程。学生就能够将减数分裂中的染色体 变化规律和未知领域中有关遗传规律的知识有机结合起来，使枯燥乏味的生理活 动变的新颖有趣，使难以理解的知识变的易于接受，达到突破重点、难点的目的。

综上所述，计算机辅助教学模式，在生物学教学中，能实现直观而生 动的教学场景，为学生创造出主动学习的氛围，激发学生的学习积极性，从而达 到培养学生的自主意识、实践能力和创新精神的目的。同时，借助多媒体教学软 件的创设，又可体现教师服务于学生的新教育观，对学生进行因材施教，提高效 率，实现个性化教学，巩固素质教育。

4.4计算机辅助教学的实践 计算机辅助教学是通过与计算机对话实现对学生的教学。计算机辅助 教学和传统的课堂教学相比较具有的优点是：①可根据个人特点进行学习，学习 者可随意挑选学习内容，我们称之为个性教学。②可利用图形和动态图像使教学 内容直观化，我们称之为直观教学。③可打破时空的界限，展示非当地，非现在 的形象和现象，我们称之为超时空教学。④可创作图形和动画来模拟现实或想象， 使现实世界中无法观察到的现象得到展示，我们称之为虚拟教学。

生物学教学中有大量自然现象的观察，需要计算机的直观教学;许多 自然现象不可能在现场展示，又需要计算机的超时空教学;大型的生态系统和微 观的分子世界不能通过肉眼直接观察，就需要计算机的虚拟教学。因此计算机辅 助教学在中学生物学教学中的应用具有广泛性和必需性。

从与计算机交互的角度来看，在中学教学中的计算机辅助教学软件有 两种，中学生物学教学也不例外，一种是学生与计算机直接交流的自学型辅助教 学软件，这种软件的教学模式如图1所示;另一种是在课堂内使用，由教师操作， 仅为单节课服务的计算机辅助教学软件，教学模式如图2所示。使用第二种教学软件时，计算机的操作者是教师，因此只有教师可以与计算机进行直接交流，通 过教师的操作，把计算机中的信息演播给学生。我们通常把这种计算机辅助教学 软件称为课件。由于课件是一种演示型的计算机辅助教学软件，比较适合在传统 的课堂教学模式中使用。

5计算机辅助教学的体会 对于计算机辅助教学，有如下的体会：①创设了崭新的情景，激发了 学生浓厚的学习兴趣。②化静为动，化微观为宏观，化抽象为具体，突破了教学 重点和难点。③增加知识信息量，拓展学生知识面，真正起到减负增效的效果。

④与其它媒体的有机结合，大大地提高了教学效果。⑤创新了教学程序，优化了 教学结构。⑥突出学生主体作用，进行个别化教学，真正实现了因材施教。

6结语 综上所述，可以看出多媒体教学是建立在自学讨论式教学法和启发式 教学法基础之上的现代教育模式。在中学生物学教学中，积极开展计算机多媒体 教学，不仅能够突出学生的主体作用，提高学生的学习兴趣，突破教学中的重点 和难点，提高课堂教学的效果和质量，而且可以培养学生的主体意识、创新意识 和独立分析问题、解决问题的能力，开发学生的智力，全面提高学生的整体素质。