实用分享：生物教学中那些超好用的数据库 | 生物专题

 数同学说

新一波专业课程体制改革特别强调全面性大力推进教学体制改革，这就明确要求他们在课堂教学中如果把学科专业素质培育放于专业教学明确要求核心理念。责任编辑译者试著将微生物信息学有关的互联网资料库应用领域于日常生活课堂教学，以求使小学生具备将机电类与软件工程、教育学科专业学等展开综合性的潜能，并以机电类核心理念素质培育为取向，满足用户小学生个人化产业发展的须要。

新一波专业课程体制改革特别强调全面性大力推进教学体制改革，这就明确要求他们在课堂教学中如果把学科专业素质培育放于专业教学明确要求核心理念。捷伊初中微生物化学专业新课程对包括生

近数十年，微生物自然科学与软件工程迅猛发展，自20世纪80二十世纪末人类基因组方案开启以来，大量字符串数据被加速累积，至2004年堪称微生物自然科学“朱诺方案”的人类基因组方案即告完成，自此微生物自然科学科学研究进入“后分子微生物学”黄金时代。以微生物信息学为代表的生物学与软件工程的科学研究课题专业在微生物自然科学未来产业发展李将着愈发关键的作用。

目前，海内外知名理工学院多半开办有如是说科技在微生物自然科学中关键应用领域的经典之作专业课程，这些专业课程意在启迪小学生观念，让小学生体会、深刻领会现今科技在生命自然科学中的关键话语权。但是，特别针对中小学生的知觉水平和拒绝接受潜能，将微生物信息学与中小学微生物课堂教学展开资源整合的整体性科学研究尚不尽然。

本栏试著将微生物信息学有关的互联网资料库应用领域于日常生活课堂教学，以求使小学生具备将机电类与软件工程、教育学科专业学等展开综合性的潜能，并以机电类核心理念素质培育为取向，满足用户小学生个人化产业发展的须要。

一、让资料库在日常生活课堂教学中动起来

（一）利用PDB资料库帮助小学生理解蛋白质结构与功能之间的关系

结构与功能适应观是微生物化学科核心理念素质“生命观念”中的核心理念思想之一，然而小学生初次接触蛋白质结构的概念时，对于蛋白质抽象的由一级到四级的结构特征，以及蛋白质结构如何与功能相适应，很难有准确的理解。

蛋白质（Protein Data Bank，PDB）资料库于1971年建立（网址：http://www.rcsb.org），截至2018年2月，共收录137 478种蛋白质等微生物大分子的3D结构信息。

在授课过程中，教师访问PDB资料库，将资料库中多种多样具备特殊功能以及精确三维立体结构的蛋白质引入课堂，可提高小学生对于抽象知识的整体知觉。比如，在开展人教版初中教材必修1第2章第2节“生命活动的主要承担者——蛋白质”专业课程课堂教学时，教师可带领小学生在PDB资料库中下载人源血红蛋白α链与β链的氨基酸字符串，如图1所示。

教师以此为例如是说蛋白质一级结构的概念，可促进小学生对抽象知识的理解。在血红蛋白一级结构的基础上，小学生可利用PDB资料库中的信息，将具体的氨基酸字符串与蛋白质的二级结构相对应，如图1中血红蛋白β链中的5-15位氨基酸字符串对应蛋白质二级结构中的α螺旋，由此建构蛋白质一、二级结构的概念。

在利用PDB资料库分析血红蛋白一、二级结构后，小学生可进一步在PDB资料库中查看血红蛋白未与氧结合（图2左）以及血红蛋白与氧结合之后（图2右）的空间结构。

小学生通过在PDB资料库中对血红蛋白的三维立体结构展开操作，可系统观察蛋白质大分子的内部结构。之后，小学生可在资料库中，对比血红蛋白与氧结合前后空间结构的变化，并进一步分析血红蛋白结构变化如何导致蛋白功能发生变化。本栏就是这样利用PDB资料库中多种多样的蛋白质数据信息帮助小学生建立蛋白质结构决定功能的生命观念。

（二）利用Primerbank资料库帮助小学生理解引物设计与PCR技术

人教版初中教材选修3专题讲座一第2节“基因工程的基本操作程序”中“利用PCR技术扩增目的基因”部分向来是课堂教学的重点和难点。PCR技术在现今微生物自然科学领域的应用领域非常广泛，而基因、引物、PCR等概念过于抽象，使小学生较难理解透彻。

