高中生物教學中如何巧用NCBI數據庫

謝海婷 韋艷艷，2*

（1.廣西師范大學生命科學學院 廣西桂林 541006）

（2.華中師范大學生命科學學院 湖北武漢 430000）

1 引言

高中生物課程是以認識科學本質為基礎、以提高每個學生的生物學核心素養為宗旨的課程。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）要求學生積極主動參與學習，在此過程中不僅獲得基礎生物學的知識，還要領略近現代國內外生物科學家們在科研過程中產生的思路與方法。《課程標準》中的學科核心素養是以學生適應未來社會發展和個人生活的需要出發，從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等層面發展學生。

近年來，生命科學與計算機科學飛速發展，隨著人類“阿波羅”基因組測序計劃的完成，“后基因組學”時代的開始，社會對生物科學與計算機科學的關注日益顯著。NCBI數據庫（NCBI，https：//www.ncbi.nlm.nih.gov）又稱美國國家生物技術信息中心，其內置Entrez檢索和搜索系統，整合了PubMed、GenBank、BLAST、Map Viewer、SNP、Protein等數據庫與檢索工具，形成一個緊密連接的系統和高效集約的查詢平臺。通過國內外文獻的研究得到，在國外尚無將NCBI數據庫與高中生物教學整合的案例。基于對學生當前階段的認知程度與接受水平的分析，筆者嘗試將結合NC?BI與高中生物教學結合，以期能夠提高課堂教學效率，培養學生養成良好的生物學科核心素養，提高學生信息化學習的能力，為學生未來的學習和科研奠定堅實的基礎。

2 NCBI數據庫在高中生物教學實踐中的影響

NCBI數據庫是眾多科學家科研成果的集合，教師應用在高中生物學教學中,不僅能使學生獲得生物學的知識，還能使學生通過閱讀科學家的論文與分析科學家的研究成果，領略科學家在科研過程中的思路與方法。隨著信息化時代的到來，學校組織方式得到轉變，教師的“講”轉變為了“引”，學生的“聽”轉變成了“學”，集體教學也轉變為個別化教學和多樣化教學。通過教師對相關功能實現操作的演示、學生對演示結果的觀察分析以及學生親身參與到教學中的教學過程，轉變傳統的教學課堂模式，構建學生主動參與的探究型課堂、合作型課堂。這樣不僅有利于學生對知識的掌握，還增強了學生的信息技術能力、生命觀念、科學探索、科學思維、社會責任。

3 NCBI數據庫在高中生物教學中的應用構想

3.1 NCBI數據庫在蛋白質結構與功能的探索

蛋白質是高中生物學教學的重要內容，是貫穿整個生物學科的重要知識。蛋白質的結構與功能是學生學習后續內容的基礎知識。《課程標準》要求學生理解結構與功能的統一性。但是，學生在學習蛋白質相關知識時，對蛋白質結構的模糊認識，不易形成蛋白質的結構與功能的統一性觀念。為此，下面將NCBI數據庫中的子庫——Structure數據庫與Protein數據庫融入生物課堂中，使學生對蛋白質的基本結構產生直觀、形象、明確的認識，以此加深學生對本知識的理解和掌握。

3.1.1 相關數據庫介紹

Structure數據庫：Structure數據庫提供了有關大分子的生物學功能和進化史的大量信息。它們可用于檢查序列、結構與功能三者的關系、相互作用、活性位點等。Structure數據庫的形成不僅為生物科研工作提供了強大的工具，還為高中生物學教學中蛋白質結構與功能的學習提供了重要的幫助。下面將應用Structure數據庫中人的胰島素結構，通過在課堂中呈現與學生動手操作實踐的方式，使蛋白質的結構與功能在學生腦海中形成清晰的構象，構建探究型課堂，攻破學生對結構與功能認識的難點，增加學生的興趣，提高學生學習的積極性。

Protein數據庫：Protein數據庫是多個來源的序列的集合，包括來自GenBank，RefSeq和TPA中帶注釋的編碼區的翻譯，以及來自SwissProt、PIR、PRF和PDB的記錄。生物學結構和功能的基本決定因素是蛋白質序列。下面將在Protein數據庫找到胰島素的A鏈與B鏈的序列的詳細信息來輔助蛋白質結構的教學。

3.1.2 數據庫在生物教學中的應用思路

在蛋白質的結構與功能模塊的教學中，教師以胰島素蛋白（INS，insulin）為例，首先進入NCBI官方網站，選擇Structure數據庫后，在搜索欄輸入“INS”，進入結果展示界面，選擇蛋白結構界面進行觀察，并使用iCn3D查看工具即可查看到該蛋白質的結構特征以及序列注釋信息，也可進入Protein數據庫分別瀏覽胰島素的A鏈與B鏈的序列的詳細信息。在胰島素的空間結構下方，可以查看其A鏈與B鏈的詳細注釋信息。學生通過觀察與分析A鏈與B鏈的長度、二硫鍵數目以及螺旋位置等注釋信息，加深對蛋白質一級結構的理解。然后，進入iCn3D查看工具查看INS的具體空間結構。學生積極主動地利用工具界面對蛋白質結構的操作，形成蛋白質二、三級結構的概念，充分利用右邊的注釋工具。例如，在選中一段序列，左邊的iCn3D查看工具器中就會著重標記該段序列在蛋白質結構中的定位，加深對蛋白質的結構與功能相適應性的理解，構建結構與功能統一性觀念。

