社会性科学议题在高中生物学复习课中的应用

2021-01-19北京师范大学附属中学北京100052

生物学通报 2021年3期

刘欣（北京师范大学附属中学北京 100052）

社会性科学议题指由当代科学技术研究开发所引起的一系列与社会伦理道德观念和经济发展紧密相关的社会性问题，例如，克隆技术和基因工程等高新产品给社会伦理观念和生态环境保护带来的难题［1］。在生物学课程中，“社会性科学议题”也可称作“生物学社会议题”。

传统的高三年级生物学复习课教学往往以知识点梳理、查漏补缺和习题训练为主要策略，方式、方法和学习内容都与新课有所重复，易引起学生的厌倦感，而且概念复习与习题训练分开进行，知识的学习与能力的训练互相割裂，不利于培养学生“学以致用”的能力。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》在“实施建议”部分明确指出，“教师要引导学生特别关注我国和学校所在地区与学生现实生活相关的问题，使学生积极思考与生物学有关的社会问题……培养学生的社会责任感”。为此，笔者根据课程标准的实施建议，尝试探索了以社会性科学议题为情境的问题驱动式复习课教学模式，以某一社会性科学议题作为课堂教学的情境和主线，收集若干典型事例，编写成科普短文，用系列问题串引导学生进行相关概念的整合和真实问题的解决。

1 应用社会性科学议题进行高三生物学复习课教学实例

1.1 太湖水华的发生与治理

阅读材料：蓝藻是一类分布广泛的原核生物。蓝藻能吸收水体中的CO2和HCO3－，使细胞中无机碳含量高出胞外500～1 000 倍以上。吸收的HCO3－再在碳酸酐酶的催化下形成CO2。研究人员向蓝藻培养液中加入一定量的放射性H14CO3－，发现胞内14C 浓度增加的速率大于培养液中H14CO3－生成14CO2的速率。在水体CO2含量较低时，蓝藻仍能高效进行光合作用，使其在水体中占据优势［2］。

太湖位于长江三角洲，是我国第三大淡水湖泊，是当地经济发展和人民生活的重要淡水资源。太湖目前污染状况较为严重，整体处于中度富营养状态，水草区面积退缩，蓝藻频繁爆发。太湖水体中的含N、P 化合物主要来自农业、养殖业、工业和生活污水污染。太湖底泥平均厚度0.28 m，其中N、P 化合物含量很高，受到扰动时就会释放到水体中，是其内污染源。

蓝藻的爆发也与太湖生态系统营养结构的改变有关。“浮游植物→浮游动物→鲚鱼→鲌鱼” 是太湖食物网中的重要链条之一。研究人员调查太湖的鲚鱼、鲌鱼资源，发现自1986年至2004年，鲌鱼的年渔获量由1 200 t下降至150 t，鲚鱼年渔获量由5 000 t 上升至20 000 t。太湖食物网复杂程度下降的同时，生态系统的物质循环指数自1960年至2002年下降了55.71%。2009年测得“系统总生产量/系统总呼吸量”高达4.2，表明太湖生态系统处于不成熟、不稳定的状态［3］。

教师设置问题串：

1）蓝藻吸收HCO3－的方式是什么？你的判断理由是什么？

2）蓝藻的光合作用过程与高等植物有何异同？

3）将蓝藻从黑暗中转移至光照条件下，发现蓝藻吸入无机碳的速率明显增加，你认为速率增加的主要原因是什么？研究人员同时测定蓝藻光合放氧速率，结果表明无机碳的吸收速率显著高于光合放氧速率，这一证据是否支持你的推测？

4）太湖原本为沉水植物占据优势的“草型湖泊”，随着污染的加重逐渐转变为“藻型湖泊”，这属于人类活动对群落演替的干扰。这种演替现象发生的机制是什么？

5）太湖的鲚鱼和鲌鱼种群数量发生变化的主要原因是什么？蓝藻爆发与这一现象有什么关系？如果停止捕捞，预期鲚鱼和鲌鱼种群数量会如何变化？

6）太湖物质循环指数下降，“系统总生产量／系统总呼吸量”数值远大于1，原因是什么？这与太湖底泥中N、P 的积累有什么关系？

7）有人提出应对太湖底泥进行疏浚，请对此观点进行评价。

8）请你根据上文提出一项针对太湖污染状况的治理对策。

问题1～3，引导学生运用物质进、出细胞的方式与光合作用的相关概念，根据实验结果说明蓝藻通过主动运输吸收HCO3－，从黑暗中转移至光下后，光合作用消耗CO2，产生ATP，使得无机碳的吸收速率因膜内、外浓度差增大和ATP 供应增加而加快。

