基于STS教學(xué)模式的問題串教學(xué)

郭敬穎

［摘 要］單克隆抗體的制備作為一個(gè)微專題在高三二輪復(fù)習(xí)中經(jīng)常出現(xiàn)，利用STS教學(xué)模式，結(jié)合抗原檢測試紙這一生活用品，將與單克隆抗體有關(guān)的知識點(diǎn)（如免疫調(diào)節(jié)、基因工程、細(xì)胞培養(yǎng)等）進(jìn)行串聯(lián)，通過設(shè)置問題串，引導(dǎo)學(xué)生面對真實(shí)的生活問題，結(jié)合已有的知識及查閱相關(guān)資料，達(dá)到解決問題的目的，并在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］問題串；STS教學(xué)模式；單克隆抗體

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

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的“實(shí)施建議”中提出，要注意引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會熱點(diǎn)問題，了解相關(guān)的原理和主要技術(shù)路線，結(jié)合已有知識，解決社會真實(shí)情境中的問題，加深對科學(xué)、技術(shù)、社會相互關(guān)系的認(rèn)識[1]。STS是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）和社會（Society）的英文縮寫。STS教學(xué)模式旨在將系統(tǒng)的、綜合的、開放的、發(fā)展的思維方式融入教學(xué)，以問題為中心，通過創(chuàng)設(shè)情境、交流討論等方式，加強(qiáng)科學(xué)與技術(shù)、社會之間的聯(lián)系，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)思維的目的[2]。

本文以人教版（2019年版）高中生物學(xué)選擇性必修3中的“單克隆抗體及其應(yīng)用”為基礎(chǔ)，結(jié)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(shè)置連貫的問題串，引導(dǎo)學(xué)生將已有的知識進(jìn)行串聯(lián)，并在解決問題的過程中培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、教材分析及教學(xué)思路

“單克隆抗體及其應(yīng)用”是人教版（2019年版）高中生物學(xué)選擇性必修3第2章第2節(jié)的內(nèi)容，是動物細(xì)胞融合技術(shù)的具體應(yīng)用，且單克隆抗體在疾病診斷、病原體鑒定、疾病治療中發(fā)揮重要作用，是知識與生產(chǎn)生活實(shí)踐相結(jié)合的典型案例。雖然教材中以圖示的方式展現(xiàn)單克隆抗體的制備過程，有助于學(xué)生理解關(guān)鍵步驟，但是在高三復(fù)習(xí)中，學(xué)生遇到具體的情境分析和綜合類問題時(shí)，還是很難將已有知識聯(lián)系起來靈活運(yùn)用。

本節(jié)課以抗原檢測試紙這一生活用品為素材創(chuàng)設(shè)生活情境引入，通過層層設(shè)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(yǎng)、動物細(xì)胞培養(yǎng)等實(shí)驗(yàn)情境，將知識點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)，形成相對完整的技術(shù)路線，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用已有知識解決相應(yīng)的問題。

二、教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的具體要求，制訂如下教學(xué)目標(biāo)：（1）以抗原檢測試紙中單克隆抗體的制備為出發(fā)點(diǎn)，分析與單克隆抗體有關(guān)的生物學(xué)知識和技術(shù)；（2）基于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，梳理歸納單克隆抗體制備的主要技術(shù)路線，通過提出問題并主動尋找答案的方式培養(yǎng)科學(xué)思維；（3）能靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際生活中的問題，注重在社會擔(dān)當(dāng)與社會實(shí)踐等方面滲透社會責(zé)任。

