核心素养视域下基于科学史的高中生物学大单元教学实践研究

［摘 要］文章选择2023年诺贝尔生理学或医学奖作为科学史代表，基于核心素养将该诺贝尔奖的成果与高中生物学“免疫调节”单元教学进行有机结合，探寻科学史与高中生物学教材内容的关联性，挖掘其对高中生物学教学的价值。

［关键词］核心素养；科学史；诺贝尔奖；大单元教学；高中生物学

［中图分类号］" " G633.91" " " " ［文献标识码］" " A" " " " ［文章编号］" " 1674-6058（2024）17-0084-04

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》提出以核心素养为宗旨，内容聚焦大概念[1]。基于大概念设计大单元教学能有效提升学生的学科核心素养。2023年诺贝尔生理学或医学奖获得者的突破性发现从根本上改变了人们对mRNA如何与免疫系统相互作用的理解，选择该成果作为科学史案例融入高中生物学教学，可以帮助学生深入理解大概念。因此，本文主要介绍该诺贝尔生理学或医学奖的成果，即mRNA疫苗及其作用机制、应用等内容，并从中挖掘潜在的高中生物学教学价值。

一、诺贝尔奖成果介绍

（一）mRNA疫苗简介

mRNA（信使核糖核酸）疫苗属于核酸疫苗，它通过体外转录技术合成编码蛋白质抗原的mRNA，选择合适的递送系统将其运送到机体内，依靠自身翻译系统翻译成目标蛋白，进而激发机体的免疫反应，从而达到治疗效果[2]。与灭活病毒疫苗和DNA疫苗等传统疫苗相比，mRNA疫苗具有安全性强、稳定性高、可编译性强、抗原表达效率高、免疫原性强、可大规模生产等优点[3]。

（二）mRNA疫苗发展历程

mRNA疫苗是30多年来数百名专业人员的研究成果。mRNA早在1961年就已经被发现，但由于它是一种外源性的核酸物质，进入机体内容易被免疫系统识别以及被酶降解，因此mRNA疫苗的相关研究进展较为缓慢。2005年，卡塔林·卡里科和德鲁·魏斯曼等人[4]发现对核苷碱基进行修饰可以降低机体免疫系统对RNA的攻击。mRNA分子通常无法躲避人体免疫系统的清除，而假尿苷具有显著降低RNA对免疫系统刺激性的功能，研究将假尿苷整合到mRNA中，经过修饰的mRNA能免受免疫系统的攻击，并相应地产生抗原或其他对抗、治疗疾病的蛋白质。科学家的研究提高了mRNA的稳定性，同时减少了炎症，一举解决了mRNA在活体内表达所面临的两大难题，为进一步利用mRNA开发各种潜在的疫苗奠定了基础。

在2008年发表的后续研究[5]中，卡塔林·卡里科和德鲁·魏斯曼等人发现，经碱基修饰之后的mRNA与未经修饰的相比，其递送显著增加了蛋白质的产量。因此，核苷碱基修饰既能减少炎症反应，又能增加蛋白质的产生，从而消除了mRNA在临床应用道路上的关键障碍。2019年新冠疫情暴发后，全球掀起了新一轮mRNA研究的热潮。

（三）mRNA疫苗作用机制

mRNA疫苗是基于RNA指导蛋白质合成这一中心法则，在体外设计合成含有编码特定抗原的mRNA序列。它经过必要的化学修饰、纯化加工等步骤，并通过不同的方式递送至机体细胞内，经过翻译产生抗原蛋白，模拟机体感染病原体，进而诱导机体的免疫反应，从而达到预期的免疫保护效应[6]。当携带抗原的病原体入侵人体时，机体免疫系统将快速触发针对此抗原的特异性免疫，即体液免疫和细胞免疫。

（四）mRNA疫苗应用

1.感染性疾病治疗

应对感染性疾病的mRNA疫苗主要为预防性疫苗，可以用于预防多种病毒，如人类免疫缺陷病毒（HIV）、流感病毒等。mRNA疫苗首次用于疾病预防的是流感性疾病[7]。2019年，新冠疫情的暴发促使mRNA疫苗飞速发展。

2.肿瘤免疫治疗

mRNA技术在最初应用时便作为癌症的潜在治疗方法。研究通过使用mRNA转染树突状细胞（mRNA-DC）疫苗来对抗肿瘤细胞并取得了早期突破。70多项已完成的临床试验证明了mRNA-DC疫苗在肿瘤治疗方面的潜力。

二、诺贝尔奖成果在生物学大单元教学中的应用

“免疫调节”是人教版高中生物学教材选择性必修1《稳态与调节》第4章的内容，包括4个课题，对应《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中提出的1个重要概念和4个次位概念（见图1）。2023年诺贝尔生理学或医学奖的成果适合作为讲解“免疫调节”的一个科学案例。例如，mRNA疫苗进入机体后翻译成抗原蛋白，诱导机体产生针对此抗原蛋白的特异性免疫，从而达到预期的免疫效应，这正是“特异性免疫”的作用过程。因此，本文以“免疫调节”为主题设计大单元教学，以本次诺贝尔奖的成果为教学主线串联单元知识点，引导学生学习，并通过小组合作探究等方式，构建学科大概念，培养学生生物学学科核心素养。

