基于STS教學模式的問題串教學

郭敬穎

［摘 要］單克隆抗體的制備作為一個微專題在高三二輪復習中經常出現，利用STS教學模式，結合抗原檢測試紙這一生活用品，將與單克隆抗體有關的知識點（如免疫調節、基因工程、細胞培養等）進行串聯，通過設置問題串，引導學生面對真實的生活問題，結合已有的知識及查閱相關資料，達到解決問題的目的，并在此過程中培養學生的核心素養。

［關鍵詞］問題串；STS教學模式；單克隆抗體

［中圖分類號］??? G633.91??????? ［文獻標識碼］??? A??????? ［文章編號］??? 1674-6058（2024）14-0088-04

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》的“實施建議”中提出，要注意引導學生關注社會熱點問題，了解相關的原理和主要技術路線，結合已有知識，解決社會真實情境中的問題，加深對科學、技術、社會相互關系的認識[1]。STS是科學（Science）、技術（Technology）和社會（Society）的英文縮寫。STS教學模式旨在將系統的、綜合的、開放的、發展的思維方式融入教學，以問題為中心，通過創設情境、交流討論等方式，加強科學與技術、社會之間的聯系，從而達到培養學生的科學意識、科學態度、科學思維的目的[2]。

本文以人教版（2019年版）高中生物學選擇性必修3中的“單克隆抗體及其應用”為基礎，結合抗原檢測試紙這一生活用品，以抗原檢測試紙中單克隆抗體的制備為例，設置連貫的問題串，引導學生將已有的知識進行串聯，并在解決問題的過程中培養生物學學科核心素養。

一、教材分析及教學思路

“單克隆抗體及其應用”是人教版（2019年版）高中生物學選擇性必修3第2章第2節的內容，是動物細胞融合技術的具體應用，且單克隆抗體在疾病診斷、病原體鑒定、疾病治療中發揮重要作用，是知識與生產生活實踐相結合的典型案例。雖然教材中以圖示的方式展現單克隆抗體的制備過程，有助于學生理解關鍵步驟，但是在高三復習中，學生遇到具體的情境分析和綜合類問題時，還是很難將已有知識聯系起來靈活運用。

本節課以抗原檢測試紙這一生活用品為素材創設生活情境引入，通過層層設問的方式，圍繞單克隆抗體的制備這一核心知識，拓展教材中的制備過程，融合基因工程、微生物培養、動物細胞培養等實驗情境，將知識點進行串聯，形成相對完整的技術路線，引導學生綜合運用已有知識解決相應的問題。

二、教學目標

基于課程標準的具體要求，制訂如下教學目標：（1）以抗原檢測試紙中單克隆抗體的制備為出發點，分析與單克隆抗體有關的生物學知識和技術；（2）基于真實的實驗情境，梳理歸納單克隆抗體制備的主要技術路線，通過提出問題并主動尋找答案的方式培養科學思維；（3）能靈活運用所學知識解決實際生活中的問題，注重在社會擔當與社會實踐等方面滲透社會責任。

三、教學過程

（一）拆解試劑盒，創設生活情境

［活動設計］分發新冠肺炎病毒抗原檢測試紙，讓學生按照說明書進行操作；展示抗原檢測試紙的結構示意圖（如圖1），引導學生拆解抗原檢測試紙，并結合示意圖分析各個部分的主要成分及作用；利用紙質“抗體”在黑板上擺出抗原檢測試紙模型。教師提問：“能否結合抗原檢測試紙的內部結構和模型，解釋抗原檢測的原理？陽性為什么會出現兩道杠呢？”請學生結合試紙呈現的條帶（如圖2）分析檢測結果。

[偶合物墊][吸水墊][PVC底板][NC膜][T線][C線]

圖1

[C][T][C][T][C][T][A][B][C][D][E]

圖2

抗原檢測試紙，是學生在社會生活中會接觸和使用到的物品，但是學生對其內部構造不甚了解。引導學生拆掉包裝，觀察試紙的結構，能引發學生極大的興趣。讓學生對照示意圖，了解其中各個部分的主要成分和作用，以及膠體金法抗原檢測試紙的工作原理——抗原抗體特異性結合。這一環節，體現了技術與社會之間的緊密結合。

