核心素養(yǎng)視域下基于科學(xué)史的高中生物學(xué)大單元教學(xué)實踐研究

［摘 要］文章選擇2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎作為科學(xué)史代表，基于核心素養(yǎng)將該諾貝爾獎的成果與高中生物學(xué)“免疫調(diào)節(jié)”單元教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，探尋科學(xué)史與高中生物學(xué)教材內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性，挖掘其對高中生物學(xué)教學(xué)的價值。

［關(guān)鍵詞］核心素養(yǎng)；科學(xué)史；諾貝爾獎；大單元教學(xué)；高中生物學(xué)

［中圖分類號］" " G633.91" " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）17-0084-04

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出以核心素養(yǎng)為宗旨，內(nèi)容聚焦大概念[1]。基于大概念設(shè)計大單元教學(xué)能有效提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者的突破性發(fā)現(xiàn)從根本上改變了人們對mRNA如何與免疫系統(tǒng)相互作用的理解，選擇該成果作為科學(xué)史案例融入高中生物學(xué)教學(xué)，可以幫助學(xué)生深入理解大概念。因此，本文主要介紹該諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的成果，即mRNA疫苗及其作用機(jī)制、應(yīng)用等內(nèi)容，并從中挖掘潛在的高中生物學(xué)教學(xué)價值。

一、諾貝爾獎成果介紹

（一）mRNA疫苗簡介

mRNA（信使核糖核酸）疫苗屬于核酸疫苗，它通過體外轉(zhuǎn)錄技術(shù)合成編碼蛋白質(zhì)抗原的mRNA，選擇合適的遞送系統(tǒng)將其運送到機(jī)體內(nèi)，依靠自身翻譯系統(tǒng)翻譯成目標(biāo)蛋白，進(jìn)而激發(fā)機(jī)體的免疫反應(yīng)，從而達(dá)到治療效果[2]。與滅活病毒疫苗和DNA疫苗等傳統(tǒng)疫苗相比，mRNA疫苗具有安全性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、可編譯性強(qiáng)、抗原表達(dá)效率高、免疫原性強(qiáng)、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點[3]。

（二）mRNA疫苗發(fā)展歷程

mRNA疫苗是30多年來數(shù)百名專業(yè)人員的研究成果。mRNA早在1961年就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但由于它是一種外源性的核酸物質(zhì)，進(jìn)入機(jī)體內(nèi)容易被免疫系統(tǒng)識別以及被酶降解，因此mRNA疫苗的相關(guān)研究進(jìn)展較為緩慢。2005年，卡塔林·卡里科和德魯·魏斯曼等人[4]發(fā)現(xiàn)對核苷堿基進(jìn)行修飾可以降低機(jī)體免疫系統(tǒng)對RNA的攻擊。mRNA分子通常無法躲避人體免疫系統(tǒng)的清除，而假尿苷具有顯著降低RNA對免疫系統(tǒng)刺激性的功能，研究將假尿苷整合到mRNA中，經(jīng)過修飾的mRNA能免受免疫系統(tǒng)的攻擊，并相應(yīng)地產(chǎn)生抗原或其他對抗、治療疾病的蛋白質(zhì)?？茖W(xué)家的研究提高了mRNA的穩(wěn)定性，同時減少了炎癥，一舉解決了mRNA在活體內(nèi)表達(dá)所面臨的兩大難題，為進(jìn)一步利用mRNA開發(fā)各種潛在的疫苗奠定了基礎(chǔ)。

在2008年發(fā)表的后續(xù)研究[5]中，卡塔林·卡里科和德魯·魏斯曼等人發(fā)現(xiàn)，經(jīng)堿基修飾之后的mRNA與未經(jīng)修飾的相比，其遞送顯著增加了蛋白質(zhì)的產(chǎn)量。因此，核苷堿基修飾既能減少炎癥反應(yīng)，又能增加蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，從而消除了mRNA在臨床應(yīng)用道路上的關(guān)鍵障礙。2019年新冠疫情暴發(fā)后，全球掀起了新一輪mRNA研究的熱潮。

