基于培养生物学学科核心素养的情境化教学设计

尹利军 张瑜 潘建英

摘要：以新型冠状病毒肺炎这一社会热点创设主题式教学情境，利用问题串引导学生探究学习单克隆抗体制备，在构建单克隆抗体概念中，培养学生分析、推理、实验设计等能力，发展学生的生物学学科核心素养。

关键词：单克隆抗体 细胞融合 教学设计 生物学学科核心素养

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

1教材分析与设计思路

“动物细胞融合与单克隆抗体”是人教版高中生物教材《现代生物科技专题》专题2“动物细胞工程”第二节的内容，包括动物细胞融合和单克隆抗体制备两部分内容。其中单克隆抗体的制备是当前社会上的生物学热点技术，与人类疾病的诊断与治疗密切相关，且制备过程技术难度要求高，在高中阶段难以通过实验完成，将其确定为本节的重点和难点内容。为突出重点、突破难点，教师以“细胞工程通过细胞水平上的操作，获得有用的生物体或其产品”这一大概念为基础，通过创设真实的主题化教学情境贯穿整个教学过程，利用问题串引导学生主动思维，促进学生开展探究类学习活动，加深对单克隆抗体概念的理解，结合典型实例提升应用知识能力。通过本节学习，学生在形成生物学核心素养的同时，学习运用科学的观点、知识、思路和方法解决现实生活中的生物学问题。教师指导学生在现实生活背景中能运用生物学原理和方法参与社会事务的讨论或作出相关的个人决策，加深学生对科学、技术、社会相互关系的认识，促进学生树立正确的人生观和价值观，最终达到“立德树人”的教育目标。

2教学目标

①通过分析新型冠状病毒（SARS-cov-2）致病和新冠肺炎治愈实例，使学生了解普通抗体和单克隆抗体的区别，通过构建单抗概念模型，理解单克隆抗体制备流程，构建结构与功能相适应的生命观念。

②通过探究性学习杂交瘤细胞筛选过程，培养合作探究意识和科学思维、科学探究能力。

③通过分析早早孕试纸（卡）和生物导弹等原理，体会单克隆抗体的实践应用，关注生物工程技术的发展和应用前景，树立社会责任意识。

3教学过程

3.1创设情境，引发学习激情

教师播放“关于新型冠状病毒的一切”视频，让学生了解新型冠状病毒的致病和新冠肺炎治愈与机体免疫联系，同时教师设计如下问题串引导学生回顾免疫系统的组成和功能，引出单克隆抗体的概念：①免疫系统如何阻止新型冠状病毒的传播？②在阻止病毒传播和消灭过程中，T细胞、B细胞和抗体的作用分别是什么？③针对传统抗体获取过程和作用特点，如何提高抗体的作用效果？④什么是单克隆抗体？制备单克隆抗体最大障碍是什么？

设计意图：教师创设真实情境，引导学生关注社会热点问题，促進学生运用科学知识发现问题，提出分析和解决问题的方案。在必修教材与选修教材知识串联基础上，教师引导学生分析普通抗体特点，引出单克隆抗体的概念，激发学生继续探究学习的欲望。

3.2问题引导，启迪思维

在学习单克隆抗体概念基础上，教师继续提出问题引导学生思考：①己知一种B淋巴细胞能产生一种特定抗体，不能大量增殖，但什么细胞能在体外培养条件下能无限增殖？②根据所学知识，设计出既能产生大量抗体又能大量增殖的细胞需要涉及生物工程中哪些技术手段？

学生经过独立思考，然后在学习小组内进行分享交流、完善思路，最终小组代表在班级内进行阐述和评价完善设计思路，总结出“得到既能产生大量抗体又能大量增殖的细胞”可以主要通过三种途径，并构建图1所示概念模型图。

途径①：利用基因工程获取B细胞中抗体合成基因，构建基因表达载体后导入到瘤（癌）细胞中，得到既能产生特异抗体又能无限增殖的瘤细胞，大量培养，提取获得大量抗体（或将瘤（癌）细胞中的无限增殖基因导入到B细胞中），涉及的技术手段有转基因技术、动物细胞培养技术。

途径②：通过让B细胞和瘤（癌）细胞融合，得到既能产生特异抗体又能无限增殖的杂种细胞，大量培养，提取获得大量抗体。涉及的技术手段有动物细胞融合和动物细胞培养技术。

途径③：通过核移植技术，将B细胞的细胞核移植到去核的胚胎细胞中，得到既能产生特异抗体又能大量增殖的重组细胞，大量培养，提取获得大量抗体。涉及的技术手段有核移植技术和动物培养技术。

