生物信息学的基本概念篇1
概念是中小学理科各学科新课程内容的重要组成部分，学生概念的形成与理解将直接影响后续学习的效果。在新课程背景下如何开展概念的教与学，如何发挥概念在学生认知发展、观念建构方面的教学价值，如何通过概念学习培养学生分析问题和解决问题的能力，如何在概念学习中提升学生的科学素养，等等，已经成为中小学理科教师必须研究解决的基本理论问题和实践问题。
北京教育学院“科学教育重点学科建设”工作以“理科各学科知识结构与教学实践研究”为学科建设方向，重点研究了理科各学科的概念体系及其教学实践，本期《课程与教学》栏目选取他们的部分研究成果，供广大教师借鉴和学习。
遗传与变异是生物体的最本质特征，也是生物进化的基础。[1]因此，对于遗传与变异的学习，在理解生命现象、提高生物科学素养方面起到了基础性的作用。在小学阶段，学生通过辨认常见生物、培养植物、饲养动物、讨论克隆技术等活动，已经对生物多样性、生殖与发育等生物学问题有了直观的了解，进而对遗传与变异的概念也有了感性的认识。在此基础之上，初中生物学新课标主要以遗传信息的物质基础与传递表达方式为切入点，要求教师在教授遗传与变异相关知识时，促使学生建立如下三个重要概念：
第一，生物能以不同的方式将遗传信息传递给后代。一些进行无性生殖，后代的遗传信息来自同一亲本；一些进行有性生殖，后代的遗传信息可来自不同的亲本。
第二，Dna是主要的遗传物质。基因是包含遗传信息的Dn段，它们位于细胞的染色体上。
第三，遗传性状是由基因控制的，基因的遗传信息是可以改变的。
笔者认为，这三个要求，涵盖了经典遗传与分子遗传的主要内容，有利于学生建构遗传与变异的概念体系，从而为高中以至更长远的学习活动打下坚实的基础。教师应该善于运用各种方法落实上述要求，促进重要概念的内化，提高教学的有效性。
同时，我们应该看到，课标对于遗传与变异重要概念的要求，大体上是按照“从高到低”的顺序排列的：首先谈到的是遗传信息的传递与表达方式，然后是遗传信息的物质基础，最后是遗传信息的基本定义。为了便于理解，我们将按照相反的顺序对课标要求进行逐一的解读，找出其内部联系，为更好地落实重要概念教学提出可行性的建议。
一、关于“基因”的定义
新课标中明确要求教师帮助学生建立“遗传性状是由基因控制的”“基因是包含遗传信息的Dn段”等重要概念，这就要求教师明确“基因”的定义。但是，迄今为止，“基因”的准确定义尚存在争议。特别是随着分子生物学的发展，人们又发现了移动基因、断裂基因、假基因、重复基因、重叠基因及一系列的调控序列，使基因的定义更加复杂化。无论是课标还是教材，初中教学当中已经出现了“基因”一词，这对教学而言是一种挑战。很显然，对于没有接触染色体精细结构、尚未学习中心法则的初中学生而言，还不能准确地从物质基础这个层面了解基因的性质与功能，从而不能理解遗传与变异的特征与目的。
笔者建议，对于遗传信息的物质基础，在初中阶段应予以淡化。显然，上述关于基因的复杂的定义，属于生物学事实的范畴。初中阶段的重点应该是从概念层面解释“基因”的本质。其实，从分离与自由组合定律（孟德尔）到连锁与交换定律（摩尔根），人们已经明确了两个问题：其一，生物体内存在着控制各个性状的、按照一定规律进行相互作用的遗传因子；其二，这些遗传因子在体内呈有规律的线性排列。虽然一直到摩尔根创立遗传染色体学说时，人们仍然不能从分子水平上揭示基因的结构与功能，但是对于上述两个问题的认识，足以从逻辑层面给出“基因”的定义：存在于细胞特定位置上的、按照某种数学规律进行相互作用从而控制性状的“基本因子”。这个关于“基因”的定义，可以作为一般概念呈现给初中学生；进而通过基因与性状关系的例子，就能够总结出“遗传性状是由基因控制的”这一重要概念。对于初中生物学教学来说，这是最重要的。因为，这种概念化的、抽象的知识，能够锻炼学生透过现象探究事物本质的思维能力，有利于学生抽象思维的发展，从而有利于学生创新能力的提高。
我们不难发现，上述关于“基因”的定义，对于科学教育也是有重要意义的。很大程度上是因为它描述了所有科学门类的共同特征：基本因素的界定、分类和相互作用分析。如经典物理中的“质点”、化学中的“分子”、普通生物学中的“细胞”等等，都是各个学科中的“基本因素”。只有准确定义了“基本因素”，才能在此基础之上进行演绎、归纳，使本学科具有了数理传统。反之，若未准确定义“基本因素”，则难于进行逻辑层面的分析，整个学科偏向于博物学传统。两种传统不仅影响了各个学科的特质，还影响了学生对于不同学科学习与复习的策略。从初中到高中，“遗传与变异”内容有了“基因”的定义，使得本段教学内容更加凸显理科特征，这是教师在教学中要注意的。
二、关于遗传信息的传递与表达
从新课标的要求来看，遗传信息的传递与表达是“遗传与变异”教学的重点，从分子基础（遗传信息的调控与改变）到细胞行为（无性生殖和有性生殖）都作了要求，这就要求教师在备课时关注以下三个方面的问题。
1.遗传信息流动
遗传现象大体上可以分为细胞核遗传和细胞质遗传，且目前可认为前者是“主流”，而后者是“支流”。显然，“支流”不会是中学教学的重点。但是，应该在讲解基因的细胞定位和遗传信息的流动时，适当提及细胞质遗传的概念以及对生物体性状的影响，使学生能够全面地了解遗传信息流动的过程，知道除细胞核外，细胞质对性状也有一定的控制作用，从而在概念层面理解细胞质功能的复杂性。另一方面，“主流”和“支流”的共性，是遗传信息的传递和表达，在本质上，都体现了“生物能以不同的方式将遗传信息传递给后代”这一重要概念。教师可以先列举常见的遗传现象（即生物学事实），如“种瓜得瓜，种豆得豆”等，帮助学生建构重要概念，以便于学生顺利地迁移应用和学习。
2.人类性别基因
在初学遗传与变异时，初中学生往往不能准确把握基因与性状的关系，不能准确把握基因、Dna与染色体的位置关系，从而认识不到人类的性别决定机制。学生能够通过各种渠道了解人类X和Y染色体，进而简单地认为性别不同的根本原因是X和Y染色体的形态不同。对于这个问题，除要适当地介绍遗传信息的物质基础外，还应该为学生建立这样一个认识：人类的性别，其实就是一种特殊的“相对性状”。例如，在人教版教材中就提到“近年来，科学家发现Y染色体上还有3个基因，决定的产生和成熟。最近，科学家又陆续发现了X染色体上与女性性别有关的基因”。在此处，教师就应该提示学生：基因与性状的关系，同样可以用来解释人类的性别决定。只不过性别决定的过程是多个基因控制着多个性状，从而塑造了不同性别。如果课时允许，教师还可以就此介绍一些由于染色体变异而导致的性别异常的现象，让学生认识到，从某种意义上讲，性别并不是严格区分为“雌”“雄”两种形式，而是存在“过渡”状态的。这对学生从系统的角度认识生物的复杂性，进而认识生物本质是有很大帮助的。
“人类性别基因”一节是初中生物学教学的重点和难点。而从内容上看，本节内容是课标所述三个重要概念的应用，即从人类性别决定的角度阐明了遗传的本质。因此，教师必须在讲授本节课之前，就完成三个重要概念的建构，从而指导学生把握遗传本质，进行下位学习。
三、关于“变异”的概念教学
“变异”作为初中生物学教学的难点，有两个问题是要深入思考的。
1.可遗传变异和不可遗传变异
初中课标要求学生知道变异主要分为两类：可遗传的变异和不可遗传的变异。可遗传的变异是由遗传物质的变化引起的变异；不可遗传的变异是由环境引起的，遗传物质没有发生变化。显然，某一变异是否可遗传，关键是看遗传物质是否发生变化，而不是影响生物体的因素。由于学生初次学习基因与环境的关系，故需要用恰当的实例来帮助学生建构可遗传变异和不可遗传变异的概念。如同样是“无籽”农作物，“无籽西瓜”的“无籽”性状就是可遗传的，而“无籽番茄”的“无籽”性状是不可遗传的。通过这样的实例，学生就会认识到，一种变异是否可遗传，取决于遗传物质是否发生了改变，从而紧扣重要概念的教学。
2.可遗传变异的来源
可遗传变异的来源主要有3个：基因重组、基因突变和染色体变异。要认识可遗传变异的来源，必须对遗传信息的细胞定位及流动方式有比较清晰的认识，故对于初中学生而言，是一个难于理解的知识点，教师可用一系列实例加以说明。例如，农牧业中传统的育种技术，实质上就是基因（染色体）重组；无籽西瓜、八倍体小麦属于染色体变异（数目的变异）；而镰刀型贫血症（在各版初中生物学教材中均有介绍）则属于基因突变。通过一系列的实例介绍，学生能够形成这样一个概念：突变的来源是多方面的，基因与性状之间的关系是复杂的。这与前面关于“表遗传学”的概念不谋而合，说明基因本身及其转录、表达调控，共同影响了性状的产生。通过展示这些生物学事实，学生就更加清楚“Dna是主要的遗传物质”“基因是包含遗传信息的Dn段，它们位于细胞的染色体上”以及“遗传性状是由基因控制的，基因的遗传信息是可以改变的”等重要概念，从而更加深入地理解遗传与变异对于生物进化的重要意义。
重要概念是基于学科事实的、对学生总体把握知识体系、进行后续学习的思维框架，对于学生理解学科本质、提高学科素养具有重要作用。[2]新课标明确指出：“生物科学素养是指参加社会生活、经济活动、生产实践和个人决策所需的生物科学概念和科学探究能力，包括理解科学、技术与社会的相互关系，理解科学的本质以及形成科学的态度和价值观。”可见，所谓生物学的“重要概念”，就是基于生物学科具体知识的、代表本学科基本观念与思想的知识。只有从重要概念的高度审视生物学科教学，才能清楚什么是对学生终身发展和终身学习有用的知识，才不会使自己的教学拘泥于一个个具体的生物学科事实中，才能摆脱死记硬背的学习方式，进而对生物学科本质问题进行思考，凸显生物学科的理科特质。
参考文献
[1]吴庆余.基础生命科学(第2版)[m].北京：高等教育出版社，2006.