问题4～6，引导学生对太湖水华的成因进行综合分析。人类对鲌鱼的过度捕捞导致鲚鱼种群数量增加，浮游动物减少，降低了捕食对蓝藻的抑制作用。水体中N、P 含量增加使得蓝藻占据竞争优势，沉水植物减少，既减弱了对蓝藻的竞争抑制作用，又导致水生动物因丧失栖息环境和食物资源而减少。太湖营养结构趋于简单化，物质循环指数下降，有机碎屑沉积，使底泥总量和污染程度增加，而且因为缺少沉水植物的固着，底泥稍受风浪扰动即会释放到水体中，成为内污染源。

问题7～8，引导学生辩证地思考和解决现实问题。底泥虽然是内污染源，但也是生态系统的重要构成部分，要以不破坏水生植物和底栖生物的自我修复繁衍为前提，在重污染区进行生态疏浚。太湖污染的治理要针对水华的成因，遵循生态工程的整体原理，从减排、去污、控藻等各个方面采取措施。

1.2 遗传病的基因治疗

阅读材料：7 岁的哈桑患有“交界型大疱性表皮松解症”，2015年6月，他因大面积的皮肤破损感染而濒于死亡。

皮肤的表皮与真皮依靠“细胞外间质”粘附在一起。细胞外间质中的层黏连蛋白-332 的β3 亚基由LAMB3基因编码。哈桑的LAMB3基因有2 个碱基对的错误，无法表达。他的皮肤极为脆弱，轻微摩擦就会导致皮肤破损和继发感染。

一个研究团队对哈桑进行了基因治疗，从哈桑的左腿内侧取下一小块皮肤，在体外培养皮肤细胞。然后利用逆转录病毒载体将正常LAMB3基因插入细胞的基因组内。之后对细胞中被LAMB3基因插入的序列进行DNA测序，发现不同细胞中LAMB3基因的插入位点不同，但并没有导致细胞癌变。研究人员继续培养这些细胞，形成若干块单层“人造皮肤”，最后分3 次进行了移植。2016年2月，哈桑出院了。术后4 个月、8 个月、21 个月时，研究人员从哈桑皮肤上取样进行了活检，发现新皮肤功能良好。哈桑终于过上了正常孩子的生活［4］。

与哈桑相比，17 岁的基辛格更加不幸。基辛格患有罕见的遗传病——鸟氨酸氨甲酰基转移酶缺乏症，只要摄入的蛋白质稍有过量，他体内的氨就会迅速积累，毒害组织器官。1999年，基辛格参加了一项基因治疗的临床试验，在注射了由腺病毒改造成的“空”载体之后，他出现了严重的炎症反应，5 d 后死亡。后续调查发现，基辛格在试验之前血液中就存在腺病毒抗体，在注射病毒后发生了快速而强烈的免疫反应。被免疫系统攻击的细胞裂解后释放大量蛋白质，血氨水平升高至正常水平的10 倍，造成了肝、肾衰竭和脑死亡。

教师设置问题串：

1）用什么方法可获得LAMB3基因？

2）天然的逆转录病毒RNA 上有3 组序列：LTR 序列——含有调节基因和启动子，调控病毒RNA 的转移及表达；包装信号序列——能被病毒蛋白质识别，引发病毒的组装；结构基因——编码逆转录酶、整合酶、外壳蛋白等病毒蛋白质。将天然逆转录病毒改造成载体，需要去除哪些序列？增加哪些基因？

3）裸露的载体RNA 无法侵染宿主细胞，研究人员用基因工程技术构建包装细胞，然后将带有载体cDNA 的质粒导入包装细胞，就会形成和释放具有侵染能力的病毒载体。构建包装细胞过程中需要导入哪些基因？

