“動物細胞融合與單克隆抗體”一節(jié)基于實踐后的教學(xué)設(shè)計

羊垂功

摘 要 依據(jù)教材編寫意圖、學(xué)生原有認知等創(chuàng)設(shè)問題串引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生理解動物細胞融合過程、植物體細胞雜交技術(shù)與動物細胞融合技術(shù)區(qū)別、聯(lián)系等，培養(yǎng)學(xué)生知識遷移等能力；抓住技術(shù)流程和篩選主線，以問題為導(dǎo)向，啟迪學(xué)生思維，幫助學(xué)生理解單克隆抗體制備原理與應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識能力。

關(guān)鍵詞 動物細胞融合 單克隆抗體 教學(xué)設(shè)計

中圖分類號 G633.91 文獻標(biāo)志碼 B

1 教材分析

“動物細胞融合與單克隆抗體”是人教版高中生物學(xué)教材《選修3·現(xiàn)代生物科技專題》專題2“動物細胞工程”第二節(jié)內(nèi)容，包括“動物細胞融合技術(shù)的發(fā)展簡史”、“動物細胞融合過程”、“單克隆抗體制備”和“單克隆抗體應(yīng)用”四部分內(nèi)容?！皠游锛毎诤稀边@部分內(nèi)容，由于學(xué)生對植物體細胞雜交技術(shù)已經(jīng)有一定了解，在編排過程中如何做到學(xué)生在原有能力基礎(chǔ)上提高且內(nèi)容不重復(fù)？教材首先指出動物也可以和植物一樣進行細胞雜交，其原理基本相同、誘導(dǎo)融合的方法也類似即二者都可以采用物理和化學(xué)誘導(dǎo)因素誘導(dǎo)動物細胞（原生質(zhì)體）融合。但生物誘導(dǎo)因素（滅活的仙臺病毒）是動物細胞融合特有的誘導(dǎo)因素。為什么滅活的仙臺病毒僅能誘導(dǎo)動物細胞融合？人們怎么知道滅活的仙臺病毒可以誘導(dǎo)動物細胞融合？怎樣用滅活的仙臺病毒誘導(dǎo)動物細胞融合？教材通過“動物細胞融合技術(shù)的發(fā)展簡史”“滅活的仙臺病毒誘導(dǎo)動物細胞融合過程示意圖”“生物技術(shù)資料卡”等輔以說明。編者之所以這樣選取內(nèi)容是力圖使學(xué)生理解滅活仙臺病毒誘導(dǎo)動物細胞融合原理、動物細胞融合過程、植物體細胞雜交技術(shù)與動物細胞融合技術(shù)區(qū)別、聯(lián)系的同時，進一步受到科學(xué)史、科學(xué)方法和科學(xué)價值觀的教育?！皢慰寺】贵w”這部分內(nèi)容教材采用講故事的形式，講述了兩位科學(xué)家對單克隆抗體的研究過程，以使學(xué)生認識到豐富的聯(lián)系和想象在科學(xué)創(chuàng)新中的重要作用。這部分內(nèi)容在表述形式上采用的是示意圖與文字相結(jié)合的方式，并配以“小知識”“思考與探究”等多種欄目啟發(fā)學(xué)生思考，其目的是使學(xué)生在訓(xùn)練思維的過程中對“單克隆抗體制備技術(shù)”有較為深入的理解。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識目標(biāo)

① 說明動物細胞融合與植物體細胞雜交的異同；

② 簡述動物細胞融合和單克隆抗體制備的過程、方法與原理；

③ 了解單克隆抗體在醫(yī)學(xué)實踐中的應(yīng)用，說出應(yīng)用實例。

2.2 能力目標(biāo)

① 比較植物體細胞雜交技術(shù)與動物細胞融合技術(shù)區(qū)別，培養(yǎng)知識遷移能力；

② 嘗試設(shè)計單克隆抗體制備實驗方案，培養(yǎng)科學(xué)思維能力；

③ 通過過程圖解讀和相關(guān)原理、方法總結(jié)，培養(yǎng)分析歸納信息能力。

2.3 情感、態(tài)度與價值觀目標(biāo)

