核心素養視域下基于科學史的高中生物學大單元教學實踐研究

［摘 要］文章選擇2023年諾貝爾生理學或醫學獎作為科學史代表，基于核心素養將該諾貝爾獎的成果與高中生物學“免疫調節”單元教學進行有機結合，探尋科學史與高中生物學教材內容的關聯性，挖掘其對高中生物學教學的價值。

［關鍵詞］核心素養；科學史；諾貝爾獎；大單元教學；高中生物學

［中圖分類號］" " G633.91" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）17-0084-04

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出以核心素養為宗旨，內容聚焦大概念[1]。基于大概念設計大單元教學能有效提升學生的學科核心素養。2023年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者的突破性發現從根本上改變了人們對mRNA如何與免疫系統相互作用的理解，選擇該成果作為科學史案例融入高中生物學教學，可以幫助學生深入理解大概念。因此，本文主要介紹該諾貝爾生理學或醫學獎的成果，即mRNA疫苗及其作用機制、應用等內容，并從中挖掘潛在的高中生物學教學價值。

一、諾貝爾獎成果介紹

（一）mRNA疫苗簡介

mRNA（信使核糖核酸）疫苗屬于核酸疫苗，它通過體外轉錄技術合成編碼蛋白質抗原的mRNA，選擇合適的遞送系統將其運送到機體內，依靠自身翻譯系統翻譯成目標蛋白，進而激發機體的免疫反應，從而達到治療效果[2]。與滅活病毒疫苗和DNA疫苗等傳統疫苗相比，mRNA疫苗具有安全性強、穩定性高、可編譯性強、抗原表達效率高、免疫原性強、可大規模生產等優點[3]。

（二）mRNA疫苗發展歷程

mRNA疫苗是30多年來數百名專業人員的研究成果。mRNA早在1961年就已經被發現，但由于它是一種外源性的核酸物質，進入機體內容易被免疫系統識別以及被酶降解，因此mRNA疫苗的相關研究進展較為緩慢。2005年，卡塔林·卡里科和德魯·魏斯曼等人[4]發現對核苷堿基進行修飾可以降低機體免疫系統對RNA的攻擊。mRNA分子通常無法躲避人體免疫系統的清除，而假尿苷具有顯著降低RNA對免疫系統刺激性的功能，研究將假尿苷整合到mRNA中，經過修飾的mRNA能免受免疫系統的攻擊，并相應地產生抗原或其他對抗、治療疾病的蛋白質。科學家的研究提高了mRNA的穩定性，同時減少了炎癥，一舉解決了mRNA在活體內表達所面臨的兩大難題，為進一步利用mRNA開發各種潛在的疫苗奠定了基礎。

在2008年發表的后續研究[5]中，卡塔林·卡里科和德魯·魏斯曼等人發現，經堿基修飾之后的mRNA與未經修飾的相比，其遞送顯著增加了蛋白質的產量。因此，核苷堿基修飾既能減少炎癥反應，又能增加蛋白質的產生，從而消除了mRNA在臨床應用道路上的關鍵障礙。2019年新冠疫情暴發后，全球掀起了新一輪mRNA研究的熱潮。

（三）mRNA疫苗作用機制

mRNA疫苗是基于RNA指導蛋白質合成這一中心法則，在體外設計合成含有編碼特定抗原的mRNA序列。它經過必要的化學修飾、純化加工等步驟，并通過不同的方式遞送至機體細胞內，經過翻譯產生抗原蛋白，模擬機體感染病原體，進而誘導機體的免疫反應，從而達到預期的免疫保護效應[6]。當攜帶抗原的病原體入侵人體時，機體免疫系統將快速觸發針對此抗原的特異性免疫，即體液免疫和細胞免疫。

