运用5E教学模式发展学生的科学思维素养——以“基因治疗”为例

何 源

（绍兴市稽山中学 浙江绍兴 312000）

1 教学理念

在《普通高中生物学课程标准（2017年版）》“学科素养为核心、课程内容少而精、教学过程重实践、学业评价促发展”的核心理念下，本节教学的设计采用了基于建构主义的5E 教学模式。通过创设重症免疫缺陷病和神经胶质瘤的治疗方案的情境，引导学生根据问题，利用已有的基因工程知识逐步构建相关方案。并由此进一步得出基因治疗的概念，达成由事实性知识向概念性知识的提升，并在此过程中培养归纳总结、模型构建的科学思维。最后通过评价基因治疗的利弊，引导学生形成正确的价值观和学习观，达成生命观念和社会责任核心素养的提升。

2 学习任务及学情分析

基因治疗属于浙科版生物学选修3 第1 章第3 节“基因工程的应用”一节。本节内容在必修2第6 章第3 节中首次出现，又于选修2 第3 章第2节“疾病治疗中的生物科学”再次出现，但因为并非高考要求，通常不开展教学。《学科指导意见》对基因治疗的要求仅为讲出基因治疗的基本概念，但基因治疗是目前较前沿的医疗技术，也是基因工程技术的一项重要应用，学习过程可有效帮助学生开阔眼界，并体会如何将知识学以致用。

基因治疗的过程比较抽象，本次课程通过创设情境、小组合作讨论帮助学生降低学习难度。由于该技术较前沿，基因治疗的载体等内容是学生未接触过的，因而这部分内容需要引导学生利用已有知识进行迁移类比。

在进行本节内容的学习前，学生已学完3 本必修教材，以及选修3 基因工程的内容，对遗传病的发病原因、艾滋病的侵染过程和基因工程基本步骤均已熟悉，为学好本节内容打下了坚实的基础。

3 教学目标

1）通过小组讨论，探究SCID 和神经胶质瘤的治疗方案，并构建治疗流程。（科学思维）

2）通过分析2 则案例，归纳基因治疗概念。（科学思维）

3）通过评价基因治疗的利弊，树立正确的学习观和价值观。（生命观念、社会责任）

4 教学重、难点

1）重点：基因治疗的技术手段；基因治疗概念的提出。

2）难点：载体的选择；整体过程抽象性较高，具象化难度大。

5 课前准备

准备好相应PPT 课件及纸质学案；将学生分组，并指定组长，分配好组长和组员的任务。

6 教学策略

本节内容基于5E 教学模式，采用任务驱动和小组合作讨论的形式展开教学。

7 教学过程

7.1 引入（engagement）：分析病因定技术

教师讲述：请大家分析资料1，找出泡泡男孩患病的根本原因。

资料1：大卫罹患一种极其罕见的遗传病―重症联合免疫缺陷病（SCID）。由于控制合成腺苷脱氨酶的相关基因（ada基因）缺失，他的T 淋巴细胞无法成熟（其他细胞正常），因此丧失了大部分免疫能力，只能生活在一个无菌的泡泡中。

预期答案：泡泡男孩ada基因缺失。

教师提问：如果你是医生，针对这种基因缺失引起的疾病，你会提出什么治疗方案？

预期答案：将ada基因重新导入他的细胞。

教师提问：要将一个基因导入到一个细胞，需要利用什么技术？

预期答案：基因工程技术。

教师请一位学生回顾基因工程的主要步骤。

预期目标（图1）：

设计意图：用实际案例引入课程学习，创设可以将生物学知识应用于实际生活的情境，在实践中巩固生物学知识。同时确定学习主线：用基因工程技术治疗疾病。建立模型并为学生后续提出方案提供支架，降低难度。

7.2 探究（exploration）：按图索骥获方案

教师发布任务1：学生将化身一代名医，以学案中问题的答案为线索，在基因工程基本步骤的基础上为治愈大卫提出一个完善的治疗方案。“名医”可以先以4 人小组为单位进行一次会诊，攻克所有技术难题后一起提出治疗方案。

