生物信息学技术与应用

第一篇：生物信息学技术与应用

数学模型在生物信息学教学中的应用

目 录

目

录 ............................................................................................................................................... i 摘

要 ..............................................................................................................................................ii 第一部分 数学建模 ........................................................................................................................ 1

1 数学建模的介绍 ................................................................................................................... 1 2 数学建模的主要内容 ........................................................................................................... 1 3 数学建模的流程 ................................................................................................................... 2 4 数学建模的主要算法 ........................................................................................................... 3 5 数学建模的软件 ................................................................................................................... 3 第二部分 生物信息学 .................................................................................................................... 3

1 什么是生物信息学 ............................................................................................................... 3 2 生物信息学的研究方向 ....................................................................................................... 4 第三部分 生物信息学与数学建模的交叉 ..................................................................................... 4

1 方法和技术的交叉 ............................................................................................................... 4

1.1 数学统计方法 ............................................................................................................ 4 1.2 动态规划方法 ............................................................................................................ 4 1.3 机器学习 .................................................................................................................... 5 1.4 数据挖掘 .................................................................................................................... 5 1.5 生物分子的计算机模拟 ............................................................................................ 5 2 目的上的相似 ....................................................................................................................... 5 第四部分 数学建模在生物信息学中的部分应用 ......................................................................... 6

1 运用数学模型的预测 ........................................................................................................... 6 2 运用数学模型的数据分析 ................................................................................................... 7 参考文献 .......................................................................................................................................... 7

i 数学建模在生物信息学中的应用研究

摘 要

本文首先介绍了数学建模和生物信息学的基础知识，然后分析了数学建模和生物信息学的交叉知识点。分析显示，数学建模和生物信息学不仅在统计方法和数据挖掘等使用方法和技术方面存在交叉知识点，还在目的上具有一定的相似性，即两者都是对大量的数据进行统计和分析，都以解决问题为最终目的。最后，文章重点回顾了数学建模在生物信息学中数据分析和结构预测方面的部分应用。

关键词：数学建模 生物信息学 应用研究

ii

第一部分 数学建模

1 数学建模的介绍

从航空航天领域中的火箭发射、武器的自动导航，到企业中该如何配置人力、物力和财力，进而用最小的成本产生最大的利润，再到生活中如何规划自己有限的时间复习期末考试，等等。这都或多或少地运用到了数学建模的知识。 数学建模是一个将实际问题用数学的语言、方法，去近似刻画、建立相应数学模型并解决科研、生产和生活中的实际问题的过程。数学建模的问题比较广泛，涉及到多学科知识，它不追求解决方法的天衣无缝，不追求所用数学知识的高深，也不追求理论的严密逻辑，它以解决问题为主要目的。

模型的建立，即把错综复杂的实际问题简化、抽象化为具有合理的数学结构的过程。通过调查、收集数据资料，观察和研究实际对象的固有特征和内在规律，抓住问题的主要矛盾，建立起反映实际问题的数量关系，然后利用数学的理论和方法去分折和解决问题。

随着科学技术的飞速发展，人们越来越认识到数学的重要性：数学的思考方式具有根本的重要性，数学为组织和构造知识提供了方法，将它用于技术时能使科学家和工程师生产出系统的、能复制的、且可以传播的知识„„数学对于经济竞争是必不可少的，数学科学是一种关键性的、普遍的、可实行的技术。在当今高科技与计算机技术日新月异且日益普及的社会里，高新技术的发展离不开数学的支持，没有良好的数学素养已无法实现工程技术的创新与突破。

2 数学建模的主要内容

数学建模理论包含统计回归模型、优化模型、图论模型、微分模型和概率模型等【1-3】，如表1所示。

表1 数学建模的主要内容

统计回归模型 数学挖掘 聚类分析 层次分析 线性回归 非线性回归 主成分分析 时间序列分析 运筹与优化模型 博弈论

图论模型

线性规划

最小生成树

整数规划

最大流问题

目标规划

最短路径问题

动态规划

最长路径问题

非线性规划

PERT网络图模型

多目标决策

最小费用流问题

数据拟合与插值 存贮论模型

偏微分方程模型 灰色预测模型

马氏链模型

差分方差模型

排队论模型

稳定性模型

决策论模型

微分方程模型

计算机模拟

GM模型

随机模拟

图论与网络模型

微分差分模型

概率模型

3 数学建模的流程

图1数学建模的流程[3]

4 数学建模的主要算法

蒙特卡罗算法——该算法又称随机性模拟算法，是通过计算机仿真来解决问题的算法，同时可以通过模拟可以来检验自己模型的正确性。

数据处理算法——通常会遇到大量的数据需要数据拟合、参数估计、插值等处理，通常使用Matlab作为工具。

规划算法——遇到线性规划、整数规划、多元规划、二次规划等最优化问题，可以用数学规划算法来描述，通常使用Lingo软件实现。

图论算法——包括最短路、网络流、二分图等算法。 动态规划、回溯搜索、分治算法、分支定界等算法。

非经典算法——模拟退火法、神经网络、遗传算法为最优化理论的三大非经典算法。

5 数学建模的软件

数学建模有专用的软件：Matlab 7， Lingo 8为其中最主要的软件，其他重要的软件有Mathematice，S-plus，SAS等。

第二部分 生物信息学

1 什么是生物信息学

生物信息学是一门新兴的交叉学科，它使用数学和计算机这两项工具，对日益增长的生物数据进行快速、高效的组织与分析。生物信息学的近期任务是大规 3 模的基因组测序中的信息分析、新基因和新SNP的发现与鉴定、完整基因组的比较研究、大规模基因功能表达谱的分析、生物大分子的结构模拟与药物分析，其远期任务是非编码区信息结构分析、遗传密码起源和生物进化的研究。 2 生物信息学的研究方向