生物信息学的基本概念篇2
一、学生在学习概念时容易出现的问题
学生在学习概念时容易出现的问题主要有以下几个方面：1.日常概念和生物学概念易混淆，如“呼吸”与“细胞呼吸”；2.死记硬背，没有真正理解概念的内涵和外延；3.没有吃透概念的关键内容，如理解“单倍体”时，学生喜欢望文生义，理所当然地认为只有一个染色体组的个体才是单倍体。
二、提高生物学概念教学有效性的方法
1.巧设“圈套”。让学生在错误冲击中加深认识，这是一种适宜在新课的教授时采用的方法。在课堂教学中，教师可以巧设“圈套”，让学生犯错误。如在学习“反射”这一概念时，我先让学生将教材中的概念读了一遍，然后抛出两个问题：“含羞草的叶子受到外力触碰会立即闭合，这是反射吗？”“蚊子叮咬后觉得疼是反射吗？”学生对此概念的最初认识是“受到刺激，发生规律性的反应”，所以他们的答案是“是反射”，若这时候老师再否定他们的答案，学生的惊讶程度可想而知。带着疑问再一次阅读理解概念，他们就会发现概念中还有一个关键信息“在中枢神经系统的参与下”。后一问题的提出加强了学生对反射与反射弧的关系的认识。
2.横向对比，习题反馈。区分易混淆的概念，及时清除理解中的障碍。在生物学中有很多相似的名词、术语和概念，原生质与原生质体、生长素与生长激素、甲状腺激素和促甲状腺激素。教师在教学中对一些相近或关系密切的概念，可把它们的各种属性，尤其是关键属性进行对比，使学生明确这些概念的共同点和差异点。
例如对于下列一组概念：染色体、染色质、Dna、基因、遗传信息。
首先，区分清楚主次关系：很多基因在Dna链上，一条或两条Dna又在染色体上，而染色体和染色质则是同一物质不同时期的不同形态。Dna、基因上的碱基序列是遗传信息。
然后，区分组成成分：染色体和染色质由Dna和蛋白质组成；Dna是脱氧核糖核酸链（双链），单位是脱氧核糖核苷酸；基因是Dna的片段。
最后，区分功能：染色体和染色质，携带遗传物质，遗传物质的载体；Dna，携带遗传信息，遗传信息的载体；基因上的碱基序列就是遗传信息。
3.化繁为简，化抽象为直观。概念是抽象的，是用语言文字叙述的，学生理解起来比较困难，概念的获得有赖于感性材料和经验，如果学习缺乏一定的感性材料或经验的支持，容易使学生死背定义而未能理解和掌握其真正涵义。
例如在进行“染色体组”教学时我是这样做的：让学生伸出自己的两个手掌做为“材料”：十个手指头代表一个体细胞的染色体，引导学生自己分析得出如下信息：共10条染色体，两两成对，每一对就代表一对同源染色体，其中一个手掌上的染色体大小各不相同（隐含信息：遗传信息各不相同），那一个手掌就代表一个染色体组。学生领会到“染色体组由非同源染色体组成”这一重要要素。接着，教师还可以对概念进行延伸：在这个背景前提下，四个手指能代表这种生物的一个染色体组吗？六个手指呢（一个手掌加另一个手掌的拇指）？这时学生领会到“一个染色体组包含有本物种的全部遗传信息”这另一重要要素了。以后，学生看到“染色体组”这个概念的时候，只要把自己的手掌拿出来比划比划，问题就迎刃而解了。
生物信息学的基本概念篇3
关键词：miniQuest教学模板；概念教学；实验评价
这些年来，笔者所在市、县教研室一再强调要重视概念教学，生物学概念既是生物学知识的重要组成成分，又是生物学科的基础知识。如何运用好生物学概念，是中学生物学科知识传授的重要环节。而miniQuest教学关键在于培养学生对生物科学的自主学习探究能力，而生物学概念能否很好地掌握又是培养探究能力的前提。本文试图通过“性状遗传的物质基础”一课为教学案例，尝试寻求在课堂上如何利用miniQuest教学设计使学生形成有关遗传物质的概念，从而构建以细胞核、染色体、Dna、基因等为主的概念体系，达成教学目标，并促进“模、概”相长使之更好的为教学服务。
情境
本节教学内容是北京师范大学九年制义务教育八年级第一学期《生物》第二十章第二节“性状遗传的物质基础”。它介绍有关遗传物质的概念和功能，侧重于通过miniQuest教学模板来完成核心概念的建构。从整体地位来说，该节内容既承前――“遗传和变异的现象”，又启后――“性状遗传有一定的规律”、“性别和性别的决定”，因此该节起到了很好的衔接作用。而要使该节真正起到衔接作用，对染色体、Dna、基因等概念的理解至关重要。
任务
教学任务：①简述染色体、Dna和基因三者的关系；②描述生物体体细胞中染色体的数目是特定的，并且成对存在；③结合课本说出基因的重要作用；④初步学会Dna的粗提取。
在教学中，要给学生任务，学生在课堂上才有努力的目标。这堂课我们给学生的任务是：让学生找出染色体、Dna、和基因三者的关系。八级学生处于转型期，生性活泼，活跃，但稳重不足。要把有激情、爱钻研，热情高的这些优点通过实验、问题等任务转移到课堂上来。有利有弊，这些浮躁不安的学习习惯也为他们的学习带来了不利的影响，没有做好充分的课前准备就进行了任务的操作，极大地影响了课堂学习任务的顺利完成。
成果
通过对染色体、Dna和基因三者关系的学习，使学生形成有关遗传物质的概念体系；通过实验学会Dna的粗提取及其提取的基本原理，体验科学探究的乐趣，同时培养学生的实践能力以及创新意识。
过程一：图文展示、导入新课创设情境：为什么看着像绳梯的Dna能够成为高端生物技术的标杆？它是在细胞的哪个结构里，遗传物质的储存又是怎样实现的？生物的性状是受什么控制的？（提示：这就要从组成生物体的物质中寻找答案了）
教学中展示图片或幻灯片，向学生介绍遗传物质的储存场所、主要载体、Dna和基因等，同时运用形象类比方法，将基因比喻为工程师绘制的一架飞机设计蓝图，可用图示如下：
通过上图让学生对基因、蛋白质和性状形成感性认识，与上一节内容自然承接。然后再利用多媒体展示下一概念图，使学生真正理解染色体、Dna和基因三者的关系。
过程二：初步提取Dna，提高实验能力不管是生活经验还是对以往知识的掌握，学生对于Dna这一物质的理解都无法在感性方面有很明确的了解。提出问题：为什么要在60℃以上的温水条件下研磨？清洁剂有什么作用？不同品牌洗涤剂、不同剂量的洗涤剂对实验效果有没有影响？用枯枝落叶做实验，能不能提取到Dna？为什么？让学生提出猜想，并对学生的猜想并给予鼓励性评价。
为了实验顺利进行，在实验之前，让学生明确注意事项：器材的使用方法；实验时如何分工合作；怎样处理实验数据，根据现象得出结论，等等。在学生实验过程中，教师巡视，参与学生活动，发现问题，及时处理，加强师生情感交流，树立学生的自信心。
通过Dna的粗提取，使学生对Dna形成感性认识，从而促进对核心概念的理性认识；同时也大大提高了实验操作能力及问题的推测判断能力。
