基于培養生物學學科核心素養的情境化教學設計

尹利軍 張瑜 潘建英

摘要：以新型冠狀病毒肺炎這一社會熱點創設主題式教學情境，利用問題串引導學生探究學習單克隆抗體制備，在構建單克隆抗體概念中，培養學生分析、推理、實驗設計等能力，發展學生的生物學學科核心素養。

關鍵詞：單克隆抗體 細胞融合 教學設計 生物學學科核心素養

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

1教材分析與設計思路

“動物細胞融合與單克隆抗體”是人教版高中生物教材《現代生物科技專題》專題2“動物細胞工程”第二節的內容，包括動物細胞融合和單克隆抗體制備兩部分內容。其中單克隆抗體的制備是當前社會上的生物學熱點技術，與人類疾病的診斷與治療密切相關，且制備過程技術難度要求高，在高中階段難以通過實驗完成，將其確定為本節的重點和難點內容。為突出重點、突破難點，教師以“細胞工程通過細胞水平上的操作，獲得有用的生物體或其產品”這一大概念為基礎，通過創設真實的主題化教學情境貫穿整個教學過程，利用問題串引導學生主動思維，促進學生開展探究類學習活動，加深對單克隆抗體概念的理解，結合典型實例提升應用知識能力。通過本節學習，學生在形成生物學核心素養的同時，學習運用科學的觀點、知識、思路和方法解決現實生活中的生物學問題。教師指導學生在現實生活背景中能運用生物學原理和方法參與社會事務的討論或作出相關的個人決策，加深學生對科學、技術、社會相互關系的認識，促進學生樹立正確的人生觀和價值觀，最終達到“立德樹人”的教育目標。

2教學目標

①通過分析新型冠狀病毒（SARS-cov-2）致病和新冠肺炎治愈實例，使學生了解普通抗體和單克隆抗體的區別，通過構建單抗概念模型，理解單克隆抗體制備流程，構建結構與功能相適應的生命觀念。

②通過探究性學習雜交瘤細胞篩選過程，培養合作探究意識和科學思維、科學探究能力。

③通過分析早早孕試紙（卡）和生物導彈等原理，體會單克隆抗體的實踐應用，關注生物工程技術的發展和應用前景，樹立社會責任意識。

3教學過程

3.1創設情境，引發學習激情

教師播放“關于新型冠狀病毒的一切”視頻，讓學生了解新型冠狀病毒的致病和新冠肺炎治愈與機體免疫聯系，同時教師設計如下問題串引導學生回顧免疫系統的組成和功能，引出單克隆抗體的概念：①免疫系統如何阻止新型冠狀病毒的傳播？②在阻止病毒傳播和消滅過程中，T細胞、B細胞和抗體的作用分別是什么？③針對傳統抗體獲取過程和作用特點，如何提高抗體的作用效果？④什么是單克隆抗體？制備單克隆抗體最大障礙是什么？

設計意圖：教師創設真實情境，引導學生關注社會熱點問題，促進學生運用科學知識發現問題，提出分析和解決問題的方案。在必修教材與選修教材知識串聯基礎上，教師引導學生分析普通抗體特點，引出單克隆抗體的概念，激發學生繼續探究學習的欲望。

3.2問題引導，啟迪思維

在學習單克隆抗體概念基礎上，教師繼續提出問題引導學生思考：①己知一種B淋巴細胞能產生一種特定抗體，不能大量增殖，但什么細胞能在體外培養條件下能無限增殖？②根據所學知識，設計出既能產生大量抗體又能大量增殖的細胞需要涉及生物工程中哪些技術手段？

學生經過獨立思考，然后在學習小組內進行分享交流、完善思路，最終小組代表在班級內進行闡述和評價完善設計思路，總結出“得到既能產生大量抗體又能大量增殖的細胞”可以主要通過三種途徑，并構建圖1所示概念模型圖。

途徑①：利用基因工程獲取B細胞中抗體合成基因，構建基因表達載體后導入到瘤（癌）細胞中，得到既能產生特異抗體又能無限增殖的瘤細胞，大量培養，提取獲得大量抗體（或將瘤（癌）細胞中的無限增殖基因導入到B細胞中），涉及的技術手段有轉基因技術、動物細胞培養技術。

途徑②：通過讓B細胞和瘤（癌）細胞融合，得到既能產生特異抗體又能無限增殖的雜種細胞，大量培養，提取獲得大量抗體。涉及的技術手段有動物細胞融合和動物細胞培養技術。

途徑③：通過核移植技術，將B細胞的細胞核移植到去核的胚胎細胞中，得到既能產生特異抗體又能大量增殖的重組細胞，大量培養，提取獲得大量抗體。涉及的技術手段有核移植技術和動物培養技術。

