Реферат информатика в биологии

Обновлено: 16.06.2024

Глава II. Опытно-экспериментальная работа по применению информационно-компьютерных технологий в обучении биологии.

2.1 Опыт применения учителями информационно-компьютерных технологий

2.2 Опытно-экспериментальная работа по использованию информационно-компьютерных технологий в обучении биологии

К.Э. Циолковский

Необычайно высокие темпы развития биологии в последнем десятилетии сопровождаются быстро растущим значением ее в жизни человека.

Совершенствование биологического образования требуется на всех уровнях. При этом особое значение приобретает изучение биологии в школе.

Один из наиболее естественных и продуктивных способов вводить новые информационные технологии в школу состоит в том, чтобы непосредственно связать этот процесс с совершенствованием содержания, методов и организации форм обучения, ориентируя всю программу на решение общезначимых педагогических проблем.

Профессор И.В. Роберт отмечает, что компьютерные технологии могут использоваться в качестве:

-средства обучения, совершенствующего процесс преподавания;

-инструмента познания окружающей действительности и самопознания;

-средства развития личности обучаемого;

-средства информационно-методического обеспечения и управления учебно-воспитательным процессом;

-средства коммуникаций в целях распространения передовых педагогических технологий;

-средства автоматизации процессов контроля, коррекции результатов учебной деятельности, компьютерного педагогического тестирования и психодиагностики;

-средства автоматизации процессов обработки результатов эксперимента (лабораторного, демонстрационного) и управления учебным оборудованием;

-средства организации интеллектуального досуга, развивающих игр.

Компьютер позволяет создать условия для повышения эффективности процесса обучения, раздвигает возрастные возможности обучения. С развитием мультимедийных технологий компьютер становится средством обучения, способным наглядно представлять самую различную информацию. Как следствие, происходит развитие творческого потенциала обучаемого, способностей к коммуникативным действиям, навыков экспериментально-исследовательской работы; культуры учебной деятельности; интенсификация учебно-воспитательного процесса, повышение его эффективности и качества.

Формирование информационно коммуникативной компетентности школьников, становление их информационной культуры, компьютерной грамотности приобретает в настоящее время особую значимость. Информационное обеспечение уроков биологии открывает перед учителем перспективу реализации принципиально нового дидактического подхода в обучении, так как дает возможность соединения в одном высказывании письменной и устной речи. На этом фоне обучение созданию компьютерного ролика, мультимедийной презентации позволяет учащимся повысить мотивацию к изучению традиционной темы [2; 18].

Задачи современной школы - воспитать и вооружить ученика такими знаниями, чтобы он мог занять достойное место в обществе и приносить ему максимальную пользу. Одним из важнейших направлений решения этой проблемы является интенсификация учебного процесса, т.е. разработка и внедрение таких форм и методов обучения и учебно-методического материала, которые предусматривали бы целенаправленное развитие мыслительных способностей учащихся, развитие у них интереса к учебной работе, самостоятельности и творчества.

Цель исследования: доказать, что информационно - коммуникационные технологии в обучении биологии способствуют повышению эффективности обучения.

Объект исследования: учебно-воспитательный процесс.

Предметом исследования является компьютерная поддержка уроков биологии;

1. Показать, что компьютер это средство обучения, развития учащихся;

2. Изучить возможности использование ИКТ на различных этапах урока биологии;

3. Провести опытно - экспериментальную работу по использованию компьютерной поддержки уроков биологии.

I. Теоретические аспекты применения информационно-компьютерных технологий в обучении биологии.

1.1.Использование ИКТ в обучении биологии.

Проблема выявления педагогически обоснованных возможностей использования компьютерной техники в качестве эффективного средства обучения, воспитания и развития школьников на материале разных учебных предметов и биологии в частности приобретает все большую актуальность. Компьютер на всех стадиях учебного занятия оказывает значительное влияние на контрольно-оценочные функции урока, придает ему игровой характер, способствуют активизации учебно - познавательной деятельности учащихся. Компьютеры позволяют добиться более высокого уровня наглядности предлагаемого материала, расширяют возможности включения разнообразных упражнений в процессе обучения.