生物信息学的发展异常迅速，现主要包括DNA序列对比、蛋白质结构对比与预测、编码区的基因识别、序列重叠群(Contigs)装配、基于结构的药物设计、非编码区的分析研究、遗传密码的起源、分子进化与比较基因组学、生物系统的建模和仿真、生物信息学技术方法的研究等几个研究方向【4-6】。

第三部分 生物信息学与数学建模的交叉

生物信息学是利用数学和计算机作为工具，不可避免地与数学建模，这一利用计算机和数学理论解决实际问题的学科，无论在研究方法和技术上，还是在运用目的上均产生一定的交叉。 1 方法和技术的交叉

生物信息学所使用的方法与技术包括数学统计方法、动态规划方法、机器学习与模式识别技术、数据库技术与数据挖掘、人工神经网络技术、生物分子的计算机模拟等，而这些恰恰是数学建模领域的核心理论与知识。 1.1 数学统计方法

数据统计、因素分析、多元回归分析是生物学研究必备的工具，而这些是数学建模的统计回归模型中最为基础的知识;隐马尔科夫模型(Hidden Markov Models)在序列分析方面有着重要的应用，与隐马尔科夫模型相关的技术是马尔科夫链(Markov Chain)，而马尔科夫链模型正是数学建模中针对离散状态按照离散时间的随机转移而建立的模型。总之，生物信息学和数学建模有的第一个共同点是，都有对海量数据进行统计分析的过程。 1.2 动态规划方法

动态规划(Dynamic Programming)是一种解决多阶段决策过程的最优化方法，在每个阶段做出一定的决策并影响后续的决策，最终选择一个最优决策。

当两个DNA序列长度较小时，采用动态规划算法可以很好地解决两个序列的相似性问题。当序列长度太长时，改进的BALST和FASTA算法也是基于动态规划

4 的思想。同时，动态规划在数学建模领域也被用来解决最短路线、库存管理、资源分配等生产和生活中的现实问题。 1.3 机器学习

机器学习一般采用遗传算法、神经网络或聚类分析等，模拟人类的学习过程，以计算机为工具获取知识、积累经验，在拥有大样本、多向量数据的数据分析中发挥着日益重要的作用。比如，聚类分析已经运用于癌症类型的分类，神经网络和隐马尔可夫模型对于缺乏完备理论体系的生物领域也同样奏效。以上聚类分析、神经网络和隐马尔可夫模型均为数学建模中的重点方法。 1.4 数据挖掘

数据挖掘又被称作数据库中的知识发现，在此意义上，生物信息学也是在海量的生物数据中发掘生命的奥秘。基因序列包括外显子和内含子，其中外显子只占其中的一小部分。大部分的内含子序列的作用并不为人知，如何从这些简单的ACGT序列中发现内含子如何参与基因的转录与翻译变得异常重要。比如，利用一阶和二阶马尔可夫链的方法侦测密码区。 1.5 生物分子的计算机模拟

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，预测动力学及热力学等方面的性质，常用的方法是蒙特卡罗法和模拟退火方法。 2 目的上的相似

数学建模与生物信息学都会对大量的数据进行统计和分析，都以解决问题为最终目的，并且以求得满意解为重点，因为有时全局最优解难以得到。

5 另外，数学建模和生物信息学的研究都更强调能否具有实用性。比如生物信息学的机器学习技术中运用到了神经网路或隐马氏模型，但人们目前并不清楚该算法或模型是如何到达解的，即对其具体的机理并不十分了解。但这并不妨碍我们使用这种方法，因为这种方法具有使用成功性和可用性。在这个意义上，数学建模也经常通过此类“黑箱” 操作达到特定解。正如Cynthia Gibas和Per Jambeck在《Developing Bioinformatics Computer Skills》的前言所说，生物信息学“is often less about developing perfectly elegant algorithms than it is about answering practical questions”。从这个意义上说，数学建模与生物信息学有着目的上的相似性。

第四部分 数学建模在生物信息学中的部分应用

1.运用数学模型的预测

1993年Rost和Sander[6]提出了三级网络模型，这种神经网络方法已经成为了蛋白质结构预测普遍采用的方法。2003年闫化军等[7]人也通过神经网络算法预测蛋白质二级结构。2007年林卫中等[8]人将GM(1,1)模型应用于蛋白质二级结构类型的预测，把提取出的蛋白质氨基酸的排列信息作为伪氨基酸成分，从而较大的提高了预测的成功率。2008年邱望仁等[9]人将OET-KNN算法应用于蛋白质二级结构类型的预测，通过LZ复杂度的算法计算了伪氨基酸的成分，再用OET-KNN算法分类预测，从而也较大的提高了预测的成功率。