（三）mRNA疫苗作用機(jī)制

mRNA疫苗是基于RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成這一中心法則，在體外設(shè)計合成含有編碼特定抗原的mRNA序列。它經(jīng)過必要的化學(xué)修飾、純化加工等步驟，并通過不同的方式遞送至機(jī)體細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過翻譯產(chǎn)生抗原蛋白，模擬機(jī)體感染病原體，進(jìn)而誘導(dǎo)機(jī)體的免疫反應(yīng)，從而達(dá)到預(yù)期的免疫保護(hù)效應(yīng)[6]。當(dāng)攜帶抗原的病原體入侵人體時，機(jī)體免疫系統(tǒng)將快速觸發(fā)針對此抗原的特異性免疫，即體液免疫和細(xì)胞免疫。

（四）mRNA疫苗應(yīng)用

1.感染性疾病治療

應(yīng)對感染性疾病的mRNA疫苗主要為預(yù)防性疫苗，可以用于預(yù)防多種病毒，如人類免疫缺陷病毒（HIV）、流感病毒等。mRNA疫苗首次用于疾病預(yù)防的是流感性疾病[7]。2019年，新冠疫情的暴發(fā)促使mRNA疫苗飛速發(fā)展。

2.腫瘤免疫治療

mRNA技術(shù)在最初應(yīng)用時便作為癌癥的潛在治療方法。研究通過使用mRNA轉(zhuǎn)染樹突狀細(xì)胞（mRNA-DC）疫苗來對抗腫瘤細(xì)胞并取得了早期突破。70多項已完成的臨床試驗證明了mRNA-DC疫苗在腫瘤治療方面的潛力。

二、諾貝爾獎成果在生物學(xué)大單元教學(xué)中的應(yīng)用

“免疫調(diào)節(jié)”是人教版高中生物學(xué)教材選擇性必修1《穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第4章的內(nèi)容，包括4個課題，對應(yīng)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提出的1個重要概念和4個次位概念（見圖1）。2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的成果適合作為講解“免疫調(diào)節(jié)”的一個科學(xué)案例。例如，mRNA疫苗進(jìn)入機(jī)體后翻譯成抗原蛋白，誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生針對此抗原蛋白的特異性免疫，從而達(dá)到預(yù)期的免疫效應(yīng)，這正是“特異性免疫”的作用過程。因此，本文以“免疫調(diào)節(jié)”為主題設(shè)計大單元教學(xué)，以本次諾貝爾獎的成果為教學(xué)主線串聯(lián)單元知識點，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，并通過小組合作探究等方式，構(gòu)建學(xué)科大概念，培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

[大概念：生命個體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，各結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)統(tǒng)一共同完成復(fù)雜的生命活動，并通過一定的調(diào)節(jié)機(jī)制保持穩(wěn)態(tài)][次位概念1：舉例說明免疫細(xì)胞、免疫器官和免疫活性物質(zhì)等是免疫調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)基礎(chǔ)][單元重要概念：免疫系統(tǒng)能夠抵御病原體的侵襲，識別并清除機(jī)體衰老、死亡或異常的細(xì)胞，實現(xiàn)機(jī)體穩(wěn)態(tài)][次位概念2：概述人體的免疫包括生來就有的非特異性免疫和后天獲得的特異性免疫][次位概念3：闡明特異性免疫是通過體液免疫和細(xì)胞免疫兩種方式，針對特定病原體發(fā)生的免疫應(yīng)答][次位概念4：舉例說明免疫功能異常可能引發(fā)疾病，如過敏、自身免疫病、艾滋病和先天性免疫缺陷病等][課題4：免疫學(xué)的應(yīng)用][課題3：免疫失調(diào)][課題2：特異性免疫][課題1：免疫系統(tǒng)的組成和功能][活動1：觀看病毒入侵人體視頻，歸納人體第一、第二道防線

