運(yùn)用5E教學(xué)模式發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)
——以“基因治療”為例

何 源

（紹興市稽山中學(xué) 浙江紹興 312000）

1 教學(xué)理念

在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》“學(xué)科素養(yǎng)為核心、課程內(nèi)容少而精、教學(xué)過程重實(shí)踐、學(xué)業(yè)評價促發(fā)展”的核心理念下，本節(jié)教學(xué)的設(shè)計(jì)采用了基于建構(gòu)主義的5E 教學(xué)模式。通過創(chuàng)設(shè)重癥免疫缺陷病和神經(jīng)膠質(zhì)瘤的治療方案的情境，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)問題，利用已有的基因工程知識逐步構(gòu)建相關(guān)方案。并由此進(jìn)一步得出基因治療的概念，達(dá)成由事實(shí)性知識向概念性知識的提升，并在此過程中培養(yǎng)歸納總結(jié)、模型構(gòu)建的科學(xué)思維。最后通過評價基因治療的利弊，引導(dǎo)學(xué)生形成正確的價值觀和學(xué)習(xí)觀，達(dá)成生命觀念和社會責(zé)任核心素養(yǎng)的提升。

2 學(xué)習(xí)任務(wù)及學(xué)情分析

基因治療屬于浙科版生物學(xué)選修3 第1 章第3 節(jié)“基因工程的應(yīng)用”一節(jié)。本節(jié)內(nèi)容在必修2第6 章第3 節(jié)中首次出現(xiàn)，又于選修2 第3 章第2節(jié)“疾病治療中的生物科學(xué)”再次出現(xiàn)，但因?yàn)椴⒎歉呖家?，通常不開展教學(xué)?！秾W(xué)科指導(dǎo)意見》對基因治療的要求僅為講出基因治療的基本概念，但基因治療是目前較前沿的醫(yī)療技術(shù)，也是基因工程技術(shù)的一項(xiàng)重要應(yīng)用，學(xué)習(xí)過程可有效幫助學(xué)生開闊眼界，并體會如何將知識學(xué)以致用。

基因治療的過程比較抽象，本次課程通過創(chuàng)設(shè)情境、小組合作討論幫助學(xué)生降低學(xué)習(xí)難度。由于該技術(shù)較前沿，基因治療的載體等內(nèi)容是學(xué)生未接觸過的，因而這部分內(nèi)容需要引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識進(jìn)行遷移類比。

在進(jìn)行本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)前，學(xué)生已學(xué)完3 本必修教材，以及選修3 基因工程的內(nèi)容，對遺傳病的發(fā)病原因、艾滋病的侵染過程和基因工程基本步驟均已熟悉，為學(xué)好本節(jié)內(nèi)容打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）通過小組討論，探究SCID 和神經(jīng)膠質(zhì)瘤的治療方案，并構(gòu)建治療流程。（科學(xué)思維）

2）通過分析2 則案例，歸納基因治療概念。（科學(xué)思維）

3）通過評價基因治療的利弊，樹立正確的學(xué)習(xí)觀和價值觀。（生命觀念、社會責(zé)任）

4 教學(xué)重、難點(diǎn)

1）重點(diǎn)：基因治療的技術(shù)手段；基因治療概念的提出。

2）難點(diǎn)：載體的選擇；整體過程抽象性較高，具象化難度大。

5 課前準(zhǔn)備

準(zhǔn)備好相應(yīng)PPT 課件及紙質(zhì)學(xué)案；將學(xué)生分組，并指定組長，分配好組長和組員的任務(wù)。

6 教學(xué)策略

本節(jié)內(nèi)容基于5E 教學(xué)模式，采用任務(wù)驅(qū)動和小組合作討論的形式展開教學(xué)。

7 教學(xué)過程

7.1 引入（engagement）：分析病因定技術(shù)

教師講述：請大家分析資料1，找出泡泡男孩患病的根本原因。

資料1：大衛(wèi)罹患一種極其罕見的遺傳病―重癥聯(lián)合免疫缺陷病（SCID）。由于控制合成腺苷脫氨酶的相關(guān)基因（ada基因）缺失，他的T 淋巴細(xì)胞無法成熟（其他細(xì)胞正常），因此喪失了大部分免疫能力，只能生活在一個無菌的泡泡中。