4）将一小块皮肤培育成能覆盖哈桑全身的“人造皮肤”，关键的操作程序有哪些？

5）研究人员为什么关注目的基因的插入位点？提出根据载体序列设计引物，PCR 扩增出宿主细胞中被插入DNA 片段的实验思路。

6）怎样确认哈桑经移植手术后的皮肤细胞来自基因治疗细胞？怎样确认转入的基因已正确表达，且表达产物分布在正确的位置？

7）为什么哈桑和基辛格的基因治疗需要使用不同的病毒载体？

8）基辛格在试验前血液中存在腺病毒抗体的原因是什么？他在注射病毒载体后发生的免疫应答过程是怎样的？

9）基辛格的悲剧发生后，各国监管机构对于基因治疗临床试验的审核更加严格，请你尝试提出2 项需要加以审核的条件。

10）有人认为遗传病的基因治疗会造成“选择放松”，导致人类未来遗传病发病频率升高。你如何评价这一观点？

问题1～3，引导学生运用基因工程的相关概念解决实际问题。去除天然逆转录病毒的结构基因，加入目的基因和标记基因，然后用能表达病毒结构基因的包装细胞包装改造后的病毒RNA，就能获得逆转录病毒载体。

问题4～6，引导学生运用动物细胞培养技术、PCR 技术和抗原抗体杂交技术解决问题。从待测细胞中提取DNA，限制酶切割，再用DNA 连接酶处理，部分DNA 片段会发生自身环化。根据载体序列设计引物，PCR 扩增出环化DNA 中载体序列两侧的未知序列，再进行测序，即可了解载体的插入位点是否是重要基因或抑癌基因。制备层黏连蛋白-332 的单克隆抗体，用抗原抗体杂交技术对移植皮肤进行检测，可了解目的基因是否表达及表达产物的分布位置。

问题7～9，引导学生对基因治疗的风险进行思考。基辛格曾被腺病毒感染过，接受的载体剂量又非常大，死于强烈的二次免疫引发的并发症。监管的目的是既要保证受试者的安全，又不能过分限制医学研究的发展，因此，要对研究团队的资质、前期研究基础、受试者的筛选和受试者的知情同意情况等进行监管。目前，我国卫生部等部门已颁布多项相关政策法规。

问题10，引导学生从人类进化的角度审视基因治疗。“选择放松”造成的有害基因频率的升高极其有限，而基因治疗的发展将使人类有足够的能力应对“选择放松”，这正是人类社会文明与进步的表现。

2 社会性科学议题应用于高三生物学复习课的价值

2.1 为概念体系的构建提供情境学生的概念学习是有一定规律的，概念的形成需要典型实例的支撑，概念的融会贯通则是在运用概念解决问题的过程中实现的。

社会性科学议题提供了一个复杂的问题情境，为了解决问题，学生需要将不同模块的概念进行整合，例如，“太湖水华的发生与治理”涉及光合作用、物质进／出细胞的方式、种群、群落和生态系统等概念，“基因治疗”涉及基因工程、细胞工程、细胞癌变、免疫调节和进化等概念。与碎片化、去情境化的概念复习相比，以社会性科学议题为情境的概念复习进行了单元教学内容的重新整合，更加符合高三学生的认知规律，促进学生构建概念体系。

2.2 为科学思维的发展提供素材科学思维培养的重要策略是科学论证。提出、评价和修正科学观点，运用证据和逻辑为现象作出解释，为问题提出合理的解决方案，都属于科学论证的范畴。

社会性科学议题为学生提供了一系列兼具复杂性和实用性的科学问题，例如，“太湖水华的发生与治理”要求学生解释蓝藻吸收无机碳速率变化的原因，解释太湖生态系统退化的原因，评价治理方案；“基因治疗”要求学生提出改造逆转录病毒载体的方案，解释基辛格免疫风暴的成因，评价“选择放松”的观点。在针对这些问题进行科学论证的过程中，学生的批判性思维、创造性思维和辩证思维等高阶思维都能得到训练和发展。

2.3 为社会责任的培养提供平台生物学课程中的社会责任既是一种态度和意愿，又是一种解决问题的能力，其中，既有与个人健康生活相关的部分，也有作为公民关注、参与和解决社会议题的部分。将社会性科学议题融入课堂教学，在教学中引导学生关注、讨论和尝试解决水污染、基因治疗等与个人生活、生命伦理、社会经济和公共安全都具有相关性的社会议题，为培养学生的社会责任提供了良好的平台。