赵清杰 张红艳

（北京理工大学附属中学 北京 100089）

基于《中国高考评价体系》的科学规划，生物学科确定考查知识与观念、科学思维、探究与创新、责任与担当4 类学科素养；考查理解能力、实验探究能力、解决问题能力、创新能力4 种关键能力；通过设置生活、学习和实践情境、科学实验和探究情境、生命科学史情境等3 类试题情境作为实现考查目标的载体[1]。高三备考复习如何应对这些新要求？笔者通过“免疫调节专题复习”一节区级研究课，将肿瘤移植经典实验和肿瘤免疫治疗科学研究情境嵌入教学过程，引导学生运用免疫学知识分析实验现象，将已有知识与关键信息进行综合，建立“免疫平衡”的观念，并以此观念为指导，设想治疗肿瘤的思路和措施，从中发展科学思维、训练科学探究，培养勇于创新、敢于担当的必备品格和关键能力，并建立“免疫平衡”的观念，达成了预期的教学效果。

1 教学任务分析

在制定教学目标时，应综合考虑课程标准、高考要求、教学内容、学生的知识储备、认知心理和认知逻辑。免疫系统具有防御、监视和自稳功能，因此，免疫调节是高等动物和人体维持内环境稳态的一种重要调节方式。通过第1 轮复习，学生虽已熟悉免疫调节的过程、特点、意义及结构基础，但尚不能熟练运用知识解决真实情境中的复杂问题。多数学生能说出人体“三道防线”的组成和作用，但对于免疫系统的监视和自稳功能则模糊不清，甚至存在盲区。教材只说明了特异性免疫应答的“正向调节”过程：吞噬细胞将抗原呈递后，便可激活相应的T 淋巴细胞，使其增殖、分化；而科学研究表明，免疫系统除了“正向调节”外，还存在“负向调节”过程，即抗原呈递细胞（主要是树突状细胞）表面表达PD-L1 分子与T淋巴细胞表面的PD-1 分子相互作用，促进T 细胞凋亡，抑制T 细胞增殖。事实上，机体正是依赖于这种正向调节与负向调节之间微妙的平衡关系，才能维持T 细胞数量的相对稳定，从而确保免疫系统能对抗病原体入侵、监视和清除癌变细胞，但同时也不至于引发过度免疫反应对人体自身的健康器官和组织造成破坏。因此，在组织“免疫调节”专题复习时，应锁定上述薄弱环节，通过援引肿瘤移植实验和肿瘤免疫治疗等科研资料，设置问题情境，促进学生探究性学习，增强复习过程的实际获得感，力求知识有增量、观念有领悟、思维有磨练、能力有提高、方法有心得、情感有共鸣。为此，制定本节课的教学目标如下：

1）运用特异性免疫原理科学地解释肿瘤移植实验现象，并设计实验方案检验细胞免疫对肿瘤的监视和清除作用。

2）通过分析PD-L1 分子对T 细胞增殖影响等科研资料，建立“免疫平衡”观念，并以此观念为指导，推测肿瘤免疫逃逸的可能机制。

3）设计实验方案检验对肿瘤免疫逃逸机制的推测，并设想肿瘤免疫治疗的基本思路和具体措施。

2 教学过程

2.1 科学解释，实验求证 援引20 世纪20年代研究人员所做的肿瘤移植实验（图1、图2），用化学致癌剂甲基胆蒽（MCA）诱导小鼠形成肿瘤后，将肿瘤分别移植给切除肿瘤的同品系小鼠（A组）、未免疫的正常同系小鼠（B 组）、注射射线灭活肿瘤细胞进行免疫的同品系小鼠（C 组）。设置系列问题引发学生思考：

图1 同种肿瘤移植实验（实验1）[2]

图2 异种肿瘤移植实验（实验2）[3]

1）A、B 2 组小鼠移植了同一种肿瘤后，为什么A 组小鼠发生免疫排斥而B 组小鼠却有肿瘤生长？

2）为什么C 组小鼠也无肿瘤生长？综合实验1和实验2，说明了特异性免疫有何特点？

3）如何通过实验证实A、C 2 组小鼠发生的免疫排斥现象主要是细胞免疫应答的结果？

解答问题1，学生需要明确细胞免疫在清除癌细胞的过程中发挥了关键作用。肿瘤细胞刺激活化A 组小鼠的T 细胞，使之增殖分化为记忆T细胞和效应T 细胞。将切下的肿瘤重新移植给小鼠时，效应T 细胞就会立刻启动对肿瘤细胞的杀伤过程，而记忆T 细胞遇到相同抗原后也会快速、高效地引发二次免疫应答，从而排斥肿瘤。而B组小鼠没有经肿瘤细胞免疫，当体内出现肿瘤细胞时，因缺乏激活的免疫系统的监视作用，肿瘤细胞就难以被及时有效地清除。因此，问题1 能训练学生科学解释能力，检测其是否真正理解细胞免疫应答的过程和作用，具有很好的诊断评价功能。