3.2 利用NCBI數據庫辨別染色體與基因

染色體與基因是高中生物學課程的學習與教學中的一大難點。學生初次學習時，由于染色體和基因是基于分子層面上的知識點，具有一定抽象性，僅憑概念的學習不易分清染色體與基因的關系。因此，這對于高中生物教師無疑是一個巨大的挑戰。《課程標準》對遺傳與進化這個模塊在生命觀念與科學思維提出了要求，即學完本模塊知識后，學生應該能夠運用細胞減數分裂的模型，闡明遺傳信息在有性生殖中的傳遞規律。要達到這個要求，要求學生對染色體與基因的關系要有一個清晰的認識。基于以上考慮，下面采用NCBI數據庫的相關子庫——Gene數據庫與基因組數據查看器進行教學。

3.2.1 相關數據庫介紹

Gene數據庫：Gene數據庫是一個可搜索、側重于已完全測序的基因組、并且擁有活躍的研究團體來提供基因特異性數據的基因數據庫。通過數據庫檢索，可以得到該基因的術語、染色體定位、基因產物及其屬性、相關標記、表型、互相作用以及引文、序列、變異細節、圖譜、表達報告等信息。運用該數據庫查找人與黑猩猩的胰島素基因，通過兩個同源性相近但不同種的染色體與基因的對比研究，加深學生對染色體與基因的關系理解。

基因組數據查看器（GDV）：基因組數據查看器是一個基因組瀏覽器，用于交互式導航真核RefSeq基因組裝配，并全面檢查基因、表達、變異和其他注釋。GDV提供易于加載的分析軌道預配置、數據軌道菜單，以方便顯示和自定義，并支持用戶數據的上傳和分析。該瀏覽器還可以生成用于發布的顯示。應用GDV查看在Gene數據庫中檢索的基因圖譜，通過查看基因在染色體的位置與注釋信息，在學生腦海中形成具體構象，便于分辨染色體與基因的關系。

3.2.2 數據庫在生物教學中的應用思路

以人與黑猩猩的胰島素基因為例，在Gene數據庫的檢索欄中輸入“INS”，進入搜索結果后，分別選擇人和黑猩猩的胰島素基因，進入基因組數據查看器查看兩個物種的特定基因INS在基因組上的位置以及其全部基因組的完整信息，在界面中可以觀察到兩個物種的INS基因皆存在11號染色體上以及染色體上其他基因的詳細信息。也可通過鼠標定位到特定基因的位置，查看該段基因的完整信息，增強對同一基因位于不同物種的染色體上的概念。除此之外，還可以通過切換物種以探索更多不同物種基因的信息，繼而區分開染色體與基因的抽象概念。

4 NCBI在生物教學其他模塊中的應用

生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任這四個領域是生物學學科核心素養的重要成分。為了在中學生物教學中能夠更好地培養學生核心素養，教師結合NCBI，引導學生聯系生物學前沿科學進行教學，在每個環節中培養學生的能力，從而提高課堂的有效性。NCBI數據庫具有龐大的數據庫與工具，除了以上數據庫與工具能夠運用到生物教學課堂外，還有很多子庫也能運用到生物課堂中來，進一步促進學生牢固地掌握知識體系，明確地辨析易混淆以及不理解的概念。NCBI的其他子庫在高中生物學教學中的應用情況（表1）。

NCBI數據庫不僅可以查找到許多有關的蛋白質與基因的序列、結構、功能，還能夠通過PubMed數據庫查找生物科研文獻。近年來，乳腺癌、肺癌、青蒿素等關鍵詞成為了國內外研究的熱點方向，教師通過在PubMed數據庫中查找相關文獻，帶領學生一起閱讀，共同走進科研前線。通過對學者們的研究理論、研究過程、研究成果進行學習，提高學生的英文閱讀水平，擴展學生以及教師的視野，了解國內外學者在生物、醫學以及藥物研究方面的研究現狀，了解生命科學前沿的發展，養成良好的生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任感，從而對學生未來無論是參與學術科研，還是社會選擇就業都起到了引導與奠基作用。

表1 NCBI的其他子庫在高中生物學教學中的應用

5 總結

綜上所述，NCBI數據庫擁有龐大的生物醫學信息資源和強大可靠的檢索工具，為廣大生物醫學研究者進行科研工作提供了便利。信息化時代的到來，為了適應學校組織形式的轉變，教師要更新教學觀念，通過將NCBI與高中生物學教學的融合，轉變傳統的知識傳授課堂，提倡探究學習、合作學習。學生使用NCBI過程，不僅擴展了科學知識及眼界，還提高了英語閱讀水平，促進形成生物學學科核心素養、信息化的學習能力以及基本的科學研究的能力。

由于NBCI的載體是網頁，需要良好的網絡環境。為了獲得預期的教學效果，需要學校提供環境上的保障支持，避免因為網速問題影響課堂進度而導致教學效果降低。教師使用NCBI前，要提前學習NCBI的相關知識，認識NCBI的整體功能，掌握操作步驟，精確地分析檢索結果，整理與知識點相對應的數據庫，并且精心設計符合學生現有的身心發展水平的教學設計，以期待學生在掌握生物學知識的同時領悟生物學的本質，不斷地提升利用信息技術獲取生物學知識的能力。