Primerbank（http://pga.mgh.harvard.edu/primerbank）是由哈佛理工学院创立的引物设计网站。在开展PCR部分的课堂教学时，本栏试著带领小学生站在科研人员角度，特别针对小学生感兴趣的基因，利用Primerbank资料库完成PCR引物设计，以加深小学生对PCR的理解。

以人的血红蛋白基因的PCR为例，教师可带领小学生在Primerbank资料库的“种属”中选择“人”，并在“基因名称”中输入“血红蛋白”，得到如图3所示的结果。

可以看到，在特别针对血红蛋白基因的编码区字符串设计出的引物中，正向引物为人血红蛋白基因编码区开始的19个核苷酸字符串，反向引物为人血红蛋白基因编码区最后21个核苷酸字符串的反向互补字符串。小学生通过分组画出血红蛋白基因的双链字符串并展开引物匹配，同时从核苷酸字符串的角度分析图3中正向引物和反向引物的退火温度（Tm值）为何有差异，这样可透彻理解PCR的引物设计和PCR技术的原理。

（三）利用Map Viewer资料库帮助小学生理解基因与染色体的关系

Map Viewer是美国国立微生物信息中心NCBI网站上提供的寻找基因的工具，用户通过Map Viewer可搜索到目标基因在不同种属微生物的染色体上所处位置、基因字符串以及内含子外显子排序等新颖信息。

在开展人教版初中教材必修2第2章“基因和染色体的关系”的新课课堂教学时，本栏发现小学生刚接触基因、染色体、染色质等概念，很容易混淆。为此，本栏带领小学生利用NCBI Map Viewer资料库搜索其熟悉的基因在不同物种染色体上的位置，例如搜索基因和染色体之间的关系会更易理解。

二、让专业资源在疑难解析中用起来

（一）利用Weblab展开高考真题基因同源性有关问题讲解

Weblab（http://weblab.cbi.pku.edu.cn）是北京大小学微生物信息中心开发的资源整合了多种新颖工具的微生物信息学功能平台。Weblab提供的微生物信息学工具易于操作、可视化强，在初中微生物课堂教学中具备广泛应用领域潜力。

举一个例子，北京市2013年高考31题（4）问如下：“为证实其他哺乳动物的蛋白C也有相似作用，可行的做法是从该种动物的基因文库中获得蛋白C基因字符串，然后以去除蛋白C基因的小鼠作为受体，导入该基因字符串，检测发育出的小鼠有关指标的恢复程度。”

在教师讲解该题过程中，小学生提出疑问：“哺乳动物种类繁多，形态千差万别，其他哺乳动物和小鼠为什么都有蛋白C且功能仍类似？”为解答该问题，本栏带领小学生利用互联网资源下载人和小鼠血红蛋白的α亚基字符串，进入Weblab网站后，运用Needleman-Wunsch算法做两条字符串的全局比对，结果如图5所示。

由图5可知，人和小鼠不仅都具备血红蛋白基因，而且二者血红蛋白α亚基相同氨基酸比例达85.9%，蛋白字符串相似度达92.3%。此时教师可组织小学生讨论，做字符串比。蛋白质字符串经比对后，若两个氨基酸残基间具备相似的理化性质（如侧链基团大小、电荷性、亲疏水性等），则称它们为相似氨基酸。即使两条蛋白质字符串的氨基酸不完全匹配，他们也可以依据相似氨基酸的概念（定义）认为它们的结构与功能有很高的相似度，而不是单纯地考虑氨基酸绝对相同的匹配。

由此，利用Weblab资料库，教师可帮助小学生理解不同物种基因同源性，从而逐渐接近机电类核心理念素质中对于理性观念和自然科学探究潜能的高明确要求。

（二）利用FlyBase资料库解析基因可变剪接有关问题

FlyBase（http://flybase.org）是一个提供果蝇遗传学与分子微生物信息的综合性资料库，在课堂教学中具备多方面用途。

比如小学生在做模拟题时，遇到如下表述：“真核微生物界蛋白质的种类远远多于基因的种类，人们认为原因之一是基因的转录产物会在体内展开可变剪接，造成不同外显子的组合。”由于基因的可变剪接问题较为抽象，属于扩展内容，小学生对此较为困惑。为此，本栏带领小学生登录并访问FlyBase资料库，输入小学生熟悉或感兴趣的基因名称，如血红蛋白基因glob1或控制果蝇眼睛发育的基因ey，结果如图6所示。

