河北
學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生后天習(xí)得的終身受益成果,是學(xué)生在解決真實(shí)情境中的生物學(xué)問題時(shí)所表現(xiàn)出來的必備品格和關(guān)鍵能力。學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任四個(gè)維度,需要通過每節(jié)課或每項(xiàng)活動(dòng)來逐步培養(yǎng),最終使學(xué)生成為對社會(huì)有用的人才。筆者在制訂每節(jié)課(或活動(dòng))的教學(xué)預(yù)設(shè)等教學(xué)實(shí)踐中,都會(huì)思考采用何種有效方式或手段讓學(xué)生主動(dòng)地參與課堂學(xué)習(xí)過程,在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、探究設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習(xí)得知識(shí),養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣,形成積極的科學(xué)態(tài)度。現(xiàn)以高中生物教材《現(xiàn)代生物科技專題》(人教版)專題2“2.2.2 動(dòng)物細(xì)胞融合與單克隆抗體”教學(xué)為例,對如何利用課堂教學(xué)發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)、提升高考解題能力進(jìn)行淺析,供教學(xué)參考。
注重科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)的相互關(guān)系是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)的理念之一,也是學(xué)科核心素養(yǎng)達(dá)成的重要途徑及近兩年生物高考命題的主導(dǎo)思路之一。關(guān)注和參加與生物科學(xué)技術(shù)有關(guān)的社會(huì)問題的討論和決策,是學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分,也是培養(yǎng)學(xué)生對自然和社會(huì)責(zé)任感的重要途徑。教師在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生特別關(guān)注現(xiàn)實(shí)生活與生物學(xué)相關(guān)的問題或事件,讓學(xué)生積極思考,嘗試參與社會(huì)決策,培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。
在復(fù)習(xí)“動(dòng)物細(xì)胞融合與單克隆抗體”時(shí),筆者首先播放《關(guān)于新型冠狀病毒肺炎的一切》視頻,通過視頻讓學(xué)生回顧有關(guān)病毒的知識(shí),以及新型冠狀病毒(如圖1)肺炎的發(fā)病和治愈與機(jī)體免疫的聯(lián)系,同時(shí)用多媒體展示如下問題串引導(dǎo)學(xué)生回顧免疫系統(tǒng)的組成和功能,理解單克隆抗體的概念。
圖1 新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)
(1)免疫系統(tǒng)主要由哪幾部分組成,免疫系統(tǒng)的主要功能是什么?
(2)人體在阻止病毒傳播過程中吞噬細(xì)胞、T 細(xì)胞、B 細(xì)胞和抗體分別起到何種作用?
(3)傳統(tǒng)方法從動(dòng)物血清中分離出的抗體不僅產(chǎn)量低、純度低,且抗體特異性差。某生物科技小組同學(xué)設(shè)計(jì)獲得新型冠狀病毒單克隆抗體實(shí)驗(yàn)思路為“用新型冠狀病毒S 蛋白(特定抗原)多次免疫小鼠,然后對從脾臟中獲取的B 細(xì)胞進(jìn)行篩選,得到特定的B 細(xì)胞在體外培養(yǎng)獲得大量漿細(xì)胞,進(jìn)而通過體外培養(yǎng)獲得抗新型冠狀病毒的單克隆抗體?!闭?jiān)u價(jià)這一實(shí)驗(yàn)思路中不合理之處并進(jìn)行修正。