（四）mRNA疫苗應用

1.感染性疾病治療

應對感染性疾病的mRNA疫苗主要為預防性疫苗，可以用于預防多種病毒，如人類免疫缺陷病毒（HIV）、流感病毒等。mRNA疫苗首次用于疾病預防的是流感性疾病[7]。2019年，新冠疫情的暴發促使mRNA疫苗飛速發展。

2.腫瘤免疫治療

mRNA技術在最初應用時便作為癌癥的潛在治療方法。研究通過使用mRNA轉染樹突狀細胞（mRNA-DC）疫苗來對抗腫瘤細胞并取得了早期突破。70多項已完成的臨床試驗證明了mRNA-DC疫苗在腫瘤治療方面的潛力。

二、諾貝爾獎成果在生物學大單元教學中的應用

“免疫調節”是人教版高中生物學教材選擇性必修1《穩態與調節》第4章的內容，包括4個課題，對應《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中提出的1個重要概念和4個次位概念（見圖1）。2023年諾貝爾生理學或醫學獎的成果適合作為講解“免疫調節”的一個科學案例。例如，mRNA疫苗進入機體后翻譯成抗原蛋白，誘導機體產生針對此抗原蛋白的特異性免疫，從而達到預期的免疫效應，這正是“特異性免疫”的作用過程。因此，本文以“免疫調節”為主題設計大單元教學，以本次諾貝爾獎的成果為教學主線串聯單元知識點，引導學生學習，并通過小組合作探究等方式，構建學科大概念，培養學生生物學學科核心素養。

[大概念：生命個體的結構與功能相適應，各結構協調統一共同完成復雜的生命活動，并通過一定的調節機制保持穩態][次位概念1：舉例說明免疫細胞、免疫器官和免疫活性物質等是免疫調節的結構與物質基礎][單元重要概念：免疫系統能夠抵御病原體的侵襲，識別并清除機體衰老、死亡或異常的細胞，實現機體穩態][次位概念2：概述人體的免疫包括生來就有的非特異性免疫和后天獲得的特異性免疫][次位概念3：闡明特異性免疫是通過體液免疫和細胞免疫兩種方式，針對特定病原體發生的免疫應答][次位概念4：舉例說明免疫功能異常可能引發疾病，如過敏、自身免疫病、艾滋病和先天性免疫缺陷病等][課題4：免疫學的應用][課題3：免疫失調][課題2：特異性免疫][課題1：免疫系統的組成和功能][活動1：觀看病毒入侵人體視頻，歸納人體第一、第二道防線

活動2：梳理免疫細胞發現史，歸納、總結免疫系統的組成][活動1：結合mRNA疫苗修飾，探究免疫系統識別病原體的過程

活動2：探究mRNA疫苗的作用機制，構建特異性免疫過程][活動1：結合接種mRNA疫苗的過程，探究過敏反應和自身免疫病

活動2：分析新冠肺炎的相關資料，繪制內環境穩態關系圖][活動1：從免疫學角度分析mRNA疫苗的作用原理，認識疫苗

活動2：梳理mRNA疫苗發展歷程，并拓展至艾滋病疫苗的研制現狀]

（一）設計單元教學目標

1.能夠以mRNA疫苗為例，概述免疫系統發揮作用的機制，運用穩態與平衡觀解釋內環境穩態維持需要免疫調節、神經調節和體液調節同時參與，運用結構與功能觀闡釋免疫功能異常可能引發疾病的原因，并舉例說明[8]。

2.能夠通過分析mRNA疫苗的相關科學史和科學家的相關實驗，逐步構建免疫系統的組成、特異性免疫等模型，提升分析能力以及對實驗結果的交流與討論能力[9]。

3.能夠結合mRNA疫苗的作用機制，構建細胞免疫和體液免疫的模式圖，闡述人體免疫系統抵御病原體侵襲的機制，逐步發展科學思維核心素養[10]。

4.通過了解mRNA疫苗的發展歷程，深入探討身邊的相關生物學議題（如諾貝爾獎等），能夠講述生物學科在現實社會中的具體應用，培養運用生物學知識推動社會進步的責任感[11]。