Bader等[10]人将Logistic回归模型用来预测蛋白质之间的生物学关系，这种运用使得通过遗传学和基因表达数据来分析蛋白质数据成为了可能。2006年王明会等[11]人将Markov链模型应用于蛋白质可溶性的预测，预测精度普遍好于或接近于神经网络、信息论和支持向量机法的结果，而且该模型的运算复杂度低，耗时也更短。2006年张菁晶等[12]人将隐马尔可夫模型运用于目标基因全基因组的预测，同量高、准确度高并且操作简单，尤其在多结构域蛋白家族的预测上优势明显。2008年刘桂霞等[13]人提出了一种带偏差单元的递归神经网络模型。该模型根据BP算法得出权系数调整规则，使得收敛速度比一般的BP网络更快，对于预测蛋白质关联图有一定的实用价值。

6 2.运用数学模型的数据分析

1997年Carr等[14]研究了大鼠脊髓的基因活动，通过聚类分析证明具有已知相似功能的基因属于一类。2006年张文彤等[15]人综合了聚类方法和进化树分析的优点，通过先聚类将数据拆分，然后根据聚类的类别构建进化树，这种方法可以很好地在大样本数据中应用，并以甲型流感病毒的H3A1序列作为实例，构建拼接出了完整的进化树结果。

2006年徐丽等[16]人针对Viterbi算法和Baum-Welch算法在隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model)的参数估计中无法找到全局最优解，提出了基于遗传算法的HMM参数估计，这种方法用于多序列对比研究时可以更好的避免局部最优解。2007年周晓彦等[17]人通过综合模糊数学和核判别方法的优点，提出了一种基于模糊核判别分析的基因表达数据分析方法，并以多发性骨髓瘤的基因表达数据为例证实了这种方法的可行性和精确性。2007年刘万霖等[18]人介绍了构建基因调控网络的多种算法和方法，比如马尔可夫链可以用于分析时间序列微阵列表达数据;将随机和概率等引入布尔网络模型，可以增强基因网络调控的精确性;贝叶斯网络模型在Friedman和Pe’er等人做出了开拓性的工作后，在基因表达数据和调控网络方面得到了快速的发展。

参考文献

[1] 冯杰等.数学建模原理与案例.科学出版社,2007. [2] 高隆昌,杨元著.数学建模基础理论.科学出版社,2007. [3] 戴朝寿,孙世良. 数学建模简明教程. 高等教育出版社,2007. [4] 陶士珩. 生物信息学. 科学出版社,2007. [5] DAVID W. MOUNT.生物信息学:中文版. 高等教育出版社,2003. [6] Rost B, Sander C. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Biothysics, 1993,90:7558-7562 [7] 闫化军,傅

彦,章

毅等.神经网络方法预测蛋白质二级结构.计算机科学.2003,30(11):48-52

7 [8] 林卫中, 肖绚. 基于GM(1,1)模型的蛋白质二级结构类型预测. 计算机工程与应用, 2007, 43(34): 41-45 [9] 邱望仁, 肖绚, 林卫中. 基于OET-KNN算法的蛋白质二级结构类型预测. 计算机工程与应用, 2008, 44(29): 204-210 [10] Bader JS,Chaudhuri A,Rothberg JM,et al. Gaining confidence in high-throughput protein interaction network. Nat Biotechnol,2004,22: 78-85 [11] 王明会, 李 骜, 王娴等. Markov链模型在蛋白质可溶性预测中的应用. 生物医学工程学杂志, 2006, 23(5): 1109-1113 [12] 张菁晶,冯

晶,朱英国.全基因组预测目标基因的新方法及其应用.遗传.2006,28(10):1299-1305 [13] 刘桂霞, 于哲舟, 周春光. 基于带偏差递归神经网络蛋白质关联图的预测. 吉林大学学报(理学版), 2008, 46(2): 265-270 [14] Carr DB, Somogyi R, Michaels G. Templates for looking at gene expression clustering. Statistical Computing & Statistical Graphics Newsletter, 1997,8:20-29 [15] 张文彤, 姜庆五.聚类技术在大样本序列进化树分析中的应用.中国卫生统计.2006,23(5):393-396 [16] 徐丽,康瑞华.基于遗传算法的HMM参数估计. 湖北工业大学学报. 2006,21(4):68-71 [17] 周晓彦,郑文明.基于模糊核判别分析的基因表达数据分析方法. 华中科技大学学报(自然科学版), 2007, 35(I): 173-176 [18] 刘万霖,李

栋,朱云平等.基于微阵列数据构建基因调控网络.遗传,2007,29(12):1434-1442 8

第二篇：信息技术在生物教学中的应用

1 能更好地激发学生学习生物学的兴趣

计算机现代化的教学手段以其形、光、声和色等多种功能作用于学生的多个感官,不仅能吸引学生的注意力,激发学生的学习兴趣,更能激发学生的求知欲,极大地调动他们的学习热情,使其积极主动地投入到学习之中,呈现最佳的学习状态。如讲“DNA结构和复制”一节,我采取声像点睛的方式,首先让同学们看一段课外阅读,思考什么是遗传物质,DNA为什么能控制性状的遗传,引导学生去探索DNA结构与功能的关系。然后打开显示器,就可出现DNA的基本组成单位及代表各种化学分子的图形……在复制过程中,首先出现一个旋转的DNA空间结构,有一个动态的自动解旋、碱基的配对和形成两条DNA分子的过程,这是在其他教学手段中所不能比拟的。在演示DNA分子复制的同时,还可进行强化训练,也可自学练习。如碱基配对有一定的规律:这就是A(腺嘌呤)一定与T(胸腺嘧啶)配对,G(鸟嘌呤)一定与C(胞嘧啶)配对。在计算机的显示器上如碱基配对不符,会发出“嘟嘟”的响声。(我用它的谐音“不不”)这就对学生出现了声刺激,如果对了会发出清脆悦耳的音乐声。学了这节课后,同学们记忆深刻,课后练习时正确率达到90%。对计算机辅助教学具有极大的兴趣。