Особую значимость приобретает изучение уже имеющегося опыта компьютерного обучения, анализ сложившегося в практике применения компьютера для решения разнообразных учебно-воспитательных задач.

Современное общество ставит перед учителем ряд задач, которые требуют от учителя определенных знаний, умений и навыков для их решения. Богатейшие возможности для этого предоставляют современные информационные компьютерные технологии (ИКТ). В отличие от обычных технических средств обучения ИКТ позволяют не только насытить обучающегося большим количеством готовых, строго отобранных, соответствующим образом организованных знаний, но и развивать интеллектуальные, творческие способности учащихся, их умение самостоятельно приобретать новые знания, работать с различными источниками информации. Использование ИКТ на уроках биологии позволяет сделать деятельность учителя и школьника наиболее интересной, интенсивной, повысить качество обучения по предмету, отразить существенные стороны биологических объектов, зримо воплотив в жизнь принцип наглядности, выдвинуть на передний план наиболее важные (с точки зрения учебных целей и задач) характеристики изучаемых объектов и явлений природы.

В педагогической и методической литературе отмечены несколько направлений применения информационных компьютерных технологий в образовании. В школьной учебной практике востребованы четыре основных:

· компьютер - как средство контроля знаний;

· лабораторный практикум с применением компьютерного моделирования;

· мультимедиа-технологии, как иллюстративное средство при объяснении нового материала;

· персональный компьютер, средство самообразования.

В тоже время можно использовать компьютер на уроке при работе с электронными учебниками и учебными курсами; обучающими играми и развивающими программами; электронными энциклопедиями; дидактическими материалами, например, сборники задач, диктантов, тестов, а также представленных в электронном виде, обычно в виде простого набора текстовых файлов в форматах doc, txt и объединенных в логическую структуру средствами гипертекста.

Однако, как показывает практика, компьютер пока не стал полноценным средством обучения в школе. Это связано не только с проблемами, обозначенными в научной литературе. В частности, для достижения положительного эффекта от применения информационных технологий необходимо соблюдение определенных условий:

Временное: каждый предмет школьной программы имеет свои организационно - методические и содержательные особенности, в соответствии с которыми должен быть выбран момент "включения" в него информационных компьютерных технологий;

Техническое: технические характеристики персональных компьютеров различны. В зависимости от круга задач, которые предполагается решать, необходимо подобрать компьютер и дополнительные устройства (такие сканер, принтер, модем, наушники, микрофон, колонки и т.п.).

Организационное: при включении информационных технологий в процесс изучения предмета встает вопрос настройки программного обеспечения и наладки оборудования. Далеко не каждый учитель владеет навыками необходимыми для комплексного обслуживания компьютерного оборудования или для самостоятельной разработки образовательных средств. Поэтому очевидна потребность учителя в квалифицированном помощнике (например, в лице лаборанта или учителя информатики).

При соблюдении этих условий, по оценкам специалистов, современные информационные технологии могут служить действенным дидактическим средством. Проблемы применения компьютерных средств в процессе обучения во многом связаны с готовностью современного учителя к восприятию персонального компьютера как дидактического средства.

В связи с этим чаще всего применяются на уроках:

Кроме того, презентации активно используются и для представления ученических проектов. В школах ведётся поиск оптимальных форм использования метода проектов непосредственно на уроках. Авторами создания электронных пособий, которые могут использоваться как источник дополнительного материала или как наглядное пособие в работе, становится учитель и учащиеся, увлеченные предметом.

1. Во-первых, может быть поставлена задача найти дополнительную учебную информацию с сохранением её на магнитных носителях для последующего многократного использования разными пользователями. Учащиеся, пользуясь Интернетом, находят много дополнительной очень интересной информации по вопросам.