預(yù)期答案：泡泡男孩ada基因缺失。

教師提問：如果你是醫(yī)生，針對這種基因缺失引起的疾病，你會提出什么治療方案？

預(yù)期答案：將ada基因重新導(dǎo)入他的細(xì)胞。

教師提問：要將一個基因?qū)氲揭粋€細(xì)胞，需要利用什么技術(shù)？

預(yù)期答案：基因工程技術(shù)。

教師請一位學(xué)生回顧基因工程的主要步驟。

預(yù)期目標(biāo)（圖1）：

設(shè)計(jì)意圖：用實(shí)際案例引入課程學(xué)習(xí)，創(chuàng)設(shè)可以將生物學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)際生活的情境，在實(shí)踐中鞏固生物學(xué)知識。同時確定學(xué)習(xí)主線：用基因工程技術(shù)治療疾病。建立模型并為學(xué)生后續(xù)提出方案提供支架，降低難度。

7.2 探究（exploration）：按圖索驥獲方案

教師發(fā)布任務(wù)1：學(xué)生將化身一代名醫(yī)，以學(xué)案中問題的答案為線索，在基因工程基本步驟的基礎(chǔ)上為治愈大衛(wèi)提出一個完善的治療方案?！懊t(yī)”可以先以4 人小組為單位進(jìn)行一次會診，攻克所有技術(shù)難題后一起提出治療方案。

幫助解決任務(wù)的問題：

①基因工程需要哪些工具？（可能答案：限制性核酸內(nèi)切酶、DNA 連接酶、載體。）

②目的基因是什么？如何獲??？（可能答案：目的基因是ada基因，可通過化學(xué)合成或從基因文庫中提取得到）。

③受體細(xì)胞應(yīng)該選擇患者的什么細(xì)胞？其他細(xì)胞需要導(dǎo)入目的基因嗎？為什么？（可能答案：患者的T 淋巴細(xì)胞。其他細(xì)胞不用導(dǎo)入該基因，因?yàn)闆]有這個基因其他細(xì)胞仍是正常的。）

④常用載體有哪些？這里選擇什么最合適？（可能答案：常用載體有質(zhì)粒、噬菌體、動物病毒和植物病毒。這里應(yīng)該選擇動物病毒。）

⑤如何篩選順利導(dǎo)入重組DNA 的受體細(xì)胞？（可能答案：利用載體自身攜帶的標(biāo)記基因。）

⑥如何確定目的基因已經(jīng)成功表達(dá)？（可能答案：可以利用抗原抗體雜交的方法進(jìn)行檢測。）

⑦小組合作，嘗試在基因工程流程基礎(chǔ)上構(gòu)建SCID的“治療方案”流程圖。

構(gòu)建流程圖，由學(xué)生在黑板圖示的基礎(chǔ)上修改，并詳細(xì)介紹過程。

設(shè)計(jì)意圖：通過設(shè)計(jì)問題幫助學(xué)生逐步構(gòu)建SCID的治療方案。討論的設(shè)置使學(xué)生可以集思廣益，降低任務(wù)難度，同時使學(xué)生體會到合作的樂趣。模型的構(gòu)建過程需要充分調(diào)動思維，提升了科學(xué)思維的核心素養(yǎng)。

7.3 解釋（explanation）：頭腦風(fēng)暴臻化境

教師請學(xué)生闡述自己的方案，并請同伴評價完善。其中有2 點(diǎn)需額外補(bǔ)充說明。

①由于學(xué)生缺乏相關(guān)知識，載體的選擇只能到動物病毒一步，需要教師引導(dǎo)。

教師引導(dǎo)：動物病毒種類很多，每一種都可以作為這里的載體嗎？

預(yù)期答案：不是的。

教師引導(dǎo)：此處應(yīng)該選擇哪一種？請結(jié)合受體細(xì)胞是T 細(xì)胞的特點(diǎn)，展開大膽的想象進(jìn)行猜測。

預(yù)期答案：HIV。因?yàn)镠IV 可以侵入輔助性T細(xì)胞。

教師引導(dǎo)：HIV 除了可以高效侵染T 細(xì)胞外，還有什么優(yōu)點(diǎn)？請結(jié)合HIV 在T 細(xì)胞內(nèi)的繁殖過程思考。