（二）設置問題串，分析科學原理

［活動設計］抗原檢測試紙中的關鍵成分是單克隆抗體，通過提問的方式，引導學生了解制備單克隆抗體的原理、流程、主要技術和優點等，將知識串聯成體系，并進行歸納整理，最終利用技術路線圖的形式呈現。

［問題1］抗體是如何產生的？為什么不直接從動物血清中獲取抗體用于抗原檢測試紙？

回顧抗體產生的過程，復習體液免疫的相關知識點。從動物血清中獲取的抗體能針對多種病原體，但特異性不強且量少。由此得出單克隆抗體具有特異性強，可以大量制備的優點。為制備單克隆抗體時需要進行第二次篩選埋下伏筆。

［問題2］為了獲取單一的、能大量制備的抗體，米爾斯坦和科勒提出了單克隆抗體的制備思路：利用可以產生抗體的漿細胞和能大量增殖的骨髓瘤細胞融合，所得到的細胞既可以大量增殖，又可以產生人們所需要的抗體，能否根據圖示（如圖3）繪制簡單的技術路線？

[骨髓瘤細胞][B淋巴細胞][抗新冠肺炎病毒的單克隆抗體][①][②][③][④]

圖3

單克隆抗體的制備過程在教材中以圖示呈現，學生很熟悉。要求學生用簡單的技術路線將已有的知識換種方式呈現，可鍛煉學生獲取信息、提煉信息的能力。隨著問題的不斷提出，逐步對技術路線進行填充，對知識進行遷移。

［問題3］給小鼠注射抗原是為了獲取能產生特定抗體的B淋巴細胞。可以用病毒直接進行注射嗎？如果不可以，該如何獲得抗原呢？

在本節課之前，學生已學習了基因工程的相關知識，這時用轉基因的手段獲取大量的能引起免疫反應的部分病毒蛋白（N蛋白）成為可能。以問題3為前提，可以引導學生復習基因工程的相關知識點（如圖4），同時結合具體的情境，明白獲取目的基因時需要先進行逆轉錄，增強知識的綜合性和應用性。

[M][E][S][RNA][RNA][DNA][N基因][選擇性

擴增][①][②]

[攜帶N基因的重組表達載體][導入細胞

培養][細胞表達

N蛋白][③][④]

圖4

［問題4］B淋巴細胞在骨髓中產生并成熟，主要分布于淋巴結和脾臟中。該如何獲取B淋巴細胞呢？

從已免疫的小鼠中獲取B淋巴細胞在教材圖示中介紹得比較簡單，但是這部分操作涉及的知識點較多，可以展開分析。例如，為什么選擇脾臟作為材料提取B淋巴細胞？細胞的體外培養都需要哪些條件？動物細胞的原代培養和傳代培養具體如何操作？等等。本環節是對免疫系統和動物細胞培養的相關知識進行回顧。在教學中，也有學生提出問題：脾臟里的細胞種類很多，如何能將B淋巴細胞篩選出來呢？學生帶著這個疑惑，查閱相關資料，進一步了解細胞分選技術。

［拓展閱讀］從脾臟細胞中高效分離單個抗原特異性 B 淋巴細胞的方法：利用以生物標記的非 B 細胞淋巴細胞表面標志物抗體對脾臟細胞進行負篩選（殺死不需要的脾臟細胞），再利用親和素磁珠與磁性分離原理去除非 B 細胞，以提高脾臟細胞中B淋巴細胞的相對豐度；利用熒光標記的 IgM 多克隆抗體和預標記篩選用抗原，對前面得到的脾臟細胞進行進一步負篩選，以流式細胞技術去除表面不表達 IgG 分子的 B 細胞，保留與預標記篩選用抗原結合的目標淋巴細胞；利用熒光染料7- AAD 進行分選，去除死細胞；用流式細胞儀進行單細胞的篩選，得到目標淋巴細胞。

