社會性科學議題在高中生物學復習課中的應用

劉 欣 （北京師范大學附屬中學 北京 100052）

社會性科學議題指由當代科學技術研究開發所引起的一系列與社會倫理道德觀念和經濟發展緊密相關的社會性問題，例如，克隆技術和基因工程等高新產品給社會倫理觀念和生態環境保護帶來的難題［1］。在生物學課程中，“社會性科學議題”也可稱作“生物學社會議題”。

傳統的高三年級生物學復習課教學往往以知識點梳理、查漏補缺和習題訓練為主要策略，方式、方法和學習內容都與新課有所重復，易引起學生的厭倦感，而且概念復習與習題訓練分開進行，知識的學習與能力的訓練互相割裂，不利于培養學生“學以致用”的能力?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017年版2020年修訂）》在“實施建議”部分明確指出，“教師要引導學生特別關注我國和學校所在地區與學生現實生活相關的問題，使學生積極思考與生物學有關的社會問題……培養學生的社會責任感”。為此，筆者根據課程標準的實施建議，嘗試探索了以社會性科學議題為情境的問題驅動式復習課教學模式，以某一社會性科學議題作為課堂教學的情境和主線，收集若干典型事例，編寫成科普短文，用系列問題串引導學生進行相關概念的整合和真實問題的解決。

1 應用社會性科學議題進行高三生物學復習課教學實例

1.1 太湖水華的發生與治理

閱讀材料：藍藻是一類分布廣泛的原核生物。藍藻能吸收水體中的CO2和HCO3－，使細胞中無機碳含量高出胞外500～1 000 倍以上。吸收的HCO3－再在碳酸酐酶的催化下形成CO2。研究人員向藍藻培養液中加入一定量的放射性H14CO3－，發現胞內14C 濃度增加的速率大于培養液中H14CO3－生成14CO2的速率。在水體CO2含量較低時，藍藻仍能高效進行光合作用，使其在水體中占據優勢［2］。

太湖位于長江三角洲，是我國第三大淡水湖泊，是當地經濟發展和人民生活的重要淡水資源。太湖目前污染狀況較為嚴重，整體處于中度富營養狀態，水草區面積退縮，藍藻頻繁爆發。太湖水體中的含N、P 化合物主要來自農業、養殖業、工業和生活污水污染。太湖底泥平均厚度0.28 m，其中N、P 化合物含量很高，受到擾動時就會釋放到水體中，是其內污染源。

藍藻的爆發也與太湖生態系統營養結構的改變有關?！案∮沃参铩∮蝿游铩q魚→鲌魚” 是太湖食物網中的重要鏈條之一。研究人員調查太湖的鱭魚、鲌魚資源，發現自1986年至2004年，鲌魚的年漁獲量由1 200 t下降至150 t，鱭魚年漁獲量由5 000 t 上升至20 000 t。太湖食物網復雜程度下降的同時，生態系統的物質循環指數自1960年至2002年下降了55.71%。2009年測得“系統總生產量/系統總呼吸量”高達4.2，表明太湖生態系統處于不成熟、不穩定的狀態［3］。

教師設置問題串：

1）藍藻吸收HCO3－的方式是什么？ 你的判斷理由是什么？

2）藍藻的光合作用過程與高等植物有何異同？

3）將藍藻從黑暗中轉移至光照條件下，發現藍藻吸入無機碳的速率明顯增加，你認為速率增加的主要原因是什么？ 研究人員同時測定藍藻光合放氧速率，結果表明無機碳的吸收速率顯著高于光合放氧速率，這一證據是否支持你的推測？

4）太湖原本為沉水植物占據優勢的“草型湖泊”，隨著污染的加重逐漸轉變為“藻型湖泊”，這屬于人類活動對群落演替的干擾。這種演替現象發生的機制是什么？

5）太湖的鱭魚和鲌魚種群數量發生變化的主要原因是什么？藍藻爆發與這一現象有什么關系？如果停止捕撈，預期鱭魚和鲌魚種群數量會如何變化？

6）太湖物質循環指數下降，“系統總生產量／系統總呼吸量”數值遠大于1，原因是什么？ 這與太湖底泥中N、P 的積累有什么關系？

7）有人提出應對太湖底泥進行疏浚，請對此觀點進行評價。

8）請你根據上文提出一項針對太湖污染狀況的治理對策。

問題1～3，引導學生運用物質進、出細胞的方式與光合作用的相關概念，根據實驗結果說明藍藻通過主動運輸吸收HCO3－，從黑暗中轉移至光下后，光合作用消耗CO2，產生ATP，使得無機碳的吸收速率因膜內、外濃度差增大和ATP 供應增加而加快。