預(yù)期答案：HIV 可以將逆轉(zhuǎn)錄合成的DNA 整合到宿主染色體上。這樣目的基因就可以隨T 細(xì)胞的分裂而達(dá)到擴(kuò)增的目的。

教師引導(dǎo)：可是HIV 直接使用會使人得艾滋病，因此使用時應(yīng)先刪除它的什么基因？

預(yù)期答案：致病基因。

教師講述：想法很好，但目前的技術(shù)并不能完成這樣的改造，否則艾滋病的疫苗早就上市了。所以在這里并不直接使用HIV，而是使用與HIV 類似的其他反轉(zhuǎn)錄病毒［1］。

②學(xué)生可能只會停留在基因工程步驟的修改上，而忘記將改造后的T 細(xì)胞重新注入患者體內(nèi)，因此這里仍需引導(dǎo)。

教師引導(dǎo)：以上步驟是在患者體內(nèi)完成還是在體外完成的？

預(yù)期答案：體外完成。

教師引導(dǎo)：在體外獲得了改造好的T 細(xì)胞，患者就可痊愈嗎？

預(yù)期答案：不能。還應(yīng)該將T 細(xì)胞重新輸入患者體內(nèi)。

教師補(bǔ)充：確切地講，是將T 細(xì)胞培養(yǎng)擴(kuò)增后，再回注入患者骨髓。

最終答案（圖2）：

教師講述：很可惜，由于當(dāng)時科學(xué)技術(shù)和醫(yī)療水平的限制，醫(yī)生未能醫(yī)治好大衛(wèi)。最終，大衛(wèi)在與孤獨(dú)和病痛抗?fàn)幜?2年之后離開了人世。但這一治療方法很快得到了證實(shí)。請看資料2。

資料2：1990年，美國國立衛(wèi)生研究院的安德森博士，將腺苷酸脫氨酶（ada）基因?qū)胍晃挥捎赼da基因缺陷導(dǎo)致嚴(yán)重免疫缺損的4 歲患者的淋巴細(xì)胞中，成為基因治療的首次成功實(shí)例。

設(shè)計(jì)意圖：生生互評將小組合作提升為組間合作，是全班學(xué)生的大合作。組間的交流討論進(jìn)一步鍛煉了學(xué)生的語言組織能力和表達(dá)能力，對其科學(xué)思維的提升有了進(jìn)一步的促進(jìn)。同時教師的引導(dǎo)使方案得以更加完善，及時彌補(bǔ)了知識上的缺陷。資料2 的補(bǔ)充說明給予學(xué)生正向反饋，是對他們努力思考的認(rèn)可。

7.4 拓展（elaboration）：現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用活思路

教師小結(jié)：SCID 是由于基因缺失而引發(fā)疾病，通過添加正?；蜓a(bǔ)償了這種缺失，達(dá)到了治療目的。假如某種疾病是由于本該沉默的基因表達(dá)引起的，又該怎么做？請分析資料3，并解釋反義基因?yàn)槭裁纯梢砸种瓢┗虮磉_(dá)。

資料3：神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞具有無限增殖的能力，與其體內(nèi)的某些特殊生長因子（蛋白質(zhì)）密切相關(guān)。這些蛋白質(zhì)是由基因突變激活的腫瘤基因轉(zhuǎn)錄翻譯形成的，其過程可用圖3表示：

科學(xué)家向病變的組織細(xì)胞中導(dǎo)入了該基因的反義基因。反義基因合成的反義mRNA 可以和腫瘤基因合成的腫瘤mRNA 互補(bǔ)配對成雙鏈RNA，進(jìn)而影響突變基因的翻譯，從而達(dá)到治療目的［2］。其過程可用圖4表示：