设置问题2，旨在让学生认识到是肿瘤细胞上的特异性抗原诱导了特异性免疫应答，且特异性免疫应答具有记忆性和特异性的特点。

解决问题3，需要在细胞水平上证实细胞免疫的发生，即进行T 细胞转移实验。学生经独立思考、相互交流后，形成如下实验方案（图3）：

图3 T 淋巴细胞转移实验

实验组用MCA 诱导1 号小鼠形成肿瘤；给2号小鼠注射含有经灭活的肿瘤的缓冲液，一段时间后提取T 细胞，注射到1 号小鼠的血液中，观测肿瘤体积变化。

对照组用MCA 诱导3 号小鼠形成肿瘤；给4号小鼠注射不含经灭活的肿瘤的缓冲液，一段时间后提取T 细胞，注射到3 号小鼠的血液中，观测肿瘤体积变化。

实验预期：1 号小鼠肿瘤体积明显缩小，3 号小鼠肿瘤体积继续变大。

2.2 分析资料，建立观念 既然免疫细胞能特异性识别肿瘤抗原并进行清除，为什么人还会患肿瘤？这是日常生活中的问题，极易激发学生的探究兴趣。由于受所学免疫学知识的限制，学生尚不能科学地解释肿瘤免疫逃逸的机理。因此，需要教师循循善诱、因势利导：为什么肿瘤细胞会逃脱免疫系统的监视？除了免疫系统功能减弱外，肿瘤细胞可否通过抑制免疫细胞发挥作用而逃逸？正常机体怎样维持免疫细胞数量相对稳定（稳态）？从而导入“资料分析”教学环节。

资料1：1992年，日本科学家发现T 细胞中存在PD-1基因，所表达的PD-1 分子分布于T 细胞表面，并证实PD-1 分子的作用是抑制T 细胞增殖，促进T 细胞凋亡。

资料2：1999年，中国科学家陈列平发现了一种在存在于吞噬细胞表面的蛋白——PD-L1。在活化的吞噬细胞表面PD-L1 分子表达水平明显增加，并定量研究了PD-L1 分子对T 细胞增殖的影响[4]（图4）。

图4 PD-L1 分子对T 细胞增殖的影响[5]

教学过程的组织：

1）任务驱动：阅读上述资料，分析图4所示的实验结果，你认为PD-L1 分子抑制T 细胞增殖的机理是什么？阐明作出这一判断的依据。

2）分析数据：①以PD-1+/+（野生型）小鼠为实验材料进行实验，A、B 2 条曲线说明了什么？②PD-L1 分子和PD-1 分子均能抑制T 细胞增殖，它们是分别抑制T 细胞增殖，还是二者相互作用发挥抑制作用（图5）？如何解决这个问题？③如果是PD-L1 分子和PD-1 分子相互作用抑制T 细胞增殖，敲除PD-1基因后，则这种抑制作用将不会发生。以PD-1-/-（基因敲除）小鼠为实验材料进行实验，C、D 2 条曲线说明了什么？④综合以上结论，试推断PD-L1 分子抑制T 细胞增殖的机制是什么？B、D 2 条曲线显示的实验结果是否支持这一推断？如此组织教学，就能让学生在分析、解决问题的过程中，最终得出合乎逻辑的结论：PD-L1 分子与PD-1 分子相互作用，共同抑制T 细胞增殖。

图5 PD-1 和PD-L1 抑制T 细胞增殖的可能途径

欲全面分析数据，作出合理判断，需首先确认变量，明确实验分组方式，然后根据单一变量原则解读数据，并基于证据进行逻辑推理。因此，资料分析活动能有效训练学生的科学思维，从中学习科学家解决问题的基本思路和方法：“假设-演绎”法能为实验设计指明方向（如果是PD-L1分子和PD-1 分子相互作用抑制T 细胞增殖，敲除PD-1基因后，则这种抑制作用将不会发生）；除“加法原理”外，“减法原理”（与常态比较，人为除去某种影响因素，例如，敲除PD-1基因）也是控制自变量的常用方法。

3）建立观念：“分析资料”活动另一项重要目的，是引导学生将新、旧知识进行整合和升华，建立“T 细胞免疫平衡”观念（图6）。吞噬细胞呈递抗原促进T 细胞活化、增殖和分化；而PD-L1 和PD-1 结合则能抑制T 细胞增殖，正是由于2 种信号在机体内同时存在，才使得T 细胞整体上能维持免疫平衡。

图6 T 细胞免疫平衡正向与负向调节机制

2.3 大胆猜测，实验检验 该环节主要是引导学生基于所建立的“T 细胞免疫平衡”观念，大胆猜测肿瘤细胞免疫逃逸的原因，并设计实验方案、预期实验结果，以检验猜测是否成立，从而训练学生的科学探究能力。