2 突出生物教学的直观性,并且能使微观世界宏观化

直观性原则是教学中一个重要原则。利用现代化教学手段能够真实、生动、形象地展示生物的各种生理活动,显示生物的宏观世界和微观世界,把抽象的内容形象化,如讲葫芦藓的生殖特点。葫芦藓个体小,生殖过程必须借助于水的条件才能完成。采用现代化的教学手段,显示器上首先出现葫芦藓的完整植株,再把各个部分用分解的形式描述:其蒴帽和蒴盖脱落后,由孢蒴中放散出大量的孢子,孢子萌发形成原丝体、长出假根和芽体,由芽发育成葫芦藓植株(配子体)。配子体中的精子器和颈卵器放大,精子器中产生精子,借助水游到颈卵器中与卵细胞融合,完成受精过程。受精卵在颈卵器中进一步发育成胚,长出长柄……。整个的显示过程形象逼真,给同学以直观的感受,使不易理解的教学难点轻松自如地解决。通过计算机软件的显示,90%的同学都能自己概括出葫芦藓的生殖过程。

3 能化难为易、化繁为简、化抽象为具体

生理学科的特点是细微、动态、抽象。如人体的细胞、血液的流动和尿的生成等。这些均是教 1 学中的难点、重点,但又看不见、摸不着,理解起来有一定的困难。比如,讲血液循环时,过去我用“讲述 版画”的形式讲授,以语言讲述为主,板画为辅,虽然也能强调重点,但缺点是既不真实,也缺乏动感。如果应用计算机软件来显示这一生理过程,既能真实、艺术地再现心脏的结构和血液流动的动态过程,化静为动,化抽象为形象,增强了学生的感性认识,使枯燥乏味的生命运动现象变得新颖有趣。在显示之前可设思考题,让同学带着问题去看。如心室收缩时,心房处于什么状态?血液为什么没有流回心房?心房收缩时心室处于什么状态?另外,教师可先出示模型,使同学对心脏的形态、大小,各部分结构有一个大致的了解。打开显示器,首先出现的是心脏剖面图。用光点把4个腔进行强化,接着就是瓣膜的强化。血管与4个腔相连,分别用红光和蓝光强化,然后就是心脏搏动和血流方向,说明心脏是动力器官,使同学进一步懂得心脏的重要性,为下节讲体育锻练对心脏的影响奠定基础。另外在显示过程中,可以根据时间放慢速度,边讲边显示。这样学生在形象化、趣味化的接受知识过程中,又得到教师适时、适度的强化,使这一难于理解的知识变得易于接受。以后测验这一内容时,85%的同学都能用绘图的方式画出血流的方向,绝大部分同学都能准确掌握这部分内容。

4 能提高一节课的知识含量

计算机软件运用了视、听并用的记忆效果,在帮助学生认识与记忆学习材料方面起到积极作用,从而大大提高了教学效果。“葫芦藓的生殖和蕨类植物的生殖”这一节,过去用一节课时间特别紧张甚至还需延长时间,现在通过运用软件教学,大大缩短学生对重点、难点的学习理解过程,仅用半节课就完成了。目前计算机主要通过屏幕显示提供视觉刺激,通过声音提供听觉刺激,所显示的图象是平面的。将来立体电视技术的应用将可使学生见到立体图象;香味电视技术则可以使学生嗅到不同的气味。生物教学采用现代化的教学手段,优化我们的教学结构,使我们的生物教学充满生机与活力,将为培养我们的生物科技人才做出更大贡献。--

信息技术的飞速发展，不仅深刻地影响着人类的生活方式和工作方式，而且深刻地改变着人类的教育方式、学习方式乃至思维方式。如何将信息技术与各学科课程教学进行整合，达到全面提高各学科课程的教学质量，培养学生的创新精神和创新能力，以适应21世纪对人才的要求，是近年来国内外广大教育工作者所关注的热点问题 。

生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学。它是农业、医学、林学、环境等生物学科的基础;社会的发展，人类文明的进步，个人生活质量的提高，都要靠生物学的发展和应用。生物教学注重于宏观和微观两个方面，强调实验能力和科学素质的培养。而多媒体可以化静为动，化虚

2 为实，化抽象为直观;能够拓宽课本知识体系，拓宽教学的时间和空间，拓宽和加深课堂学习的内涵和外延。因而，随着素质教育的深入开展，多媒体技术在中学教学尤其是生物学科的教学中越来越体现出其优越性。

1、 能更好地激发学生学习生物学的兴趣

中学生正处于一个求知欲强，接受新鲜事物快的年龄时期，而多媒体具有的声、光、电的综合刺激，能够激发学生的积极性，引起学生的注意。中学生的空间想象力还不够，加上生物的部分比化学相关的内容早接触，给教学和学生的学习也带来了麻烦。根据生物学科的这些特点，运用直观教学是帮助学生理解教学内容，提高教学质量必不可少的途径之一。