預(yù)期答案：反義mRNA 與腫瘤mRNA 結(jié)合后可以抑制其翻譯，腫瘤細(xì)胞得不到生長因子，很快死亡，從而達(dá)到治療目的。

教師發(fā)布任務(wù)2：請用文字和箭頭在腫瘤基因表達(dá)流程圖上表示該過程。

預(yù)期答案（圖5）：

教師引導(dǎo)：資料只展示了其中的一種治療方案。反義mRNA 除了可以與腫瘤mRNA 互補(bǔ)配對，還可能與什么配對？要阻止腫瘤細(xì)胞無限增殖，只需使它沒有生長因子即可。除了阻止翻譯過程外，還有什么方法？請?jiān)俅我? 人小組為單位，討論其他可行的方案。

預(yù)期答案（圖6）：

教師小結(jié)：治療像神經(jīng)膠質(zhì)瘤這樣由于異?；蝾~外表達(dá)引起的疾病，往往通過導(dǎo)入另一種特殊基因，糾正這種基因表達(dá)引發(fā)的問題。

教師發(fā)布任務(wù)3：請結(jié)合以上2 個例子，總結(jié)基因治療的概念：

向目標(biāo)細(xì)胞中導(dǎo)入目的基因，以糾正（以神經(jīng)膠質(zhì)瘤治療為例）或補(bǔ)償（以SCID 治療為例）基因的缺陷，達(dá)到治療的手段。

設(shè)計(jì)意圖：對基因治療方法進(jìn)行拓展，使學(xué)生對該內(nèi)容的理解更全面。再一次建模是對方法的鞏固，也是對科學(xué)思維的進(jìn)一步鍛煉。最后的概念構(gòu)建達(dá)成由事實(shí)性知識向概念性知識的提升，提升了學(xué)生概念構(gòu)建的能力。

7.5 評價（evaluation）：各抒己見展風(fēng)采

教師提問：基因治療是否完美無缺？

資料4：2000年，法國巴黎某醫(yī)院采用基因治療使17 名有免疫缺陷的嬰兒恢復(fù)了正常。但在之后的幾年內(nèi)，有3 名小孩出現(xiàn)了白血病癥狀。原因可能是逆轉(zhuǎn)錄病毒的核酸隨機(jī)插入到某一癌基因附近，并成功激活了該癌基因，導(dǎo)致白血病出現(xiàn)。2007年，美國一位患有關(guān)節(jié)炎的婦女在一項(xiàng)基因治療臨床實(shí)驗(yàn)中死亡，原因是她使用的基因載體腺病毒大量繁殖侵染其正常組織，導(dǎo)致多種疾病并發(fā)［3］。

教師提問：如何看待基因治療這項(xiàng)技術(shù)？請談?wù)勀愕目捶ā?/p>

學(xué)生自由發(fā)言。

教師總結(jié)：基因治療在一定程度上改善了病人的生活質(zhì)量，延長了人類的壽命，生物學(xué)知識與技術(shù)的應(yīng)用是很有意義的。

設(shè)計(jì)意圖：評價過程鍛煉了學(xué)生的思辨能力和語言表達(dá)能力。教師的總結(jié)可幫助學(xué)生樹立正確的價值觀，達(dá)成社會責(zé)任和生命觀念的提升。

8 教學(xué)反思

在本節(jié)課中，5E 教學(xué)模式的5 個環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)，緊密圍繞提升生物學(xué)核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維展開。在“引入”階段，通過創(chuàng)設(shè)情境暴露學(xué)生前概念中的不足之處，激發(fā)學(xué)生的求知欲。“探究”階段則是課堂教學(xué)的中心環(huán)節(jié)。通過分析資料，小組內(nèi)部交流討論，組間學(xué)生互評完善，學(xué)生的腦海中逐步構(gòu)建基因治療的一般過程?！敖忉尅焙汀巴卣埂彪A段則可對新知識進(jìn)行內(nèi)化和遷移，將事實(shí)性知識升華為概念性知識，并最終將學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)遷移至實(shí)際生活。穿插于各個環(huán)節(jié)中的“評價”，教師點(diǎn)評、學(xué)生自評或生生互評，均是一次次對舊知識體系的沖擊和對新知識結(jié)構(gòu)的完善，也是對學(xué)生形成正確價值觀的引導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。從本節(jié)課的體驗(yàn)來看，5E 教學(xué)模式在高中生物學(xué)教學(xué)，尤其是重要概念的構(gòu)建中有較好的教學(xué)效果。