［問題5］細胞膜作為細胞的邊界，使每個細胞成為相對獨立的系統，欲使兩個相對獨立的細胞進行融合，可利用細胞膜具有一定的流動性的特點。在植物體細胞雜交一節介紹了促進植物細胞融合的方法，那么促進動物細胞融合的方法與促進植物細胞融合的方法有哪些不同呢？

對比植物細胞融合的方法，明確促進動物細胞融合時可以用滅活的病毒這一方法。這時，學生自然會想到，為什么在植物細胞融合時不能用滅活的病毒呢？結合已有的知識可知，病毒進入細胞的方式主要有三種：一種是通過與細胞膜上的糖蛋白結合，以胞吞的方式進入（如腺病毒）；一種是吸附以后將核酸注入細胞內，蛋白質外殼留在外面（如噬菌體）；一種是具有包膜的病毒通過膜融合的方式入侵細胞（如仙臺病毒）。促進動物細胞融合主要利用了第三種方式，而植物病毒目前沒有發現以這種方式入侵植物細胞，也就無法利用病毒促進植物細胞融合了。

［問題6］B淋巴細胞和骨髓瘤細胞是隨機融合的，如果只考慮兩兩融合的情況，溶液中會出現五種細胞：B淋巴細胞、骨髓瘤細胞、B細胞+B細胞、骨髓瘤細胞+骨髓瘤細胞、B細胞+骨髓瘤細胞（雜交瘤細胞），其中只有雜交瘤細胞是我們需要的，這時該如何篩選呢？

[全合成途經：糖和氨基酸][補救合成途經：H、T][A（阻斷）][轉化酶、激酶][核苷酸][DNA]

[免疫B細胞][骨髓瘤細胞][細胞融合][HGPRT+][HGPRT-][HAT培養液][體外長期

培養中死亡][融合的細胞][在HAT培養

液中死亡]

圖5

單克隆抗體中的第一次篩選利用了HAT培養基的工作原理[3]，在這種選擇培養基中，B細胞以及B細胞+B細胞這兩種類型的細胞由于B細胞高度分化、無法分裂而死亡；骨髓瘤細胞以及骨髓瘤細胞+骨髓瘤細胞這兩種類型的細胞由于物質A可以阻斷其中的全合成途徑，又因缺乏次黃嘌呤磷酸核糖轉移酶（HGPRT-）無法完成補救合成途徑而死亡。只有雜交瘤細胞可以利用B淋巴細胞中包含的次黃嘌呤磷酸核糖轉移酶（HGPRT-）完成補救合成途徑中所必需的酶從而存活下來。利用分析選擇培養基的作用機制這一具體實驗情境，結合圖示鍛煉學生獲取信息的能力，培養學生的科學思維和科學探究素養。

［問題7］小鼠接觸的抗原不止一種，不同的B淋巴細胞可以分泌的抗體不同，融合以后得到的雜交瘤細胞也能分泌多種抗體，如何篩選并大量獲取可以分泌特定抗體的雜交瘤細胞呢？

理解單克隆抗體制備過程中進行第二次篩選的目的。講解篩選的兩種方式：一種是流式細胞篩選，通過將細胞標記，用熒光激發和探測器檢測，實現單個細胞的分離；另一種是酶聯免疫吸附實驗（ELISA），篩選過程利用了抗原抗體特異性結合的原理。最后，將篩選得到的細胞進行體外大規模培養或小鼠腹腔增殖以獲取單克隆抗體。

用類似的方法分別獲取制備抗原檢測試紙所需要的其他抗體，并對相應抗體用膠體金粒子標記，通過化學方法將各部分按順序偶聯吸附在硝酸纖維素膜上，最終制得抗原檢測試紙。

（三）梳理總結，繪制技術路線

了解各步驟進行的原理和目的后，結合已有的知識，從技術的原理、關鍵步驟、結果及注意事項等方面總結繪制并完善單克隆抗體制備的技術路線圖，可在模板（如圖6）的基礎上進行補充也可自行繪制。