教师在肯定学生思路的同时，向学生介绍了1975年英国科学家米尔斯坦和德国科学家科勒在前人实验的基础上，设计了一个极富挑战性的的实验设计方案，并依据此思路设计完成实验，获得了1984年的诺贝尔生理学或医学奖。该方案思路与学生的第②种途径基本相同，教师表扬了学生的设计方案。

设计意图：教师利用问题，引导学生发散思维，基于生物学事实和证据，运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法，构建单克隆抗体制备流程概念图模型，培养学生运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。教师介绍单克隆抗体科学史和肯定评价学生方案，激起学生继续探究学习的欲望。

3.3实验探究，过程释疑，突破难点

教师在图1单克隆抗体制备概念模型基础上，依据科学家米尔斯坦和科勒实验思路，提出问题串：①什么是动物细胞融合？它与高等动物个体产生和发育的什么过程类似？它与植物体细胞杂交过程的技术手段和原理相同吗？②教材63页的图2-24“单克隆抗体制备过程示意图”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在培养液中，细胞融合是随机的，融合的细胞有几种？如何从培养液中筛选出异核型（即不同种细胞核融合，下同）杂交瘤细胞？④筛选出的异核型杂交瘤细胞一定是能产生针对新型冠状病毒的抗体吗？

学生在问题的引导下，通过查阅资料和小组讨论，能顺利地解决问题①和②，知道受精作用过程就是一种典型的细胞融合过程，并通过列表对比动物细胞融合与植物体细胞杂交过程在技术手段、诱导融合方法、涉及的原理、最终结果及用途等方面的异同;知道了反复注射特定抗原目的是获得足够多的能分泌针对特定抗原抗体的B淋巴细胞，理解了问题③中存在3种随机融合细胞类型等知识。但是，学生对于问题③、④，即如何利用选择培养基从融合细胞中筛选出异核型杂交瘤细胞，如何对杂交瘤细胞克隆化培养和专一性抗体检测原理不清楚。此时，教师及时向学生提供HAT选择培养基与克隆化培养的两份相关资料，让学生分析并探究相关问题。

资料1：HAT培养基是根据细胞由次黄嘌呤核苷酸（H）和嘧啶核苷酸（T）合成DNA途径而设计的。正常细胞DNA合成途径有主要途径和补救途径：氨基喋呤（A）能抑制DNA合成主要途径;另一补救途径是在次黄嘌呤和胸腺嘧啶核苷存在的情况下，经酶催化合成DNA。而骨髓瘤细胞的DNA合成没有此补救途径，B淋巴细胞具有DNA合成的两种途径，但本身增殖能力有限。请根据以上资料，设计一种方法（不考虑机械方法），从两种细胞融合的培养液中分离出异核型的杂交瘤细胞，并解释筛选的原理。

方法：——;原理：——。

学生经过分析资料、自主探究和小组讨论后，相互表达交流，完善观点。最终，师生共同得出结论：方法为培养液中加入氨基喋呤，收集不断增殖的细胞。原理是B淋巴细胞及自身融合的细胞不能大量增殖，骨髓瘤细胞及其自身融合细胞DNA合成途径被氨基喋呤阻断也不能增殖，只有融合成功的异核型杂交瘤细胞能利用DNA的补救途径不断增殖。

解决了异核型杂交瘤细胞筛选后，教师提出疑问：通过HAT培养基选择出的异核型杂交瘤细胞一定就是能产生针对新型冠状病毒的S蛋白专一性抗体吗？如何才能选出产生专一性抗体的阳性异核型杂交瘤细胞？片刻思考后，教师多媒体展示杂交瘤细胞筛选及克隆化培养示意图（图2）和资料2，让学生分析思考。

资料2：克隆化培养就是扩大化培养，是在一定的培养基上培养杂交瘤细胞，让其进行有丝分裂，产生大量的相同的杂交瘤细胞。目前常用的克隆化培养采用的是有限稀释法，是指从多孔培养板中收集增殖的异核型杂交瘤细胞，经逐步稀释使每孔只有一个细胞，使其增殖。一个杂交瘤细胞只能产生一种与特定抗原特异性结合的抗体。