[大概念：生命个体的结构与功能相适应，各结构协调统一共同完成复杂的生命活动，并通过一定的调节机制保持稳态][次位概念1：举例说明免疫细胞、免疫器官和免疫活性物质等是免疫调节的结构与物质基础][单元重要概念：免疫系统能够抵御病原体的侵袭，识别并清除机体衰老、死亡或异常的细胞，实现机体稳态][次位概念2：概述人体的免疫包括生来就有的非特异性免疫和后天获得的特异性免疫][次位概念3：阐明特异性免疫是通过体液免疫和细胞免疫两种方式，针对特定病原体发生的免疫应答][次位概念4：举例说明免疫功能异常可能引发疾病，如过敏、自身免疫病、艾滋病和先天性免疫缺陷病等][课题4：免疫学的应用][课题3：免疫失调][课题2：特异性免疫][课题1：免疫系统的组成和功能][活动1：观看病毒入侵人体视频，归纳人体第一、第二道防线

活动2：梳理免疫细胞发现史，归纳、总结免疫系统的组成][活动1：结合mRNA疫苗修饰，探究免疫系统识别病原体的过程

活动2：探究mRNA疫苗的作用机制，构建特异性免疫过程][活动1：结合接种mRNA疫苗的过程，探究过敏反应和自身免疫病

活动2：分析新冠肺炎的相关资料，绘制内环境稳态关系图][活动1：从免疫学角度分析mRNA疫苗的作用原理，认识疫苗

活动2：梳理mRNA疫苗发展历程，并拓展至艾滋病疫苗的研制现状]

（一）设计单元教学目标

1.能够以mRNA疫苗为例，概述免疫系统发挥作用的机制，运用稳态与平衡观解释内环境稳态维持需要免疫调节、神经调节和体液调节同时参与，运用结构与功能观阐释免疫功能异常可能引发疾病的原因，并举例说明[8]。

2.能够通过分析mRNA疫苗的相关科学史和科学家的相关实验，逐步构建免疫系统的组成、特异性免疫等模型，提升分析能力以及对实验结果的交流与讨论能力[9]。

3.能够结合mRNA疫苗的作用机制，构建细胞免疫和体液免疫的模式图，阐述人体免疫系统抵御病原体侵袭的机制，逐步发展科学思维核心素养[10]。

4.通过了解mRNA疫苗的发展历程，深入探讨身边的相关生物学议题（如诺贝尔奖等），能够讲述生物学科在现实社会中的具体应用，培养运用生物学知识推动社会进步的责任感[11]。

（二）设计单元教学过程

1.设计单元情境

北京时间2023年10月2日，瑞典卡罗林斯卡医学院诺贝尔奖委员会宣布，2023年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家卡塔林·卡里科和德鲁·魏斯曼，用以表彰他们在核苷碱基修饰方面的发现，从而使得有效预防新冠肺炎的mRNA疫苗能够得以开发。在现代人类健康面临最大威胁期间，他们为加快疫苗的开发作出了突出贡献。

单元核心问题：以新冠病毒为例，探究人体如何抵御病原体的入侵，如何识别并清除体内的病原体，mRNA疫苗接种后如何通过免疫系统保持稳态。

2.设计课题教学活动

【课题1】免疫系统的组成和功能

核心问题：人体在未接种mRNA疫苗之前是如何阻挡病原体入侵的？

导入环节：播放诺贝尔生理学或医学奖颁奖视频，介绍两位获奖者的研究成果对新冠疫情防控的影响，即由于开发出有效抵抗新冠病毒的mRNA疫苗，使得人类能够有效预防新冠肺炎。同时创设问题情境：在接种疫苗之前，人体是如何抵御新冠病毒的呢？