三、教學(xué)過程

（一）拆解試劑盒，創(chuàng)設(shè)生活情境

［活動設(shè)計(jì)］分發(fā)新冠肺炎病毒抗原檢測試紙，讓學(xué)生按照說明書進(jìn)行操作；展示抗原檢測試紙的結(jié)構(gòu)示意圖（如圖1），引導(dǎo)學(xué)生拆解抗原檢測試紙，并結(jié)合示意圖分析各個(gè)部分的主要成分及作用；利用紙質(zhì)“抗體”在黑板上擺出抗原檢測試紙模型。教師提問：“能否結(jié)合抗原檢測試紙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和模型，解釋抗原檢測的原理？陽性為什么會出現(xiàn)兩道杠呢？”請學(xué)生結(jié)合試紙呈現(xiàn)的條帶（如圖2）分析檢測結(jié)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(xué)生在社會生活中會接觸和使用到的物品，但是學(xué)生對其內(nèi)部構(gòu)造不甚了解。引導(dǎo)學(xué)生拆掉包裝，觀察試紙的結(jié)構(gòu)，能引發(fā)學(xué)生極大的興趣。讓學(xué)生對照示意圖，了解其中各個(gè)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(jié)合。這一環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了技術(shù)與社會之間的緊密結(jié)合。

（二）設(shè)置問題串，分析科學(xué)原理

［活動設(shè)計(jì)］抗原檢測試紙中的關(guān)鍵成分是單克隆抗體，通過提問的方式，引導(dǎo)學(xué)生了解制備單克隆抗體的原理、流程、主要技術(shù)和優(yōu)點(diǎn)等，將知識串聯(lián)成體系，并進(jìn)行歸納整理，最終利用技術(shù)路線圖的形式呈現(xiàn)。

［問題1］抗體是如何產(chǎn)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(chǎn)生的過程，復(fù)習(xí)體液免疫的相關(guān)知識點(diǎn)。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(qiáng)且量少。由此得出單克隆抗體具有特異性強(qiáng)，可以大量制備的優(yōu)點(diǎn)。為制備單克隆抗體時(shí)需要進(jìn)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(chǎn)生抗體的漿細(xì)胞和能大量增殖的骨髓瘤細(xì)胞融合，所得到的細(xì)胞既可以大量增殖，又可以產(chǎn)生人們所需要的抗體，能否根據(jù)圖示（如圖3）繪制簡單的技術(shù)路線？

[骨髓瘤細(xì)胞][B淋巴細(xì)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(xiàn)，學(xué)生很熟悉。要求學(xué)生用簡單的技術(shù)路線將已有的知識換種方式呈現(xiàn)，可鍛煉學(xué)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(shù)路線進(jìn)行填充，對知識進(jìn)行遷移。

［問題3］給小鼠注射抗原是為了獲取能產(chǎn)生特定抗體的B淋巴細(xì)胞?？梢杂貌《局苯舆M(jìn)行注射嗎？如果不可以，該如何獲得抗原呢？

在本節(jié)課之前，學(xué)生已學(xué)習(xí)了基因工程的相關(guān)知識，這時(shí)用轉(zhuǎn)基因的手段獲取大量的能引起免疫反應(yīng)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(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)基因工程的相關(guān)知識點(diǎn)（如圖4），同時(shí)結(jié)合具體的情境，明白獲取目的基因時(shí)需要先進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄，增強(qiáng)知識的綜合性和應(yīng)用性。

[M][E][S][RNA][RNA][DNA][N基因][選擇性

擴(kuò)增][①][②]

[攜帶N基因的重組表達(dá)載體][導(dǎo)入細(xì)胞

培養(yǎng)][細(xì)胞表達(dá)

N蛋白][③][④]

圖4

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

從已免疫的小鼠中獲取B淋巴細(xì)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(diǎn)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(xì)胞？細(xì)胞的體外培養(yǎng)都需要哪些條件？動物細(xì)胞的原代培養(yǎng)和傳代培養(yǎng)具體如何操作？等等。本環(huán)節(jié)是對免疫系統(tǒng)和動物細(xì)胞培養(yǎng)的相關(guān)知識進(jìn)行回顧。在教學(xué)中，也有學(xué)生提出問題：脾臟里的細(xì)胞種類很多，如何能將B淋巴細(xì)胞篩選出來呢？學(xué)生帶著這個(gè)疑惑，查閱相關(guān)資料，進(jìn)一步了解細(xì)胞分選技術(shù)。