教師在肯定學生思路的同時，向學生介紹了1975年英國科學家米爾斯坦和德國科學家科勒在前人實驗的基礎上，設計了一個極富挑戰性的的實驗設計方案，并依據此思路設計完成實驗，獲得了1984年的諾貝爾生理學或醫學獎。該方案思路與學生的第②種途徑基本相同，教師表揚了學生的設計方案。

設計意圖：教師利用問題，引導學生發散思維，基于生物學事實和證據，運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法，構建單克隆抗體制備流程概念圖模型，培養學生運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。教師介紹單克隆抗體科學史和肯定評價學生方案，激起學生繼續探究學習的欲望。

3.3實驗探究，過程釋疑，突破難點

教師在圖1單克隆抗體制備概念模型基礎上，依據科學家米爾斯坦和科勒實驗思路，提出問題串：①什么是動物細胞融合？它與高等動物個體產生和發育的什么過程類似？它與植物體細胞雜交過程的技術手段和原理相同嗎？②教材63頁的圖2-24“單克隆抗體制備過程示意圖”中，多次用特定抗原（如SARS-CoV-2的s蛋白）免疫小鼠的目的是什么？③在培養液中，細胞融合是隨機的，融合的細胞有幾種？如何從培養液中篩選出異核型（即不同種細胞核融合，下同）雜交瘤細胞？④篩選出的異核型雜交瘤細胞一定是能產生針對新型冠狀病毒的抗體嗎？

學生在問題的引導下，通過查閱資料和小組討論，能順利地解決問題①和②，知道受精作用過程就是一種典型的細胞融合過程，并通過列表對比動物細胞融合與植物體細胞雜交過程在技術手段、誘導融合方法、涉及的原理、最終結果及用途等方面的異同;知道了反復注射特定抗原目的是獲得足夠多的能分泌針對特定抗原抗體的B淋巴細胞，理解了問題③中存在3種隨機融合細胞類型等知識。但是，學生對于問題③、④，即如何利用選擇培養基從融合細胞中篩選出異核型雜交瘤細胞，如何對雜交瘤細胞克隆化培養和專一性抗體檢測原理不清楚。此時，教師及時向學生提供HAT選擇培養基與克隆化培養的兩份相關資料，讓學生分析并探究相關問題。

資料1：HAT培養基是根據細胞由次黃嘌呤核苷酸（H）和嘧啶核苷酸（T）合成DNA途徑而設計的。正常細胞DNA合成途徑有主要途徑和補救途徑：氨基喋呤（A）能抑制DNA合成主要途徑;另一補救途徑是在次黃嘌呤和胸腺嘧啶核苷存在的情況下，經酶催化合成DNA。而骨髓瘤細胞的DNA合成沒有此補救途徑，B淋巴細胞具有DNA合成的兩種途徑，但本身增殖能力有限。請根據以上資料，設計一種方法（不考慮機械方法），從兩種細胞融合的培養液中分離出異核型的雜交瘤細胞，并解釋篩選的原理。

方法：——;原理：——。

學生經過分析資料、自主探究和小組討論后，相互表達交流，完善觀點。最終，師生共同得出結論：方法為培養液中加入氨基喋呤，收集不斷增殖的細胞。原理是B淋巴細胞及自身融合的細胞不能大量增殖，骨髓瘤細胞及其自身融合細胞DNA合成途徑被氨基喋呤阻斷也不能增殖，只有融合成功的異核型雜交瘤細胞能利用DNA的補救途徑不斷增殖。

解決了異核型雜交瘤細胞篩選后，教師提出疑問：通過HAT培養基選擇出的異核型雜交瘤細胞一定就是能產生針對新型冠狀病毒的S蛋白專一性抗體嗎？如何才能選出產生專一性抗體的陽性異核型雜交瘤細胞？片刻思考后，教師多媒體展示雜交瘤細胞篩選及克隆化培養示意圖（圖2）和資料2，讓學生分析思考。

資料2：克隆化培養就是擴大化培養，是在一定的培養基上培養雜交瘤細胞，讓其進行有絲分裂，產生大量的相同的雜交瘤細胞。目前常用的克隆化培養采用的是有限稀釋法，是指從多孔培養板中收集增殖的異核型雜交瘤細胞，經逐步稀釋使每孔只有一個細胞，使其增殖。一個雜交瘤細胞只能產生一種與特定抗原特異性結合的抗體。