在生物课堂，让学生接触尽量多的生物资料，有助于提高学生的学习兴趣，拓宽学生的知识面。例如在学习义务教育课程标准实验教科书《生物学》七年级上册《生物的特征》的多媒体课件教学中，生物体的六个基本特征是一个重点，我为了讲清楚这一部分内容，就从网上收集了大量的图片、电影资料，展现给学生，使学生一目了然。如果是按照原来的教学的方式：教师讲，学生学。那么学生理解起来很难，利用多媒体，在网络环境下，收集的大量图片、电影资料只需要使用超级链接，通过网络将这些资料从教学资料中学传输过来，一一展现在学生面前就可以使学生从不同侧面接触教学内容，达到教学要求的同时，拓宽了知识面，取得了良好的教学效果，并且，降低了我们教师的备课强度，可以起到事半功倍的效果。而且，在以后的教学中，一旦需要同样的素材，仍可以通过网络从教学资料中心获取。

2 突出生物教学的直观性,并且能使微观世界宏观化

例如在学习义务教育课程标准实验教科书《生物学》七年级上册《植株的生长》这一节时，我就制作了这样一个课件：在多媒体计算机上尝试“种”一株“植物”。学生可以根据自己的想法用鼠标点取不同的“肥料”加在“植物”上，得到计算机显示的各种表现的“植株”。在这个过程中，学生通过阅读教科书和教师的指导，终于“种”出了一株“健壮的植物”，就这样，在游戏中，层次不同的学生都能够带着极大的兴趣去探索，并且还能得出植株的生长需要多种无机盐，一旦缺乏某种无机盐，植株就不能正常生长，出现响应的症状。这样学生就可以掌握更多的知识。又如：在学习《开花和结果》这一节时，我发现学生不容易掌握花的各个部位(如雄蕊、雌蕊、花瓣、萼片等)的相对位置。这时，我做了一个课件给学生完成这样一个练习：

3 提供一些散乱摆放的花的部分，学生用鼠标点击，拖动各个部件到屏幕上一确定位置，位置正确则连接，同时给予表扬，错误则返回原处，并给予提示。经过多次尝试，学生能够轻松地掌握花的结构的知识。 3 能化难为易、化繁为简、化抽象为具体

生物学是一门以实验为基础的学科，实验可以培养学生的动手能力和观察能力，也是培养学生创新思维和创新能力的主要阵地。实验本身一般是不适宜选用多媒体来替代的。一些在课堂上无法完成的演示实验或现象，以及在现有的条件下无法完成的一些经典实验，则可以通过电脑模拟来实现，帮助解决问题。比如,讲血液循环时,过去我用“讲述+板式画”的形式讲授,以语言讲述为主,板画为辅,虽然也能强调重点,但缺点是既不真实,也缺乏动感。如果应用计算机软件来显示这一生理过程,既能真实、艺术地再现心脏的结构和血液流动的动态过程,化静为动,化抽象为形象,增强了学生的感性认识,使枯燥乏味的生命运动现象变得新颖有趣。在显示之前可设思考题,让同学带着问题去看。如心室收缩时,心房处于什么状态?血液为什么没有流回心房?心房收缩时心室处于什么状态?另外,教师可先出示模型,使同学对心脏的形态、大小,各部分结构有一个大致的了解。打开显示器,首先出现的是心脏剖面图。用光点把4个腔进行强化,接着就是瓣膜的强化。血管与4个腔相连,分别用红光和蓝光强化,然后就是心脏搏动和血流方向,说明心脏是动力器官,使同学进一步懂得心脏的重要性,为下节讲奠定基础。另外在显示过程中,可以根据时间放慢速度,边讲边显示。这样学生在形象化、趣味化的接受知识过程中,又得到教师适时、适度的强化,使这一难于理解的知识变得易于接受。以后测验这一内容时,85%的同学都能用绘图的方式画出血流的方向,绝大部分同学都能准确掌握这部分内容。 4 能提高一节课的知识含量

计算机软件运用了视、听并用的记忆效果,在帮助学生认识与记忆学习材料方面起到积极作用,从而大大提高了教学效果。“葫芦藓的生殖和蕨类植物的生殖”这一节,过去用一节课时间特别紧张甚至还需延长时间,现在通过运用软件教学,大大缩短学生对重点、难点的学习理解过程,仅用半节课就完成了。生物教学采用现代化的教学手段,优化我们的教学结构,使我们的生物教学充满生机与活力,将为培养我们的生物科技人才做出更大贡献。

5、能加强学生之间的合作与交流

4 实践证明，课堂讲授与适当组织讨论相结合，可以加深学生对生物知识的理解与辨识，而且可以使他们在这种讨论中，更好地认识自我，促进其开拓思维的形成与发展。多媒体技术的发展，为更有效地组织讨论提供了便利条件。例如，有一次讲到转基因食品是否可以大力推广时，同学们发生了争执，我就让学生自己上网寻找答案。如果你认为可以，你找到哪些理由，如果你认为不可以，你的原因是什么。最后我就将有代表性的一些看法转换到大屏幕上进行交流。这样的讨论,充分地调动了每一个学生的积极性,让每一位同学都能够充分发表自己的看法。通过教师利用多媒体课件点拨、开导，可以使学生获得更多的东西，而这正多媒体技术与生物学科教学的整合的教育价值所在。

6、可以提高复习质量

生物的许多内容都是需要反复理解和记忆的，学生可以通过终端与网络中心连接，将课堂上讲解的多媒体课件再次从教学资料中心的服务器读取，对不理解的环节可以反复观看，并且可以观看其他教师的教学内容，这不仅大幅度降低了教师的工作强度，而且极大地提高了学生的学习兴趣。

