基于STS教学模式的问题串教学

郭敬颖

［摘 要］单克隆抗体的制备作为一个微专题在高三二轮复习中经常出现，利用STS教学模式，结合抗原检测试纸这一生活用品，将与单克隆抗体有关的知识点（如免疫调节、基因工程、细胞培养等）进行串联，通过设置问题串，引导学生面对真实的生活问题，结合已有的知识及查阅相关资料，达到解决问题的目的，并在此过程中培养学生的核心素养。

［关键词］问题串；STS教学模式；单克隆抗体

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）14-0088-04

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》的“实施建议”中提出，要注意引导学生关注社会热点问题，了解相关的原理和主要技术路线，结合已有知识，解决社会真实情境中的问题，加深对科学、技术、社会相互关系的认识[1]。STS是科学（Science）、技术（Technology）和社会（Society）的英文缩写。STS教学模式旨在将系统的、综合的、开放的、发展的思维方式融入教学，以问题为中心，通过创设情境、交流讨论等方式，加强科学与技术、社会之间的联系，从而达到培养学生的科学意识、科学态度、科学思维的目的[2]。

本文以人教版（2019年版）高中生物学选择性必修3中的“单克隆抗体及其应用”为基础，结合抗原检测试纸这一生活用品，以抗原检测试纸中单克隆抗体的制备为例，设置连贯的问题串，引导学生将已有的知识进行串联，并在解决问题的过程中培养生物学学科核心素养。

一、教材分析及教学思路

“单克隆抗体及其应用”是人教版（2019年版）高中生物学选择性必修3第2章第2节的内容，是动物细胞融合技术的具体应用，且单克隆抗体在疾病诊断、病原体鉴定、疾病治疗中发挥重要作用，是知识与生产生活实践相结合的典型案例。虽然教材中以图示的方式展现单克隆抗体的制备过程，有助于学生理解关键步骤，但是在高三复习中，学生遇到具体的情境分析和综合类问题时，还是很难将已有知识联系起来灵活运用。

本节课以抗原检测试纸这一生活用品为素材创设生活情境引入，通过层层设问的方式，围绕单克隆抗体的制备这一核心知识，拓展教材中的制备过程，融合基因工程、微生物培养、动物细胞培养等实验情境，将知识点进行串联，形成相对完整的技术路线，引导学生综合运用已有知识解决相应的问题。

二、教学目标

基于课程标准的具体要求，制订如下教学目标：（1）以抗原检测试纸中单克隆抗体的制备为出发点，分析与单克隆抗体有关的生物学知识和技术；（2）基于真实的实验情境，梳理归纳单克隆抗体制备的主要技术路线，通过提出问题并主动寻找答案的方式培养科学思维；（3）能灵活运用所学知识解决实际生活中的问题，注重在社会担当与社会实践等方面渗透社会责任。

三、教学过程

（一）拆解试剂盒，创设生活情境

［活动设计］分发新冠肺炎病毒抗原检测试纸，让学生按照说明书进行操作；展示抗原检测试纸的结构示意图（如图1），引导学生拆解抗原检测试纸，并结合示意图分析各个部分的主要成分及作用；利用纸质“抗体”在黑板上摆出抗原检测试纸模型。教师提问：“能否结合抗原检测试纸的内部结构和模型，解释抗原检测的原理？阳性为什么会出现两道杠呢？”请学生结合试纸呈现的条带（如图2）分析检测结果。

[偶合物垫][吸水垫][PVC底板][NC膜][T线][C线]

图1

[C][T][C][T][C][T][A][B][C][D][E]

图2

抗原检测试纸，是学生在社会生活中会接触和使用到的物品，但是学生对其内部构造不甚了解。引导学生拆掉包装，观察试纸的结构，能引发学生极大的兴趣。让学生对照示意图，了解其中各个部分的主要成分和作用，以及胶体金法抗原检测试纸的工作原理——抗原抗体特异性结合。这一环节，体现了技术与社会之间的紧密结合。

（二）设置问题串，分析科学原理

［活动设计］抗原检测试纸中的关键成分是单克隆抗体，通过提问的方式，引导学生了解制备单克隆抗体的原理、流程、主要技术和优点等，将知识串联成体系，并进行归纳整理，最终利用技术路线图的形式呈现。

［问题1］抗体是如何产生的？为什么不直接从动物血清中获取抗体用于抗原检测试纸？

回顾抗体产生的过程，复习体液免疫的相关知识点。从动物血清中获取的抗体能针对多种病原体，但特异性不强且量少。由此得出单克隆抗体具有特异性强，可以大量制备的优点。为制备单克隆抗体时需要进行第二次筛选埋下伏笔。

［问题2］为了获取单一的、能大量制备的抗体，米尔斯坦和科勒提出了单克隆抗体的制备思路：利用可以产生抗体的浆细胞和能大量增殖的骨髓瘤细胞融合，所得到的细胞既可以大量增殖，又可以产生人们所需要的抗体，能否根据图示（如图3）绘制简单的技术路线？

[骨髓瘤细胞][B淋巴细胞][抗新冠肺炎病毒的单克隆抗体][①][②][③][④]