教師在以上教學(xué)過程中,以當(dāng)前社會(huì)正在發(fā)生的新型冠狀病毒肺炎熱點(diǎn)事件為教學(xué)情境,通過層層遞進(jìn)的問題,啟發(fā)學(xué)生思維,引導(dǎo)學(xué)生理性回歸教材,讓學(xué)生將必修教材與選修教材相關(guān)知識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、融合,加深對知識(shí)的理解。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路評(píng)價(jià),復(fù)習(xí)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中培養(yǎng)細(xì)胞的特點(diǎn)(具有接觸抑制現(xiàn)象,且只能增殖10 代左右),以及多次免疫的目的(獲得更多的能分泌特定抗體的B 細(xì)胞),讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到從多個(gè)B 細(xì)胞中篩選出能產(chǎn)生特定抗體的B 細(xì)胞從科學(xué)實(shí)驗(yàn)上不具有可操作性等知識(shí),最終水到渠成地讓學(xué)生理解單克隆抗體(由一個(gè)B 細(xì)胞通過增殖克隆產(chǎn)生B 細(xì)胞群體,該細(xì)胞群體只分泌一種特異性抗體稱為單克隆抗體)這一概念,通過概念理解并構(gòu)建生命觀念。同時(shí)也讓學(xué)生關(guān)注到新型冠狀病毒肺炎是與生物學(xué)高度聯(lián)系的社會(huì)事件,是利用生物工程技術(shù)可防可治的公共衛(wèi)生事件,為學(xué)生宣傳生物學(xué)知識(shí)和健康的生活方式,識(shí)別偽科學(xué)和迷信,為嘗試參與社會(huì)決策提供指引,讓學(xué)生樹立強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。
培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)是生物課堂教學(xué)的價(jià)值追求和目標(biāo),以探究性學(xué)習(xí)為特點(diǎn)的教學(xué)過程會(huì)直接影響學(xué)科核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”的落實(shí),也間接影響生命觀念和社會(huì)責(zé)任的形成。在2019 年全國高考理綜卷生物學(xué)科命題中,對學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的考查更加明顯,如全國卷Ⅰ第29 題、全國卷Ⅲ第29 題和第32 題,都要求學(xué)生根據(jù)題目信息設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路并預(yù)期結(jié)果和結(jié)論,全國卷Ⅱ第29 題和第31 題,要求學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)過程、得出結(jié)論。這些題目不僅考查學(xué)生運(yùn)用知識(shí)分析問題、解決問題的能力,還對學(xué)生的語言規(guī)范表達(dá)能力提出了更高要求。在本節(jié)第二個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中,為突出雜交瘤細(xì)胞篩選和雜交瘤細(xì)胞克隆化培養(yǎng)、專一性抗體檢測這兩個(gè)重、難點(diǎn)知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力,筆者利用典型例題引導(dǎo)學(xué)生分析、思考,設(shè)計(jì)探究活動(dòng)方案,培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力,提升解題能力。
【例1】已知一種B 淋巴細(xì)胞能產(chǎn)生一種特定抗體,但由于不能大量增殖而產(chǎn)生的抗體很少,骨髓瘤細(xì)胞不能產(chǎn)生抗體,但能大量增殖。根據(jù)所學(xué)知識(shí),設(shè)計(jì)獲得“既能產(chǎn)生大量抗體又能大量增殖的細(xì)胞,并通過培養(yǎng)獲得抗新型冠狀病毒的單克隆抗體”的實(shí)驗(yàn)思路,要求設(shè)計(jì)至少兩種不同思路,簡單描述設(shè)計(jì)思路即可。
【參考答案】思路①:利用基因工程獲取被新型冠狀病毒感染者B 細(xì)胞中抗體合成基因,構(gòu)建基因表達(dá)載體后導(dǎo)入到微生物細(xì)胞中,培養(yǎng)經(jīng)過篩選的微生物細(xì)胞使其大量增殖,從培養(yǎng)液中提取獲得抗新型冠狀病毒的單克隆抗體(或?qū)⒐撬枇黾?xì)胞中的無限增殖基因?qū)氲紹 細(xì)胞中并培養(yǎng)獲得大量B 細(xì)胞,再提取獲得抗新型冠狀病毒的單克隆抗體)。
思路②:通過讓B 細(xì)胞和骨髓瘤細(xì)胞融合,經(jīng)過篩選得到既能產(chǎn)生特異性抗體又能無限增殖的雜種細(xì)胞并大量培養(yǎng),提取獲得抗新型冠狀病毒的單克隆抗體。