请根据资料信息，结合图2，说明如何进一步筛选能产生针对新型冠状病毒S蛋白抗体的异核型杂交瘤细胞。

学生分析资料2和图2，通过自主探究和小组内讨论、交流，展示自己的观点，并结合其他小组评价，修正完善观点。

教师利用多媒体展示经过修正的观点：将收集到的不断增殖异核型杂交瘤细胞稀释，用多孔培养板培养，使每孔细胞只有一个，通过培养让细胞增殖。然后，检测各孔上清液中细胞分泌的抗体，上清液可与制备的S蛋白抗原结合的培养孔为阳性孔。阳性孔中的细胞还不能保证来自单个细胞和稳定产生专一性抗体，挑选阳性孔的杂交瘤细胞继续进行3～5次的有限稀释培养，直至确信每个孔中的增殖细胞为单克隆细胞。这个过程称为克隆化培养，获得的单克隆细胞再通过体外培养或利用小鼠腹腔培养，再提纯獲取的抗体称为单克隆抗体。

设计意图：组织以探究为特点的主动学习是落实核心素养的关键。在本环节教学中，教师利用创设探究性学习情境，通过提供资料信息和设计问题，有目的、有步骤地引导学生自主观察、描述，作出对问题的解释，突破重点和难点，学习中每个学生积极与他人合作和交流。整个学习过程始终围绕单克隆抗体这一重要概念进行组织教学，体现细胞结构和功能的统一性，有效地发展了学生的生命观念，促进了科学思维和科学探究等素养的落实。

3.4借助实例分析得出结论，体会应用

教师展示尼妥珠单抗注射液和人绒毛膜促性腺激素（HCG）胶体金快速检测试纸（胶体金法）图片及其检测说明，引导学生分析说明该单克隆抗体具有的特点。教师展示抗癌药物和生物导弹（单抗药物）作用特点（图3）及单克隆抗体偶联药物作用机制示意图（图4），让学生根据图示提示，尝试解释“生物导弹”设计原理及在治疗癌症、新型冠状病毒肺炎等疾病上体现出的优点。

学生经过分析自主探究和小组交流后，小组代表在班内展评，最终完善观点，得出单克隆抗体在诊断病症中体现的特点及生物导弹的原理和优势。教师展示完善的观点：实例反映单克隆抗体具有灵敏度高、特异性强的特点;生物导弹设计原理和优点是由单克隆抗体和毒素、药物（或放射性同位素）组成，其利用了单克隆抗体作为“瞄准”导向装置，将毒素或药物定向带到病原体或癌细胞原位而发挥作用，优点是既不损失正常细胞又减少了用药剂量，是一种疗效高、毒副作用小的新型药物。

设计意图：教师利用实例引导学生分析，让学生在问题的引领下获取知识，真正理解单克隆抗体在生活实践中的应用，提升学生对生物科技的兴趣，进而加强关注生物技术的发展和与生物相关的社会热点问题，树立社会责任意识。

3.5总结提升，适时评价

教师提示学生利用融合和单克隆为关键词：，自主构建本节知识网络，通过展示、交流和完善，师生共同构建某一特定单克隆抗体制备过程思维导图（图5），梳理本节要点知识，加深学生对单克隆抗体概念的理解和掌握。最后，教师利用典型例题对学生学习效果进行检测和适时评价，提升学生对知识的理解和运用能力。

设计意图：构建知识网络，梳理知识要点，能加强学生对所学知识的理解和掌握。通过适时的教学评价，教师可以了解学生对知识掌握程度，对相关概念是否能够融会贯通，检测本节教学目标是否实现，发现教学上存在的不足与缺陷，为改进和更加有效实施教学行为提供努力方向。

4教学反思

新的课程改革表明，学生学习不仅是为了考试，更重要的是发展学生的核心素养，培养学生在解决真实情境中的生物学问题时所表现出来的必备品格和关键能力。本节课以建构主义学习理论为基础进行设计，教学始终围绕“细胞工程通过细胞水平上的操作，获得有用的生物体或其产品——单克隆抗体”这一大概念进行，利用最新发生的新型冠状病毒肺炎社会热点问题创设主题化教学情境贯穿教学始终，通过视频、图片等素材，辅助了课堂学生的学习活动，突出重点，突破了难点，充分调动了学生的学习内驱力。层层递进的问题串引导学生在探究活动中主动获得知识，建构单克隆抗体概念，发展核心素养。通过分析单克隆抗体药物实例及概念图的构建，学生运用所学知识分析、解释问题，最大限度地应用知识，并关注、解决（解释）生产生活中的生物学问题，树立社会责任意识，一定程度上实现了立德树人的育人目标。