活動2：梳理免疫細(xì)胞發(fā)現(xiàn)史，歸納、總結(jié)免疫系統(tǒng)的組成][活動1：結(jié)合mRNA疫苗修飾，探究免疫系統(tǒng)識別病原體的過程

活動2：探究mRNA疫苗的作用機(jī)制，構(gòu)建特異性免疫過程][活動1：結(jié)合接種mRNA疫苗的過程，探究過敏反應(yīng)和自身免疫病

活動2：分析新冠肺炎的相關(guān)資料，繪制內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)關(guān)系圖][活動1：從免疫學(xué)角度分析mRNA疫苗的作用原理，認(rèn)識疫苗

活動2：梳理mRNA疫苗發(fā)展歷程，并拓展至艾滋病疫苗的研制現(xiàn)狀]

（一）設(shè)計單元教學(xué)目標(biāo)

1.能夠以mRNA疫苗為例，概述免疫系統(tǒng)發(fā)揮作用的機(jī)制，運用穩(wěn)態(tài)與平衡觀解釋內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)維持需要免疫調(diào)節(jié)、神經(jīng)調(diào)節(jié)和體液調(diào)節(jié)同時參與，運用結(jié)構(gòu)與功能觀闡釋免疫功能異?？赡芤l(fā)疾病的原因，并舉例說明[8]。

2.能夠通過分析mRNA疫苗的相關(guān)科學(xué)史和科學(xué)家的相關(guān)實驗，逐步構(gòu)建免疫系統(tǒng)的組成、特異性免疫等模型，提升分析能力以及對實驗結(jié)果的交流與討論能力[9]。

3.能夠結(jié)合mRNA疫苗的作用機(jī)制，構(gòu)建細(xì)胞免疫和體液免疫的模式圖，闡述人體免疫系統(tǒng)抵御病原體侵襲的機(jī)制，逐步發(fā)展科學(xué)思維核心素養(yǎng)[10]。

4.通過了解mRNA疫苗的發(fā)展歷程，深入探討身邊的相關(guān)生物學(xué)議題（如諾貝爾獎等），能夠講述生物學(xué)科在現(xiàn)實社會中的具體應(yīng)用，培養(yǎng)運用生物學(xué)知識推動社會進(jìn)步的責(zé)任感[11]。

（二）設(shè)計單元教學(xué)過程

1.設(shè)計單元情境

北京時間2023年10月2日，瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院諾貝爾獎委員會宣布，2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予美國科學(xué)家卡塔林·卡里科和德魯·魏斯曼，用以表彰他們在核苷堿基修飾方面的發(fā)現(xiàn)，從而使得有效預(yù)防新冠肺炎的mRNA疫苗能夠得以開發(fā)。在現(xiàn)代人類健康面臨最大威脅期間，他們?yōu)榧涌煲呙绲拈_發(fā)作出了突出貢獻(xiàn)。

單元核心問題：以新冠病毒為例，探究人體如何抵御病原體的入侵，如何識別并清除體內(nèi)的病原體，mRNA疫苗接種后如何通過免疫系統(tǒng)保持穩(wěn)態(tài)。

2.設(shè)計課題教學(xué)活動

【課題1】免疫系統(tǒng)的組成和功能

核心問題：人體在未接種mRNA疫苗之前是如何阻擋病原體入侵的？

導(dǎo)入環(huán)節(jié)：播放諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒獎視頻，介紹兩位獲獎?wù)叩难芯砍晒麑π鹿谝咔榉揽氐挠绊?，即由于開發(fā)出有效抵抗新冠病毒的mRNA疫苗，使得人類能夠有效預(yù)防新冠肺炎。同時創(chuàng)設(shè)問題情境：在接種疫苗之前，人體是如何抵御新冠病毒的呢？

活動1：播放病毒入侵人體的視頻，分析人體對病毒的抵御過程，同時結(jié)合教材內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生概括出人體第一、第二道防線的組成和功能。