思路③:通過核移植技術(shù),將B 細(xì)胞的細(xì)胞核移植到去核的早期胚胎細(xì)胞中,刺激重組細(xì)胞分裂,篩選得到能產(chǎn)生特異性抗體的重組細(xì)胞并大量培養(yǎng),提取獲得抗新型冠狀病毒的單克隆抗體。
【分析】本題考查B 淋巴細(xì)胞和骨髓瘤(胚胎)細(xì)胞的增殖特點(diǎn),要求學(xué)生具有發(fā)散思維,實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)出獲得“既能產(chǎn)生大量抗體又能大量增殖的細(xì)胞,并通過細(xì)胞培養(yǎng)獲得抗新型冠狀病毒的單克隆抗體”的思路,意在考查學(xué)生對基因工程、植物體細(xì)胞雜交技術(shù)和核移植技術(shù)等生物工程技術(shù)流程的掌握程度,學(xué)生根據(jù)提示很容易梳理出兩種設(shè)計(jì)思路,題目難度不大,但對學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力和語言表達(dá)能力要求較高。
教師可在對學(xué)生的設(shè)計(jì)思路評(píng)價(jià)后,展示參考答案,并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)參考答案構(gòu)建如圖2 所示的單克隆抗體制備途徑模型,以加深學(xué)生對知識(shí)的理解和掌握。
圖2 抗新型冠狀病毒單克隆抗體制備途徑模型
【例2】利用新型冠狀病毒S 蛋白制備單克隆抗體是快速診斷和治療新型冠狀病毒肺炎的有效方法。在S 蛋白單克隆抗體制備過程中,對B 淋巴細(xì)胞和骨髓瘤細(xì)胞誘導(dǎo)融合的細(xì)胞篩選及對產(chǎn)生特異性抗體的雜交瘤細(xì)胞克隆化培養(yǎng)是關(guān)鍵步驟(如圖3 所示)。分析所給的資料1 和資料2,回答相關(guān)問題。
圖3 雜交瘤細(xì)胞篩選及克隆化培養(yǎng)過程
(1)資料1:HAT 培養(yǎng)基是根據(jù)細(xì)胞由次黃嘌呤核苷酸(H)和嘧啶核苷酸(T)合成DNA 途徑而設(shè)計(jì)的。正常細(xì)胞DNA 合成途徑有主要途徑和補(bǔ)救途徑,氨基喋呤(A)能抑制DNA 合成主要途徑,另一種補(bǔ)救途徑是在次黃嘌呤和胸腺嘧啶核苷存在的情況下,經(jīng)酶催化合成DNA,而骨髓瘤細(xì)胞的DNA 合成沒有此補(bǔ)救途徑,B 淋巴細(xì)胞具有DNA 合成的兩種途徑,但本身增殖能力有限。請根據(jù)以上資料,設(shè)計(jì)一種方法(不考慮機(jī)械方法),從兩種細(xì)胞融合的培養(yǎng)液中分離出異核型(由兩種不同細(xì)胞融合產(chǎn)生細(xì)胞核)的雜交瘤細(xì)胞,并解釋篩選的原理。
方法:_______________________;原理:_______________________。
(2)資料2:克隆化培養(yǎng)就是擴(kuò)大化培養(yǎng),是在一定的培養(yǎng)基上培養(yǎng)雜交瘤細(xì)胞,讓其進(jìn)行有絲分裂,產(chǎn)生大量的、相同的雜交瘤細(xì)胞。目前常用的克隆化培養(yǎng)采用的是有限稀釋法,是指從多孔培養(yǎng)板中收集增殖的異核型雜交瘤細(xì)胞,經(jīng)逐步稀釋使每孔只有一個(gè)細(xì)胞,使其增殖。一個(gè)雜交瘤細(xì)胞只能產(chǎn)生一種與特定抗原特異性結(jié)合的抗體。
請根據(jù)資料信息,結(jié)合圖3,說明如何通過進(jìn)一步的篩選獲得針對新型冠狀病毒S蛋白抗體的異核型雜交瘤細(xì)胞。
【參考答案】(1)培養(yǎng)液中加入氨基喋呤,收集不斷增殖的細(xì)胞 B 淋巴細(xì)胞及自身融合的細(xì)胞不能大量增殖,骨髓瘤細(xì)胞及其自身融合細(xì)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(xì)胞能利用DNA 的補(bǔ)救途徑不斷增殖 (2)將收集到的不斷增殖的異核型雜交瘤細(xì)胞稀釋處理,用多孔培養(yǎng)板培養(yǎng),使每孔只有一個(gè)細(xì)胞,通過培養(yǎng)讓細(xì)胞增殖。然后檢測各孔上清液中細(xì)胞分泌的抗體,上清液可與制備的S 蛋白抗原結(jié)合的培養(yǎng)孔為陽性孔。挑選陽性孔的雜交瘤細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)行有限稀釋培養(yǎng)(約3~5 次),選擇只有一個(gè)細(xì)胞的陽性培養(yǎng)孔增殖細(xì)胞即為新型冠狀病毒S 蛋白抗體的異核型雜交瘤細(xì)胞。