图3

单克隆抗体的制备过程在教材中以图示呈现，学生很熟悉。要求学生用简单的技术路线将已有的知识换种方式呈现，可锻炼学生获取信息、提炼信息的能力。随着问题的不断提出，逐步对技术路线进行填充，对知识进行迁移。

［问题3］给小鼠注射抗原是为了获取能产生特定抗体的B淋巴细胞。可以用病毒直接进行注射吗？如果不可以，该如何获得抗原呢？

在本节课之前，学生已学习了基因工程的相关知识，这时用转基因的手段获取大量的能引起免疫反应的部分病毒蛋白（N蛋白）成为可能。以问题3为前提，可以引导学生复习基因工程的相关知识点（如图4），同时结合具体的情境，明白获取目的基因时需要先进行逆转录，增强知识的综合性和应用性。

[M][E][S][RNA][RNA][DNA][N基因][选择性

扩增][①][②]

[携带N基因的重组表达载体][导入细胞

培养][细胞表达

N蛋白][③][④]

图4

［问题4］B淋巴细胞在骨髓中产生并成熟，主要分布于淋巴结和脾脏中。该如何获取B淋巴细胞呢？

从已免疫的小鼠中获取B淋巴细胞在教材图示中介绍得比较简单，但是这部分操作涉及的知识点较多，可以展开分析。例如，为什么选择脾脏作为材料提取B淋巴细胞？细胞的体外培养都需要哪些条件？动物细胞的原代培养和传代培养具体如何操作？等等。本环节是对免疫系统和动物细胞培养的相关知识进行回顾。在教学中，也有学生提出问题：脾脏里的细胞种类很多，如何能将B淋巴细胞筛选出来呢？学生带着这个疑惑，查阅相关资料，进一步了解细胞分选技术。

［拓展阅读］从脾脏细胞中高效分离单个抗原特异性 B 淋巴细胞的方法：利用以生物标记的非 B 细胞淋巴细胞表面标志物抗体对脾脏细胞进行负筛选（杀死不需要的脾脏细胞），再利用亲和素磁珠与磁性分离原理去除非 B 细胞，以提高脾脏细胞中B淋巴细胞的相对丰度；利用荧光标记的 IgM 多克隆抗体和预标记筛选用抗原，对前面得到的脾脏细胞进行进一步负筛选，以流式细胞技术去除表面不表达 IgG 分子的 B 细胞，保留与预标记筛选用抗原结合的目标淋巴细胞；利用荧光染料7- AAD 进行分选，去除死细胞；用流式细胞仪进行单细胞的筛选，得到目标淋巴细胞。

［问题5］细胞膜作为细胞的边界，使每个细胞成为相对独立的系统，欲使两个相对独立的细胞进行融合，可利用细胞膜具有一定的流动性的特点。在植物体细胞杂交一节介绍了促进植物细胞融合的方法，那么促进动物细胞融合的方法与促进植物细胞融合的方法有哪些不同呢？

对比植物细胞融合的方法，明确促进动物细胞融合时可以用灭活的病毒这一方法。这时，学生自然会想到，为什么在植物细胞融合时不能用灭活的病毒呢？结合已有的知识可知，病毒进入细胞的方式主要有三种：一种是通过与细胞膜上的糖蛋白结合，以胞吞的方式进入（如腺病毒）；一种是吸附以后将核酸注入细胞内，蛋白质外壳留在外面（如噬菌体）；一种是具有包膜的病毒通过膜融合的方式入侵细胞（如仙台病毒）。促进动物细胞融合主要利用了第三种方式，而植物病毒目前没有发现以这种方式入侵植物细胞，也就无法利用病毒促进植物细胞融合了。

［问题6］B淋巴细胞和骨髓瘤细胞是随机融合的，如果只考虑两两融合的情况，溶液中会出现五种细胞：B淋巴细胞、骨髓瘤细胞、B细胞+B细胞、骨髓瘤细胞+骨髓瘤细胞、B细胞+骨髓瘤细胞（杂交瘤细胞），其中只有杂交瘤细胞是我们需要的，这时该如何筛选呢？

[全合成途经：糖和氨基酸][补救合成途经：H、T][A（阻断）][转化酶、激酶][核苷酸][DNA]

[免疫B细胞][骨髓瘤细胞][细胞融合][HGPRT+][HGPRT-][HAT培养液][体外长期

培养中死亡][融合的细胞][在HAT培养

液中死亡]

图5

单克隆抗体中的第一次筛选利用了HAT培养基的工作原理[3]，在这种选择培养基中，B细胞以及B细胞+B细胞这两种类型的细胞由于B细胞高度分化、无法分裂而死亡；骨髓瘤细胞以及骨髓瘤细胞+骨髓瘤细胞这两种类型的细胞由于物质A可以阻断其中的全合成途径，又因缺乏次黄嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT-）无法完成补救合成途径而死亡。只有杂交瘤细胞可以利用B淋巴细胞中包含的次黄嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT-）完成补救合成途径中所必需的酶从而存活下来。利用分析选择培养基的作用机制这一具体实验情境，结合图示锻炼学生获取信息的能力，培养学生的科学思维和科学探究素养。