总之在生物学教学中，有意识地使用多媒体网络进行教学，将在提高学生对生物的学习兴趣，拓宽学生的知识面，培养学生的独立思维品质，促进其开拓性思维的形成和发展等方面，取得良好的效果，在认真分析生物学知识内容的基础上，着力于从学生的学出发，恰到好处地运用多媒体的诸多功能，真正实现多媒体技术与生物学科的整合，必然带来学生学习效率的提高，也必然会使学生的创新思维和能力得到充分的发展。

第三篇：应用信息技术优化生物课堂的教学案例

题目：第一节

种子的萌发 教学设计方案

重点：种子的萌发条件

1、外界条件

2、自身条件 难点：

1、 种子萌发需要外界条件的原因。

2、 种子萌发时内部物质的转化。

3、 自身应具备何种条件才能萌发。

手段：出示种子萌发的视频、图片、动画等，引导学生进行探究实验，分析得出结论 设计思路：

采取观察讨论的教学方法。从生活实际出发，让学生提前在课下进行实验，让学生从实验的现象入手，提出一系列的问题，让学生进行讨论，分析，适当给以提示，由学生观察，完成课本上的有关实验，归纳出种子萌发所需要的条件。关于种子萌发过程，可以让学生利用课前实验进行观察，并通过教师准备的实验材料及挂图或电子白板出具的实验过程视频、图片来描述，最后教师提出问题：一粒饱满的且胚完好的种子在得到充分的外界条件下是否一定能够萌发成幼苗?从而将话题引入种子萌发的自身条件。 教学过程：

课前可提前一至两周的时间，让学生思考种子萌发的条件是什么?并让学生提前准备一些玉米、小麦、菜豆等种子，让其根据自己的经验，种下种子，让其萌发。并观察记录其萌发过程中的变化。

一、导入： 提出问题：

1.说明种子的各部分结构及其作用是什么? 2.种子中含有哪些物质?

3.如果你是农民，你会选择什么样的种子种在田里? 组织学生回答问题。 总结，并引入课题：

种子里具有完整的有生命力的胚以及供胚发育所需的营养物质，这是种子能够发育成幼苗的内部条件。那么，是否种子具备了这些自身的内部条件就能萌发成幼苗呢?种子的萌发还需要什么条件，种子又是怎样萌发成幼苗的，这些内容是本节课所要解决的问题。

二、讲授新课：

(一)实验：探究种子萌发的外界条件(课本p88)

1.组织学生汇报课前的实验设计及结果分析。

2.分析学生的实验，指出其中不科学或不准确的内容，如“学生很容易认为阳光也是种子萌发的必要条件之一”。

3.引导学生分析种子萌发的外界条件有哪些，并设计对比实验。

4.组织学生观察教师提前完成的实验结果，并对其进行分析，得出结论。

5.总结：

根据对实验的结果分析，得出结论：种子萌发的外界条件是：适宜的温度、充足的空气和水分。

除此之外，有些植物的种子萌发时还受到一些其他的因素的影响，如：光照条件、酸碱性等。

(二)种子萌发的过程： 1.组织学生汇报课前实验时对种子萌发过程的观察记录。

2.出示种子萌发过程的录像或课件，组织学生观看。 3.教师结合种子萌发的实物进行总结： 菜豆种子的萌发过程：

(1)种子吸水后，体积胀大，种皮胀破。 (2)胚根首先伸长，突破种皮，发育成幼根。

(3)子叶以下的胚轴伸长，带着两片子叶伸出土面。

(4)子叶分开，黄白色的胚芽在光下逐渐变绿，发育成茎和叶。 玉米种子萌发的过程：

(1)种子吸水后，胚根先从种子里伸出，发育成幼根。 (2)胚芽由胚芽鞘保护伸出土面，子叶留在种子里。 (3)胚芽里的胚芽长出新叶。

(4).提出问题："以上介绍的种子萌发的过程只描述了种子外部形态的改变，那么在种子萌发的过程中其内部又发生了什么变化呢?

三、练习

利用电子白板出示本节内容的课堂练习

四、小结

一、种子萌发的条件：

1、自身的条件：胚是完整的，并且是活的。

2、外界的条件：适宜的温度、充足的空气和水分

3、影响种子萌发的其他因素：

二、种子萌发的过程：

胚根发育成根

胚芽发育成茎和叶

子叶或胚乳提供各部分发育所需的营养物质

三、种子的休眠和寿命：

五、反思

成功点：

在本节课是《种子的萌发》第一课时，这一节内容涉及到情感教育，注重培养学生团结合作和实事求是的精神。其次，本节课内容少，知识点少，这就给我的教学设计带来了很大的发挥空间。

在通读教材，理清教学目标和重点之后，我将本节课教学设计为一个发现问题到解决问题的过程。即：一开始导入时，以学生的爱好为出发点，引入种子萌发动画，吸引学生眼球，在此基础上引出问题“种子怎样发育成植株呢?”。由此从了解种子的结构入手展开教学，这培养了学生们独立思考，独立钻研的能力。采用ppt展示种子的结构让同学们观察。