2. Во-вторых, возможна задача: отыскать принципиально новую информацию, сопоставить её с уже известной, то есть создать проблемную ситуацию, инициирующую конструктивное общение. Тем более этот материал ценен потому, что его нет в учебниках. В ходе обсуждения учащиеся высказывают своё мнение и своё отношение к данной проблеме.

3. В-третьих, может быть поставлена задача сделать обзор (аналитический обзор, реферат, доклад и т.п.) по сформулированной заранее теме, что может оцениваться как проектная работа ученика.

Генетические тексты — тексты с большой долей шума, сравнивая родственные последовательности, в ряде случаев удается отфильтровать шум и выявить сигнал, например, короткую последовательность нуклеотидов, способную связываться с белкомрегулятором, или аминокислотные остатки в ферменте, отвечающие за связывание субстрата. Чтобы быть уверенными в результате, биоинформатики используют теорию… Читать ещё >

Понятие биоинформатики. Биоинформатика и проект генома ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Под биоинформатикой обычно понимают использование компьютеров для решения биологических задач. В настоящее время это почти исключительно задачи молекулярной биологии. Причина этого в том, что за последние 20−25 лет накоплен поистине колоссальный экспериментальный материал именно о строении и функционировании биологических молекул (белков и нуклеиновых кислот), в качестве примера достаточно привести геном человека. Этот материал требует развитых компьютерных методов для своего анализа. Поэтому биоинформатика в большинстве мировых научных центров понимается как синоним вычислительной молекулярной биологии.

Есть несколько основных направлений этого раздела науки, в зависимости от исследуемых объектов:

* Биоинформатика последовательностей.
* Структурная биоинформатика.
* Компьютерная геномика

Основные направления биоинформатики в зависимости от исследуемых объектов

Биоинформатика последовательностей

Наиболее известной и наиболее эффективной областью применения биоинформатики в настоящее время является анализ геномов, тесно связанный с анализом последовательностей.

Пусть ген найден. Что он кодирует? Зачем он нужен?

Если речь идет об участке ДНК, кодирующем белок, то с помощью весьма простой операции — трансляции с использованием известного генетического кода можно получить. аминокислотные (белковые) последовательности. Из известных на сегодня 4 273 512 белков около 94% последовательностей — это именно такие гипотетические трансляты, и больше о них ничего не известно. Скорость поступления информации с автоматических секвенаторов превышает скорость нашего понимания ее смысла! Но биологические объекты — это объекты, возникшие в процессе эволюции. Сравнительно-эволюционный подход — один из мощнейших подходов в биологии. Например, функция белка из одного организма хорошо экспериментально изучена, в другом организме нашли белок с похожей аминокислотной последовательностью. Можно предположить, что второй (неизвестный) белок выполняет ту же или схожую функцию. И здесь сразу возникает несколько вопросов. Во-первых, что значит похожая последовательность? Как сравнивать последовательности? При какой степени сходства последовательностей можно предполагать, что белки выполняют сходные функции? Сравнение последовательностей (выравнивание) является важнейшей задачей биоинформатики. Трудно найти современного биолога, ни разу не использовавшего программы Blastp и ClustalX, появление этих программ — уже крупный успех биоинформатики. Но современные биоинформатики недовольны и постоянно совершенствуют методы выравниваний. Можно привести много примеров того, как сравнительно-эволюционный подход в сочетании с биоинформатическими методами порождает новое биологическое знание.