帮助解决任务的问题：

①基因工程需要哪些工具？（可能答案：限制性核酸内切酶、DNA 连接酶、载体。）

②目的基因是什么？如何获取？（可能答案：目的基因是ada基因，可通过化学合成或从基因文库中提取得到）。

③受体细胞应该选择患者的什么细胞？其他细胞需要导入目的基因吗？为什么？（可能答案：患者的T 淋巴细胞。其他细胞不用导入该基因，因为没有这个基因其他细胞仍是正常的。）

④常用载体有哪些？这里选择什么最合适？（可能答案：常用载体有质粒、噬菌体、动物病毒和植物病毒。这里应该选择动物病毒。）

⑤如何筛选顺利导入重组DNA 的受体细胞？（可能答案：利用载体自身携带的标记基因。）

⑥如何确定目的基因已经成功表达？（可能答案：可以利用抗原抗体杂交的方法进行检测。）

⑦小组合作，尝试在基因工程流程基础上构建SCID的“治疗方案”流程图。

构建流程图，由学生在黑板图示的基础上修改，并详细介绍过程。

设计意图：通过设计问题帮助学生逐步构建SCID的治疗方案。讨论的设置使学生可以集思广益，降低任务难度，同时使学生体会到合作的乐趣。模型的构建过程需要充分调动思维，提升了科学思维的核心素养。

7.3 解释（explanation）：头脑风暴臻化境

教师请学生阐述自己的方案，并请同伴评价完善。其中有2 点需额外补充说明。

①由于学生缺乏相关知识，载体的选择只能到动物病毒一步，需要教师引导。

教师引导：动物病毒种类很多，每一种都可以作为这里的载体吗？

预期答案：不是的。

教师引导：此处应该选择哪一种？请结合受体细胞是T 细胞的特点，展开大胆的想象进行猜测。

预期答案：HIV。因为HIV 可以侵入辅助性T细胞。

教师引导：HIV 除了可以高效侵染T 细胞外，还有什么优点？请结合HIV 在T 细胞内的繁殖过程思考。

预期答案：HIV 可以将逆转录合成的DNA 整合到宿主染色体上。这样目的基因就可以随T 细胞的分裂而达到扩增的目的。

教师引导：可是HIV 直接使用会使人得艾滋病，因此使用时应先删除它的什么基因？

预期答案：致病基因。

教师讲述：想法很好，但目前的技术并不能完成这样的改造，否则艾滋病的疫苗早就上市了。所以在这里并不直接使用HIV，而是使用与HIV 类似的其他反转录病毒［1］。

②学生可能只会停留在基因工程步骤的修改上，而忘记将改造后的T 细胞重新注入患者体内，因此这里仍需引导。

教师引导：以上步骤是在患者体内完成还是在体外完成的？

预期答案：体外完成。

教师引导：在体外获得了改造好的T 细胞，患者就可痊愈吗？

预期答案：不能。还应该将T 细胞重新输入患者体内。

教师补充：确切地讲，是将T 细胞培养扩增后，再回注入患者骨髓。

最终答案（图2）：

教师讲述：很可惜，由于当时科学技术和医疗水平的限制，医生未能医治好大卫。最终，大卫在与孤独和病痛抗争了12年之后离开了人世。但这一治疗方法很快得到了证实。请看资料2。

资料2：1990年，美国国立卫生研究院的安德森博士，将腺苷酸脱氨酶（ada）基因导入一位由于ada基因缺陷导致严重免疫缺损的4 岁患者的淋巴细胞中，成为基因治疗的首次成功实例。

设计意图：生生互评将小组合作提升为组间合作，是全班学生的大合作。组间的交流讨论进一步锻炼了学生的语言组织能力和表达能力，对其科学思维的提升有了进一步的促进。同时教师的引导使方案得以更加完善，及时弥补了知识上的缺陷。资料2 的补充说明给予学生正向反馈，是对他们努力思考的认可。