不足处：

本节课教学也有不足之处。

1、 由于课前准备不够，导致上课时媒体出现故障，动画不能顺利播放，出现了一段时间的停顿。

2、 从种子的结构到结构的功能、再到种子萌发之间没有紧密的过渡，这样就出现了思维的跳跃性，对学生的学习不利。

3、 在教学的过程中不能一味的运用多媒体，而摒弃了板书。它们之间应该有很好的结合。

4、 对于学生的回答，应该及时评价。这一点我做的还不够。

第四篇：信息技术在生物教学中的应用研究

摘 要：在初中生物教学中运用动画投影、幻灯、挂图、录音等多媒体教学技术，可以增加生物课堂的乐趣，使课堂充满活力，有利于充分调动学生的参与性和积极性，而且还能够有效地化解教学难点，寓教于乐，于无形中丰富学生的生物知识。文章从多角度论述了多媒体信息技术在生物教学中的应用优势和特点。

关键词：多媒体;信息技术;初中生物;课堂教学

中图分类号：g633.91;g434 文献标志码：a 文章编号：1008-3561(2016)18-0075-01

在初中生物教学中，运用多媒体技术进行生物教学，有效地引起了学生的注意力，调动了学生学习的积极性，使学生对学习产生浓厚的兴趣，并在轻松愉快的环境中动脑、动手接受知识，进而促使学生对生物知识的理解和接受能力有所提高。在实际教学中，教师要根据生物学科的自身特点，量身定做适合于该学科的教学方法，才能发挥多媒体信息技术的作用，实现理想的教学效果。

一、利用信息技术，可以突出教学重点，突破教学难点

生物课程教学的难点在于有很多内容都比较抽象难懂，而中学生的生长发育特点又决定了其理解能力有限，对于一些教学难点并不能在短时间内加以透彻理解，多媒体信息技术的运用则从一定程度上解决了这一问题。利用多媒体手段可以将生物知识的重点和难点较为形象地展示在学生面前，让学生从感性上获取生物知识，并加深对知识的理解层次，使教学难点问题迎刃而解。例如，在讲授“血液循环”这一课时，心脏结构和血液循环的过程是重点和难点，学生在理解上面会有困难。因此，教师在开展教学前，要尽量多搜集相关的教学资料，并将难点部分用多媒体的方式进行演示。对于循环过程及血液成分的变化，可以使用flash动画课件演示，用红色表示动脉血、蓝色表示静脉血，再将整个循环过程进行动态显示。在此过程中，教师要在适当的时机插入内容讲解，以帮助学生理清思路，获得较好的课堂教学效果。

二、利用信息技术，可以将抽象知识形象化

在生物教学过程中，采用多媒体技术进行教学能够把文字、声音、图片、动画等信息资料进行整合，通过给学生提供实物图像、运动过程，重复、慢放等特技手段来使抽象的教学内容更加直观化、形象化，进而将知识较为生动地展现在学生面前。在多媒体教学环境下，学生的视觉、听觉等多个感官同时受到刺激，比起传统的单一刺激模式更能够调动学生的学习兴趣，使学生对生物学习产生探究的欲望。例如，在讲解“神经调节的基本方式”这一内容时，教师可以利用多媒体技术模拟演示兴奋在神经中的传导过程。通过形象的画面展示，对学生多种感官产生刺激，学生参与课堂学习的积极性也会大大提升。这时，只要教师稍微加以引导，学生就能够较为轻松地掌握新的知识，而且对新知识的理解和记忆也更加扎实。

三、利用信息技术，可以突破时空的限制

生物知识和人们的生活有着密切的联系，教师在进行生物教学时应该不仅限于对课本知识的传输，还要根据课本上的教学内容对生物知识进行开发和拓展。在生物教学中常常有因受时空限制而无法观察到的动植物或现象，遇到这种情况时，教师就可以运用多媒体技术进行教学，突破时空的局限，把各种生物及现象通过多媒体展示搬到课堂上，通过呈现各种生动、形象的画面，来弥补实际教学中的缺陷，既丰富了学生的知识结构，开拓了学生的视野，又能够为教师的教学增添素材，提高教师的教学水准。例如，在学习“生物对环境的适应”这一部分的教学内容时，教师可以利用信息技术将辽阔的海洋、常年冰雪覆盖的雪山、广阔的森林、茫茫的草原、干燥炎热的大沙漠等景观形象直观地展示在学生面前，这样有利于学生清楚、形象地了解不同的自然环境状态，打破教学空间的限制，为后续的学习奠定基础。

四、利用信息技术，可以化微观为宏观，突破观察范围的限制

多媒体信息技术的运用，不仅能够降低学习难度，而且还有助于突破观察范围的限制，弥补传统教学的不足。自然界中大多数生物的生理活动过程都是在微观连续的状态下进行的，其变化过程通常比较细微和迅速，常规教学无法直观地、科学地将其展示出来，而信息技术则能有效地解决这一问题。运用信息技术技术教学可以化微观为宏观，将微观的变化通过宏观的方式进行再现，消除了学生抽象思维、逻辑思维等方面的障碍，同时也使学生产生耳目一新的感觉，进而激发学生的学习兴趣，使教学难点的讲解变得较为容易。如在学习病毒的相关知识时，由于病毒个体非常小，学生只有在电子显微镜下才能看见。因此，教师可以利用多媒体设备播放一段由超微摄影技术记录的病毒的录像，化微观为宏观，使学生在欢快的气氛中学到知识。

五、结束语

总之，现代信息技术的应用为课堂教学注入了新的生机和活力。其不仅能创设出逼真的教学环境，使问题以最快的速度和最灵活的方法得以解决，而且使生物课堂充满了乐趣，带动了课堂气氛。更为重要的是，使用该种教学方法可以大幅度提高学生学习生物课的兴趣，开阔学生的视野，为培养学生的发散思维和创新思维打下基础。

