重点高中生物信息学选修课程开发探索.docx
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重点高中生物信息学选修课程开发探索
重点高中《生物信息学》选修课程开发探索
结题报告
一研究背景
“浙江省深化普通高中课程改革方案(征求意见稿)”(下称“课改方案)于2011年11月向全省发布,并广泛征求意见,并于2012年秋开始在全省的全日制普通高中全面施行,这是浙江普通高中教育的一件大事。
本次课程改革的主要内容之一是“减少必修,增加选修”,与之配套的改革内容有“扩大学校课程自主权”、“全面实行完全学分制和弹性学制”、“建立普通高中学业水平考试制度”等。
“课改方案”全面施行后,选修课程的开发成了学校和教师面临的一项无可回避的任务,有了好的课程,才可能顺应“课改方案”。
基于这样的认识及对自身条件的考量,我们准备将《生物信息学》选修课程的开发作为课题研究的内容。
从“课改方案”来看,生物信息学(Bioinformatics)属于生物学科知识拓展类选修课程中“介绍最新成果的课程”中的一门课程。
生物信息学是在生命科学的研究中,以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。
它是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一,同时也将是21世纪自然科学的核心领域之一。
其研究重点主要体现在基因组学(Genomics)和蛋白质组学(Proteomics)两方面,具体说就是从核酸和蛋白质序列出发,分析序列中表达的结构功能的生物信息。
目前生物信息学应用已涉足生物学一级学科下属全部二级学科,故有科学家指出,不懂生物信息学,很难在21世纪生物学发展上开展研究。
目前生物信息学已作为一门基础学科在绝大多数高校开设。
正是因为《生物信息学》在当今生物学领域,居于如此举足轻重的位置。
我们才将课题研究的目标锁定在此。
通过课题研究,我们希望能够回答以下问题:
《生物信息学》能否在高中阶段作为一门课程开出?
究竟哪些学生适合选修《生物信息学》?
选修《生物信息学》能给学生带来哪些改变?
二研究过程及内容
确定课题的主题后,我们首先进行了与高中生物信息学教育相关的资料的检索,结果显示:
国内高中尚未有与《生物信息学》课程开设相关的报道。
美国的高中《生物信息学》课程开设则在2000年开始,检索到的文献有“高中生物学课程中的生物信息学:
州(美国)科学标准调查”(BioinformaticsinHighSchoolBiologyCurricula:
AStudyofStateScienceStandards2008),“高中程度生物信息学教学的10个简单准则”(TenSimpleRulesforTeachingBioinformaticsattheHighSchoolLevel2011)2项。
可见,与本课题研究相关的文献极其有限,课题研究大部分情况下只能在摸索中前行。
课题研究的整个过程及研究内容大致如下:
第一阶段:
研究准备阶段(2012年6月-2012年9月)
1课题组成员的确定
开展《生物信息学》课程开发,课题组成员首先必须有《生物信息学》的知识基础,但我们学校教师普遍没有《生物信息学》的学习经历。
在这样的情况下,找到一位既有《生物信息学》学习经历,又熟悉普通高中教学体系的人员作为课题组成员是至关重要的一件事。
经过多方联系,我们邀请到了浙江大学生命科学院的徐程副教授作为课题组成员。
徐程副教授在浙江大学担任《生物信息学》的主讲教师,并且从2009年浙江省实行高考单独命题以来,一直承担高考理综试卷生物部分的命题工作,长期关注高中生物教学,熟悉高中生物教学现状。
在课题研究过程中,徐程起到了不可或缺的作用。