过程三：巩固知识通过自主探究学习、问题提出、实验操作记录、得出结论等各个教学环节的活动，然后让学生以主要的遗传物质―Dna为主线，介绍学到的知识；同时，尝试让学生以圆圈简单表示染色体、Dna和基因三者的大小关系。学生在活动中获得成就感，体验成功的快乐，在和谐的课堂气氛中完成教学任务。
资源和评价
资源资源分为两类：第一信息，通过网络获得图解图片和幻灯片，运用powerpoint演示；第二器材，新鲜树叶、研钵、酒精、洗涤剂、牙签等。
评价评价等级分为四项：a优；B良；C合格；D不合格。
评价项目：a能从实验中获取有用信息，并能从这些中有选择地灵活运用；B能从实验中获取有用信息，并能从这些中有选择地较为灵活运用；C能从实验中获取有用信息，这些选择正确，但不能灵活运用信息；D能从实验中获取有用信息，但这些选择不正确，且能灵活运用信息。
评价内容：a实验时小组成员能分工合作，任务明确，能很好地完成实验过程记录，并得出正确结论；B实验时小组成员能分工合作，任务明确，能较好地完成实验过程记录，并得出正确结论；C实验时小组成员能分工合作，任务明确，基本完成实验过程记录，但得出错误结论；D实验时小组成员不能分工合作，任务不明确，不能完成实验过程记录，但得出错误结论。
在课堂教学中，学生对一个概念的认识一般是从了解到理解，从理解到掌握运用的过程。因此，在教学过程中，对直观材料的认识与了解，感性认识到深入理解的升华，对概念知识的系统化、网络化是教师进行概念教学的重点。在探究性学习中，基于学生的知识经验和认识水平进行的有计划的探究性学习，结合miniQuest教学模板，能帮助我们有效地进行概念教学，顺利实现学生对概念从了解、理解到掌握和运用的过程。
课本和课堂的信息量是有限的，从教学目标、教学策略、教与学的方法等方面来看，都不能满足学生的需求。所以，在进行本节教学设计时，运用miniQuest教学模板，一着力于概念教学的强化，对教材知识进行了教学重新组合，充分有效地将教材的知识激活，不仅形成了教师的教学个性，也让学生头脑中的零散的感性概念通过活跃的自主探究与学习过程建构起来；二力图变结论式教学为过程式教学，精心科学地提出问题，让学生带着问题，到一定的教学情境中去观察、实验、探索知识，再让学生利用感悟到的知识去分析实际问题，灵活运用到生活实践中去！
参考文献
[1]刘恩山.生物学义务教育课程标准实验教科书[m].北京：北京师范大学出版社.2008.
生物信息学的基本概念篇4
关键词：高中物理概念教学方法浅析
中图分类号：G63文献标识码：a文章编号：1003-9082（2014）04-0304-01
高中物理新课程的实施，倡导以学生发展为本的教育理念。新课程标准中明确提出了知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三维教学目标。而物理概念的学习，是高中物理学习的重要组成部分。因此，教会学生学习物理概念，加强对学生物理概念学习策略的培养成为我们高中物理教师提高学生物理学习效率，减轻学习负担，增强物理解题能力的有效途径。按照物理概念习得、保持和提取三个阶段，物理概念的学习策略又分为物理概念的习得策略、物理概念的记忆保持策略和物理概念的提取策略。
一、物理概念的习得策略
学生对物理概念的习得主要发生在课堂中，因此物理概念的习得策略主要是针对学生的课堂学习，而不关注学生的自习过程。具体可分为以下几种学习策略：
1.实验感知的策略
实验感知的策略是指在人为条件下运用仪器、设备使研究的现象反复出现，通过人的知觉和感觉有目的地进行观测、研究，提炼出有效的程序、规则、方法、技巧及调控方式。实施实验感知策略的程序是：观察推测实验。
例如，建立“机械振动”这一概念时，我们可以让学生先观察风中的树枝的摆动、水中浮标的上下运动、钟摆的摆动等现象，让学生思考这些现象的共同运动特点；然后告诉学生这些都是机械振动，指导学生推理出机械振动的概念是“物体在平衡位置附近往复运动”；然后再演示弹簧振子和单摆实验，进一步让学生建立机械振动的科学概念，把握“平衡位置”和“往复运动”的本质特点。
2.前概念转变的策略
在学习物理概念之前，由于生活经验的积累或者其他学习，我们对相关的物理现象有了一定的认识，但这些认识往往是不准确的、片面的、主观的，因而是非科学的，这些概念就是前概念。前概念往往干扰科学概念的学习，要学习科学物理概念就必须转变前概念。前概念转变的策略就是将我们头脑中的前概念转变为科学概念的有效策略。
前概念转变的策略的具体实施程序是：暴露批判。
3.抓关键字词的策略
物理概念的表述是科学而又简练明了的，在物理概念的规范表述中，每个字词都有其作用，尤其是关键字词。真正理解了那些关键字词，就真正理解了概念，这就是抓关键字词的策略。这个策略的程序是：细读概念文字划出关键字词整理。
4.分层理解的策略
物理概念的分层理解的策略就是指在各种物理现象中，首先是这类现象的核心问题，然后抓住事物的本质特征分析归纳出现象本质的共性，再经过抽象概括得出抽象概念，进而深入理解应用概念。该策略的实施程序是：明确物理现象分析概括得出结论理解应用。
5.类比的策略
类比策略是根据两个对象之间在某些方面的相似或相同，从而推出其他方面也可能相似或相同的一种推理方法。实施类比策略的基本程序为：（1）确定研究对象；（2）寻找类比对象；（3）将研究对象和类比对象进行比较，找出相似关系；（4）根据研究对象的已知信息，对相似关系进行重整化处理；（5）将类比对象的有关知识类推到研究对象上。6.把握概念物理意义的策略
二、物理概念的记忆保持策略
物理概念的保持主要发生在课堂之外，因此物理概念的保持策略主要针对复习过程，而不关注于学生的听课过程中。
1.分类的学习策略
所谓分类的学习策略，就是将物理概念进行分类，按照不同标准划分成不同类别，然后分门别类地进行习和复习的一种方法。分类学习策略的实施程序是：（1）归类。即把学过的不同物理概念，按照描述的问题的不同、描述问题的方式不同等进行分类，描述方式相同或描述内容相同的归为一类。（2）寻同。即找出同一类概念相同的地方，以便出一发而动其他。（3）求异。即从不同描述侧面、用不同描述方式描述同一类问题的不同概念，以便更好地区分比较不同的概念。（4）复习各个概念的联系。同一类概念中的不同概念，尽管描述的方式、侧面不同，但它们之间有一定的联系，找出这一联系，用这一联系将这些概念串在一起，就能进一步理解这些概念。
2.概念系统化的策略