7.4 拓展（elaboration）：现学现用活思路

教师小结：SCID 是由于基因缺失而引发疾病，通过添加正常基因补偿了这种缺失，达到了治疗目的。假如某种疾病是由于本该沉默的基因表达引起的，又该怎么做？请分析资料3，并解释反义基因为什么可以抑制癌基因表达。

资料3：神经胶质瘤细胞具有无限增殖的能力，与其体内的某些特殊生长因子（蛋白质）密切相关。这些蛋白质是由基因突变激活的肿瘤基因转录翻译形成的，其过程可用图3表示：

科学家向病变的组织细胞中导入了该基因的反义基因。反义基因合成的反义mRNA 可以和肿瘤基因合成的肿瘤mRNA 互补配对成双链RNA，进而影响突变基因的翻译，从而达到治疗目的［2］。其过程可用图4表示：

预期答案：反义mRNA 与肿瘤mRNA 结合后可以抑制其翻译，肿瘤细胞得不到生长因子，很快死亡，从而达到治疗目的。

教师发布任务2：请用文字和箭头在肿瘤基因表达流程图上表示该过程。

预期答案（图5）：

教师引导：资料只展示了其中的一种治疗方案。反义mRNA 除了可以与肿瘤mRNA 互补配对，还可能与什么配对？要阻止肿瘤细胞无限增殖，只需使它没有生长因子即可。除了阻止翻译过程外，还有什么方法？请再次以4 人小组为单位，讨论其他可行的方案。

预期答案（图6）：

教师小结：治疗像神经胶质瘤这样由于异常基因额外表达引起的疾病，往往通过导入另一种特殊基因，纠正这种基因表达引发的问题。

教师发布任务3：请结合以上2 个例子，总结基因治疗的概念：

向目标细胞中导入目的基因，以纠正（以神经胶质瘤治疗为例）或补偿（以SCID 治疗为例）基因的缺陷，达到治疗的手段。

设计意图：对基因治疗方法进行拓展，使学生对该内容的理解更全面。再一次建模是对方法的巩固，也是对科学思维的进一步锻炼。最后的概念构建达成由事实性知识向概念性知识的提升，提升了学生概念构建的能力。

7.5 评价（evaluation）：各抒己见展风采

教师提问：基因治疗是否完美无缺？

资料4：2000年，法国巴黎某医院采用基因治疗使17 名有免疫缺陷的婴儿恢复了正常。但在之后的几年内，有3 名小孩出现了白血病症状。原因可能是逆转录病毒的核酸随机插入到某一癌基因附近，并成功激活了该癌基因，导致白血病出现。2007年，美国一位患有关节炎的妇女在一项基因治疗临床实验中死亡，原因是她使用的基因载体腺病毒大量繁殖侵染其正常组织，导致多种疾病并发［3］。

教师提问：如何看待基因治疗这项技术？请谈谈你的看法。

学生自由发言。

教师总结：基因治疗在一定程度上改善了病人的生活质量，延长了人类的寿命，生物学知识与技术的应用是很有意义的。

设计意图：评价过程锻炼了学生的思辨能力和语言表达能力。教师的总结可帮助学生树立正确的价值观，达成社会责任和生命观念的提升。

8 教学反思

在本节课中，5E 教学模式的5 个环节层层递进，紧密围绕提升生物学核心素养中的科学思维展开。在“引入”阶段，通过创设情境暴露学生前概念中的不足之处，激发学生的求知欲。“探究”阶段则是课堂教学的中心环节。通过分析资料，小组内部交流讨论，组间学生互评完善，学生的脑海中逐步构建基因治疗的一般过程。“解释”和“拓展”阶段则可对新知识进行内化和迁移，将事实性知识升华为概念性知识，并最终将学习经验迁移至实际生活。穿插于各个环节中的“评价”，教师点评、学生自评或生生互评，均是一次次对旧知识体系的冲击和对新知识结构的完善，也是对学生形成正确价值观的引导，促进学生全面发展。从本节课的体验来看，5E 教学模式在高中生物学教学，尤其是重要概念的构建中有较好的教学效果。