認同科學(xué)技術(shù)的誕生離不開豐富的聯(lián)想和想象。

3 教學(xué)過程

3.1 新課導(dǎo)入，比較植物體細胞雜交技術(shù)與動物細胞融合技術(shù)區(qū)別與聯(lián)系

通過《必修1·分子與細胞》的學(xué)習(xí)，知道了1970年兩位科學(xué)家做了人—鼠細胞融合實驗，證明了細胞膜上的蛋白質(zhì)是可以運動的即細胞膜具有一定的流動性。那么，如何實現(xiàn)人—鼠細胞融合？誘導(dǎo)動物細胞融合有什么用途？科學(xué)家為什么直到1970年才開展人—鼠細胞融合實驗？這就是本節(jié)課要解決的主要問題，從而引出課題“動物細胞融合與單克隆抗體”。

對于“科學(xué)家為什么直到1970年才開展動物細胞融合實驗”這一問題。教師先安排學(xué)生自主閱讀“動物細胞融合技術(shù)發(fā)展史”以加深學(xué)生對科學(xué)史和本質(zhì)的認識，使學(xué)生進一步受到科學(xué)史、科學(xué)方法和科學(xué)價值觀的教育。教師創(chuàng)設(shè)問題串：

① 為什么滅活的仙臺病毒僅能誘導(dǎo)動物細胞融合？其機理是什么？仙臺病毒不滅活可以嗎？為什么？

② 動物細胞完成融合的標(biāo)志是什么？請用語言闡述動物細胞融合過程。

③ 動物細胞融合技術(shù)與植物體細胞雜交技術(shù)有什么區(qū)別與聯(lián)系？

教師引領(lǐng)學(xué)生閱讀教材，相互補充、完善以上問題答案后，再依據(jù)學(xué)生原有認知，引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生理解植物體細胞雜交技術(shù)與動物融合技術(shù)的區(qū)別、聯(lián)系：

① 由于動物細胞沒有細胞壁這一結(jié)構(gòu)，因此在誘導(dǎo)融合過程中不需用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁；由于誘導(dǎo)融合需要用到大量細胞，因此在誘導(dǎo)融合前需要用胰蛋白酶和膠原蛋白酶處理相關(guān)組織使其分散成單個細胞、以獲取大量單個細胞。

② 由于植物細胞有細胞壁，因此人們可以依據(jù)雜種細胞能再長出新的細胞壁，作為判定植物細胞完成融合的標(biāo)志；由于動物細胞沒有細胞壁，因此只能依據(jù)雜交細胞經(jīng)過有絲分裂之后，能形成兩（多）個相同的雜交細胞，作為判定動物細胞完成融合的標(biāo)志。

③ 由于動物細胞（原生質(zhì)體）融合都依賴細胞膜的流動性才得以完成，因此兩者在該方面的基本原理相同，但由于植物細胞具有全能性、動物細胞沒有全能性，致使它們另一個基本原理有差異即植物體細胞雜交技術(shù)是細胞的全能性、動物細胞融合技術(shù)是細胞的增殖，這也是兩者后續(xù)運用到的基礎(chǔ)技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)略有差異的原因，即前者后續(xù)運用到了植物組織培養(yǎng)技術(shù)，后者后續(xù)運用到了動物細胞培養(yǎng)技術(shù)；前者獲得雜種植株，后者獲得雜交細胞及其產(chǎn)物。

④ 依據(jù)生物資料卡，我們可以推測動物細胞膜上的糖蛋白能與滅活仙臺病毒表面含有的糖蛋白和一些酶發(fā)生作用，致使細胞得以相互凝聚、融合；由于植物細胞膜上的物質(zhì)與滅活仙臺病毒表面的糖蛋白與酶不具有特異性，致使原生質(zhì)體不能凝聚、融合。