另外,我们又邀请了本校的生物教师陈淑贤和施望敏参加课题研究工作,参与调查研究、数据统计及整理、教材试教等工作。
2课题组成员接受《大学生物信息学》知识培训
课题研究的开展,要求课题组成员有足够的《生物信息学》知识储备。
为此,李锦山、陈淑贤、施望敏三位成员在2012年7月10-12号到浙江大学接受《生物信息学》的集中培训。
当时,浙江大学生科院部分本科二年级的学生正在选修《生物信息学》,我们听了一天的课。
然后,由徐程给我们作了《生物信息学》主要内容的完整培训,还进行了七个主题的上机实验。
通过三天的强化培训,我们对大学《生物信息学》的知识体系及知识重、难点有了一个较为清晰的了解。
最后,我们还与徐副教授就《生物信息学》高中选修课程的开发进行了全方位的探讨,对课题研究的方向与主要任务从模糊到清晰,达成了较为统一的认识。
杭州之行是实际意义上的课题研究的启动。
3教育教学理论学习
课题组成员学习与本课题研究相关的教育教学的基础理论知识,包括教育学、心理学、新课改方案等。
由于课题组成员均为从教多年,教学经验丰富的一线教师,所以理论知识的学习主要采用自主学习、分散学习的方式进行。
2012.9即将开始教材编写时,课题组成员集中了一次,进行教育教学理论知识的交流。
第二阶段:
研究实施阶段(2012年10月-2013年6月)
1 教师、学生课程认知情况摸底
组织教师访谈和学生问卷调查,对教师的访谈侧重于生物学科选修课程的开展情况与拓展意向,并了解教师对《生物信息学》的认知程度;对学生的问卷调查侧重学生对选修课程的选择倾向、学生的学习兴趣范围、学生的学习方式。
对访谈结果进行整理,对问卷调查进行统计分析,然后进行《生物信息学》选修课程开发的可行性论证。
2 筛选主题,编制教材
在尊重调查结果的前提下,以浙江大学《生物信息学》为蓝本,参考《生物信息与数据处理》,以及美国高中生物信息学标准、高中程度生物信息学教学的10个简单准则等资料,筛选教学主题,并根据教学主题编写教材。
根据实际情况,我们确定教材内容筛选的原则:
①保留学科精华;②知识力求浅显、贴近学生认知水平;③凸显上机操作;④关注实例嵌入。
遵循内容筛选原则,最终确定的内容主题为6个部分:
概述、互联网生物学资源、常用核酸、蛋白质数据库、生物数据库检索、以序列相似性为准则的数据库检索及上机实验。
上机实验确定了“常用搜索引擎及专业搜索引擎的使用”、“常用文献数据库及专业数据库检索”、“常用分子生物学数据库检索”、“利用Entrez、SRS工具检索相关核酸蛋白数据库”、“利用Blast进行数据库相似性搜索”6个主题。
3教材试教及修改
教材初稿完成后,组织了一轮试教,除概述外,在其它5章中分别选择1课时的内容,再加上实验“利用Blast进行数据库相似性搜索”,一共6课时,由李锦山、施望敏、陈淑贤每人承担2课时的试教任务。
试教后,组织试教教师座谈,并对学生进行调查(访谈提纲及调查用表见附件)。
根据教师和学生的意见,对教材进行修改。
从教师访谈和学生调查得到的信息表明:
《生物信息学》课程内容难度很大,有的知识点学生很难理解,需要反复讲解和演练。
难度太大,学生容易产生挫败感,课堂气氛沉闷。
同时,《生物信息学》的学习涉及到大量的专业英文单词,这些单词是高中英语中没有学到的,这也直接影响了学生对知识的理解。
根据这些信息,我们经过讨论,拟定了教材的修改思路:
(1)对教材初稿中难度最大的知识点进行筛选,删除一部分知识点;
(2)对教材中保留下来的知识点进行修改,难度能减则减,行文力求通俗易懂;(3)将教材中涉及到的关键单词整理成册,编成辅助学习资料。
4 编制课程方案
教材编定后,我们进一步领会新课改方案的精神,理解学分制试行标准及学业水平考试制度,着手编制课程方案。
课程方案的内容包括课程概述、课程目标、内容标准、课程学业评价、课程实施建议5个部分。
其中的内容标准和课程学业评价2部分是课程方案的重中之重,课题组投入了大量的人力。