所谓概念系统化的策略，就是指在掌握概念时，尤其是掌握重要的基本概念时，决不能孤立地记住它们的文字表述或数学表达式，而是将概念放入一个由前后概念组成的网络中，并根据前后概念的相互联系来理解掌握概念，通过协同作战达到熟练记忆和应用的目的。
概念系统化的策略实施顺序是：提出概念寻找关联练习、应用。
三、物理概念的提取策略
物理概念的提取既可以发生在课堂内，也可以发生在课后复习中，物理概念的提取策略主要针对学生的作业和考试。
1.情境相似性策略
按照信息加工理论的观点，短时记忆的信息（如物理概念）加工进入长时记忆系统。虽然长时记忆的信息是相对静止的，但它可以被短时记忆中的信息激活。如故地重游，能回想起上次游玩时的情境细节。这种情境的相似性有助于记忆。因此学生可以利用情境相似性策略，有效地提取所需的物理概念，这就需要我们教师提供给学生典型的物理概念题。
生物信息学的基本概念篇5
关键词：有机化学学习方法思维障碍
目前，大部分学生对有机化学的相关知识不能够完全掌握，要实现有机化学的教学目标，首要任务就是创新学习、打破常规。有关常规认知和现代信息理论研究证明知识信息渗透力越强，学生的理解力就随之增强，进而能够提高学生整体的学习效率。据此可以系统归纳一般的学习程序：首先，学生要做到全面认知学习材料，进一步深入了解知识信息，全面掌握材料内容。其次，认真分析材料内容，并熟知材料中各个部分的意思及其深层联系。再次，根据之前所学，系统记忆，把材料中各个部分的内容有机结合，将所有知识信息融会贯通，提炼知识要点，列出大致知识提纲，结合之前所学，消化理解转为自己的知识，为以后学习所用。最后，反复消化学习，定时复习强化记忆。
1.有意义的有机化学知识的学习
（1）图表学习法。
图表学习法，顾名思义就是用图表的形式表示归纳好的相关化学知识。这种方法的优点是从绘制好的表格和图形上可以清楚简明地分析相关知识信息，便于记忆理解，提高学习效率。对不同的有机物结构、特性和相关用途的归纳整理，有利于掌握完整系统的知识结构。
（2）系统学习法。
将相关的有机化学知识全面精简，进而系统化、精华化，形成联系紧密的知识网的方法就是系统学习法。这种方法有利于学生把所掌握的分散、独立的化学知识有效联系起来，形成完整系统的信息网，全面认知和理解有机化学知识。比如学生可以系统地将化学知识间的深层联系绘制出特殊的知识网，有利于加强记忆。
（3）规律学习法。
有机化学内容中的有机物间的化学反应复杂多样，但相互之间有一定的规律。在学习中不断总结不同有机物间的规律，有利于更好地强化学习。比如及时总结各有机物间的化学反应规律、同系物间的规律等。
（4）比较学习法。
比较学习法就是比较有机化学知识中的相似相同和不同之处，即在不同有机化学物间找出相似及相同的地方，或者在相同或相似的有机物间找出不同。通过比较，更加及时准确地纠正学习中出现的错误及误区。如通过比较碳水化合物及酸碱醇等，区别出所含基团的不同和特的不同，促进有效学习，避免陷入误区。
（5）结构学习法。
将所学的整体化学知识信息按照某种联系，如相似、相关或相反等关系，与零散的部分知识系统结合，形成完整的知识结构，例如醇类的羟基特性及其用途等结构分析。
2.无意义的有机化学知识的学习
（1）联想想象学习法。
一般通过联想和想象的方法学习无意义有机化学知识。无意义化学物知识相对孤立零散，可通过生活中的常识及无意义有机化学物间的相似和不同设定关系，进而加强记忆。比方说苯、四氯化碳分别与水混合后，有机物漂浮在上面还是沉在下面，这就联系到各物质间的密度大小问题。据此可以作类似深想想象并结合生活经验，“苯”和“笨”，两个字的结构近似进而形象记忆，竹在上木字在下，木头浮在水上，可以简单地记住苯在水的上层。也可以发挥想象，只要便于个人记忆理解就行。
（2）借助操作增强学习法。
在化学学习过程中有很多动手实验，在个人动手实验的过程中，结合理论知识，将理论与实践相结合，总结相关化学知识信息，有助于知识的深刻记忆。
（3）学生之间争论学习法。
教师教学可以设置不同的知识误区，进而引导学生思考，有利于正确记忆，提高学习的积极主动性。
3.学知识的组织策略是良好认知结构的构建
（1）列出经典实例，让学生准确理解基本概念的属性。
什么是概念呢？就是用符号所代表的拥有相同属性的一类事物。在有机化学的学习中，基本的化学概念一般分为概念名称、概念定义、概念实例和概念属性等方面。所以对于中学有机化学概念需要全面掌握，学生死记硬背化学定义和专属化学名称是不正确的，学生需要以主动积极的学习态度和丰富的思维过程系统认知化学概念。细而言之，通过教学中的实例分系，系统地对化学概念总结和归纳，从而让学生全面掌握不同化学物间的相似特性，进而提高学习能力。在化学概念学习的一般程序中，如何正确合理地选择经典的化学实例和科学分析是至关重要的。倘若教学中实例不足，会导致学生仅仅是单纯地记忆了化学概念的定义和名称，对其属性不能够正确理解，不利于对化学概念的全面掌握。只有在教学过程中，选择合理的不同的化学实例，才能正确引导学生对化学概念全面理解。并通过实例的分析和科学总结让学生做到创新思维，在比较分析和思考中举一反三，正确掌握化学概念的本质属性，加强对化学概念的理解，明确学习化学概念的基本特性及功能用途，等等。举例说明，如化学中同系物的基本概念，材料定义是：“结构相似，在分子组成上相差一或若干个CH原子团的物质互称同系物。”学习此概念，教师可以引导学生正确理解该化学概念，先说明同系物概念的基本属性，强调“结构相似”和“在分子组成上相差一个或若干个CH原子团”两个关键。之后列举经典实例，进而引导学生对实例认真比较分析、归纳。如甲、乙、丙、丁等烷类化学物都有相邻烷烃，正因为它们结构上相似，分子组成上相差一个或若干个CH原子团，所以它们互称为同系物。与此类似，学习烯烃时，可以让学生依据同系物概念的属性判断乙烯、丙烯、丁烯等烯烃，它们也属于同系物。
（2）依据循序渐进的学习规律，让学生在层层递进的学习中强化对化学概念的记忆。
许多教师一味地让学生在学习有机化学概念时，急于求成，反而事倍功半。要按照学生一般的认知规律，循序渐进地学习，从基本到特性认知，层层深入，由浅入深，让学生在潜移默化中强化对化学概念的掌握，全面理解化学概念的深层次内涵，把握化学物质的本质属性。只有深入掌握了化学概念的本质内涵，才能做到概念意义上的扩延，思维创新，提高学习效率。
总之，有机化学的学习过程是一个循序渐进的过程，我们需要在学习中摸索，善于总结和思考，才能打破有机化学的思维障碍。
参考文献：
［1］廖运章.数学应用问题解决心理机制的调查与认知分析［J］.数学教育学报，2001，（01）.