【分析】本題考查單克隆抗體制備知識(shí),在單克隆抗體制備過程中需要對融合細(xì)胞進(jìn)行篩選,以獲得雜交瘤細(xì)胞,由于機(jī)體內(nèi)部和外部抗原種類很多,產(chǎn)生抗體的B 細(xì)胞類型也對應(yīng)較多,則經(jīng)過篩選獲得的雜交瘤細(xì)胞不一定為能產(chǎn)生S 蛋白抗體的細(xì)胞,故需要利用有限稀釋法通過克隆化培養(yǎng)雜交瘤細(xì)胞再多次篩選并進(jìn)行抗體陽性檢測,直至獲得能穩(wěn)定產(chǎn)生S 蛋白特異性抗體的雜交瘤細(xì)胞進(jìn)行克隆化培養(yǎng)。本題基于以上知識(shí)進(jìn)行命題,讓學(xué)生在新情境下分析材料,獲取信息,并設(shè)計(jì)方案解決問題,符合當(dāng)前高考命題思路,能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。資料1 中提示了DNA 合成具有主要和補(bǔ)救兩種途徑,骨髓瘤細(xì)胞只有主要途徑而無補(bǔ)救性途徑,B 細(xì)胞有兩種途徑但本身不能增殖,而氨基喋呤可以阻斷DNA 合成的主要途徑,兩種細(xì)胞融合產(chǎn)生的B -B 細(xì)胞、骨髓瘤-骨髓瘤細(xì)胞、B 細(xì)胞和骨髓瘤細(xì)胞的三種融合細(xì)胞中,只有雜交瘤細(xì)胞可以利用B細(xì)胞提供的DNA補(bǔ)救途徑進(jìn)行增殖,故在細(xì)胞融合的培養(yǎng)液加入氨基喋呤后,收集不斷增殖的細(xì)胞一定是雜交瘤細(xì)胞。資料2 對有限稀釋法的克隆化培養(yǎng)原理及單克隆抗體陽性檢測原理進(jìn)行了介紹,學(xué)生根據(jù)這些原理,運(yùn)用正確的語言描述即可。
組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵。在本環(huán)節(jié)教學(xué)中,教師創(chuàng)設(shè)探究性學(xué)習(xí)情境,通過提供資料信息和設(shè)計(jì)問題,有目的、有步驟地引導(dǎo)學(xué)生自主觀察、描述、作出對問題的解釋,突破重點(diǎn)和難點(diǎn)。整個(gè)過程始終圍繞單克隆抗體這一重要概念進(jìn)行組織教學(xué),體現(xiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一性,有效地發(fā)展了學(xué)生的生命觀念,促進(jìn)了科學(xué)思維和科學(xué)探究等素養(yǎng)的落實(shí)。
課程內(nèi)容重實(shí)踐是《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的一種重要思想,“重實(shí)踐”既強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是主動(dòng)參與的動(dòng)手、動(dòng)腦的過程,又要讓學(xué)生體會(huì)到知識(shí)只有用于解決實(shí)踐問題才能體現(xiàn)知識(shí)的價(jià)值。在本節(jié)教學(xué)的第三個(gè)環(huán)節(jié)中,筆者主要通過列舉生產(chǎn)生活中真實(shí)的實(shí)例,讓學(xué)生分析得出結(jié)論,體會(huì)到學(xué)以致用的道理。
【例3】人絨毛膜促性腺激素(HCG)是女性懷孕后胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞分泌的一種糖蛋白,用抗HCG 單克隆抗體制備的試紙可以測試女性是否懷孕。其檢測方法為將驗(yàn)孕試紙標(biāo)有MAX 標(biāo)志線的一端插入待測尿液中(尿液不能沒過該線,如圖4 所示),片刻后取出放平,若尿液中含有HCG,會(huì)隨尿液向右擴(kuò)散,與包埋在標(biāo)志線右側(cè)區(qū)域的被顯色劑標(biāo)記的抗HCG 抗體1 發(fā)生特異性結(jié)合,形成的復(fù)合體繼續(xù)隨尿液向右擴(kuò)散至檢測線處,又可以與固定在該區(qū)域的抗體2 結(jié)合形成新的復(fù)合體,并不斷積累而在此處顯示出顏色。對照線區(qū)域固定著另外一種抗體3,可以捕獲被顯色劑標(biāo)記的抗體1(抗體1 無論是否與抗原結(jié)合,都會(huì)被抗體3 捕獲,但無抗體-抗原復(fù)合體時(shí)不在檢測線積累)。因而當(dāng)尿液繼續(xù)擴(kuò)散到對照線時(shí),也會(huì)顯示出顏色。這種檢測方法可隨時(shí)檢測尿液,并在3 分鐘內(nèi)測定尿液標(biāo)本中的HCG,準(zhǔn)確率高,根據(jù)以上信息分析回答:
圖4 早孕試紙及其檢測原理示意圖
(1)用早孕試紙檢測懷孕能反映出單克隆抗體具有______________________的特點(diǎn)。
(2)某女性用早孕試紙檢測是否懷孕,若女子懷孕,則檢測試紙會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象為___________________________。