* Выравнивание и определение сходства двух последовательностей
* Построение множественных выравниваний
* Распознавание генов
* Предсказание сайтов связывания регуляторных белков
* Предсказание вторичной структуры РНК

Создание новых экспериментальных технологий ставит перед биоинформатикой целый ряд новых задач. Например, развитие масс-спектрометрии позволяет (пока в принципе) в одном эксперименте проанализировать весь набор белков, присутствующий в клетке. Для решения этой задачи необходим совместный анализ спектров масс и геномов. Открытие новых биологических явлений и механизмов также приводит к появлению новых задач. Хорошим примером служит открытие РНК интерференции, за которую в 2006 году дали Нобелевскую премию по физиологии. Это открытие породило целый вал биоинформатических работ, посвященных поиску участков связывания микроРНК и новых микроРНК. Многие находки были затем подтверждены экспериментально.

Информатика, в отличие от биологии, существует лишь около 50 лет. Однако с момента своего возникновения она оказывала радикальное и все более возрастающее влияние на все области знаний, включая биологию. Анализируя историю развития науки, можно сделать вывод, что подавляющее большинство революционных достижений биологии последних десятилетий было бы невозможно без использования информационных технологий.

Особенно стремительный прогресс информационных технологий наблюдается в последние десятилетия 20-го века, хронологически совпадая с революцией в биологии.

К числу наиболее впечатляющих достижений информатики относятся:

-персональные компьютеры высокой производительности, обеспечившие массовое распространение информационных технологий во всех областях знаний, в том числе в биологии;

-сверхмощные вычислительные системы (суперкомпьютеры и сверхбольшие вычислительные кластеры);

-сверхбольшие носители информации, обеспечивающие накопление и сохранение огромных объемов данных;

-мировая сеть Интернет, обеспечившая доступ к глобальным распределенным информационным и программным ресурсам;

-огромное разнообразие универсальных и специализированных языков программирования;

-методы анализа данных, основанные на достижениях теории искусственного интеллекта;

-технологии моделирования динамики сверхсложных систем, состоящих из огромного разнообразия взаимодействующих элементов.

Информационные технологии становятся становым хребтом современной науки и цивилизации в целом, и их роль в 21 веке будет стремительно возрастать.

Современная биология стала производителем беспрецедентно огромных объемов экспериментальных данных, осмысливание которых невозможно без привлечения современных информационных технологий и эффективных математических методов анализа данных и моделирования биологических систем и процессов.

Прогресс человечества в 21 веке будет неразрывно связан с биологией и информатикой. Ответы на многие глобальные вызовы, стоящие перед современной цивилизацией, критическим образом зависят от развития этих наук, их взаимодействия и использования их достижений.

В ответ на эту острую потребность возникает новая наука - информационная биология. Объектами исследований информационной биологии являются генетические макромолекулы - ДНК, РНК, белки, фундаментальные генетические процессы - репликация, транскрипция, трансляция, генетические сети, функционирование которых обеспечивает выполнение всех функций организмов.

Информационная биология относится к числу высоких технологий современной биологии и обеспечивает информационно-компьютерные и теоретические основы генетики и селекции, молекулярной генетики и биологии, генетической и белковой инженерии, биотехнологии, медицинской генетики, генодиагностики, генотерапии, экологии, словом, тех наук, благодаря выдающимся достижениям которых биология превратилась в одну из лидирующих наук грядущего столетия.

Информационная биология занимает в современной биологии ключевую и исключительно важную позицию. Предметом информационной биологии является исследование биологических систем на трех уровнях их организации: (i) молекулярно-генетическом; (ii) организменном и (iii) популяционном и экосистемном.

К числу наиболее актуальных задач информационной биологии относятся:

создание компьютерных баз данных для хранения экспериментальной информации о структуре и функции биологических объектов на всех уровнях их иерархии начиная с молекулярно-генетического, включая организменный и заканчивая популяционным;

разработка алгоритмов и пакетов программ для анализа информации, накапливаемой в перечисленных выше базах данных;

разработка теоретических и компьютерных методов анализа геномов и изучение их информационного содержания;

изучение механизмов хранения, реализации и передачи наследственной информации, закодированной в геномах;

создание компьютерных технологий моделирования молекулярно-генетических систем и процессов, в том числе фундаментальных: репликации, транскрипции и т.д.;

моделирование структурной организации и функции генетических макромолекул, молекулярных взаимодействий между ними;

изучение закономерностей эволюции генетических макромолекул и молекулярно-генетических систем;

разработка теоретических и информационно-компьютерных основ моделирования молекулярно-генетических систем-продуцентов с заданными свойствами;

создание математических моделей функционирования клеток и целых организмов на основе информации, записанной в их геномах;

создание математических моделей воспроизведения, функционирования и эволюции популяций и экосистем;

разработка теоретических основ фармакологии, биотехнологии и агробиологии нового поколения.