1）核心问题：既然免疫系统能精确调控，表现得如此“完美”，肿瘤细胞为什么还会发生免疫逃逸？请根据“T 细胞免疫平衡”的观念，推测其原因。

2）大胆猜测：肿瘤细胞表面也可能表达了PD-L1 分子，与T 细胞表面的PD-1 分子结合，从而抑制T 细胞增殖而逃脱免疫细胞的追杀。

3）提供证据：教师提供研究资料，以佐证学生的猜测。肿瘤组织切片染色中，利用免疫组织化学染色（一种特殊的抗原-抗体杂交法）发现：与正常组织相比，肿瘤细胞表面确实会表达PDL1 分子。

4）设计实验：有学生提出质疑：虽然肿瘤细胞表面表达PD-L1，但其能否与T 细胞表面的PD-1 结合，进而发挥抑制T 细胞的功能？为了检验猜测、回应质疑，可让学生选择适当的实验材料和器材（图7），设计实验方案，并预期实验结果。

图7 实验材料与器材

学生经独立思考，相互交流，对实验方案达成共识：将肿瘤细胞分别注射给野生型小鼠和PD-1基因敲除小鼠，待小鼠长出肿瘤后切除肿瘤进行称重并计数。如果假设成立，则PD-1 敲除的小鼠与野生型小鼠相比，体内肿瘤数量更少；T 淋巴细胞数量更多。随后，教师提供真实的研究结果（图8），以印证学生的预期。

图8 WT 和PD-1-/-肿瘤数目及T 细胞数目[6]

2.4 设想思路，制定对策 为了培育“责任与担当”等学科素养，训练解决问题能力和创新能力等关键能力，实现单克隆抗体等相关知识的迁移应用，构建免疫调节完善的知识网络。教师可采用任务驱动方式组织学习活动，让学生设想肿瘤免疫治疗的基本思路和具体措施。

1）任务驱动：既然肿瘤细胞表达的PD-L1 会与T 细胞表面PD-1 结合，从而抑制T 细胞功能，如何根据这一机理对肿瘤患者进行免疫治疗？

2）基本思路：只要阻断PD-L1 与PD-1 之间的相互结合，就能解除对T 细胞的抑制作用，从而增强T 细胞对肿瘤细胞的杀伤作用。

3）具体措施：可利用单克隆抗体特异性强的优势，制备抗PD-1 抗体和抗PD-L1 抗体。

4）提供资料：科学家已成功制备了针对T 细胞和肿瘤细胞抗原的特异阻断抗体，且临床实验结果证实，单独使用PD-1 阻断抗体、PD-L1 阻断抗体或2 种抗体联合使用，可在一定程度上阻断肿瘤细胞对T 细胞的抑制作用，促进T 细胞的正常增殖，最终发挥免疫细胞清除肿瘤的作用，尤其对实体肿瘤（例如，黑色素瘤）疗效显著。提供上述资料不仅可印证学生的设想，使其感受创新思维带来的喜悦，并领悟生命科学基础研究成果的科学价值和社会价值。PD-1 是一个主要表达在活化T 细胞表面的分子，其有PD-L1 和PD-L2 2 个配体。PD-L1 广泛组成性地表达于免疫细胞及多种类型的肿瘤细胞上，而PD-L2 仅表达于活化的巨噬细胞、树突状细胞和个别肿瘤细胞。PD-1 与其配体PD-L1 和PD-L2 结合后，可抑制T细胞的功能。许多类型的肿瘤通过上调PD-L1 的表达，以达到免疫逃逸的目的。针对PD-1/PD-L1的阻断抗体，使T 细胞的功能重新被激活，从而解除对免疫系统的抑制，阻断肿瘤并消灭肿瘤。

5）归纳总结：将正常的免疫平衡、异常的免疫逃逸和免疫抑制剂的应用组成完整的知识网络（图9），以板书的形式展现，以方便学生反思和梳理，达到事半功倍的教学功效。

图9 PD-L1 和PD-1 阻断抗体联合阻断抑制信号机制图

3 感悟与反思

1）在真实问题情境中培育学科素养。以肿瘤移植实验为问题情境，调动学生运用特异性免疫原理分析肿瘤免疫排斥的原因，从而深刻理解特异性免疫所具有的“特异性”和“记忆性”显著特点及其结构基础。以肿瘤免疫逃逸为问题情境，将PD-L1 分子抑制T 细胞增殖的探究实验引入教学中，通过“资料分析”等学习活动，训练科学探究、发展科学思维，并与已有免疫学知识相联系，建立“T 细胞免疫平衡”的观念。由此可见，情境不仅是学科知识转化为学科素养的必要媒介，也是测评学科素养的良好载体。

2）在解决问题过程中训练关键能力。以“T细胞免疫平衡”的观念为指导，引发学生对肿瘤免疫逃逸的原因进行大胆猜测，并设计实验方案、预期实验结果，以检验猜测是否成立，从中训练学生的实验探究能力，领悟“大胆地假设、小心的求证”科学探究的精髓。基于肿瘤免疫逃逸机制和单克隆抗体的相关知识，设计肿瘤治疗方案，以历练学生的解决问题能力，感受生命科学技术的社会价值和应承担的社会责任。因此，只有在分析和解决问题的过程中，必备知识才能转化为关键能力。

致谢：衷心感谢北京市特级教师苏明学老师对本文的指导。