(3)用抗HCG 單克隆抗體檢測人絨毛膜促性腺激素(HCG)__________(填“能”或“不能”)說明信息分子在細(xì)胞間具有傳遞信息作用,理由是____________________________________。
【參考答案】(1)靈敏度高,特異性強(qiáng) (2)檢測線和對照線均顯示顏色 (3)不能 信息分子是由發(fā)出信號(hào)的細(xì)胞合成,通過與靶細(xì)胞特定受體結(jié)合,改變靶細(xì)胞原有生理狀態(tài),而抗HCG 單克隆抗體檢測人絨毛膜促性腺激素(HCG)過程沒有涉及抗體與特定受體結(jié)合過程,也沒有改變靶細(xì)胞原有生理狀態(tài)。
【例4】如圖5 為普通抗癌藥物和單克隆抗體藥物作用特點(diǎn),圖6 為我國科學(xué)家設(shè)計(jì)的單克隆抗體偶聯(lián)藥物(ADC)作用機(jī)制,請分析回答下列問題:
圖5 抗癌藥物和生物導(dǎo)彈作用特點(diǎn)
圖6 單克隆抗體偶聯(lián)藥物作用機(jī)制
(1)治療癌癥的生物導(dǎo)彈由___________________組成,其中的單克隆抗體所起的作用是___________________________。
(2)由圖6 可以看出,攜帶藥物的單克隆抗體進(jìn)入細(xì)胞的方式為____________,該過程消耗的能量由___________直接提供。藥物能引起癌細(xì)胞凋亡,細(xì)胞凋亡是指____________。
(3)結(jié)合圖5、圖6 可以看出,與常規(guī)抗癌藥物相比,利用單克隆抗體制備的生物導(dǎo)彈治療癌癥具有的明顯優(yōu)點(diǎn)是________________________________________________________________________。
【參考答案】(1)單克隆抗體和抗癌藥物 (單克隆抗體)作為“瞄準(zhǔn)”導(dǎo)向裝置,將毒素或藥物定向帶到病原體或癌細(xì)胞原位而發(fā)揮作用 (2)胞吞 ATP 由基因決定的細(xì)胞自動(dòng)結(jié)束生命的過程 (3)既不損失正常細(xì)胞又減少了用藥劑量,療效高、毒副作用小
本環(huán)節(jié)中,教師通過引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)例,在問題的引領(lǐng)下獲取信息和知識(shí),能真正理解教材中單克隆抗體在生活實(shí)踐中的應(yīng)用內(nèi)容,提升學(xué)生對生物科技的興趣,加強(qiáng)關(guān)注生物技術(shù)的發(fā)展,進(jìn)一步落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等學(xué)科核心素養(yǎng)。
教師提示學(xué)生利用融合和單克隆為關(guān)鍵詞,自主構(gòu)建本節(jié)知識(shí)網(wǎng)絡(luò),最終通過展示、交流和完善,師生共同構(gòu)建某一特定單克隆抗體制備過程思維導(dǎo)圖(如圖7),梳理本節(jié)要點(diǎn)知識(shí),加深學(xué)生對單克隆抗體概念的理解和掌握。最后教師再利用習(xí)題對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行檢測和適時(shí)評(píng)價(jià),提升學(xué)生對知識(shí)的理解和運(yùn)用能力。
圖7 單克隆抗體制備過程
總之,本節(jié)課以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì),教學(xué)始終圍繞“細(xì)胞工程通過細(xì)胞水平上的操作,獲得有用的生物體或其產(chǎn)品”這一大概念進(jìn)行,利用最新發(fā)生的新型冠狀病毒肺炎社會(huì)熱點(diǎn)問題創(chuàng)設(shè)主題化教學(xué)情境貫穿教學(xué)始終,通過視頻、圖片等素材,在很大程度上輔助了課堂學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng),突出重點(diǎn),突破難點(diǎn)。利用層層遞進(jìn)的問題串引導(dǎo),讓學(xué)生在探究活動(dòng)中主動(dòng)獲得知識(shí),培養(yǎng)其能力。通過實(shí)例,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注、解決(解釋)生產(chǎn)生活中的生物學(xué)問題,多角度培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng),提升學(xué)生解題能力,并在一定程度上實(shí)現(xiàn)了立德樹人的育人目標(biāo)。