活动1：播放病毒入侵人体的视频，分析人体对病毒的抵御过程，同时结合教材内容，引导学生概括出人体第一、第二道防线的组成和功能。

活动2：梳理免疫细胞发现史，引导学生讨论免疫细胞的产生部位和种类，归纳、总结免疫系统的组成，绘制并解释免疫系统的概念图。

【课题2】特异性免疫

核心问题：接种mRNA疫苗后，机体如何识别和清除侵入机体的病原体？

导入环节：如果前两道防线都未能阻止新冠病毒的入侵，人体又该如何应对？mRNA疫苗如何抵御病毒入侵呢？

活动1：结合mRNA疫苗修饰，以第一人称视角探究免疫细胞识别己方和敌方的过程，展示T淋巴细胞和B淋巴细胞的特点。

活动2：以mRNA疫苗的作用机制模拟病毒突破人体第一、第二道防线之后的入侵路线，构建人体体液免疫和细胞免疫的过程。

【课题3】免疫失调

核心问题：过敏反应和自身免疫病是什么？它们产生的原因又是什么？

导入环节：为什么接种疫苗后需要在现场观察半个小时，且有人毫无反应，有人却反应强烈？

活动1：结合接种mRNA疫苗的过程，探究过敏反应和自身免疫病，归纳什么是过敏反应，过敏原的类型以及过敏反应的过程和特点。

活动2：分析新冠肺炎的相关资料，绘制神经系统、内分泌系统和免疫系统的关系图。

【课题4】免疫学的应用

核心问题：什么是疫苗？疫苗有什么作用？

导入环节：虽然有两种特异性免疫的保护，但病毒的危害不容小觑，哪些方式可以预防新冠肺炎等传染性疾病？mRNA发现早却无疫苗，为何该疫苗研制难度如此大？mRNA疫苗的研究进展如何？

活动1：从免疫学角度分析mRNA疫苗的作用原理，并以新冠疫苗为例设计问题串：为什么接种完疫苗后要监测接种者的体温和随时观察是否有不适反应？为什么新冠疫苗共接种三剂？三剂的接种为何需要间隔一定的时间？新冠疫苗需要在哪些方面做出调整？

活动2：梳理mRNA疫苗发展历程，并拓展至艾滋病疫苗的研制现状，了解HIV感染人体的机理，如何预防其传播，以及如何正确对待艾滋病患者。

【单元小结】教师展示示例，学生自主构建免疫系统的思维导图。

3.设计意图

基于诺贝尔奖的成果创设教学情境，给学生提供真实的情境材料，增强内容的直观性。首先，通过设计与课题相关的核心问题，创设相应的学习活动，提升课堂的趣味性，触发学生的探索欲望，帮助学生建构连贯的知识体系与框架。以该情境为主线进行大单元教学实施、总结，真正抓住核心内容，将“先天免疫应答”“免疫学的应用”等知识串联起来构建出系统的知识结构，有效梳理出教材知识的逻辑结构，帮助学生形成完整的知识体系，了解科学研究的思路和方法，提升学生的科学思维，并培养学生稳态与平衡观等生命观念。其次，通过阅读资料和课本总结、归纳相关概念，提高学生的自主学习能力和从图文中获取信息的能力，以及通过梳理相关科学史培养学生的科学探究意识，进而促进学生学科核心素养的培养。最后，借助思维导图进行小组讨论、评价，构建一个系统性的知识框架，厘清各个知识点之间的联系，使学生更加深入地理解知识的本质和意义。此外，生物科学史中蕴含的内容极其丰富，比起直接、生硬地向学生介绍有关内容，在教学时引导学生尝试像科学家一样去探究，不仅可以提高学生的学习兴趣，培养学生积极向上的科学态度、提升学生的创新实践能力，还能够使生物科学进展在教学中的渗透更加“润物细无声”，有利于学生正确认识生物技术，将理论问题实践化，客观面对相关社会性科学议题，培养学生的社会责任感。

三、总结

生物学是综合性较强的学科，高中阶段的生物学学习需要在知识来源上具有广度，在知识理解上具有深度，而高中阶段的生物学教学缺乏整体性，容易造成学生趋向于碎片化学习，同时学生缺乏解决真实问题的体验感，这会降低学生学习的积极性和主动性。诺贝尔奖的各项成果是教师进行教学研究的优质素材，为教师提高自身知识储备提供了良好契机，并且大单元教学能够在教学时贯穿相关的学习内容，提高学生获取知识的效率，加强知识之间的逻辑关联性，搭建完善的生物学知识框架。本文针对2023年诺贝尔生理学或医学奖的成果进行相关分析与教学应用研究，从课标要求的大概念出发，创设相关情境，设计大单元教学，包括教学目标设计、单元情境设计、教学活动设计等环节，营造良好的知识环境，改变学生碎片化学习的状态，全面培养其学科核心素养，促进高中生物学教学质量的提升。因此，对于教师而言，有必要关注最新的科学进展，充分挖掘其背后的教学价值，提升自身专业能力，从而进一步激发学生对高中生物学的学习兴趣，帮助学生形成清晰的学科大概念，获得相应的关键能力，具备正确的生命观念、科学思维、科学探究能力和社会责任感。

［" "参" "考" "文" "献" "］

[1]［8］［9］［10］［11］" 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 蔚丹，马云龙，万方，等. mRNA疫苗的研究及应用进展[J].生物技术进展，2023（4）：492-498.

[3]" 张傲，刘可欣，刘佳利，等. mRNA疫苗的应用及研究进展[J].中国兽医科学，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，李月华，刘拂晓，等. mRNA疫苗研究进展及其在传染病防控中的应用[J].中国兽医学报，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.

（责任编辑 罗 艳）