生物信息学的基本概念篇6
1．信息素养和信息能力
“信息素养(informationLiteracy)”的本质是全球信息化需要人们具备的一种基本能力。信息素养这一概念是信息产业协会主席保罗?泽考斯基于1974年在美国提出的。简单的定义来自1989年美国图书馆学会(americanLibraryassociation，aLa)，它包括:能够判断什么时候需要信息，并且懂得如何去获取信息，如何去评价和有效利用所需的信息。信息素养有9顶标准：①能够有效地和高效地获取信息；②能够熟练地、批判性地评价信息；③能够精确地、创造性地使用信息；④能探索与个人兴趣有关的信息；⑤能欣赏作品和其它对信息进行创造性表达的内容；⑥能力争在信息查询和知识创新中做得最好；⑦能认识信息对构建民主化社会的重要性；⑧能履行与信息和信息技术相关的符合伦理道德的行为规范；⑨能积极参与活动来探求和创建信息。
在实际教育中，可以从不同的角度对信息素养的培养。从技术学角度看，信息素养的培养应定位在信息处理能力上；从心理学角度看，信息素养的培养应定位在解决信息问题的能力上；从社会学角度看，信息素养的培养应定位在信息交流的能力上；从文化学角度看，信息素养培养应定位在信息文化的多重建构能力方面等等。教育界共同认为，信息素养不仅仅是诸如信息的获取、检索、表达、交流等技能，还应该包括独立学习的态度和方法，将信息概念和已获得信息用于问题的解决，进行创造性思维的综合的信息能力。例如，利用信息概念解释进化现象。传统的生物进化理论，仅仅从时间进程上或生物系统的结构功能上说明生物界系统进化的历史进程。虽然在逻辑上人们认识到所谓进化应当包含着事物内部某种量的增加或积累，但一直无法给出能够描述进化进程的一般标准量，而只能用笼统的“由简单到复杂，由低等到高等，由水生到陆生”来描述。运用信息概念，我们可以为进化提供一个一般性的定量标准：进化意味着一个生物系统状态信息量的增加，退化则意味着一个生物系统状态信息量的减少。这种解释对进化问题的理解提高到一个新的科学水平。
2．生物教育中的信息能力培养
1992年，Doyle在《信息素养在全美论坛的终结报告》中提出：一个具有信息素养的人，他能够认识到精确的和完整的信息是作出合理决策的基础，确定对信息的需求，形成基于信息需求的问题，确定潜在的信息源，制定成功的检索方案，从包括基于计算机的和其他的信息源获得信息，评价信息，组织信息用于实际问题，将新信息与原有的知识体系进行融合以及在批判性思考和问题解决的过程中使用信息。Doyle的话，提出了一般意义的获取、处理、评价、表达交流以及应用于问题解决等信息能力的培养问题。刘恩山教授在解析义务教育生物课程标准时，也把注重培养学生的信息素养列为课程标准的突出特点之一。他指出：“对学生信息素养的培养更多的应该在学科课程中完成。”就是说，信息能力的培养不只是信息技术课程的任务，生物学课程中也有许多信息素养培养的教育资源，应当充分加以利用，我们试举例子说明。
1．信息分析方法信息论把世界的事物都看作是一种信息的实体和一个不断有信息输入和输出的动态系统。根据这种观点，我们可以在信息的获取、储存、加工、传输和反馈的一系列过程中对事物进行认识、研究和改造，这就是所谓的信息分析法。信息分析法的理论来源于《控制论》对反馈过程的研究。维纳在他的《控制论》一书中研究了有机体的自动调节行为，提出所有这些自动调节和自动控制的活动都包含着一种基本的信息流动和信息反馈过程。（图1）
图1自动控制的信息反馈模型
以大肠杆菌对乳糖的利用为例。大肠杆菌生活在没有乳糖的环境中，它的与利用乳糖有关的酶的结构基因便被阻遏蛋白所抑制。当把它转移到含乳糖的培养基上后，乳糖与阻遏蛋白结合使之失活，因而激活了结构基因，产生特定的酶，把乳糖分解成半乳糖和葡萄糖。以上是人们熟知的乳糖操纵子模型。从现象上看大肠杆菌在无乳糖的培养基上几乎不产生与利用乳糖有关酶，在乳糖培养基上，则产生这些酶，而且其数量与需要量相关，这是一种很典型的自动调节的目的性行为。而信息分析表明，这是底物诱导酶的产生，产物抑制酶的合成（负反馈）的结果。这种形式的反馈优点，是可以校准补偿器，使得它对任何种类的不变负载都是稳定的。
生命系统的行为中最今人迷惑不解的就是目的性行为。古希腊的亚里士多德提出了用来解释事物本质的“四因说“，他把“目的因”作为事物的根本因素。后来，人们发现在物理世界，运动变化是没有目的性的，它们服从于因果决定性或统计规律性：而生命系统在预定程序的范围内，具有自适应现象，即生命系统如生物体、生态系统等，都能调整其系统的结构和功能，以保证其整体功能的实现。这样的事例在生物界很普遍。例如哺乳动物的体温调节就是依靠神经系统的反馈机制来实现的。在这类调节机构中，首先必须有类似温度检测器的装置，时刻测定体温和体温的高低，并将有关信息传到中枢神经系统，经过体温调节中枢整合后，再向效应器发出信息，引起相应的肌肉收缩、汗腺及血管的改变等，来调节产热和散热平衡，以达到恒温。
维纳的自动控制的信息反馈模型表明，系统的存在和行为除了物质和能量的作用外，信息的流动和反馈作用也非常重要。而且这个模型在自然界和社会中普遍存在，只是在不同的领域中会有不同的表现形式。因此，信息分析方法具有普遍的实践意义。
2．黑箱法是信息分析方法和模型方法结合而产生的一种方法。所谓“黑箱”，就是指那些既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状态的系统，比如人们的大脑只能通过信息的输入输出来确定其结构和参数。黑箱方法从综合的角度为人们提供了一条认识事物的重要途径，尤其对某些内部结构比较复杂的系统，对迄今为止人们的力量尚不能分解的系统，黑箱理论提供的研究方法是非常有效的。黑箱的研究方法的出发点在于：自然界中没有孤立的事物，任何事物间都是相互联系，相互作用的，所以，即使我们不清楚“黑箱”的内部结构，仅注意到它对于信息刺激作出如何的反应，注意到它的输入—输出关系，就可对它作出研究。如果我们能设计出一个系统，在同样的输入作用下，它的输出和所模拟的对象的输出相同或相似，就可以确认实现了模拟的目标。在此，信息的输入，就是一个事物对黑箱施加影响；信息的输出，就是黑箱对其他的事物的反作用。事实上人们在对信息进行分析和综合时，很少追求结构上的相似性，而总是把握信息的、行为功能的观点。例如，目前对神经干细胞的研究还基本处于“黑箱”过程，我们只知道体外培养的干细胞在一定条件下分化成不同类型的各种组织细胞，但我们并不知道这种细胞向各个方向线性分化的分子调控机制。
3．程序意识和程序分析能力
程序是由序列组成的，告诉计算机如何完成一个具体的任务。人类生活在一个“程序设计的世界”里，科学上的发现、社会组织工作、人们的日常生活与学习都按照一定的程序进行；是否善于编排和执行自己工作、生活和学习的程序是人们能否有效地完成各种任务和获得一种有条理的生活的关键。因此，现代人除了传统的读写算意识与能力这些文化知识之外，还应该具有一种可以与之相比拟的程序设计意识与能力。这就是第二种文化—程序设计文化。
程序的问题在生物界广泛存在，例如蛋白质合成程序、生物个体发育程序、细胞生命活动程序等等。以细胞为例，细胞像任何生命系统一样，都有一个发生、发展、衰亡的过程，细胞凋亡就是一种程序性死亡。就是说，除了结构和功能的有序性，细胞还具有时间序。例如，多细胞生物的细胞一般都具有该生物全套基因组，即具备全套遗传信息。发育生物学告诉我们。从理论上讲，有机体的任何一部分，只要其中含有建立一个完整有机体所必需的全部遗传信息，就可以作为一个生殖单位，在合适条件下就可以形成新个体。但实际上这些分化细胞已不能做到这一点了。因为它们虽然具有全套基因组，却不能按发育顺序表达它们。现在，对高等植物细胞，人们能用组织培养的方法，使它们恢复这种能力。而对动物细胞，目前还只能用核移植的方法来实现。
除了生命过程中的程序问题外，生物技术问题也涉及程序。加强技术教育是本次生物课程改革的突出特点。生物技术包括工具和器械、工艺和流程等两个方面。无论哪个方面，“程序”都是基本问题，例如果酒和果醋的实验，其实验程序如图（2）。
图2制作果酒和果腊实验流程示意图
这此事例说明，生物课程可以也应当利用程序问题的事例，培养学生的程序意识和程序分析能力。
4．超文本阅读和概念图
文本的阅读和写作是人类的一种基本的信息能力。计算机文化对阅读和写作的影响主要表现在三个方面：⑴阅读和写作的对象从以文字为主，发展为以文字、符号、声音、图像、三维动画、影视等多媒体形式；⑵知识间的联结，从线性联结、螺旋式联结发展成网络式联结；⑶超文本使阅读方式向快速浏览、更多使用检索、必要时精读的方式发展。因此随着计算机的普及，超文本的阅读和写作已成为重要的信息能力。
认知心理学认为，人类的记忆结构是网络式。网络式的记忆结构要求知识元素的呈现和表达是非线性的。在构建知识网络的过程中，“关键词”非常重要，它们是知识网络的“节点”。这种认识与超文本中“链接”的概念是一致的。基于对知识网络和知识建构的理解，人们在生物学课程教学中引入了“概念图”。“概念图”是由节点和连线组成的一系列概念的结构化表征。“概念图”中的节点表示某一命题或领域内的各概念：连线则表示节点概念间的内在的逻辑关系。例如在学习光合作用和蒸腾作用后，进一步学习植物对环境的影响，可以形成以下概念图（图3）
参考文献：
生物信息学的基本概念篇7
1运用学生已有经验，做好概念教学铺垫
所谓建构主义实质上是学生头脑中主动地将原有经验和新信息进行对比、分析、批判、选择和重建知识结构的过程.可见，在学习过程中，学习者的原有经验是十分重要的.这些经验不仅包括学生在学校所学的系统知识，它指的是学生全部生活经历的积累，其中包括大量非结构性的经验背景，这些经验不仅构成学生学习新知识的基础，而且决定新知识的意义.