可见，对于真核微生物的绝多半数基因，同一段DNA会转录出不同的转录本，如glob1基因具备glob1-RA至glob1-RF 6个不同的转录本，ey基因具备4个不同的转录本。小学生通过亲自利用FlyBase资料库直观体会真核微生物基因选择性剪接的概率，可较好理解真核微生物基因进化出内含子的原因，以及真核微生物利用少量基因能够表达出大量具备不同功能蛋白质的高效性特点。

三、让微生物信息学实验在探究交流中活起来

机电类的本质是实验自然科学。实验探究课堂教学是促使小学生形成微生物化学核心理念素质的必要手段。因此，将兼具备自然科学性和趣味性的基于微生物信息学的高端实验引入初中微生物课堂教学，可令小学生切实体会科学研究课题专业思想在现今微生物化学科学研究中的关键话语权，并使其洞悉机电类本质。

跳跃基因Alu的扩增与鉴定大实验最初由美国冷泉港实验室开发，后被北京理工学院附属中学引进。本栏将该实验在北京市十一学校加以实践与改良。该实验原理为，Alu基因属于跳跃基因，可通过转座随机插入基因组。它是高等动物特有的短重复字符串。Alu基因跳跃频率很低，他们可根据Alu基因的频率，判断不同人种间亲缘关系的远近。根据此原理，在实践过程中，小学生先从自己的口腔上皮细胞中提取DNA，并以该DNA为模板通过聚合酶链式反应（PCR）将Alu基因扩增出来，之后可通过琼脂糖凝胶电泳鉴定出每个小学生的Alu基因型。

在汇总全年级小学生Alu基因型数据后，教师指导小学生将其各自的基因型数据上传至国际Alu基因型资料库BioServer（网址：www.BioServers.org）。北京市十一学校小学生数据被存储于yinqiaoshengwu文件目录下。

BioServers资料库存储了世界上不同国家人种的Alu基因型统计数据。小学生可在该资料库中自行操作，将北京市十一学校的Alu基因频率数据与世界上不同人种的数据展开对比，从而计算得到不同人种之间的遗传漂变及遗传距离等数值。比如小学生可将本校Alu基因频率数据与法国人的做对比，计算得到自己与法国人之间的遗传距离。通过基于微生物信息学的高端实验开发，小学生可像科研人员一样结合互联网资源展开实验探究，这是落实机电类素质中对小学生自然科学探究潜能的培育的有效办法。

此外，通过微生物信息学课堂教学可有效促进小学生对知识的再生成。为调动小学生运用信息资源展开自主学习的积极性，在日常生活课堂教学中，教师可辅助并引导小学生利用互联网资源如NCBI、中国知网等，让他们自行查阅感兴趣的科技文献，之后教师组织小学生围绕该科技文献展开讨论，启迪他们对后续工作展开办想，以达到训练小学生观念，形成机电类核心理念素质的目的。

为实践该想法，本栏在日常生活课堂教学中开发了小学生演讲模块。小学生自主决定演讲内容，特别针对自己感兴趣的生物学问题，利用关键词在NCBI、中国知网等资料库展开搜索并查阅文献。之后，结合文献中数据展开实验结果分析并在班级内撷取交流。

小学生在演讲环节中的表现超出预期：部分小学生很好地掌握了关键词搜索技巧，从国际顶级专业期刊下载文献后，特别针对文中数据展开了解读与分析；部分小学生特别针对自己感兴趣的问题，如DNA如何在不同物种中迁徙，利用网上各大资料库及网站，搜集了大量材料与文献展开了该问题的有关论证。实践证明，该环节的实施极大激发了小学生的学习热情。通过小学生与小学生、小学生与教师的相互促进，小学生利用科技展开微生物化学习的潜能得到较大提升。

总之，在高度信息化的今天，微生物化学与其他多种学科专业展开交叉已成为微生物自然科学未来产业发展的必然趋势。为此，本栏对基于微生物信息学的大量互联网资料库资源做了筛选，并将其融入日常生活理论与实验课堂教学，同时开发了基于微生物科技的可充分激发小学生学习主动性的评价体系，以求小学生在形成机电类核心理念素质的同时，理解和体悟机电类的本质，进而在今后漫长的学习和生活中，逐步具备并不断提升基于困惑与好奇而理解世界的感知力以及利用科技获得微生物化学有关知识的学习力。

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微信编辑：李中华

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