第五篇：信息技术在生物课堂教学中的应用

“生命化课堂”实验研究要求之一是坚持互动性原则，即通过语言、问题、活动等方式，实现师生互动、生生互动、学生与媒体互动、学生与环境互动，让学生在课堂上能真正“动”起来，进而体现出学生的主体地位。而以多媒体计算机和网络为代表的信息技术在此发挥着不可替代的作用，它不但可以调动学生眼、耳、手等各种感官，接受声、光、实物等多种刺激，在头脑中对学习内容形成深刻复杂的联系，而且能化抽象为具体，化繁杂为简单，大大降低课程难度，让学生乐于学习，轻松学习。现将自己在课堂教学中的几点做法介绍一下：

一、视频导入，感官刺激，把学生“吸”起来

“生命化课堂”倡导在问题情境中引发学生思考并激发探究欲望。以往的教学教师只能从学生已有的知识或生活经验出发，引导学生对身边的事物或现象提出质疑，枯燥乏味，渠道单一，往往还不能引起学生的兴趣和共鸣。而多媒体组合这种方式则能通过多种渠道、多种方式，创设多种问题情景，刺激学生的多种感官，并突破了信息传递中的时间和空间的限制，使学生能直观看到宏观世界、微观世界、远方或过去的事情，使信息通道无限的延伸和扩展。例如：《急救》这节课，目的是让学生学习一定的急救常识并认识其重要性和必要性。可是怎样才能让学生真真切切地认识掌握一定的急救知识对人的日常生活来说是必不可少的呢?没有经历过紧急事发现场的人是无论如何也体会不到的。信息技术就帮助我解决了这一难题，通过网络收集，我选择了一段“新闻”视频导入——一个车祸的事发现场。当学生听到刺耳的紧急刹车声和司机声嘶力竭的求救声，身临其境般地感受着货车司机被挤在车里命垂一线的危机时刻，在座的学生无不惊慌失措，七嘴八舌的献计献策，有的学生还迫不及待地翻开课本寻找办法，相信这时学生对本节课知识的“饥渴”程度也已达到了极限。

俗话说：良好的开端是成功的一半。有良好开端的一堂课，才能迅速引起学生的学习兴趣，调动他们的积极性。而与教学内容紧密联系，或发人深省，或悬念重重的视频导入，就是开启新课的钥匙，它能让课堂一下子“热”了起来，让学生一下子被“吸”了起来，进而积极主动地去探索新知。

二、动画剖析，难点突破，让内容“动”起来

初中生的思维认识处于形象思维逐步过渡到逻辑思维的阶段，他们对新知识还依赖于通过感知，形成表象，建立概念而获取知识的阶段。而生物学科中的很多规律是抽象的，也往往是学习重点和难点所在。学生在观察时，无法看到这些规律的变化和事物的演变，不利于教学。如：“光合作用”，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。往往经过老师多次反复的讲解和模拟演示之后，学生仍然不能从整体上理解光合作用的实质。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”欢快地进入“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以及认识光合作用对于植物的重要性。 对于初中生物学中很多无法用语言叙述清楚，且又不能提供真实事例展示在学生面前的生理作用或生命现象，我们都可以借助于电教手段，通过类比、模拟的方法建立一个声、光、色、形于一体的形象化模型，帮助学生形成表象，建立概念。而实验证明，这种教学方法能化抽象为形象，化复杂为简单，更易于学生接受和掌握。

三、课堂内外，完美结合，让情感教育“丰富”起来

“生命化课堂”倡导：课堂教学的过程不但是帮助学生获取知识，教给学生获取知识的方法，更重要的帮助学生了解所学知识与日常生活经验之间的联系及在社会实践中的应用价值。利用多媒体，能真正实现视听的完美结合，有效提高学生的注意力、欣赏力、观察力，从而达到预期效果。例如《生物对环境的影响》一节，我首先为学生播放一段视频——《人类的家园》，当学生看到西部大草原因为人类乱砍滥伐、过度放牧而逐渐演变成沙漠，导致许多无辜的生灵无家可归、危在旦夕时，整个课堂安静了，同学们的眼睛也湿润了。这时，教师无需再有过多的言语，相信每一位学生内心的感触也是深刻的。而在这一课结尾，我又为学生播放了一段威海的宣传片，从屏幕中学生亲眼目睹了人们为创建文明、卫生城市而做的诸多努力，学生真切地感受到了人与自然和谐共处。前后对比，无疑给学生巨大的震撼，当学生从屏幕中发现自己生活的城市竟然这么美好、和谐和充满魅力时，无不为之惊叹，无不为之自豪!

很多时候，教师对学生的情感教育是空白与无奈的，语言总显得那样乏味与单调，而运用多媒体视频，就能为学生提供直观的影像，让学生更真切的感受到“爱护环境，势在必行”，这是一个潜移默化的过程，是一种“润物细无声”的教育。

总之，多媒体计算机和网络教学为生物课堂教学提供了丰富的课程资源，突破了原有的教师讲、学生听单一枯燥的教学模式，为“生命化课堂”的实施提供了有力保证。但是，要做到信息技术与生物学科的有机整合，教师的信息素养是重要因素，而学生作为学习的主体，其信息素养也必须加强，这其中需要一个过程，切不可一蹴而就。