“单克隆抗体的制备”一节高阶思维课堂教学设计

2021-07-01李建芝顾咏梅

生物学通报 2021年9期

李建芝顾咏梅刘欣

（北京师范大学附属中学北京 100052）

学生高阶思维能力的培养是基础教育深化改革的热门课题。高阶思维源于美国教育学家布卢姆的教育目标分类学。布卢姆按照认知的复杂程度，将思维过程具体化为6 个教学目标，由低到高为记忆、理解、应用、分析、评价、创造。其中，记忆、理解、应用通常被称为低阶思维，分析、评价和创造被称为高阶思维。

基于核心目标任务的问题串能引领学生思维的方向，不断推动学生思维向高阶迈进。问题串是以主问题为核心、子问题为支架的结构化问题组合[1]。主问题是贯穿一节课的线索，子问题是联系教学目标和教学活动的纽带。本文以“单克隆抗体的制备”为例，说明基于问题串的高阶思维课堂设计。

1 教材分析

“动物细胞融合与单克隆抗体”是人教版高中生物学教材《选修3·现代生物科技专题》专题2“动物细胞工程”第2 节的内容，包括“动物细胞融合技术的发展简史”“动物细胞融合过程”“单克隆抗体制备”和“单克隆抗体应用”4 个部分的内容。“单克隆抗体的制备”是这部分的重点和难点。该项技术流程较复杂，教材采用示意图与文字相结合的方式，以利于学生理解。

2 学情分析

单克隆抗体制备实验周期长、技术复杂, 对设备和药品的要求较高,在中学现有条件下难以动手实践，内容较为抽象，学生理解有一定难度。本节内容知识综合性很强，不仅涉及前面学习的动物细胞培养技术，还与必修教材中的“细胞癌变”和“体液免疫”等知识相关，学生需要对上述内容有较深刻的印象，并能将知识迁移运用，才能更好地完成本节课的学习。

3 教学目标

1）生命观念：理解单克隆抗体技术的原理。2）科学思维：归纳与概括单克隆抗体的制备流程。

3）科学探究：针对人类生产或生活的某一需求，利用单克隆抗体技术原理进行简单的设计。

4）社会责任：关注单克隆抗体的应用。

4 教学重、难点

单克隆抗体的制备。

5 教学过程

5.1 情境导入，提出主问题介绍禽流感（图略）。人患禽流感死亡率高达60%。目前，国内、外已有许多甲型流感病毒的抗原快速检测试剂得到应用，但是一般不能区分鉴别人流感病毒和禽流感病毒。主问题：如何制备只与禽流感病毒结合的高特异性抗体？

以真实性事件作为学习内容，让学生面临一个需要立即解决的现实问题；“如何制备只与禽流感病毒结合的高特异性抗体？”以此作为主问题，贯穿本节课的主线，并由此引发后续的学习活动。

5.2 温故迁移，提出问题串1

问题串1：①抗体主要分布在哪里？②一种B细胞是否可分泌多种抗体？③怎样制备禽流感病毒的抗体？④从小鼠血清中获得的禽流感病毒抗体进行疾病诊断时，有时会出现假阳性，原因是什么？⑤怎样纯化某种抗体？

问题串的设置是发展高阶思维的关键。问题串的难度应梯度上升，让所有学生最大限度地参与到学习的过程中，让各层次学生的思维都能得到有效发展。

问题1、问题2 属于记忆水平。单克隆抗体的制备是基于体液免疫的有关知识，因此，先复习回顾有关内容，可为后续的学习扫除障碍。由问题3 可逐渐引申出后续问题。问题3 属于应用水平。学生具有免疫学的基础知识，不难作答。前3 个问题都属于低阶水平。

问题4 是启发学生思考多克隆抗体的弊端，从而为后续理解单克隆抗体的“特异性强”作铺垫。问题有一定难度，教师在学生回答的基础上进行补充。

原因1：制备抗体的动物曾感染过其他抗原（图1）。实验者从血清中得到的以为只是禽流感病毒抗体（即人们关注的抗体），但实际上还掺杂着人流感病毒抗体（实验者不知道其存在）；用获得的抗体诊断其他患病动物，若出现阳性反应，实验者会认为动物感染了禽流感病毒（而事实上感染的可能是人流感病毒）。

图1 多种抗原免疫动物后获得混合抗体

原因2：交叉反应。如图2 所示，甲、乙抗原有1 种相同的抗原决定簇，因此，用传统方法制备的抗乙抗原抗体也会与甲抗原结合。

图2 交叉反应性抗原（示意图）

问题4 属于高阶思维的分析水平。要求学生能分析知识间的联系和关系，能运用批判性思维从事物错综复杂的关系网中寻找出事物间的有机联系。

问题5 可训练学生的发散性思维，该问题涉及高阶水平的分析及评价。学生分别从分开抗体、抗原决定簇、B 细胞、效应B 细胞等角度展开讨论。在学生充分回答的基础上，教师组织学生评价，例如，传统方法获得的血清抗体是多种抗体的混合物，化学性质非常相似，很难分离，需要综合运用电泳、色谱法等复杂操作才能分离纯化；分离抗原决定簇不可行，工作量巨大，而且有的抗原决定簇是隐蔽的或是与周围肽链的空间结构有关，无法分离；分离B 细胞也不可行，体内B 细胞的种类很多，每种很少，很难知道哪一种B细胞是所需的，而且B 细胞活化需要淋巴因子等条件，体外很难实现；分离有功能的B 细胞（即效应B 细胞）可行。但有新的困难：效应B 细胞是高度分化的细胞，无法增殖。