學(xué)生理解兩者區(qū)別、聯(lián)系后，教師再引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生運用思維地圖中的雙氣泡圖構(gòu)建知識框架，以完善、優(yōu)化學(xué)生認知結(jié)構(gòu)，降低他們的記憶難度，拓寬記憶容量（圖1）。

3.2 探討傳統(tǒng)抗體生產(chǎn)缺陷，嘗試設(shè)計解決方案

以“非典”為背景，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)傳統(tǒng)抗體生產(chǎn)缺陷：在非典流行時，你作為疑似感染人員，醫(yī)生用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的非典病毒抗體來幫助你診斷是否被感染，結(jié)果可靠嗎？為什么？

教師先留有時間給學(xué)生發(fā)表看法，之后再創(chuàng)設(shè)問題串：

① 請聯(lián)系免疫調(diào)節(jié)相關(guān)知識解釋傳統(tǒng)生產(chǎn)的抗體產(chǎn)量低、純度低、特異性差的原因。

② 什么是單克隆抗體？如何理解“單”“克隆”“單克隆抗體”這三個詞？

③ 克隆指的是克隆B細胞還是克隆漿細胞？為什么？

④ 請嘗試運用動物細胞融合技術(shù)設(shè)計一個能解決傳統(tǒng)抗體生產(chǎn)缺陷的實驗方案。教師引領(lǐng)學(xué)生閱讀教材并對以上問題進行交流、討論，以矯正學(xué)生原有的認知局限，強化學(xué)生對傳統(tǒng)抗體生產(chǎn)缺陷、單克隆抗體概念的理解。學(xué)生補充完善①至④的問題答案后，教師要求小組派代表上黑板展示小組設(shè)計的實驗方案，其他小組再補充、完善（圖2）。

最后教師再小結(jié)、點撥，以深化學(xué)生對“傳統(tǒng)抗體生產(chǎn)缺陷”“單克隆抗體概念”理解的同時也為后續(xù)學(xué)習(xí)單克隆抗體制備奠定基礎(chǔ)。傳統(tǒng)抗體生產(chǎn)的本質(zhì)是吞噬細胞攝取、處理、暴露病原體特定抗原決定簇并呈遞給T細胞，T細胞再釋放淋巴因子活化B細胞（病原體表面上特定的抗原決定簇也可以直接刺激B細胞）致使B細胞增殖分化成特異性的漿細胞，再由漿細胞分泌特異性抗體。由于動物在生活中會接觸多種天然抗原，每個天然抗原物質(zhì)可有多種和多個決定簇，因此雖然反復(fù)給免疫動物注射某種抗原加強免疫，在該動物血清中還是會有多種多樣的抗體混雜在一起（這也是教材所講“動物在免疫反映過程中，體內(nèi)產(chǎn)生的特異性抗體種類可多達百萬種以上”的原因），難以對某種抗體加以分離、提純且在體外培養(yǎng)條件下B細胞不能無限增殖，致使傳統(tǒng)生產(chǎn)的抗體產(chǎn)量低、純度低、特異性差、靈敏度低。雖然動物在免疫反應(yīng)過程，體內(nèi)產(chǎn)生的特異性抗體種類多達百萬種以上，但是每一個B細胞只分泌一種抗體。要想獲得大量的單克隆抗體，必須克隆單一的B細胞形成細胞群，因此單克隆抗體中的“單”指的是“一個（一種）”“克隆”指的是B細胞的增殖，“單克隆抗體”指的是一個B細胞增殖后，只產(chǎn)生一種特異性的抗體。

對于學(xué)生疑問：抗體是由漿細胞產(chǎn)生的，為何誘導(dǎo)融合時選用的是B細胞而不是漿細胞？教師可引導(dǎo)學(xué)生從以下兩個視角理解：