（二）設計單元教學過程

1.設計單元情境

北京時間2023年10月2日，瑞典卡羅林斯卡醫學院諾貝爾獎委員會宣布，2023年諾貝爾生理學或醫學獎授予美國科學家卡塔林·卡里科和德魯·魏斯曼，用以表彰他們在核苷堿基修飾方面的發現，從而使得有效預防新冠肺炎的mRNA疫苗能夠得以開發。在現代人類健康面臨最大威脅期間，他們為加快疫苗的開發作出了突出貢獻。

單元核心問題：以新冠病毒為例，探究人體如何抵御病原體的入侵，如何識別并清除體內的病原體，mRNA疫苗接種后如何通過免疫系統保持穩態。

2.設計課題教學活動

【課題1】免疫系統的組成和功能

核心問題：人體在未接種mRNA疫苗之前是如何阻擋病原體入侵的？

導入環節：播放諾貝爾生理學或醫學獎頒獎視頻，介紹兩位獲獎者的研究成果對新冠疫情防控的影響，即由于開發出有效抵抗新冠病毒的mRNA疫苗，使得人類能夠有效預防新冠肺炎。同時創設問題情境：在接種疫苗之前，人體是如何抵御新冠病毒的呢？

活動1：播放病毒入侵人體的視頻，分析人體對病毒的抵御過程，同時結合教材內容，引導學生概括出人體第一、第二道防線的組成和功能。

活動2：梳理免疫細胞發現史，引導學生討論免疫細胞的產生部位和種類，歸納、總結免疫系統的組成，繪制并解釋免疫系統的概念圖。

【課題2】特異性免疫

核心問題：接種mRNA疫苗后，機體如何識別和清除侵入機體的病原體？

導入環節：如果前兩道防線都未能阻止新冠病毒的入侵，人體又該如何應對？mRNA疫苗如何抵御病毒入侵呢？

活動1：結合mRNA疫苗修飾，以第一人稱視角探究免疫細胞識別己方和敵方的過程，展示T淋巴細胞和B淋巴細胞的特點。

活動2：以mRNA疫苗的作用機制模擬病毒突破人體第一、第二道防線之后的入侵路線，構建人體體液免疫和細胞免疫的過程。

【課題3】免疫失調

核心問題：過敏反應和自身免疫病是什么？它們產生的原因又是什么？

導入環節：為什么接種疫苗后需要在現場觀察半個小時，且有人毫無反應，有人卻反應強烈？

活動1：結合接種mRNA疫苗的過程，探究過敏反應和自身免疫病，歸納什么是過敏反應，過敏原的類型以及過敏反應的過程和特點。

活動2：分析新冠肺炎的相關資料，繪制神經系統、內分泌系統和免疫系統的關系圖。

【課題4】免疫學的應用

核心問題：什么是疫苗？疫苗有什么作用？

導入環節：雖然有兩種特異性免疫的保護，但病毒的危害不容小覷，哪些方式可以預防新冠肺炎等傳染性疾病？mRNA發現早卻無疫苗，為何該疫苗研制難度如此大？mRNA疫苗的研究進展如何？

活動1：從免疫學角度分析mRNA疫苗的作用原理，并以新冠疫苗為例設計問題串：為什么接種完疫苗后要監測接種者的體溫和隨時觀察是否有不適反應？為什么新冠疫苗共接種三劑？三劑的接種為何需要間隔一定的時間？新冠疫苗需要在哪些方面做出調整？