5.3 聚焦新知，提出问题串2

问题串2：①怎样获得既能分泌抗体，又能“长命”的细胞？②若采用细胞融合的方法，则与效应B 细胞融合的癌细胞最好来自于什么系统的癌？③诱导细胞融合的方法有哪些？④只考虑两两融合，会有几种情况？如何筛选出杂交瘤细胞？（出示资料：HAT 选择培养基。略）⑤杂交瘤细胞是否都能分泌抗体？（出示资料：杂交瘤细胞的不稳定性。主要内容为：培养中的多数杂交瘤细胞不明原因地死亡，或抗体分泌停止。）⑥所有的杂交瘤细胞是否都是人们最终所需要的？

单克隆抗体制备过程中有2 步筛选，这里主要解决第1 次筛选。学生在学习了植物体细胞杂交之后，对于细胞融合、筛选杂交细胞并不陌生，因此，可采取提问的方式解决。

问题1 是开放性问题。学生思考问题的出发点不同，导致了答案的多样化。学生联系已学过的“诱变育种”“基因工程育种”“植物细胞工程育种”，可提出多种思路。让学生“制造”出一种全新类型的细胞，学生的创造性思维在思考讨论中得到发展。

问题2 是理解性问题，学生需要想到效应B细胞属于血细胞，故与之融合的癌细胞应也来自于血细胞。

问题3 是简单的记忆性问题。学生回忆植物细胞融合即可作答，教师补充还可用灭活的病毒。

问题4 是本节课的第1 个难点。单抗制备过程中有2 次筛选，第1 次筛选出杂交瘤细胞的原理不难理解，而且并不需要学生掌握，为了节约时间，在此以拓展资料的形式出现，以开阔学生的视野，锻炼其获取信息的能力。

问题5 采取学生思考（学生经过仔细思考能想到可能混有其他类型的细胞）和阅读资料（学生想不到“杂交瘤细胞的不稳定性”）的方式突破。

有了对“一种天然抗原往往有多种决定簇”“交叉反应”等的认识，学生略经思考后可顺利回答问题6。该问题属于理解层次。

5.4 实验探究，提出问题串3

实验目的：筛选出能分泌所需抗体的杂交瘤细胞。

实验思路：1）____________。2）特异性抗体检测。3）筛选出能分泌所需抗体的杂交瘤细胞。

阅读：有限稀释法：用细胞培养液将杂交瘤细胞稀释至每毫升含有7～8 个细胞，再按每孔0.1 mL，分别注入培养板。再用倒置相差显微镜严格检查，确保每个孔最多只有1 个细胞（出示图片：细胞计数器、倒置相差显微镜，图略。出示细胞培养板实物）。

设计实验如下：

实验目的：利用间接免疫荧光实验进行特异性抗体检测。

实验主要材料及仪器：禽流感病毒感染的细胞、人流感病毒感染的细胞、4%的多聚甲醛（可将细胞固定于细胞培养板上）、0.03%Triton-100（增加细胞膜的通透性）、PBS（冲洗用）、荧光标记的羊抗鼠二抗（能与鼠源性抗体结合）、荧光显微镜、细胞培养板（可用于抗原-抗体反应）等。

实验原理：“间接免疫荧光实验”是用特异性抗体与标本中相应抗原反应后，再用荧光素标记的第二抗体与抗原-抗体复合物中的第一抗体结合，洗涤后在荧光显微镜下观察特异性荧光，可用于检测第一抗体的有无等。

以小组为单位写出主要的实验步骤并预测结果。

问题串3：①为什么要用0.03%Triton-100 增加细胞膜的通透性？②为什么要用4%的多聚甲醛将细胞固定于细胞培养板上？③实验中为什么需多次冲洗？④材料用具中没有提供“待测抗体”，应如何获取？⑤为什么要加荧光标记的二抗？⑥预期结果如何？

对于第2 次筛选的方法和意义，教材没有说透，很多教师也没有讲透，给学生留下了“悬念”，这也是本节课所要解决的难点。问题串采取“分步走”的方式化解难点，首先，启发学生说出大致思路（即先要将细胞分开，然后再做特异性抗体检测）。“特异性抗体检测”以实验设计的方式呈现，学生依据给定的材料用具、实验原理，写出主要步骤并预测结果，旨在锻炼学生的逻辑思维能力，体验科学探究的过程。由于学生对所涉及的实验原理（间接免疫荧光实验）陌生，在此通过提问的方式帮助学生整理思路。

5.5 出示真实结果，提出问题串4

教师讲解：研究人员利用动物细胞融合技术得到2 种单抗。根据前述“利用间接免疫荧光实验”的方法对2 种抗体进行筛查。图3 是其中一种抗体反应的结果。图3 左侧是抗原-抗体反应完毕后用荧光显微镜观测到的现象。得到图3 结果后，研究人员随即又加入荧光染料DAPI（DAPI是一种能与DNA 强力结合的荧光染料）后观测到图3 右侧现象。