“動物細胞融合與單克隆抗體”一節基于實踐后的教學設計

羊垂功

摘 要 依據教材編寫意圖、學生原有認知等創設問題串引導、啟發學生理解動物細胞融合過程、植物體細胞雜交技術與動物細胞融合技術區別、聯系等，培養學生知識遷移等能力；抓住技術流程和篩選主線，以問題為導向，啟迪學生思維，幫助學生理解單克隆抗體制備原理與應用，培養學生綜合運用知識能力。

關鍵詞 動物細胞融合 單克隆抗體 教學設計

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 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教材《選修3·現代生物科技專題》專題2“動物細胞工程”第二節內容，包括“動物細胞融合技術的發展簡史”、“動物細胞融合過程”、“單克隆抗體制備”和“單克隆抗體應用”四部分內容。“動物細胞融合”這部分內容，由于學生對植物體細胞雜交技術已經有一定了解，在編排過程中如何做到學生在原有能力基礎上提高且內容不重復？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、誘導融合的方法也類似即二者都可以采用物理和化學誘導因素誘導動物細胞（原生質體）融合。但生物誘導因素（滅活的仙臺病毒）是動物細胞融合特有的誘導因素。為什么滅活的仙臺病毒僅能誘導動物細胞融合？人們怎么知道滅活的仙臺病毒可以誘導動物細胞融合？怎樣用滅活的仙臺病毒誘導動物細胞融合？教材通過“動物細胞融合技術的發展簡史”“滅活的仙臺病毒誘導動物細胞融合過程示意圖”“生物技術資料卡”等輔以說明。編者之所以這樣選取內容是力圖使學生理解滅活仙臺病毒誘導動物細胞融合原理、動物細胞融合過程、植物體細胞雜交技術與動物細胞融合技術區別、聯系的同時，進一步受到科學史、科學方法和科學價值觀的教育。“單克隆抗體”這部分內容教材采用講故事的形式，講述了兩位科學家對單克隆抗體的研究過程，以使學生認識到豐富的聯系和想象在科學創新中的重要作用。這部分內容在表述形式上采用的是示意圖與文字相結合的方式，并配以“小知識”“思考與探究”等多種欄目啟發學生思考，其目的是使學生在訓練思維的過程中對“單克隆抗體制備技術”有較為深入的理解。

2 教學目標

2.1 知識目標

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學實踐中的應用，說出應用實例。

2.2 能力目標

① 比較植物體細胞雜交技術與動物細胞融合技術區別，培養知識遷移能力；

② 嘗試設計單克隆抗體制備實驗方案，培養科學思維能力；

③ 通過過程圖解讀和相關原理、方法總結，培養分析歸納信息能力。

2.3 情感、態度與價值觀目標

認同科學技術的誕生離不開豐富的聯想和想象。

3 教學過程

3.1 新課導入，比較植物體細胞雜交技術與動物細胞融合技術區別與聯系

通過《必修1·分子與細胞》的學習，知道了1970年兩位科學家做了人—鼠細胞融合實驗，證明了細胞膜上的蛋白質是可以運動的即細胞膜具有一定的流動性。那么，如何實現人—鼠細胞融合？誘導動物細胞融合有什么用途？科學家為什么直到1970年才開展人—鼠細胞融合實驗？這就是本節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。教師先安排學生自主閱讀“動物細胞融合技術發展史”以加深學生對科學史和本質的認識，使學生進一步受到科學史、科學方法和科學價值觀的教育。教師創設問題串：

① 為什么滅活的仙臺病毒僅能誘導動物細胞融合？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 動物細胞融合技術與植物體細胞雜交技術有什么區別與聯系？

教師引領學生閱讀教材，相互補充、完善以上問題答案后，再依據學生原有認知，引導、啟發學生理解植物體細胞雜交技術與動物融合技術的區別、聯系：

① 由于動物細胞沒有細胞壁這一結構，因此在誘導融合過程中不需用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁；由于誘導融合需要用到大量細胞，因此在誘導融合前需要用胰蛋白酶和膠原蛋白酶處理相關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志；由于動物細胞沒有細胞壁，因此只能依據雜交細胞經過有絲分裂之后，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志。