活動2：梳理mRNA疫苗發展歷程，并拓展至艾滋病疫苗的研制現狀，了解HIV感染人體的機理，如何預防其傳播，以及如何正確對待艾滋病患者。

【單元小結】教師展示示例，學生自主構建免疫系統的思維導圖。

3.設計意圖

基于諾貝爾獎的成果創設教學情境，給學生提供真實的情境材料，增強內容的直觀性。首先，通過設計與課題相關的核心問題，創設相應的學習活動，提升課堂的趣味性，觸發學生的探索欲望，幫助學生建構連貫的知識體系與框架。以該情境為主線進行大單元教學實施、總結，真正抓住核心內容，將“先天免疫應答”“免疫學的應用”等知識串聯起來構建出系統的知識結構，有效梳理出教材知識的邏輯結構，幫助學生形成完整的知識體系，了解科學研究的思路和方法，提升學生的科學思維，并培養學生穩態與平衡觀等生命觀念。其次，通過閱讀資料和課本總結、歸納相關概念，提高學生的自主學習能力和從圖文中獲取信息的能力，以及通過梳理相關科學史培養學生的科學探究意識，進而促進學生學科核心素養的培養。最后，借助思維導圖進行小組討論、評價，構建一個系統性的知識框架，厘清各個知識點之間的聯系，使學生更加深入地理解知識的本質和意義。此外，生物科學史中蘊含的內容極其豐富，比起直接、生硬地向學生介紹有關內容，在教學時引導學生嘗試像科學家一樣去探究，不僅可以提高學生的學習興趣，培養學生積極向上的科學態度、提升學生的創新實踐能力，還能夠使生物科學進展在教學中的滲透更加“潤物細無聲”，有利于學生正確認識生物技術，將理論問題實踐化，客觀面對相關社會性科學議題，培養學生的社會責任感。

三、總結

生物學是綜合性較強的學科，高中階段的生物學學習需要在知識來源上具有廣度，在知識理解上具有深度，而高中階段的生物學教學缺乏整體性，容易造成學生趨向于碎片化學習，同時學生缺乏解決真實問題的體驗感，這會降低學生學習的積極性和主動性。諾貝爾獎的各項成果是教師進行教學研究的優質素材，為教師提高自身知識儲備提供了良好契機，并且大單元教學能夠在教學時貫穿相關的學習內容，提高學生獲取知識的效率，加強知識之間的邏輯關聯性，搭建完善的生物學知識框架。本文針對2023年諾貝爾生理學或醫學獎的成果進行相關分析與教學應用研究，從課標要求的大概念出發，創設相關情境，設計大單元教學，包括教學目標設計、單元情境設計、教學活動設計等環節，營造良好的知識環境，改變學生碎片化學習的狀態，全面培養其學科核心素養，促進高中生物學教學質量的提升。因此，對于教師而言，有必要關注最新的科學進展，充分挖掘其背后的教學價值，提升自身專業能力，從而進一步激發學生對高中生物學的學習興趣，幫助學生形成清晰的學科大概念，獲得相應的關鍵能力，具備正確的生命觀念、科學思維、科學探究能力和社會責任感。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]［8］［9］［10］［11］" 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 蔚丹，馬云龍，萬方，等. mRNA疫苗的研究及應用進展[J].生物技術進展，2023（4）：492-498.

[3]" 張傲，劉可欣，劉佳利，等. mRNA疫苗的應用及研究進展[J].中國獸醫科學，2023（3）：366-372.

[4]" KARILKó K，BUCKSTEIN M，NI H，et al.Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors：the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA[J].Immunity，2005（2）：165-75.

[5]" KARIKó K，MURAMATSU H，WELSH F A，et al.Incorporation of pseudouridine into mRNA yields superior nonimmunogenic vector with increased translational capacity and biological stability[J].Molecular Therapy，2008（11）：1833-40.

[6]" 尼博，李月華，劉拂曉，等. mRNA疫苗研究進展及其在傳染病防控中的應用[J].中國獸醫學報，2022（3）：600-606.

[7]" BOCZKOWSKI D，NAIR SK，SNYDER D，et al. Dendritic cells pulsed with RNA are potent antigen-presenting cells in vitro and in vivo[J].Joural of Experimental medicine，1996（2）：465-472.

（責任編輯 羅 艷）