[一、利用基因工程制備重組抗原

原理：基因重組

步驟：①獲取目的基因（方法：RT-PCR）

②構建基因表達載體（核心）

③將目的基因導入受體細胞（微生物）

④目的基因的檢測與鑒定

結果：獲得能夠表達病毒抗原蛋白的細胞][二、以合適的劑量多次免疫小鼠

目的：獲取能分泌特異性抗體的B淋巴細胞][三、動物細胞培養獲取B細胞

步驟：①取新鮮的小鼠脾臟

②用機械的方法或胰蛋白酶（膠原蛋白酶）進行處理

③分散成單個細胞

④加培養液制成細胞懸液

⑤放入培養瓶，置于適宜環境下培養（原代培養）

⑥分瓶培養（傳代培養）][四、骨髓瘤細胞培養

特點：次黃嘌呤磷酸核糖轉移酶（HGPRT-）缺失][五、將B淋巴細胞與骨髓瘤細胞融合

原理：細胞膜具有一定的流動性

常用方法：PEG、電融合、滅活病毒

結果：如果只考慮細胞兩兩融合，融合后的

細胞會出現五種情況][六、第一次篩選

原理：A阻斷全合成途徑，骨髓瘤細胞缺乏激酶，無法完成補救合成途徑

結果：在HAT培養基上只有雜交瘤細胞可以生存][七、第二次篩選

原理：抗原抗體特異性結合

過程：克隆化培養后用與抗體特異性結合的抗原進行檢測

結果：篩選出可以分泌特異性抗體的雜交瘤細胞][八、擴大培養

體外培養或注射到小鼠腹腔增殖，從細胞培養液或小鼠腹水中獲取單克隆抗體]

圖6

每種技術的發明均是為了解決相應的問題，在遇到問題時，需要對問題進行分析并結合知識分析問題解決的可能性。如果現有的理論支持問題的解決，則需要選擇合適的材料、試劑，設計合理的步驟來達到目的，并在不斷的修正中進行更新；若現有的理論不支持，則可能需要進行更深入的理論研究。通過繪制技術路線圖，培養學生發現、分析、解決問題的思維能力。

（四）自制抗原檢測試劑盒，回歸社會問題

［問題8］基于以上的學習內容，如果給予相應的試劑、儀器和設備，大家能否利用自制的單克隆抗體組裝一個抗原檢測試劑盒呢？

［新聞資料］2022年12月疫情防控期間，面對抗原檢測試劑盒緊缺的狀況，中國石油大學（華東）的科研團隊，憑借多年的科研積累，自制抗原檢測試劑盒，提供給師生免費使用，用所學所長為社會的抗疫事業貢獻了一份力量。制備抗原檢測試劑盒的原理與所學內容相差無幾，但是在操作過程中還有一些具體的細節，有待學生日后學習。

用一則新聞作總結，引導學生面對真實的生活問題，充分運用所學的知識和技能，懷著為社會做貢獻的理念來學以致用。

四、教學反思

本節課的設計重視科學、技術在生產生活中的應用，理論聯系實際，在科學理性的探究中提升學生的社會認知與責任意識。應用STS的教學方式，以問題為中心，通過設置問題串引導學生思考。在教學的過程中，教師的設問比較中規中矩，以引導學生思考、推進教學環節為主，但是在學生的交流討論和提問環節，充分體現了學生的主體地位。學生在回答教師問題的基礎上積極思考，提出了許多更加現實和富有創造性的問題，并對教材之外的知識進行了探討和學習。最后，引導學生大膽設想，所學為所用，樹立學以致用、服務社會的理想信念。

［?? 參?? 考?? 文?? 獻?? ］

[1]? 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]? 黃曉.論STS教育的特點[J].比較教育研究，2002（9）：30-35.

[3]? 李沈，張文元.HAT培養基在雜交瘤細胞應用中的探討[J].浙江省醫學科學院學報，1990（1）：24-25.

（責任編輯??? 羅??? 艷）

［基金項目］湖北省襄陽市教育科研“十四五”規劃2021年度課題“高中生物學教學過程實現核心素養的實踐研究”（NO.XJKGB21294）。