［问题7］小鼠接触的抗原不止一种，不同的B淋巴细胞可以分泌的抗体不同，融合以后得到的杂交瘤细胞也能分泌多种抗体，如何筛选并大量获取可以分泌特定抗体的杂交瘤细胞呢？

理解单克隆抗体制备过程中进行第二次筛选的目的。讲解筛选的两种方式：一种是流式细胞筛选，通过将细胞标记，用荧光激发和探测器检测，实现单个细胞的分离；另一种是酶联免疫吸附实验（ELISA），筛选过程利用了抗原抗体特异性结合的原理。最后，将筛选得到的细胞进行体外大规模培养或小鼠腹腔增殖以获取单克隆抗体。

用类似的方法分别获取制备抗原检测试纸所需要的其他抗体，并对相应抗体用胶体金粒子标记，通过化学方法将各部分按顺序偶联吸附在硝酸纤维素膜上，最终制得抗原检测试纸。

（三）梳理总结，绘制技术路线

了解各步骤进行的原理和目的后，结合已有的知识，从技术的原理、关键步骤、结果及注意事项等方面总结绘制并完善单克隆抗体制备的技术路线图，可在模板（如图6）的基础上进行补充也可自行绘制。

[一、利用基因工程制备重组抗原

原理：基因重组

步骤：①获取目的基因（方法：RT-PCR）

②构建基因表达载体（核心）

③将目的基因导入受体细胞（微生物）

④目的基因的检测与鉴定

结果：获得能够表达病毒抗原蛋白的细胞][二、以合适的剂量多次免疫小鼠

目的：获取能分泌特异性抗体的B淋巴细胞][三、动物细胞培养获取B细胞

步骤：①取新鲜的小鼠脾脏

②用机械的方法或胰蛋白酶（胶原蛋白酶）进行处理

③分散成单个细胞

④加培养液制成细胞悬液

⑤放入培养瓶，置于适宜环境下培养（原代培养）

⑥分瓶培养（传代培养）][四、骨髓瘤细胞培养

特点：次黄嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT-）缺失][五、将B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合

原理：细胞膜具有一定的流动性

常用方法：PEG、电融合、灭活病毒

结果：如果只考虑细胞两两融合，融合后的

细胞会出现五种情况][六、第一次筛选

原理：A阻断全合成途径，骨髓瘤细胞缺乏激酶，无法完成补救合成途径

结果：在HAT培养基上只有杂交瘤细胞可以生存][七、第二次筛选

原理：抗原抗体特异性结合

过程：克隆化培养后用与抗体特异性结合的抗原进行检测

结果：筛选出可以分泌特异性抗体的杂交瘤细胞][八、扩大培养

体外培养或注射到小鼠腹腔增殖，从细胞培养液或小鼠腹水中获取单克隆抗体]

图6

每种技术的发明均是为了解决相应的问题，在遇到问题时，需要对问题进行分析并结合知识分析问题解决的可能性。如果现有的理论支持问题的解决，则需要选择合适的材料、试剂，设计合理的步骤来达到目的，并在不断的修正中进行更新；若现有的理论不支持，则可能需要进行更深入的理论研究。通过绘制技术路线图，培养学生发现、分析、解决问题的思维能力。

（四）自制抗原检测试剂盒，回归社会问题

［问题8］基于以上的学习内容，如果给予相应的试剂、仪器和设备，大家能否利用自制的单克隆抗体组装一个抗原检测试剂盒呢？

［新闻资料］2022年12月疫情防控期间，面对抗原检测试剂盒紧缺的状况，中国石油大学（华东）的科研团队，凭借多年的科研积累，自制抗原检测试剂盒，提供给师生免费使用，用所学所长为社会的抗疫事业贡献了一份力量。制备抗原检测试剂盒的原理与所学内容相差无几，但是在操作过程中还有一些具体的细节，有待学生日后学习。

用一则新闻作总结，引导学生面对真实的生活问题，充分运用所学的知识和技能，怀着为社会做贡献的理念来学以致用。

四、教学反思

本节课的设计重视科学、技术在生产生活中的应用，理论联系实际，在科学理性的探究中提升学生的社会认知与责任意识。应用STS的教学方式，以问题为中心，通过设置问题串引导学生思考。在教学的过程中，教师的设问比较中规中矩，以引导学生思考、推进教学环节为主，但是在学生的交流讨论和提问环节，充分体现了学生的主体地位。学生在回答教师问题的基础上积极思考，提出了许多更加现实和富有创造性的问题，并对教材之外的知识进行了探讨和学习。最后，引导学生大胆设想，所学为所用，树立学以致用、服务社会的理想信念。

［   参   考   文   献   ］

[1]  中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]  黄晓.论STS教育的特点[J].比较教育研究，2002（9）：30-35.

[3]  李沈，张文元.HAT培养基在杂交瘤细胞应用中的探讨[J].浙江省医学科学院学报，1990（1）：24-25.

（责任编辑    罗    艳）

［基金项目］湖北省襄阳市教育科研“十四五”规划2021年度课题“高中生物学教学过程实现核心素养的实践研究”（NO.XJKGB21294）。