問題4～6，引導學生對太湖水華的成因進行綜合分析。人類對鲌魚的過度捕撈導致鱭魚種群數量增加，浮游動物減少，降低了捕食對藍藻的抑制作用。水體中N、P 含量增加使得藍藻占據競爭優勢，沉水植物減少，既減弱了對藍藻的競爭抑制作用，又導致水生動物因喪失棲息環境和食物資源而減少。太湖營養結構趨于簡單化，物質循環指數下降，有機碎屑沉積，使底泥總量和污染程度增加，而且因為缺少沉水植物的固著，底泥稍受風浪擾動即會釋放到水體中，成為內污染源。

問題7～8，引導學生辯證地思考和解決現實問題。底泥雖然是內污染源，但也是生態系統的重要構成部分，要以不破壞水生植物和底棲生物的自我修復繁衍為前提，在重污染區進行生態疏浚。太湖污染的治理要針對水華的成因，遵循生態工程的整體原理，從減排、去污、控藻等各個方面采取措施。

1.2 遺傳病的基因治療

閱讀材料：7 歲的哈?；加小敖唤缧痛蟀捫员砥に山獍Y”，2015年6月，他因大面積的皮膚破損感染而瀕于死亡。

皮膚的表皮與真皮依靠“細胞外間質”粘附在一起。細胞外間質中的層黏連蛋白-332 的β3 亞基由LAMB3基因編碼。哈桑的LAMB3基因有2 個堿基對的錯誤，無法表達。他的皮膚極為脆弱，輕微摩擦就會導致皮膚破損和繼發感染。

一個研究團隊對哈桑進行了基因治療，從哈桑的左腿內側取下一小塊皮膚，在體外培養皮膚細胞。然后利用逆轉錄病毒載體將正常LAMB3基因插入細胞的基因組內。之后對細胞中被LAMB3基因插入的序列進行DNA測序，發現不同細胞中LAMB3基因的插入位點不同，但并沒有導致細胞癌變。研究人員繼續培養這些細胞，形成若干塊單層“人造皮膚”，最后分3 次進行了移植。2016年2月，哈桑出院了。術后4 個月、8 個月、21 個月時，研究人員從哈桑皮膚上取樣進行了活檢，發現新皮膚功能良好。哈桑終于過上了正常孩子的生活［4］。

與哈桑相比，17 歲的基辛格更加不幸。基辛格患有罕見的遺傳病——鳥氨酸氨甲?；D移酶缺乏癥，只要攝入的蛋白質稍有過量，他體內的氨就會迅速積累，毒害組織器官。1999年，基辛格參加了一項基因治療的臨床試驗，在注射了由腺病毒改造成的“空”載體之后，他出現了嚴重的炎癥反應，5 d 后死亡。后續調查發現，基辛格在試驗之前血液中就存在腺病毒抗體，在注射病毒后發生了快速而強烈的免疫反應。被免疫系統攻擊的細胞裂解后釋放大量蛋白質，血氨水平升高至正常水平的10 倍，造成了肝、腎衰竭和腦死亡。

教師設置問題串：

1）用什么方法可獲得LAMB3基因？

2）天然的逆轉錄病毒RNA 上有3 組序列：LTR 序列——含有調節基因和啟動子，調控病毒RNA 的轉移及表達；包裝信號序列——能被病毒蛋白質識別，引發病毒的組裝；結構基因——編碼逆轉錄酶、整合酶、外殼蛋白等病毒蛋白質。將天然逆轉錄病毒改造成載體，需要去除哪些序列？增加哪些基因？

3）裸露的載體RNA 無法侵染宿主細胞，研究人員用基因工程技術構建包裝細胞，然后將帶有載體cDNA 的質粒導入包裝細胞，就會形成和釋放具有侵染能力的病毒載體。構建包裝細胞過程中需要導入哪些基因？