第三阶段:
研究总结阶段(2013年6月-2013年8月)
1.回顾《生物信息学》课程开发过程,基于学校选修课程开发的角度重新审视《生物信息学》课程开发的指导思想及主题筛选思路,并对教材质量进行评价。
2.制作用于课堂教学的《生物信息学》视频资源。
3.整理研究资料,完成课题结题工作。
三研究成果
本课题的研究主题是单门课程开发,侧重于实践研究。
研究成果包括教材、课程方案及配套教学光盘三种物化成果。
1 《生物信息学》选修教材(见附件1)
按照保留学科精华、知识力求浅显且贴近学生认知水平、凸显上机操作、关注实例嵌入4条课题组研究确定的教材编写原则,编写初稿,试教后再修改,最终成形的《生物信息学》选修教材由知识和实验两大块组成。
知识部分有6章,上机实验有5个。
具体章节编排如下:
第1章 概述
1 生物信息学的发展现状
2 生物信息学的研究领域
3 生物信息学的主要应用
4 学习本课程的目的与意义
5 学习本课程的基本方法
第2章 互联网生物学资源
1 互联网生物信息资源分类
2 生物资源的搜索方法
3 重要生物资源导航站点介绍
4 引用引用Intemet资源的注意事项
第3章 常用核酸、蛋白质数据库
1 常用核酸和蛋白质数据库及文件格式
2 基因组和特殊物种数据库
3 其他数据库
第4章 生物数据库检索
1利用SRS(序列检索系统)搜索数据库
2 利用Entrez进行数据库搜索
第5章 以序列相似性为准则的数据库检索
1 序列相似性搜索
2 氨基酸取代矩阵
3 数据库搜索:
FASTA和BLAST
4 序列过滤
上机实验
实验1 常用搜索引擎及专业搜索引擎的使用
实验2 常用文献数据库及专业数据库检索
实验3 常用分子生物学数据库检索
实验4 利用Entrez、SRS工具检索相关核酸蛋白数据库
实验5 利用Blast进行数据库相似性搜索
这样的编排体系较好地实现了当初确定的编写思路。
虽然《生物信息学》本身是有难度的学科,但经过处理,《生物信息学》选修教材可读性较强,容易被高中学生接受。
教材中选编了5个上机实验,提高了上机实践的比例,这给学生提供了足够的自主操作的机会,较好地体现了“学以致用”和“亲力亲为”的学习理念。
在教材的最后还附上了一部分具有较好使用效果的课后作业。
我们认为,《生物信息学》作为一门选修课程,课时不多,所以不需要有太多的课后作业,作业贵在质量而不在数量。
2 《生物信息学》课程方案(见附件2)
课程方案是指导课程实施的原则性文件,我们参照人教版《高中生物课程标准》的叙述体例,根据本课程性质作适当调整,最后编成《生物信息学》高中选修教材的课程方案。
课程方案的内容包括课程概述、课程目标、内容标准、课程学业评价、课程实施建议5个部分。
《课程概述》部分交代了课程性质及适用对象、课程理念、课程设计思路及学习策略与建议,以让课程使用者对本课程有个系统的了解。
《课程目标》则根据现行高中教材所普遍采用的三维目标体系,列出了本课程具体的知识、能力、情感态度价值观目标。
《内容标准》首先给出了每章所需最低教学课时数,本课程建议课时数为20课时。
然后以“章”为单位,列出每章的基本目标及具体目标,同时给出每节内容在教学过程中可采用的教学方法。
《课程学业评价》提出了评价的指导思想,评价所采用的方式及具体的评价指标,并提供了三张评价用表――学业成绩评定表、学习结果测评表、过程性评价细目表。
《课程实施建议》从教学组织、教学方法、课程资源开发及教学保障条件4个方面对课程的具体实施提出建议,着重从讲课、实验、考核3个方面介绍《生物信息学》课程在教学过程中建议采用的教学方法。
经过试教、访谈、调查,并对所收集到的结果进行分析,在此基础上编制而成的课题方案,较好地解决了3个问题:
(1)高二时开设还是高三时开设更合适?
(2)安排几个课时?
(3)上机实践时间占多少比例为宜?