請根據資料信息，結合圖2，說明如何進一步篩選能產生針對新型冠狀病毒S蛋白抗體的異核型雜交瘤細胞。

學生分析資料2和圖2，通過自主探究和小組內討論、交流，展示自己的觀點，并結合其他小組評價，修正完善觀點。

教師利用多媒體展示經過修正的觀點：將收集到的不斷增殖異核型雜交瘤細胞稀釋，用多孔培養板培養，使每孔細胞只有一個，通過培養讓細胞增殖。然后，檢測各孔上清液中細胞分泌的抗體，上清液可與制備的S蛋白抗原結合的培養孔為陽性孔。陽性孔中的細胞還不能保證來自單個細胞和穩定產生專一性抗體，挑選陽性孔的雜交瘤細胞繼續進行3～5次的有限稀釋培養，直至確信每個孔中的增殖細胞為單克隆細胞。這個過程稱為克隆化培養，獲得的單克隆細胞再通過體外培養或利用小鼠腹腔培養，再提純獲取的抗體稱為單克隆抗體。

設計意圖：組織以探究為特點的主動學習是落實核心素養的關鍵。在本環節教學中，教師利用創設探究性學習情境，通過提供資料信息和設計問題，有目的、有步驟地引導學生自主觀察、描述，作出對問題的解釋，突破重點和難點，學習中每個學生積極與他人合作和交流。整個學習過程始終圍繞單克隆抗體這一重要概念進行組織教學，體現細胞結構和功能的統一性，有效地發展了學生的生命觀念，促進了科學思維和科學探究等素養的落實。

3.4借助實例分析得出結論，體會應用

教師展示尼妥珠單抗注射液和人絨毛膜促性腺激素（HCG）膠體金快速檢測試紙（膠體金法）圖片及其檢測說明，引導學生分析說明該單克隆抗體具有的特點。教師展示抗癌藥物和生物導彈（單抗藥物）作用特點（圖3）及單克隆抗體偶聯藥物作用機制示意圖（圖4），讓學生根據圖示提示，嘗試解釋“生物導彈”設計原理及在治療癌癥、新型冠狀病毒肺炎等疾病上體現出的優點。

學生經過分析自主探究和小組交流后，小組代表在班內展評，最終完善觀點，得出單克隆抗體在診斷病癥中體現的特點及生物導彈的原理和優勢。教師展示完善的觀點：實例反映單克隆抗體具有靈敏度高、特異性強的特點;生物導彈設計原理和優點是由單克隆抗體和毒素、藥物（或放射性同位素）組成，其利用了單克隆抗體作為“瞄準”導向裝置，將毒素或藥物定向帶到病原體或癌細胞原位而發揮作用，優點是既不損失正常細胞又減少了用藥劑量，是一種療效高、毒副作用小的新型藥物。

設計意圖：教師利用實例引導學生分析，讓學生在問題的引領下獲取知識，真正理解單克隆抗體在生活實踐中的應用，提升學生對生物科技的興趣，進而加強關注生物技術的發展和與生物相關的社會熱點問題，樹立社會責任意識。

3.5總結提升，適時評價

教師提示學生利用融合和單克隆為關鍵詞：，自主構建本節知識網絡，通過展示、交流和完善，師生共同構建某一特定單克隆抗體制備過程思維導圖（圖5），梳理本節要點知識，加深學生對單克隆抗體概念的理解和掌握。最后，教師利用典型例題對學生學習效果進行檢測和適時評價，提升學生對知識的理解和運用能力。

設計意圖：構建知識網絡，梳理知識要點，能加強學生對所學知識的理解和掌握。通過適時的教學評價，教師可以了解學生對知識掌握程度，對相關概念是否能夠融會貫通，檢測本節教學目標是否實現，發現教學上存在的不足與缺陷，為改進和更加有效實施教學行為提供努力方向。

4教學反思

新的課程改革表明，學生學習不僅是為了考試，更重要的是發展學生的核心素養，培養學生在解決真實情境中的生物學問題時所表現出來的必備品格和關鍵能力。本節課以建構主義學習理論為基礎進行設計，教學始終圍繞“細胞工程通過細胞水平上的操作，獲得有用的生物體或其產品——單克隆抗體”這一大概念進行，利用最新發生的新型冠狀病毒肺炎社會熱點問題創設主題化教學情境貫穿教學始終，通過視頻、圖片等素材，輔助了課堂學生的學習活動，突出重點，突破了難點，充分調動了學生的學習內驅力。層層遞進的問題串引導學生在探究活動中主動獲得知識，建構單克隆抗體概念，發展核心素養。通過分析單克隆抗體藥物實例及概念圖的構建，學生運用所學知識分析、解釋問題，最大限度地應用知識，并關注、解決（解釋）生產生活中的生物學問題，樹立社會責任意識，一定程度上實現了立德樹人的育人目標。