4）將一小塊皮膚培育成能覆蓋哈桑全身的“人造皮膚”，關鍵的操作程序有哪些？

5）研究人員為什么關注目的基因的插入位點？提出根據載體序列設計引物，PCR 擴增出宿主細胞中被插入DNA 片段的實驗思路。

6）怎樣確認哈桑經移植手術后的皮膚細胞來自基因治療細胞？ 怎樣確認轉入的基因已正確表達，且表達產物分布在正確的位置？

7）為什么哈桑和基辛格的基因治療需要使用不同的病毒載體？

8）基辛格在試驗前血液中存在腺病毒抗體的原因是什么？ 他在注射病毒載體后發生的免疫應答過程是怎樣的？

9）基辛格的悲劇發生后，各國監管機構對于基因治療臨床試驗的審核更加嚴格，請你嘗試提出2 項需要加以審核的條件。

10）有人認為遺傳病的基因治療會造成“選擇放松”，導致人類未來遺傳病發病頻率升高。你如何評價這一觀點？

問題1～3，引導學生運用基因工程的相關概念解決實際問題。去除天然逆轉錄病毒的結構基因，加入目的基因和標記基因，然后用能表達病毒結構基因的包裝細胞包裝改造后的病毒RNA，就能獲得逆轉錄病毒載體。

問題4～6，引導學生運用動物細胞培養技術、PCR 技術和抗原抗體雜交技術解決問題。從待測細胞中提取DNA，限制酶切割，再用DNA 連接酶處理，部分DNA 片段會發生自身環化。根據載體序列設計引物，PCR 擴增出環化DNA 中載體序列兩側的未知序列，再進行測序，即可了解載體的插入位點是否是重要基因或抑癌基因。制備層黏連蛋白-332 的單克隆抗體，用抗原抗體雜交技術對移植皮膚進行檢測，可了解目的基因是否表達及表達產物的分布位置。

問題7～9，引導學生對基因治療的風險進行思考?；粮裨幌俨《靖腥具^，接受的載體劑量又非常大，死于強烈的二次免疫引發的并發癥。監管的目的是既要保證受試者的安全，又不能過分限制醫學研究的發展，因此，要對研究團隊的資質、前期研究基礎、受試者的篩選和受試者的知情同意情況等進行監管。目前，我國衛生部等部門已頒布多項相關政策法規。

問題10，引導學生從人類進化的角度審視基因治療。“選擇放松”造成的有害基因頻率的升高極其有限，而基因治療的發展將使人類有足夠的能力應對“選擇放松”，這正是人類社會文明與進步的表現。

2 社會性科學議題應用于高三生物學復習課的價值

2.1 為概念體系的構建提供情境 學生的概念學習是有一定規律的，概念的形成需要典型實例的支撐，概念的融會貫通則是在運用概念解決問題的過程中實現的。

社會性科學議題提供了一個復雜的問題情境，為了解決問題，學生需要將不同模塊的概念進行整合，例如，“太湖水華的發生與治理”涉及光合作用、物質進／出細胞的方式、種群、群落和生態系統等概念，“基因治療”涉及基因工程、細胞工程、細胞癌變、免疫調節和進化等概念。與碎片化、去情境化的概念復習相比，以社會性科學議題為情境的概念復習進行了單元教學內容的重新整合，更加符合高三學生的認知規律，促進學生構建概念體系。

2.2 為科學思維的發展提供素材 科學思維培養的重要策略是科學論證。提出、評價和修正科學觀點，運用證據和邏輯為現象作出解釋，為問題提出合理的解決方案，都屬于科學論證的范疇。

社會性科學議題為學生提供了一系列兼具復雜性和實用性的科學問題，例如，“太湖水華的發生與治理”要求學生解釋藍藻吸收無機碳速率變化的原因，解釋太湖生態系統退化的原因，評價治理方案；“基因治療”要求學生提出改造逆轉錄病毒載體的方案，解釋基辛格免疫風暴的成因，評價“選擇放松”的觀點。在針對這些問題進行科學論證的過程中，學生的批判性思維、創造性思維和辯證思維等高階思維都能得到訓練和發展。

2.3 為社會責任的培養提供平臺 生物學課程中的社會責任既是一種態度和意愿，又是一種解決問題的能力，其中，既有與個人健康生活相關的部分，也有作為公民關注、參與和解決社會議題的部分。將社會性科學議題融入課堂教學，在教學中引導學生關注、討論和嘗試解決水污染、基因治療等與個人生活、生命倫理、社會經濟和公共安全都具有相關性的社會議題，為培養學生的社會責任提供了良好的平臺。

3 總結

可作為高中生物學復習課情境的社會性科學議題還包括減肥療法、癌癥防治、良種作物培育與推廣、狂犬病防治和瀕危動物保護等，這些議題既與學生高中階段所學概念關系密切，又有較多研究案例可供學生進行分析，而且案例多具有相當的復雜性和開放性，是很好的能力訓練和社會責任培養的載體。

“問渠那得清如許，為有源頭活水來”。將社會性科學議題引入課堂，給課堂教學帶來了新情境、新議題和新趣味，為枯燥的復習課教學注入了生機與活力，是培養學生學科核心素養的有效教學方法。