因而，在物理概念教学时，充分挖掘学生已有经验，这对学生构建物理概念具有十分重要的意义、有很好的铺垫作用.如在进行“声音是怎样产生的”概念教学时，教者可先通过多媒体演示流水声、小提琴演奏声、人说话声……等图片，创设良好的物理情境，激发学生的学习兴趣，在此基础上让学生踊跃发言，提取大脑中已有的自然界、生活中大量的与声音有关的信息，为“声音是怎样产生的”概念构建做好铺垫、奠定基础.此时，教者只需略加引导和点拨，总结其共同特征，学生就易抽出其本质，建立“声音是由物体的振动而产生”的概念.
2运用“矛盾事件”，促进学生对新概念的建构
皮亚杰认为，个体的认知图式是通过同化和顺化而不断发展（同化是指个体对刺激输入的过滤或改变的过程；顺化是指有机体调节自己内部结构以适应特定刺激情境的过程），以适应新的环境.一般而言，个体每当遇到新的刺激，总是试图用原有的图式去同化，若获得成功，便得到暂时的平衡（平衡是指个体通过自我调节机制使认知发展从一个平衡状态向另一种较高平衡状态过滤的过程）；如果用原有图式无法同化环境刺激，个体便会作出顺化，即调节原有图式或重建新图式，直至达到认识上的新平衡.
因而，学习是观念（概念）的发展和改变.教师的教学是为了促进学生从旧观念向新观念的转变.教师的任务则是选择有效地促进学生发生观念转变的教学方法.而运用“矛盾事件”创设引起学生产生认知冲突的教学情境，这是促进学生在解决认知冲突过程中构建新概念的有效方法.
在进行牛顿力学中“力与运动”关系教学时，首先让学生发表自己的看法，凭借自己的生活经验，学生易得出与亚里士多德一样的结论：“力是维持物体运动的原因”.而此时教师适时引出伽利略实验：让一小车从斜面上滑下至水平面时虽没有推力仍继续向前运动，历史展示伽利略的批判意识、逻辑推理能力和实验验证的科学作风，突出学生前概念与伽利略实验推理的矛盾之处，指导学生进行认知顺应，构建与科学观念一致的新概念即“力是改变物体运动状态的原因”，实现学生观念转变，达到认知上的新平衡.
3加强合作学习，促进学生对概念内涵的充分理解
由于学生的原有经验不同，对新知识的建构方式因人而异，即使在同一学习情境中接受同样的新信息，不同学生也会获得不同意义或解释.由于不同学生理解了同一内容的不同方面，因而在教学中学生之间进行合作学习，引导学生之间的讨论和交流将促进学生对概念内涵的更全面理解.如在进行“力是物体对物体的作用”力的概念教学时，通过学生间的小组讨论，让学生充分理解概念内涵：产生力至少具备两个物体、物体间要发生推拉提压等作用才能产生力、产生力的两个物体不一定要相互接触…….
4再次提取学生已有信息，拓展概念外延
生物信息学的基本概念篇8
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“和谐哲学”是个新名词,和谐哲学是指用于分析、解释、指导建设和谐社会,构建和谐世界的理论体系。如,为什么通过和平、发展、合作的途径便能建成和谐世界?未来的和谐世界将会是怎样的世界?具体来说,由于当前世界并不和谐,目前全球最大的不和谐就是经济危机、地球环境危机与国际恐怖主义三大危机,人们将怎样克服这些“不和谐”。更具体的问题是:如何使全球经济平稳较快地发展;如何解决越来越庞大的失业大军队伍;如何在全球范围内消灭贫困,以消除恐怖主义;如何解决一系列地球环境问题,以达到天人和谐?等等。
以上这些问题如果单个来解决,几乎每一个都是天大的难题,故必须综合起来,上升到哲学的高度,这个哲学便可称之为“和谐哲学”。再用和谐哲学为指导,这些问题便得以迎刃而解。
构建和谐世界,是胡锦涛主席在信息时代的2006年才提出的时代最强音,那么和谐哲学必须是信息时代的哲学。但现有成熟的哲学都是工业时代的哲学,工业时代与信息时代是不同质的时代,工业时代的哲学用于指导信息时代犹如牛顿力学进入微观领域,便英雄无用武之地了。故必须以科学发展观为指导,与时俱进地发展工业时代的哲学体系,方能构建和谐哲学。创建和谐哲学的体系,基本概念的突破是基础,是出发点。
一、基本概念的突破
从科学史和哲学史中可见,理论体系的重大突破需要以基本概念的突破为前提。如爱因斯坦突破了时空概念,得出了相对论;马克思发展了物质概念,建立了辩证唯物主义。那么创建和谐哲学需要突破的基本概念便是信息概念。
信息完全不同于物质。其最大的区别在于物质不生不灭,是守恒的,但信息却不守恒。信息可以无中生有、可以湮灭、可以放大缩小、可以畸变失真、可以无限扩散。这样,以信息为本源的科学技术也就可以无限扩散,可以学习、共享。但以物质为本源的各种工农业产品,由于物质是守恒的。故物质产品只能分享不能共享。一件物质产品,你拿去了,我就没有了。工业时代以生产物质产品为主,为争夺物质产品,剥削产生了。这时阶级斗争就不可避免,故工业时代的哲学只能是斗争哲学。
20世纪下半叶,高新技术蓬勃发展,科学技术和科学管理成为推动社会前进的两大车轮,人类社会开始进入信息时代。信息时代快速发展,还不到半个世纪,当前社会正向更高层次的知识社会跃进。在信息社会和知识社会,社会生产力基础发生了质变,从以物质生产为主向知识生产转变。从争夺物质产品,到共享知识产品,使人类社会从斗争向和谐转化。
我们的宇宙是一个特大系统,它是由无数个子系统构成的。各个子系统义是由更小的子系统构成。小到分子、原子、基本粒子都是一个系统。而构成系统的三基元是物质、能量、信息。这样,由于信息的加盟,使物质的概念发展到系统的概念:宇宙间万事万物都构成系统,而系统是由物质、能量、信息构成。
二、和谐哲学的三条基本规律
我们的世界为什么是现在这个样子的?宇宙大爆炸理论告诉我们,宇宙大爆炸伊始,宇宙间只有能量。这验证了古代思想家们的直觉。古希腊哲学家柏拉图提出“从一发散”;中国古代《道德经》中认为,“一生二,二生三,三生万物。”这个“一”就是能量。其后,能量凝聚成基本粒子。然后,宇宙的演化就开始了:基本粒子一原子、分子一无机界一生物界一人一原始时代一农业时代一工业时代一信息时代一知识时代(和谐世界)。
从宇宙演化的进程中,我们发现有三条基本规律,它们是功能(性能)不守恒规律;组合性爆炸规律和层次态发展规律。这三条基本规律就是和谐哲学的基本规律。
1功能(性能)不守恒规律。物质、能量守恒。信息不守恒,由物质、能量、信息构成的系统其性能、功能便不守恒,这就是人们常说的一加一不等于二。这是一条宇宙发展最基本的规律,是宇宙之所以从单一的能量演化成千变万化,绚丽多姿的大干世界的根本原因。从能量凝聚成基本粒子,基本粒子组成原子分子,再到万事万物,万事万物的性能、功能不同于原子分子的根本原因,就在于系统的性能、功能是不守恒的。若没有系统功能不守恒规律,宇宙间永远只有能量,而不会产生性能不同于能量的基本粒子以及其后的万事万物。 2组合性爆炸规律。当子系统构成大系统时,其所形成大系统的数量是爆炸式地增长。如质子、中子、电子三种基本粒子能构成92种原子;0、1两个符号,构成了无限的计算机语言。由于系统发展是以组合性爆炸的方式进行,所以宇宙的发展是越来越快的。宇宙的演化经历了约150亿年;从猿到人几百万年;农业时代一万年;工业时代二百多年;信息时代才几十年就要向知识时代跃进了。
生物信息学的基本概念篇9
关键词：物联网；多传感器；语义融合；本体
中图分类号：tp202
物联网是计算机科学发展的产物，渗透到各个领域，工业、医疗、军事、家庭等多领域，对各领域的各环节进行信息数据的自动化采集、处理、决策分析、预警等控制活动。负责信息数据采集的设备主要是传感器。传感器节点是信息采集、处理和传输的基础。每个传感器都是一个信息源，对于信息系统来说，数据是海量的，并呈指数级别增长，产生和存储这些数据的软硬件环境有很大的差别，因此采集到的数据内容和格式都不相同，使得数据的利用和共享成为难题，而处理这些数据需要面临的主要技术问题就是异构的数据源问题[1]。因此，设计高质量的传感器数据融合[2-4]方法，是多传感器数据的核心问题。
