運用5E教學模式發展學生的科學思維素養
——以“基因治療”為例

何 源

（紹興市稽山中學 浙江紹興 312000）

1 教學理念

在《普通高中生物學課程標準（2017年版）》“學科素養為核心、課程內容少而精、教學過程重實踐、學業評價促發展”的核心理念下，本節教學的設計采用了基于建構主義的5E 教學模式。通過創設重癥免疫缺陷病和神經膠質瘤的治療方案的情境，引導學生根據問題，利用已有的基因工程知識逐步構建相關方案。并由此進一步得出基因治療的概念，達成由事實性知識向概念性知識的提升，并在此過程中培養歸納總結、模型構建的科學思維。最后通過評價基因治療的利弊，引導學生形成正確的價值觀和學習觀，達成生命觀念和社會責任核心素養的提升。

2 學習任務及學情分析

基因治療屬于浙科版生物學選修3 第1 章第3 節“基因工程的應用”一節。本節內容在必修2第6 章第3 節中首次出現，又于選修2 第3 章第2節“疾病治療中的生物科學”再次出現，但因為并非高考要求，通常不開展教學。《學科指導意見》對基因治療的要求僅為講出基因治療的基本概念，但基因治療是目前較前沿的醫療技術，也是基因工程技術的一項重要應用，學習過程可有效幫助學生開闊眼界，并體會如何將知識學以致用。

基因治療的過程比較抽象，本次課程通過創設情境、小組合作討論幫助學生降低學習難度。由于該技術較前沿，基因治療的載體等內容是學生未接觸過的，因而這部分內容需要引導學生利用已有知識進行遷移類比。

在進行本節內容的學習前，學生已學完3 本必修教材，以及選修3 基因工程的內容，對遺傳病的發病原因、艾滋病的侵染過程和基因工程基本步驟均已熟悉，為學好本節內容打下了堅實的基礎。

3 教學目標

1）通過小組討論，探究SCID 和神經膠質瘤的治療方案，并構建治療流程。（科學思維）

2）通過分析2 則案例，歸納基因治療概念。（科學思維）

3）通過評價基因治療的利弊，樹立正確的學習觀和價值觀。（生命觀念、社會責任）

4 教學重、難點

1）重點：基因治療的技術手段；基因治療概念的提出。

2）難點：載體的選擇；整體過程抽象性較高，具象化難度大。

5 課前準備

準備好相應PPT 課件及紙質學案；將學生分組，并指定組長，分配好組長和組員的任務。

6 教學策略

本節內容基于5E 教學模式，采用任務驅動和小組合作討論的形式展開教學。

7 教學過程

7.1 引入（engagement）：分析病因定技術

教師講述：請大家分析資料1，找出泡泡男孩患病的根本原因。

資料1：大衛罹患一種極其罕見的遺傳病―重癥聯合免疫缺陷病（SCID）。由于控制合成腺苷脫氨酶的相關基因（ada基因）缺失，他的T 淋巴細胞無法成熟（其他細胞正常），因此喪失了大部分免疫能力，只能生活在一個無菌的泡泡中。

預期答案：泡泡男孩ada基因缺失。

教師提問：如果你是醫生，針對這種基因缺失引起的疾病，你會提出什么治療方案？

預期答案：將ada基因重新導入他的細胞。

教師提問：要將一個基因導入到一個細胞，需要利用什么技術？

預期答案：基因工程技術。

教師請一位學生回顧基因工程的主要步驟。

預期目標（圖1）：

設計意圖：用實際案例引入課程學習，創設可以將生物學知識應用于實際生活的情境，在實踐中鞏固生物學知識。同時確定學習主線：用基因工程技術治療疾病。建立模型并為學生后續提出方案提供支架，降低難度。

7.2 探究（exploration）：按圖索驥獲方案

教師發布任務1：學生將化身一代名醫，以學案中問題的答案為線索，在基因工程基本步驟的基礎上為治愈大衛提出一個完善的治療方案。“名醫”可以先以4 人小組為單位進行一次會診，攻克所有技術難題后一起提出治療方案。