活動2：梳理免疫細(xì)胞發(fā)現(xiàn)史，引導(dǎo)學(xué)生討論免疫細(xì)胞的產(chǎn)生部位和種類，歸納、總結(jié)免疫系統(tǒng)的組成，繪制并解釋免疫系統(tǒng)的概念圖。

【課題2】特異性免疫

核心問題：接種mRNA疫苗后，機(jī)體如何識別和清除侵入機(jī)體的病原體？

導(dǎo)入環(huán)節(jié)：如果前兩道防線都未能阻止新冠病毒的入侵，人體又該如何應(yīng)對？mRNA疫苗如何抵御病毒入侵呢？

活動1：結(jié)合mRNA疫苗修飾，以第一人稱視角探究免疫細(xì)胞識別己方和敵方的過程，展示T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞的特點。

活動2：以mRNA疫苗的作用機(jī)制模擬病毒突破人體第一、第二道防線之后的入侵路線，構(gòu)建人體體液免疫和細(xì)胞免疫的過程。

【課題3】免疫失調(diào)

核心問題：過敏反應(yīng)和自身免疫病是什么？它們產(chǎn)生的原因又是什么？

導(dǎo)入環(huán)節(jié)：為什么接種疫苗后需要在現(xiàn)場觀察半個小時，且有人毫無反應(yīng)，有人卻反應(yīng)強(qiáng)烈？

活動1：結(jié)合接種mRNA疫苗的過程，探究過敏反應(yīng)和自身免疫病，歸納什么是過敏反應(yīng)，過敏原的類型以及過敏反應(yīng)的過程和特點。

活動2：分析新冠肺炎的相關(guān)資料，繪制神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的關(guān)系圖。

【課題4】免疫學(xué)的應(yīng)用

核心問題：什么是疫苗？疫苗有什么作用？

導(dǎo)入環(huán)節(jié)：雖然有兩種特異性免疫的保護(hù)，但病毒的危害不容小覷，哪些方式可以預(yù)防新冠肺炎等傳染性疾??？mRNA發(fā)現(xiàn)早卻無疫苗，為何該疫苗研制難度如此大？mRNA疫苗的研究進(jìn)展如何？

活動1：從免疫學(xué)角度分析mRNA疫苗的作用原理，并以新冠疫苗為例設(shè)計問題串：為什么接種完疫苗后要監(jiān)測接種者的體溫和隨時觀察是否有不適反應(yīng)？為什么新冠疫苗共接種三劑？三劑的接種為何需要間隔一定的時間？新冠疫苗需要在哪些方面做出調(diào)整？

活動2：梳理mRNA疫苗發(fā)展歷程，并拓展至艾滋病疫苗的研制現(xiàn)狀，了解HIV感染人體的機(jī)理，如何預(yù)防其傳播，以及如何正確對待艾滋病患者。

【單元小結(jié)】教師展示示例，學(xué)生自主構(gòu)建免疫系統(tǒng)的思維導(dǎo)圖。

3.設(shè)計意圖

基于諾貝爾獎的成果創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，給學(xué)生提供真實的情境材料，增強(qiáng)內(nèi)容的直觀性。首先，通過設(shè)計與課題相關(guān)的核心問題，創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的學(xué)習(xí)活動，提升課堂的趣味性，觸發(fā)學(xué)生的探索欲望，幫助學(xué)生建構(gòu)連貫的知識體系與框架。以該情境為主線進(jìn)行大單元教學(xué)實施、總結(jié)，真正抓住核心內(nèi)容，將“先天免疫應(yīng)答”“免疫學(xué)的應(yīng)用”等知識串聯(lián)起來構(gòu)建出系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)，有效梳理出教材知識的邏輯結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生形成完整的知識體系，了解科學(xué)研究的思路和方法，提升學(xué)生的科學(xué)思維，并培養(yǎng)學(xué)生穩(wěn)態(tài)與平衡觀等生命觀念。其次，通過閱讀資料和課本總結(jié)、歸納相關(guān)概念，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和從圖文中獲取信息的能力，以及通過梳理相關(guān)科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。最后，借助思維導(dǎo)圖進(jìn)行小組討論、評價，構(gòu)建一個系統(tǒng)性的知識框架，厘清各個知識點之間的聯(lián)系，使學(xué)生更加深入地理解知識的本質(zhì)和意義。此外，生物科學(xué)史中蘊含的內(nèi)容極其豐富，比起直接、生硬地向?qū)W生介紹有關(guān)內(nèi)容，在教學(xué)時引導(dǎo)學(xué)生嘗試像科學(xué)家一樣去探究，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生積極向上的科學(xué)態(tài)度、提升學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，還能夠使生物科學(xué)進(jìn)展在教學(xué)中的滲透更加“潤物細(xì)無聲”，有利于學(xué)生正確認(rèn)識生物技術(shù)，將理論問題實踐化，客觀面對相關(guān)社會性科學(xué)議題，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