Почему биология перестала справляться без информатики и при чем тут рак

Чтобы провести исследование, биологам уже недостаточно взять анализы и посмотреть в микроскоп. Современная биология имеет дело с колоссальными объемами данных. Часто обработать их вручную просто невозможно, поэтому многие биологические задачи решаются вычислительными методами. Не будем далеко ходить: молекула ДНК настолько мала, что разглядеть ее под световым микроскопом нельзя. А если и можно (под электронным), всё равно визуальное изучение не поможет решить всех задач.

ДНК человека состоит из трех миллиардов нуклеотидов – чтобы вручную проанализировать их все и найти нужный участок, не хватит и целой жизни. Ну, может и хватит – одной жизни на анализ одной молекулы – но это слишком долго, дорого и малопродуктивно, так что геном анализируют при помощи компьютеров и вычислений.

Биоинформатика — это и есть весь набор компьютерных методов для анализа биологических данных: прочитанных структур ДНК и белков, микрофотографий, сигналов, баз данных с результатами экспериментов и т. д.

Иногда секвенировать ДНК нужно, чтобы подобрать правильное лечение. Одно и то же заболевание, вызванное разными наследственными нарушениями или воздействием среды, надо лечить по-разному. А еще в геноме есть участки, которые не связаны с развитием болезни, но, например, отвечают за реакцию на определенные виды терапии и лекарств. Поэтому разные люди с одним и тем же заболеванием могут по-разному реагировать на одинаковое лечение.

Еще биоинформатика нужна, чтобы разрабатывать новые лекарства. Их молекулы должны иметь определенную структуру и связываться с каким-то конкретным белком или участком ДНК. Смоделировать структуру такой молекулы помогают вычислительные методы.

Достижения биоинформатики широко применяют в медицине, в первую очередь в терапии рака. В ДНК зашифрована информация о предрасположенности и к другим заболеваниям, но над лечением рака работают больше всего. Это направление считается самым перспективным, финансово привлекательным, важным – и самым сложным.

Как читают геном

Чтобы понять суть биоинформатических проектов, сначала нужно разобраться, как секвенируют геном.

Подавляющее большинство найденных мутаций нейтральны и ни на что не влияют. Но есть и такие, в которых зашифрованы предрасположенность к наследственным заболеваниям или способность откликаться на разные виды терапии при заболеваниях.

Для анализа берут образец, в котором находится много клеток — а значит, и копий полного набора ДНК клетки. Каждый маленький фрагмент ДНК прочитывают несколько раз, чтобы минимизировать вероятность ошибки. Если пропустить хотя бы одну значащую мутацию, можно поставить пациенту неверный диагноз или назначить неподходящее лечение. Прочитать каждый фрагмент ДНК по одному разу слишком мало: единственное прочтение может быть неправильным, и мы об этом не узнаем. Если мы прочитаем тот же фрагмент дважды и получим один верный и один неверный результат, нам будет сложно понять, какое из прочтений правдивое. А если у нас сто прочтений и в 95 из них мы видим один и тот же результат, мы понимаем, что он и есть верный.

Как изучать биоинформатику

Биоинформатики – гибридные специалисты, которые должны знать и биологию, и информатику. Самообразование играет в этом не последнюю роль. Если биоинформатика вам интересна, вы можете выбрать что-то из вариантов ниже:

Читайте также: