構建物理模型擊破單克隆抗體的制備過程教學難點

（中山市桂山中學 廣東中山 528463）

單克隆抗體的應用廣泛而重要，特別是醫(yī)療行業(yè)，可以用于治療癌癥和免疫防治，對人類社會來說非常重要。但在實際教學中，筆者發(fā)現學生很難深入理解第一次篩選得到的雜交瘤細胞不止一種、HAT培養(yǎng)基的篩選機理、克隆化培養(yǎng)和抗體檢測是怎么操作的……《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）提出“教學過程要重實踐”的基本理念，認為學生是學習的主體，教師要積極創(chuàng)設一些探究性活動，幫助學生在實踐中加深對知識的理解，提升應用知識的能力……為此，筆者引導學生以橡皮泥為材料動手制作物理模型，借助模型模擬單克隆抗體的制備過程，從而將抽象的知識轉變?yōu)樾蜗蟮闹R，加深學生的理解，為未來的應用做好準備。

1 課前準備

準備紅、橙、綠和白四種顏色的橡皮泥，打印出表1、表2、圖1。

圖1 模擬篩選所需要的雜交瘤細胞模型圖

表1 模擬篩選雜交瘤細胞的活動一

表2 模擬篩選雜交瘤細胞的活動二

2 教學活動

2.1 追尋單克隆抗體的來源

教師播放新冠肺炎康復者血清用于治療重癥患者的視頻，提出問題串：血清為什么能發(fā)揮作用？哪種能產生抗體？該類細胞由誰分裂分化而來？B淋巴細胞會存在于哪里？教師利用問題串，帶領學生回顧免疫學相關知識，引出深層次問題：康復者血清中的抗體是否是一種？為什么？使用血清抗體會存在什么問題？如何獲得單一、純凈的抗體？借助這些問題，教師從“單”即一個和“克隆”即復制兩個方向解釋單克隆抗體，進一步提出問題：市場對單克隆抗體需求很大，已接受抗原刺激的B淋巴細胞能否擔此重任？它的缺陷在哪里？誰能無限增殖？可否獲得一種細胞兼具兩者優(yōu)勢？由此，教師引出兩位科學家的突破性思維，得出雜交瘤細胞的特點，為后續(xù)的模擬實踐做好理論準備。

設計意圖：教師結合社會熱點創(chuàng)設情境，以情境為基礎展開層層遞進的問題鏈，調動學生的積極性，訓練學生的科學思維。

2.2 模擬單克隆抗體的制備

學生每四人為一小組。教師給每個小組發(fā)放一定量的橡皮泥（以橡皮泥球模擬細胞）、表1、表2、圖1。在學生開展模擬活動時，教師進行適度指導。在成果展示環(huán)節(jié)，由小組學生代表上臺展示；成果評價環(huán)節(jié)以生生互評為主，教師點評為輔。

2.2.1 模擬篩選雜交瘤細胞

學生活動一：假定紅色代表能產生所需抗體的B淋巴細胞，白色代表骨髓瘤細胞。請寫出誘導融合后培養(yǎng)基的細胞種類；紅色和白色兩兩任意融合，請捏出所有的可能情況和你認為的雜交瘤細胞。學生的成果展示如圖2所示。

圖2 模擬篩選雜交瘤細胞的活動一成果圖

學生活動二：教師設置問題引導學生，從脾臟中可以直接分離到能產生所需抗體的B淋巴細胞嗎？如果不能，紅、橙、綠可以分別代表哪幾類B淋巴細胞？將紅、橙、綠三種情況考慮進去，請捏出雜交瘤細胞和所需要的雜交瘤細胞。學生的成果展示如圖3所示。

圖3 模擬篩選雜交瘤細胞的活動二成果圖

設計意圖：活動一是活動二的基礎，遵循由簡單到復雜的認知規(guī)律，幫助學生深刻理解雜交瘤細胞，為第二次篩選奠定基礎。

2.2.2 模擬篩選所需要的雜交瘤細胞

教師引導學生思考：3種雜交瘤細胞都能產生所需抗體嗎？克隆化培養(yǎng)指的是什么？實際操作中如何實現？抗體的空間結構是什么樣？抗體的產生種類是由什么細胞決定？抗體檢測中能和抗原結合的抗體是由什么細胞產生？在此基礎上，布置學生用三種雜交瘤細胞（每種一個）進行模擬，用B淋巴細胞對應顏色的橡皮泥分別模擬抗體。學生成果展示如圖4所示。

圖4 模擬篩選所需要的雜交瘤細胞成果圖

設計意圖：啟發(fā)性問題為模擬實踐指明了方向，模擬實踐又將學生的思維外顯出來，教師可以準確捕獲學生的知識盲點，助力學生深刻理解第二次篩選的機理。

2.2.3 釋疑篩選雜交瘤細胞的原理

教師展示DNA復制過程中核苷酸的合成途徑圖（圖5），告知學生HAT培養(yǎng)基中H、A、T均有添加，正常細胞兩種途徑都可以進行，骨髓瘤細胞中激酶或者轉化酶缺陷，提出問題：為何只有雜交瘤細胞可在HAT培養(yǎng)基上生存？

圖5 DNA復制過程中核苷酸的合成途徑

2.2.4 分析利用雜交瘤細胞制備抗體的方法

教師提出問題：如何利用所需要的雜交瘤細胞獲取大量的單克隆抗體？體內培養(yǎng)和體外培養(yǎng)，你更傾向哪種方式？原因是什么？

設計意圖：教師利用開放性問題，鍛煉學生根據條件進行推理分析，大膽猜測的能力。

2.3 思考單克隆抗體的應用

教師布置學生閱讀書本上相關內容，提出基礎問題：單克隆抗體使得早孕檢測提前了10 d，體現了什么優(yōu)點？抗體—藥物偶聯物（ADC）機制和傳統(tǒng)藥物相比其優(yōu)勢在哪里，體現了什么優(yōu)點？可否直接用本節(jié)知識去制備新冠病毒的單克隆抗體？會存在什么問題？有哪些辦法可以制備適合人類的該抗體？教師要注意鼓勵學生暢所欲言。

設計意圖：學習單克隆抗體的應用能夠讓學生感受到生命科學的魅力，加強認同感。教師利用如何治療新冠肺炎這個開放性的現實問題，可以激發(fā)學生的頭腦風暴，培養(yǎng)科學的萌芽。

3 教學反思

針對單克隆抗體的制備過程抽象且難以理解的特點，筆者采取了構建模型的方式，該方式是培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)尤其是科學思維的重要手段。模型材料選取了可塑性強、直觀形象的橡皮泥。學生在啟發(fā)性問題的引導下進行模型制作，小組內部進行討論分析，小組代表進行成果展示，小組之間進行互相評價。整個過程中，學生主動獲取知識，在理論與實踐的碰撞過程中加深了對知識的理解，強化了科學思維。