需要说明的是,在本课题申报时,计划将“课程评价体系”作为单独的成果列出,但考虑到课程评价体系属于课程方案的有机组成部分,所以结题时,“课程评价体系”纳入“课程方案”成果之中,不再单独列出。
3 《生物信息学》配套教学光盘(见附件3)
《生物信息学》课程较难的内容有数据库、数据库检索、序列相似性分析等,为了保证课堂教学的顺利开展,在教材编定之后,我们录制了以上内容的教学光盘,视频在浙江大学计算中心录制,为真实授课场景。
视频中较为详细地介绍了数据库建立原理、数据库检索原理,同时以实例的形式介绍数据库的使用及检索技巧等。
四自我评价
1 较好地完成了《生物信息学》高中选修课程的开发
随着课题研究的不断深入,我们愈来愈感到大学初级课程或者介绍学科最新成果的高中选修课的开发所存在的难处,但正因为这一份难处,更激起了我们克服困难,摸索前进的勇气。
通过一年来的努力,终于完成了《生物信息学》高中选修课程的开发,推出了教材、课程方案、教学光盘三种物化成果。
从个人角度来说,在课程开发方面积累了经验;从学校角度来说,充实了学校选修课程的内容。
2 通过研究,对《生物信息学》高中选修课程的使用有了准确的定位
(1)《生物信息学》特定的研究对象决定了《高中生物信息学》的知识高度。
将其开发成高中选修课程,应该承认,受众面是比较小的,适合有较好英文基础、有较扎实生物学知识功底且有生物学兴趣的学生选修。
(2)当前我省全日制高中大致分为普通高中和重点高中,普通高中学生学习能力与重点高中学生比,有一定差距。
我们通过调查研究,认为普通高中不宜开设《高中生物信息学》选修课程,重点高中适宜小范围开设《高中生物信息学》选修课程。
(3)从学校选修课程开发总体规划来看,《高中生物信息学》课程的开设有助于提高学校选修课程的品位。
在学校为数众多的选修课程中,既要有贴近学生生活的实用型课程,也要有以抽象见长的心智型课程;既要有符合其目前认知水平的轻松型课程,也要有略高于学生目前认知水平的压力型课程,课程可以且必须承担起引领学生发展和成长的功能。
基于这样的对课程的理解,我们认为,《生物信息学》是一门有深度的课程,由于《生物信息学》在知识和能力方面对学生要求较高,会给选修此课程的学生带来一定的困难,但只要克服困难,认真学习,一定会取得很大的收获,为他们日后的深造打下坚实的基础。
从学生发展的角度来说,《生物信息学》给学有余力的学生提供了一个比拼智力、直通高校的高起点。
3 《生物信息学》选修课程的开发过程也是教师不断成长的过程
课题组4名成员,除了徐程是《生物信息学》的讲师外,另外3人原来均没有《生物信息学》的学习经历和执教经验。
为了保证课题研究的顺利开展,课题组成员通过网络检索、听课、座谈等方式认真学习《生物信息学》知识,在较短时间内熟悉了《生物信息学》的知识体系。
在后来的课程开发过程中,大家又认真学习新课改方案、生物课程标准、教育学、心理学等,不断拓宽自身的教学理论视野,提高了教学理论修养。
我们深深地认识到,课题研究的过程,首先是教师自身成长的过程。
4 《生物信息学》高中选修课程有一定的推广价值
《生物信息学》高中选修课程的开发,在全省范围内尚未见报道。
虽然每个学校选修课程开设的价值取向不同,导致选修课程设置上的特异性,但创新、引领、成长的主旋律是不会变的。
我们认为,《生物信息学》这样一门具有知识和能力方面挑战性的选修课程,在全省一级特色示范普通高中是有完全的开设条件的,值得纳入他们的选修课程体系。
五下一步打算
在本课题的研究周期内,新课改方案刚刚推出,我校高一年级开设选修课,高二和高三年级尚未开设。
而《生物信息学》由于其学科特点使然,选修课程至少要在高二第二学期后半段才可开设,所以,在开发课程过程中,我们只进行了6课时的试教,这门课程还没有接受“实战”的考验。
接下来,我校高二将开设选修课,我们准备在明年向学校申请开设《生物信息学》选修课程。
课程开出后,我们准备做以下后续工作:
(1)开发《生物信息学学案》,初步设想《学案》每节内容由“知识提要”、“重点和难点”、“实例演练”、“课后作业”四个部分组成;
(2)邀请高校《生物信息学》专家,现场听课,听取他们的意见,对教材内容进行修改;(3)邀请兄弟学校部分生物教师,召开《生物信息学》选修课教学现场会,集思广益,使《生物信息学》更适合高中教学实际,同时也希望《生物信息学》在一级特色示范高中得到推广。
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