三、總結(jié)

生物學(xué)是綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，高中階段的生物學(xué)學(xué)習(xí)需要在知識來源上具有廣度，在知識理解上具有深度，而高中階段的生物學(xué)教學(xué)缺乏整體性，容易造成學(xué)生趨向于碎片化學(xué)習(xí)，同時學(xué)生缺乏解決真實問題的體驗感，這會降低學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。諾貝爾獎的各項成果是教師進(jìn)行教學(xué)研究的優(yōu)質(zhì)素材，為教師提高自身知識儲備提供了良好契機(jī)，并且大單元教學(xué)能夠在教學(xué)時貫穿相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)生獲取知識的效率，加強(qiáng)知識之間的邏輯關(guān)聯(lián)性，搭建完善的生物學(xué)知識框架。本文針對2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的成果進(jìn)行相關(guān)分析與教學(xué)應(yīng)用研究，從課標(biāo)要求的大概念出發(fā)，創(chuàng)設(shè)相關(guān)情境，設(shè)計大單元教學(xué)，包括教學(xué)目標(biāo)設(shè)計、單元情境設(shè)計、教學(xué)活動設(shè)計等環(huán)節(jié)，營造良好的知識環(huán)境，改變學(xué)生碎片化學(xué)習(xí)的狀態(tài)，全面培養(yǎng)其學(xué)科核心素養(yǎng)，促進(jìn)高中生物學(xué)教學(xué)質(zhì)量的提升。因此，對于教師而言，有必要關(guān)注最新的科學(xué)進(jìn)展，充分挖掘其背后的教學(xué)價值，提升自身專業(yè)能力，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對高中生物學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生形成清晰的學(xué)科大概念，獲得相應(yīng)的關(guān)鍵能力，具備正確的生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究能力和社會責(zé)任感。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

[1]［8］［9］［10］［11］" 中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 蔚丹，馬云龍，萬方，等. mRNA疫苗的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].生物技術(shù)進(jìn)展，2023（4）：492-498.

[3]" 張傲，劉可欣，劉佳利，等. mRNA疫苗的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].中國獸醫(yī)科學(xué)，2023（3）：366-372.

[4]" KARILKó K，BUCKSTEIN M，NI H，et al.Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors：the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA[J].Immunity，2005（2）：165-75.

[5]" KARIKó K，MURAMATSU H，WELSH F A，et al.Incorporation of pseudouridine into mRNA yields superior nonimmunogenic vector with increased translational capacity and biological stability[J].Molecular Therapy，2008（11）：1833-40.

[6]" 尼博，李月華，劉拂曉，等. mRNA疫苗研究進(jìn)展及其在傳染病防控中的應(yīng)用[J].中國獸醫(yī)學(xué)報，2022（3）：600-606.

[7]" BOCZKOWSKI D，NAIR SK，SNYDER D，et al. Dendritic cells pulsed with RNA are potent antigen-presenting cells in vitro and in vivo[J].Joural of Experimental medicine，1996（2）：465-472.

（責(zé)任編輯 羅 艷）