幫助解決任務的問題：

①基因工程需要哪些工具？（可能答案：限制性核酸內切酶、DNA 連接酶、載體。）

②目的基因是什么？如何獲取？（可能答案：目的基因是ada基因，可通過化學合成或從基因文庫中提取得到）。

③受體細胞應該選擇患者的什么細胞？其他細胞需要導入目的基因嗎？為什么？（可能答案：患者的T 淋巴細胞。其他細胞不用導入該基因，因為沒有這個基因其他細胞仍是正常的。）

④常用載體有哪些？這里選擇什么最合適？（可能答案：常用載體有質粒、噬菌體、動物病毒和植物病毒。這里應該選擇動物病毒。）

⑤如何篩選順利導入重組DNA 的受體細胞？（可能答案：利用載體自身攜帶的標記基因。）

⑥如何確定目的基因已經成功表達？（可能答案：可以利用抗原抗體雜交的方法進行檢測。）

⑦小組合作，嘗試在基因工程流程基礎上構建SCID的“治療方案”流程圖。

構建流程圖，由學生在黑板圖示的基礎上修改，并詳細介紹過程。

設計意圖：通過設計問題幫助學生逐步構建SCID的治療方案。討論的設置使學生可以集思廣益，降低任務難度，同時使學生體會到合作的樂趣。模型的構建過程需要充分調動思維，提升了科學思維的核心素養。

7.3 解釋（explanation）：頭腦風暴臻化境

教師請學生闡述自己的方案，并請同伴評價完善。其中有2 點需額外補充說明。

①由于學生缺乏相關知識，載體的選擇只能到動物病毒一步，需要教師引導。

教師引導：動物病毒種類很多，每一種都可以作為這里的載體嗎？

預期答案：不是的。

教師引導：此處應該選擇哪一種？請結合受體細胞是T 細胞的特點，展開大膽的想象進行猜測。

預期答案：HIV。因為HIV 可以侵入輔助性T細胞。

教師引導：HIV 除了可以高效侵染T 細胞外，還有什么優點？請結合HIV 在T 細胞內的繁殖過程思考。

預期答案：HIV 可以將逆轉錄合成的DNA 整合到宿主染色體上。這樣目的基因就可以隨T 細胞的分裂而達到擴增的目的。

教師引導：可是HIV 直接使用會使人得艾滋病，因此使用時應先刪除它的什么基因？

預期答案：致病基因。

教師講述：想法很好，但目前的技術并不能完成這樣的改造，否則艾滋病的疫苗早就上市了。所以在這里并不直接使用HIV，而是使用與HIV 類似的其他反轉錄病毒［1］。

②學生可能只會停留在基因工程步驟的修改上，而忘記將改造后的T 細胞重新注入患者體內，因此這里仍需引導。

教師引導：以上步驟是在患者體內完成還是在體外完成的？

預期答案：體外完成。

教師引導：在體外獲得了改造好的T 細胞，患者就可痊愈嗎？

預期答案：不能。還應該將T 細胞重新輸入患者體內。

教師補充：確切地講，是將T 細胞培養擴增后，再回注入患者骨髓。

最終答案（圖2）：

教師講述：很可惜，由于當時科學技術和醫療水平的限制，醫生未能醫治好大衛。最終，大衛在與孤獨和病痛抗爭了12年之后離開了人世。但這一治療方法很快得到了證實。請看資料2。

資料2：1990年，美國國立衛生研究院的安德森博士，將腺苷酸脫氨酶（ada）基因導入一位由于ada基因缺陷導致嚴重免疫缺損的4 歲患者的淋巴細胞中，成為基因治療的首次成功實例。

設計意圖：生生互評將小組合作提升為組間合作，是全班學生的大合作。組間的交流討論進一步鍛煉了學生的語言組織能力和表達能力，對其科學思維的提升有了進一步的促進。同時教師的引導使方案得以更加完善，及時彌補了知識上的缺陷。資料2 的補充說明給予學生正向反饋，是對他們努力思考的認可。