异构的数据源问题[5]包含四个级别：系统、结构、语法和语义。对于系统和结构上的异构问题，解决方案是使用XmL语言消除异构，但是语义上的异构问题，使用本体是最有效的。本文的研究思路是：针对物联网中多传感器采集数据的格式不同问题，提出基于本体进行语义融合的方法，以达到多传感器数据有效利用、决策控制等目的。
1本体（ontology）
1.1本体知识简介
在人工智能界，neches等人将本体定义为“给出构成相关领域词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系构成的规定这些词汇外延的规则的定义”。文献[6]指出：“本体包含有明确定义的词汇表，定义概念间关系，同一个本体的所有使用者都遵循这些定义规则。”因此本体能够在领域内部描述概念和概念间关系，而且具有确定的属性，促进人机交流。
1.2混合本体
由于本体是可以共享的，首先查找现有本体资源，是否有可直接使用的本体。如果不能直接使用，那么利用混合本体方法[7]，为每个传感器创建本体。常见的基于本体集成模型有单一本体法、多本体法、混合本体法。基于混合本体的信息集成方法，是消除数据结构上异构的有效方法。
1.3本体开发工具
本文在选择本体创建和实例化的工具是protégé，版本4.1。protégé也是目前开发人员在创建本体模型与本体化应用程序时使用的一款开源软件。
这款软件主要优点有：
（1）采用图形化界面，对类、属性、类间关系等的编辑非常容易。
（2）protégé软件结构有很好的扩展性。因此，其功能很强大，能够编辑本体，也能将本体信息存入数据库，并能够实现查询推理功能。
2基于融合规则的语义数据融合方法
2.1传统的数据融合算法
多传感器数据融合的过程是综合处理信息的过程，提取出多个传感器的数据信息，根据一定的规则重新组合，得到对被测对象的一致性测量结果，融合后的数据更加可靠、准确，是决策分析和预警的重要依据。多传感器数据融合，关键是信息形式更加复杂的异构数据源问题。数据融合的主要算法有：基于权系数的融合方法，基于参数估计的信息融合方法，基于D-S证据理论的融合方法，基于Kalman滤波的融合方法，基于模糊神经网络的融合方法，基于粗糙集理论的融合方法，聚类分析法等多种方法。每种融合算法的依据理论不同，其优劣势也不同，D.S证据推理和表决法的理论还不够成熟，神经网络和模糊逻辑应用难度较高。
2.2语义数据融合的核心问题描述
语义数据融合方法[8-10]，利用本体在领域内进行概念级建模，促进资源描述、信息共享和整合，有效消除海量异构设备产生的异构数据源问题。本体是针对语义内容，实现语义标注、语义检索等概念匹配的统一数据集。本文使用本体描述领域内多传感器资源，确定资源中概念的定义，消除二义性，便于计算机理解。
语义数据融合的核心问题有：
2.2.1异构数据间语义冲突。语义冲突的结构包含模式层和数据层的冲突。模式层冲突是不同数据源中对相同概念采用不同逻辑结构造成的冲突。数据层冲突是对相同概念的表示不同造成的冲突。每种型号的传感器产生的数据内容和格式都有区别，数据的精度也不同，这对数据融合造成一定的难度。事实证明，传统的数据融合方法并没有很好地解决这个问题。
2.2.2融合后的数据可靠性差。融合后的数据依然存在语义冲突和冗余。不能有效地用于决策分析、决策处理等。
2.3基于混合本体的语义数据融合方法
本文中混合本体的作用主要表现在两方面：
2.3.1从全局角度规范化领域内多传感器资源的概念和术语，各传感器本体中的概念参照全局本体，从而使概念具有一致性，有效解决语义冲突问题，为领域内和领域间的实际应用起到共享本体作用。
2.3.2通过混合本体的分析、处理，既理清了多传感器领域知识的结构，又提高数据的可靠性，分析并提取出不安全数据，从而为后续决策分析、处理和事故预警等问题打好基础。而且多传感器本体可以重用，从而避免重复的多传感器领域知识分析。
本文利用混合本体为每个传感器创建本体，结合一定的算法，将提出一种基于异构多传感器数据的语义数据融合的方法。基于混合本体的数据融合方法不仅从数据的整体层面，也从局部角度处理数据，使处理后的数据更加可靠。具体步骤如下：
（1）收集多传感器数据到网关。收集多传感器数据到网关，本质上是从串口读取、收集、发送数据到网关的过程。通过各传感器收集环境感知的数据，将数据精度处理并保持一致。这部分知识是数据融合过程中已经具备的前提，不多做阐述。
（2）描述异构多传感器数据资源。分析多传感器数据，结合本体知识，描述多传感器资源的本体概念，描述概念属性，和概念间关系。本文涉及的传感器有arduino传感器和物联网实验室的传感器试验箱，这两种传感器采集到的数据内容和格式都不相同。以温度传感器为例，arduino传感器采集到的数据是数值，而教学用的传感器试验箱中温度传感器采集到的数据有时间和温度值。传感器资源的描述如下，以温度传感器为例，有传感器数据，温度传感器，采集时间（包含月、日、时、分、秒），采集区域，传感器数值属性。
（3）创建多传感器的混合本体数据模型及其实例化。以混合本体为基础与传感器本体模型相结合，构建基于混合本体的多传感器数据模型。全局本体描述的是传感器的概念集合，局部本体描述的是各传感器数据库中的概念及其具体内容，局部本体中的概念与全局本体中相应的概念之间存在映射关系。传感器本体创建的步骤是：
1）抽取领域词汇。研究领域知识、学习领域资料，定义领域本体的关键概念词汇，以及概念间关系。定义类之间的继承关系，以及概念的属性关系。抽取领域内的核心词汇，需要结合领域和应用实际反复推敲，确定概念间的层次关系，以备用。
2）确定类属性及其属性值的取值范围和类型。根据领域本体词汇，定义本体概念的属性，确定属性取值类型和取值范围。
3）创建类的实例。定义本体资源属性取值后，需要创建本体实例。分析并选择一个类，确定属性的取值。最后确定本体概念、类以及类间关系的一致性，重复检测正确性。
（4）基于混合本体的数据融合算法。传感器类型、采集时间和采集区域属性能够唯一标识传感器，称为传感器的关键属性。基于混合本体的数据融合算法：首先比较传感器的类型属性。如果相等，则继续比较传感器的区域属性。如果不等，则直接向网关输出。再比较传感器区域属性，如果不相同，则根据传感器类型属性进行数据合并后，直接输出，如果相同，则说明是等价实例。继续比较采集时间，采集时间若相同，则需要根据融合规则，进行数据融合。如果采集时间不同，说明采集时间稍早的数据是过时冗余的数据，做删除处理。
（5）基于融合规则输出结果到网关。融合规则包含：
1）平均原则：将多个相同类型传感器的数据进行取均值运算，最终返回均值。
2）加权平均原则：将多个相同类型传感器的数据进行加权均值运算，并返回结果。
3）统计原则：统计数据，将出现频率高的值作为返回结果。
4）最值原则：取数据中的最大值或是最小值作为返回结果。
5）随机原则：在多个相同类型传感器的数据中随机取一个数值作为结果返回。
本文建议：如果有敏感数据产生，即不安全数据，那么基于统计原则必须输出不安全的数据信息，如果采集到的数据在安全范围内，那么以上融合规则都可以使用。
3结束语
本文基于混合本体提出的语义数据融合方法，基本达到研究的预期目标。基于本体的语义数据融合方法，解决了语义冲突问题，使融合的数据更加可靠。语义数据融合，为自动化分析、处理多传感器数据打下基础，后续研究可以结合jena推理机，书写推理规则，对融合后的传感器数据进行推理，特别是对环境安全的决策分析、控制和预警活动有重要意义。
语义技术应用于物联网领域的数据融合研究，已经具备一定的理论基础。本文提出基于语义的数据融合方法，促进语义在物联网中的应用。
参考文献：
[1]朱敏.基于物联网的异构数据融合算法的研究[J].计算机光盘软件与应用，2014（08）.