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

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

對比植物細(xì)胞融合的方法，明確促進(jìn)動物細(xì)胞融合時(shí)可以用滅活的病毒這一方法。這時(shí)，學(xué)生自然會想到，為什么在植物細(xì)胞融合時(shí)不能用滅活的病毒呢？結(jié)合已有的知識可知，病毒進(jìn)入細(xì)胞的方式主要有三種：一種是通過與細(xì)胞膜上的糖蛋白結(jié)合，以胞吞的方式進(jìn)入（如腺病毒）；一種是吸附以后將核酸注入細(xì)胞內(nèi)，蛋白質(zhì)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(xì)胞（如仙臺病毒）。促進(jìn)動物細(xì)胞融合主要利用了第三種方式，而植物病毒目前沒有發(fā)現(xiàn)以這種方式入侵植物細(xì)胞，也就無法利用病毒促進(jìn)植物細(xì)胞融合了。

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

[全合成途經(jīng)：糖和氨基酸][補(bǔ)救合成途經(jīng)：H、T][A（阻斷）][轉(zhuǎn)化酶、激酶][核苷酸][DNA]

[免疫B細(xì)胞][骨髓瘤細(xì)胞][細(xì)胞融合][HGPRT+][HGPRT-][HAT培養(yǎng)液][體外長期

培養(yǎng)中死亡][融合的細(xì)胞][在HAT培養(yǎng)

液中死亡]

圖5

單克隆抗體中的第一次篩選利用了HAT培養(yǎng)基的工作原理[3]，在這種選擇培養(yǎng)基中，B細(xì)胞以及B細(xì)胞+B細(xì)胞這兩種類型的細(xì)胞由于B細(xì)胞高度分化、無法分裂而死亡；骨髓瘤細(xì)胞以及骨髓瘤細(xì)胞+骨髓瘤細(xì)胞這兩種類型的細(xì)胞由于物質(zhì)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(zhuǎn)移酶（HGPRT-）無法完成補(bǔ)救合成途徑而死亡。只有雜交瘤細(xì)胞可以利用B淋巴細(xì)胞中包含的次黃嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（HGPRT-）完成補(bǔ)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(yǎng)基的作用機(jī)制這一具體實(shí)驗(yàn)情境，結(jié)合圖示鍛煉學(xué)生獲取信息的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)。

［問題7］小鼠接觸的抗原不止一種，不同的B淋巴細(xì)胞可以分泌的抗體不同，融合以后得到的雜交瘤細(xì)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(xì)胞呢？

理解單克隆抗體制備過程中進(jìn)行第二次篩選的目的。講解篩選的兩種方式：一種是流式細(xì)胞篩選，通過將細(xì)胞標(biāo)記，用熒光激發(fā)和探測器檢測，實(shí)現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞的分離；另一種是酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)（ELISA），篩選過程利用了抗原抗體特異性結(jié)合的原理。最后，將篩選得到的細(xì)胞進(jìn)行體外大規(guī)模培養(yǎng)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(yīng)抗體用膠體金粒子標(biāo)記，通過化學(xué)方法將各部分按順序偶聯(lián)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(jié)，繪制技術(shù)路線

了解各步驟進(jìn)行的原理和目的后，結(jié)合已有的知識，從技術(shù)的原理、關(guān)鍵步驟、結(jié)果及注意事項(xiàng)等方面總結(jié)繪制并完善單克隆抗體制備的技術(shù)路線圖，可在模板（如圖6）的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)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(gòu)建基因表達(dá)載體（核心）

③將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞（微生物）

④目的基因的檢測與鑒定

結(jié)果：獲得能夠表達(dá)病毒抗原蛋白的細(xì)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(xì)胞][三、動物細(xì)胞培養(yǎng)獲取B細(xì)胞

步驟：①取新鮮的小鼠脾臟

②用機(jī)械的方法或胰蛋白酶（膠原蛋白酶）進(jìn)行處理

③分散成單個(gè)細(xì)胞

④加培養(yǎng)液制成細(xì)胞懸液

⑤放入培養(yǎng)瓶，置于適宜環(huán)境下培養(yǎng)（原代培養(yǎng)）

⑥分瓶培養(yǎng)（傳代培養(yǎng)）][四、骨髓瘤細(xì)胞培養(yǎng)