7.4 拓展（elaboration）：現學現用活思路

教師小結：SCID 是由于基因缺失而引發疾病，通過添加正常基因補償了這種缺失，達到了治療目的。假如某種疾病是由于本該沉默的基因表達引起的，又該怎么做？請分析資料3，并解釋反義基因為什么可以抑制癌基因表達。

資料3：神經膠質瘤細胞具有無限增殖的能力，與其體內的某些特殊生長因子（蛋白質）密切相關。這些蛋白質是由基因突變激活的腫瘤基因轉錄翻譯形成的，其過程可用圖3表示：

科學家向病變的組織細胞中導入了該基因的反義基因。反義基因合成的反義mRNA 可以和腫瘤基因合成的腫瘤mRNA 互補配對成雙鏈RNA，進而影響突變基因的翻譯，從而達到治療目的［2］。其過程可用圖4表示：

預期答案：反義mRNA 與腫瘤mRNA 結合后可以抑制其翻譯，腫瘤細胞得不到生長因子，很快死亡，從而達到治療目的。

教師發布任務2：請用文字和箭頭在腫瘤基因表達流程圖上表示該過程。

預期答案（圖5）：

教師引導：資料只展示了其中的一種治療方案。反義mRNA 除了可以與腫瘤mRNA 互補配對，還可能與什么配對？要阻止腫瘤細胞無限增殖，只需使它沒有生長因子即可。除了阻止翻譯過程外，還有什么方法？請再次以4 人小組為單位，討論其他可行的方案。

預期答案（圖6）：

教師小結：治療像神經膠質瘤這樣由于異常基因額外表達引起的疾病，往往通過導入另一種特殊基因，糾正這種基因表達引發的問題。

教師發布任務3：請結合以上2 個例子，總結基因治療的概念：

向目標細胞中導入目的基因，以糾正（以神經膠質瘤治療為例）或補償（以SCID 治療為例）基因的缺陷，達到治療的手段。

設計意圖：對基因治療方法進行拓展，使學生對該內容的理解更全面。再一次建模是對方法的鞏固，也是對科學思維的進一步鍛煉。最后的概念構建達成由事實性知識向概念性知識的提升，提升了學生概念構建的能力。

7.5 評價（evaluation）：各抒己見展風采

教師提問：基因治療是否完美無缺？

資料4：2000年，法國巴黎某醫院采用基因治療使17 名有免疫缺陷的嬰兒恢復了正常。但在之后的幾年內，有3 名小孩出現了白血病癥狀。原因可能是逆轉錄病毒的核酸隨機插入到某一癌基因附近，并成功激活了該癌基因，導致白血病出現。2007年，美國一位患有關節炎的婦女在一項基因治療臨床實驗中死亡，原因是她使用的基因載體腺病毒大量繁殖侵染其正常組織，導致多種疾病并發［3］。

教師提問：如何看待基因治療這項技術？請談談你的看法。

學生自由發言。

教師總結：基因治療在一定程度上改善了病人的生活質量，延長了人類的壽命，生物學知識與技術的應用是很有意義的。

設計意圖：評價過程鍛煉了學生的思辨能力和語言表達能力。教師的總結可幫助學生樹立正確的價值觀，達成社會責任和生命觀念的提升。

8 教學反思

在本節課中，5E 教學模式的5 個環節層層遞進，緊密圍繞提升生物學核心素養中的科學思維展開。在“引入”階段，通過創設情境暴露學生前概念中的不足之處，激發學生的求知欲。“探究”階段則是課堂教學的中心環節。通過分析資料，小組內部交流討論，組間學生互評完善，學生的腦海中逐步構建基因治療的一般過程。“解釋”和“拓展”階段則可對新知識進行內化和遷移，將事實性知識升華為概念性知識，并最終將學習經驗遷移至實際生活。穿插于各個環節中的“評價”，教師點評、學生自評或生生互評，均是一次次對舊知識體系的沖擊和對新知識結構的完善，也是對學生形成正確價值觀的引導，促進學生全面發展。從本節課的體驗來看，5E 教學模式在高中生物學教學，尤其是重要概念的構建中有較好的教學效果。