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作者简介：孙丽丽（1981-），女，吉林德惠人，物联网与网络工程教研室，研究方向：物联网。
生物信息学的基本概念篇10
生物知识的表征形式有两种:外部表征和内部表征。外部表征是指生物知识通过使用文字、图形、模型等表示的一种外部形式,其中同一生物知识可以用不同的外部形式来表征。例如,氨基酸的结构通式可以画分子结构示意图表征,也可以建构模型来表征:将氨基酸的结构通式比喻成人——左手代表氨基,右手代表羧基,两条腿代表氢,躯干代表碳,头代表R基(氨基酸不同是因为R基不同,就如同人长得帅气与否首要看的还是我们的脸蛋);此外还可以用语义表征:极少有一个氨基和羧基连在同一个碳原子上,此外该碳原子还连接一个氢和R基团。内部表征可以指学生在学习生物知识过程中在工作记忆平台上信息分析、关系提炼的认知活动,也可以指信息在心理活动中表现和记载的方式。工作记忆又叫短时记忆是指信息加工的操作平台,其容量只有5~9个组块。组块是信息量的一个单位,指测量人短时记忆量的最小单位。外部信息进入工作记忆后一般以命题和表象两种方式表征。(1)命题表征:命题是词语表达意义的最小单元,由关系和一组命题两个成分构成,例如,“叶子是绿色的”表达了一个意思,是一个命题。在这个命题中,论题是“叶子”和“绿色的”,“是”表示关系,对命题起限制作用。在大多数情况下,一个句子表达的多不止一个意思。如“减数分裂是进行有性生殖的生物,在减数分裂过程中,染色体只复制一次,而细胞连续分裂两次。减数分裂的结果是,成熟生殖细胞中的染色体数目比原始生殖细胞减少一半”表达4个意思,是4个命题。即分裂发生的范围:进行有性生殖的生物;分裂发生的时间和行为:在产生成熟生殖细胞时进行的染色体数目减半的细胞分裂;分裂的特点:染色体只复制一次,而细胞分裂两次;分裂的结果:成熟生殖细胞中的染色体数目比原始生殖细胞减少一半。(2)表象表征:是指事物及其相关信息在人脑中的表征贮存。在生物学习中实验现象、生物图形、细胞模型和生物用语均是以表象方式表征的。表象作为对客体或情境的一种模拟表征,可以将大量的信息压缩到一个紧凑的信息组块中,节省工作记忆空间,减轻对工作记忆的认知负荷,在认知活动中起着相当重要的作用。例如,生物体内核酸相关知识的记忆表象(如图1)将4条信息压缩到一个组块中,提高了组块的信息贮存能力,减轻了记忆负荷。
二、外部表征对内部表征的影响
外部表征对内部表征的影响主要体现在外部表征形式对短时记忆负担上。究其原因,是因为信息的文字表征在工作记忆里转化为命题,工作记忆中的信息过多,学生思维操作负荷较大,难以顺利实现信息之间的意义联结,从而出现理解上的困难。而信息的图形表征在工作记忆中形成表象,对信息进行了压缩,节省工作记忆空间,减轻工作记忆负担,学生相对容易建构信息之间的意义联结。
例1有这样一道推理题:蚕豆根细胞在含3H标记的胞腺嘧啶脱氧核苷培养基中完成一个细胞周期,然后在不含放射性标记的培养基中继续分裂至中期,其染色体的放射性标记分布情况是(B)
a.每条染色体的两条单体都被标记
B.每条染色体中都只有一条单体被标记
C.只有半数的染色体中一条单体被标记
D.每条染色体的两条单体都不被标记
大多数学生由题示信息的文字表征建构“在含有放射性标记的培养基中培养完一个细胞周期到不含有放射性标记的培养基中培养至下一个分裂中期,其染色体的放射性标记情况”的认知存在一定的思维障碍,但是如果将题示信息的文字表征转换成下列图形表征(如下页图2),学生较易建立这一心理表征,从而突破空间的屏蔽。
三、生物知识的表征建构策略
实践证明,形象化的表现方式比言语叙述方式更有利于信息的编码。言语叙述虽然能较确切地阐明知识的内涵,但当传递较复杂的信息时,由于工作记忆容量的限制,学生往往无法由线性的言语叙述建构起对知识的非线性理解。反之,形象表征有助于减少记忆负荷,提高贮存能力,以更具有操作性和简化复杂关系的形式对信息进行编码和处理。形象表征包括图示表征和直观教学手段表征。
1.图示表征
图示表征是以图表的方式组织和表征信息。图示表征减少繁冗的文字叙述,简明直观地呈现出知识的结构性和认知的整合性,有助于学生对知识的理解和概括。常用的图示有概念图、韦恩图、数轴法、示意图、曲线图、知识网络图、知识点表格等。
(1)概念图。概念图通常从一般概念出发,往下逐级延伸至具体概念,以层级结构表明各概念间的关系。在生物教学中概念图既可以帮助学生建构概念之间的联系,使学生能够从全面与联系的层面理解概念。同时也可以作为一种模板,帮助学生组织知识并使之结构化和程序化。概念图这种对知识的统摄和整合功能对学生的思维过程能产生积极影响,有助于学生对生物知识的认知规律化,促使其有意义地学习。如图3所示为血糖调节过程的概念图:
(2)韦恩图。在数学中常用韦恩图来表示集合与集合之间的关系,在生物教学中使用韦恩图也可以形象地表示出各种概念之间的逻辑关系(如并列、隶属、交叉)和事物性质之间的异同。如图4所示为动植物糖类的分类:
(3)数轴法。利用数轴法,可以巧妙地将定性和定量概念联系起来,并将抽象的内容形象化,有助于理解和把握概念。根据细胞周期、分裂间期、分裂期的关系可用图5表示:
(4)示意图。生物学中有多种类型的示意图可以将微观现象宏观化,或将抽象问题直观化、形象化,有利于学生对较难的生物概念、微观事物、抽象问题的理解与掌握,纠正其可能存在的模糊概念与相异构想。如图6所示为有氧呼吸过程的示意图:
(5)曲线图。曲线图清楚直观地表示出两个量之间的数量关系或变化关系,显示研究对象发展变化的规律性和特殊性,借助曲线图表征,可以将定性和定量的分析巧妙地联系起来。如图7所示为光照强度与光合作用速率变化关系的曲线图。
(6)知识网络图。生物学中常用知识网络图表示知识之间的结构序列,有利于学生横向和纵向把握知识之间的联系,理解相互之间的转化关系,提高其归纳演绎能力,形成有序的知识结构,强化记忆能力。如下页图8所示为细胞与其他知识之间的相互转化关系的网络图。
(7)知识
点表格。表格具有整齐、简明、易于比较分析的特点。利用表格表征,对相似、相近或相反的知识点进行整合,有助于学生在比较中形成对知识的辨析和理解,进行有效的类比编码和对比编码记忆。如表1所示为光合作用和细胞呼吸的比较:
2.直观教学手段表征
生物学是一门从分子、细胞、个体水平研究生物的结构、功能、发生和发展的规律,以及生物与周围环境关系等的科学。生物概念和理论具有较强的概念性和抽象性,学生对此的理解存在一定的思维障碍。教学中借助实验、模型、多媒体等直观教学手段使教学内容形象化、直观化,可以减轻学生认知负荷,化解或突破知识难点。
(1)实验表征。生物学是一门以实验为基础的学科,生物学知识是从生物现象和生物过程中抽象出来的本质特征,生物学知识的形成离不开实验。学生通过观察实验现象和实验过程可以实现抽象的知识与具体形象的联系和转化,形成丰富的表象来支持对抽象化知识的理解和记忆。例如,在探究“细胞大小与物质运输的关系”的实验中,学生通过实验测量发现三块琼脂块中naoH扩散的深度一样,但琼脂块越小,内部留下的空白越少这一表象后,通过数据的处理,就比较容易理解“细胞大小与物质运输效率关系”这一抽象的生物学知识。