① 漿細胞不具有識別抗原決定簇能力；

② 漿細胞不能進行增殖，只能由B細胞增殖分化形成。

最后教師肯定學(xué)生設(shè)計的實驗方案，進入單克隆抗體制備的學(xué)習(xí)：同學(xué)們這個極富創(chuàng)造性的實驗方案，與當(dāng)初科學(xué)家的設(shè)想是一樣的，那么科學(xué)家是如何通過單克隆抗體制備，獲取大量單克隆抗體的呢？

3.3 單克隆抗體的制備

教師抓住技術(shù)流程和篩選主線（細胞的獲取→細胞的融合→細胞的篩選→細胞的培養(yǎng)）（圖2），創(chuàng)設(shè)問題串：

① 給免疫老鼠注射特定抗原蛋白的目的是什么？B細胞、骨髓瘤細胞分別具有什么特點？

② 誘導(dǎo)細胞融合的手段有哪些？哪種為動物細胞特有？

③ 制備單克隆抗體時，為什么要選用B細胞與骨髓瘤細胞融合形成雜交瘤細胞？

④ 為什么不用兩個而要用多個細胞進行動物細胞間的融合？誘導(dǎo)細胞融合過程中，培養(yǎng)液中會產(chǎn)生幾種細胞類型？雜交瘤細胞有什么特性？

⑤ 第1次篩選的目的是什么？第2次篩選的目的又是什么？

⑥ 得到能產(chǎn)生單克隆抗體的雜交瘤細胞后，如何解決單克隆抗體產(chǎn)量的問題？單克隆抗體具有什么優(yōu)點？假如你掌握了動物融合技術(shù)，你除了用來制備單克隆抗體以外，你還想用它來解決什么問題？

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材內(nèi)容、解讀單克隆抗體制備過程圖解，相互交流、討論、補充、完善，以培養(yǎng)學(xué)生分析歸納信息的能力。對于學(xué)生分析單克隆抗體制備示意圖過程中產(chǎn)生“為什么要進行專一性抗體檢測陽性、兩次專一性抗體檢測陽性目的一樣嗎？”等問題，教師可作相應(yīng)的知識拓展及知識構(gòu)建，以深化學(xué)生對第一次篩選目的和第二次篩選目的的理解（圖3）。

3.4 單克隆抗體應(yīng)用，歸納、總結(jié)知識

讓學(xué)生舉例說明單克隆抗體應(yīng)用，教師再進行小結(jié)：無論單克隆抗體哪一方面的應(yīng)用，都是利用單克隆抗體特異性強、靈敏度高這一優(yōu)點。例如由于單克隆抗體特異性強、靈敏度高，因此醫(yī)生用雜交瘤細胞生產(chǎn)的單克隆抗體診斷某人是否感染非典要比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的非典病毒抗體診斷結(jié)果要可靠。

最后教師引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生設(shè)計表格比較植物細胞工程產(chǎn)物與動物細胞工程產(chǎn)物生產(chǎn)技術(shù)上的區(qū)別、聯(lián)系，以完善、優(yōu)化學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)（表1）。

4 教學(xué)反思

本教學(xué)設(shè)計以教材編寫思路、學(xué)生原有認知結(jié)構(gòu)等為基礎(chǔ)，通過創(chuàng)設(shè)問題串，引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生理解滅活仙臺病毒誘導(dǎo)動物細胞融合原理、動物細胞融合過程、植物體細胞雜交技術(shù)與動物細胞融合技術(shù)區(qū)別和聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生知識遷移能力，對學(xué)生進一步進行科學(xué)史、科學(xué)方法和科學(xué)價值觀的教育；通過學(xué)生相互補充、完善單克隆抗體制備實驗方案，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力；抓住單克隆抗體制備的技術(shù)流程和篩選主線，以問題為導(dǎo)向，啟迪學(xué)生思維，幫助學(xué)生理解單克隆抗體制備原理與應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識解決問題的能力，同時使他們認同科學(xué)技術(shù)的誕生離不開豐富的聯(lián)系和想象；引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生設(shè)計表格歸納、總結(jié)知識，完善、優(yōu)化了學(xué)生原有認知結(jié)構(gòu)，有效達成預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。