③ 由于動物細胞（原生質體）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是細胞的全能性、動物細胞融合技術是細胞的增殖，這也是兩者后續運用到的基礎技術及其應用基礎略有差異的原因，即前者后續運用到了植物組織培養技術，后者后續運用到了動物細胞培養技術；前者獲得雜種植株，后者獲得雜交細胞及其產物。

④ 依據生物資料卡，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，致使原生質體不能凝聚、融合。

學生理解兩者區別、聯系后，教師再引導、啟發學生運用思維地圖中的雙氣泡圖構建知識框架，以完善、優化學生認知結構，降低他們的記憶難度，拓寬記憶容量（圖1）。

3.2 探討傳統抗體生產缺陷，嘗試設計解決方案

以“非典”為背景，教師引導學生學習傳統抗體生產缺陷：在非典流行時，你作為疑似感染人員，醫生用傳統方法生產的非典病毒抗體來幫助你診斷是否被感染，結果可靠嗎？為什么？

教師先留有時間給學生發表看法，之后再創設問題串：

① 請聯系免疫調節相關知識解釋傳統生產的抗體產量低、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設計一個能解決傳統抗體生產缺陷的實驗方案。教師引領學生閱讀教材并對以上問題進行交流、討論，以矯正學生原有的認知局限，強化學生對傳統抗體生產缺陷、單克隆抗體概念的理解。學生補充完善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計的實驗方案，其他小組再補充、完善（圖2）。

最后教師再小結、點撥，以深化學生對“傳統抗體生產缺陷”“單克隆抗體概念”理解的同時也為后續學習單克隆抗體制備奠定基礎。傳統抗體生產的本質是吞噬細胞攝取、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，每個天然抗原物質可有多種和多個決定簇，因此雖然反復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，體內產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、提純且在體外培養條件下B細胞不能無限增殖，致使傳統生產的抗體產量低、純度低、特異性差、靈敏度低。雖然動物在免疫反應過程，體內產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，只產生一種特異性的抗體。

對于學生疑問：抗體是由漿細胞產生的，為何誘導融合時選用的是B細胞而不是漿細胞？教師可引導學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。

最后教師肯定學生設計的實驗方案，進入單克隆抗體制備的學習：同學們這個極富創造性的實驗方案，與當初科學家的設想是一樣的，那么科學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）（圖2），創設問題串：

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？誘導細胞融合過程中，培養液中會產生幾種細胞類型？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 得到能產生單克隆抗體的雜交瘤細胞后，如何解決單克隆抗體產量的問題？單克隆抗體具有什么優點？假如你掌握了動物融合技術，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？

教師引導學生閱讀教材內容、解讀單克隆抗體制備過程圖解，相互交流、討論、補充、完善，以培養學生分析歸納信息的能力。對于學生分析單克隆抗體制備示意圖過程中產生“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，教師可作相應的知識拓展及知識構建，以深化學生對第一次篩選目的和第二次篩選目的的理解（圖3）。

3.4 單克隆抗體應用，歸納、總結知識

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

最后教師引導、啟發學生設計表格比較植物細胞工程產物與動物細胞工程產物生產技術上的區別、聯系，以完善、優化學生的認知結構（表1）。

4 教學反思

本教學設計以教材編寫思路、學生原有認知結構等為基礎，通過創設問題串，引導、啟發學生理解滅活仙臺病毒誘導動物細胞融合原理、動物細胞融合過程、植物體細胞雜交技術與動物細胞融合技術區別和聯系，培養學生知識遷移能力，對學生進一步進行科學史、科學方法和科學價值觀的教育；通過學生相互補充、完善單克隆抗體制備實驗方案，培養學生科學思維能力；抓住單克隆抗體制備的技術流程和篩選主線，以問題為導向，啟迪學生思維，幫助學生理解單克隆抗體制備原理與應用，培養學生綜合運用知識解決問題的能力，同時使他們認同科學技術的誕生離不開豐富的聯系和想象；引導、啟發學生設計表格歸納、總結知識，完善、優化了學生原有認知結構，有效達成預期的教學目標。