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

原理：細(xì)胞膜具有一定的流動性

常用方法：PEG、電融合、滅活病毒

結(jié)果：如果只考慮細(xì)胞兩兩融合，融合后的

細(xì)胞會出現(xiàn)五種情況][六、第一次篩選

原理：A阻斷全合成途徑，骨髓瘤細(xì)胞缺乏激酶，無法完成補(bǔ)救合成途徑

結(jié)果：在HAT培養(yǎng)基上只有雜交瘤細(xì)胞可以生存][七、第二次篩選

原理：抗原抗體特異性結(jié)合

過程：克隆化培養(yǎng)后用與抗體特異性結(jié)合的抗原進(jìn)行檢測

結(jié)果：篩選出可以分泌特異性抗體的雜交瘤細(xì)胞][八、擴(kuò)大培養(yǎng)

體外培養(yǎng)或注射到小鼠腹腔增殖，從細(xì)胞培養(yǎng)液或小鼠腹水中獲取單克隆抗體]

圖6

每種技術(shù)的發(fā)明均是為了解決相應(yīng)的問題，在遇到問題時(shí)，需要對問題進(jìn)行分析并結(jié)合知識分析問題解決的可能性。如果現(xiàn)有的理論支持問題的解決，則需要選擇合適的材料、試劑，設(shè)計(jì)合理的步驟來達(dá)到目的，并在不斷的修正中進(jìn)行更新；若現(xiàn)有的理論不支持，則可能需要進(jìn)行更深入的理論研究。通過繪制技術(shù)路線圖，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、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(xué)習(xí)內(nèi)容，如果給予相應(yīng)的試劑、儀器和設(shè)備，大家能否利用自制的單克隆抗體組裝一個(gè)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(xué)（華東）的科研團(tuán)隊(duì)，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(fèi)使用，用所學(xué)所長為社會的抗疫事業(yè)貢獻(xiàn)了一份力量。制備抗原檢測試劑盒的原理與所學(xué)內(nèi)容相差無幾，但是在操作過程中還有一些具體的細(xì)節(jié)，有待學(xué)生日后學(xué)習(xí)。

用一則新聞作總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生面對真實(shí)的生活問題，充分運(yùn)用所學(xué)的知識和技能，懷著為社會做貢獻(xiàn)的理念來學(xué)以致用。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課的設(shè)計(jì)重視科學(xué)、技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，理論聯(lián)系實(shí)際，在科學(xué)理性的探究中提升學(xué)生的社會認(rèn)知與責(zé)任意識。應(yīng)用STS的教學(xué)方式，以問題為中心，通過設(shè)置問題串引導(dǎo)學(xué)生思考。在教學(xué)的過程中，教師的設(shè)問比較中規(guī)中矩，以引導(dǎo)學(xué)生思考、推進(jìn)教學(xué)環(huán)節(jié)為主，但是在學(xué)生的交流討論和提問環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位。學(xué)生在回答教師問題的基礎(chǔ)上積極思考，提出了許多更加現(xiàn)實(shí)和富有創(chuàng)造性的問題，并對教材之外的知識進(jìn)行了探討和學(xué)習(xí)。最后，引導(dǎo)學(xué)生大膽設(shè)想，所學(xué)為所用，樹立學(xué)以致用、服務(wù)社會的理想信念。

［?? 參?? 考?? 文?? 獻(xiàn)?? ］

[1]? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：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(diǎn)[J].比較教育研究，2002（9）：30-35.

[3]? 李沈，張文元.HAT培養(yǎng)基在雜交瘤細(xì)胞應(yīng)用中的探討[J].浙江省醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào)，1990（1）：24-25.

（責(zé)任編輯??? 羅??? 艷）

［基金項(xiàng)目］湖北省襄陽市教育科研“十四五”規(guī)劃2021年度課題“高中生物學(xué)教學(xué)過程實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的實(shí)踐研究”（NO.XJKGB21294）。