例谈“黑箱法”在高中生物教学中的应用

江苏省常州市第三中学 (213000)    皋磊

摘 要：

本文论述了“黑箱法”的特征，并通过建立模型的方法来描述黑箱的功能和特性，通过对人教版高中生物教材中典型案例的分析，阐述“黑箱法”在探究教学和实验教学中的应用及具体操作。 基于“黑箱法”的教学，能够促使学生学会科学研究的基本方法，促进学生逻辑思维能力及科学探究能力的培养。

关键词：黑箱法  探究教学 实验教学

控制论创始人维纳在《模型在科学中的作用》中指出：“所有科学问题都是作为“闭盒”问题开始的，这里的“闭盒”即为“黑箱”。通过观察黑箱中“输入”、“输出”的变量（输入→黑箱→输出），得出关于黑箱内部情况的推理，寻找、发现其内部规律，实现对黑箱的控制，这种研究方法叫做“黑箱法”。当输入输出关系确定后，一般用建立模型的方法来描述黑箱的功能和特性，模型的形式多样有数学模型（各种函数、方程式、图象、表格等）、物理模型（功能相似于原型的现实系统）、还有概念模型，通过分析资料对黑箱模型进行检验和选择，最终阐明黑箱的结构和运动规律并加以应用^[1]。

在高中生物教学领域，很多教师缺乏对“黑箱法”的研究和认识，“黑箱法”的应用价值常常被忽视。笔者有幸参加了江苏省教育科学“十二五”课题“黑箱法建模在高中生物探究性学习中应用”的研究，对“黑箱法”有了些粗浅的认识，发现“黑箱法”在高中生物教学中的应用有着不容忽视的意义。通过此文与教师们进行交流。

1探究教学中的“黑箱”

探究教学是指学生在学习概念和原理时，教师提供一些事例和问题，让学生自己通过阅读、观察、实验、思考、讨论等途径去独立探究，自行发现并掌握相应的原理和结论的一种方法。黑箱法建模若应用到探究教学中，教师即可以引导学生依据打开“黑箱”的路径进行分析和探究生物学问题。

以减数分裂为例，该内容以人教版必修一学过的细胞学知识和染色体知识为基础，又是以后学习孟德尔遗传规律的细胞学基础，在人教版高中生物必修二中有着重要地位。减数分裂最核心的内容是减数分裂过程中各时期染色体的变化，其过程比较复杂、抽象，学生不容易理解。基于以上分析，本节课在教学过程中引入“黑箱法”，帮助学生突破重难点。学生在学习之前并不了解减数分裂内部结构或机制，因此可以将之视为“黑箱”，有丝分裂也与其十分相似，因此有丝分裂的过程也可以视为“黑箱”，以输入和输出图片为铺垫（见表1），通过设计一系列探究活动，建构黑箱模型并阐明黑箱模型的结构和运动规律。在实际教学中可以从以下几个方面实施“黑箱法”。

表1：“细胞分裂”中的输入和输出信息

1.1通过研究确立输入和输出关系：提供原始生殖细胞与四个成熟生殖细胞中染色体形态和数目减半的图像或制作模型作为输入和输出的信息。笔者曾在教学中利用橡皮泥作为材料，引导学生用建立物理模型的方法来描述输入和输出的关系。

1.2确定可供选择的黑箱模型：确立输入和输出模型以及相关知识铺垫后，学生小组讨论“黑箱”的解决方案即减数分裂中染色体如何变化才能符合输入和输出关系。学生利用手中的橡皮泥构建出“黑箱”的模型。在此探究过程中，学生主要构建出了以下两种模型。

黑箱模型1：染色体如同有丝分裂一样先进行着丝点分裂，姐妹染色单体分开进入两个子细胞中，再将每个细胞里的染色体均分进入四个子细胞中。四个子细胞中染色体数目减半。

黑箱模型2：先将成对的染色体分离（即同源染色体分离），分别进入两个子细胞中，然后再进行着丝点分裂，染色单体分开进入子细胞，最终形成的四个子细胞中染色体数目减半。

1.3根据史实资料对模型进行检验和选择

史实依据：H.Hengking于1890-1891年发表文章：红蝽减数分裂时，染色体在某时期呈现一种环状，共有12个环状物，每个环状物由两条染色体配对构成。

1892年，J.Ruckert指出配对的染色体完全等长，并出现配对的染色体之间分离。

教师出示上述史实依据，学生对照史实可以发现，第二种黑箱模型更符合史实。学生根据史实资料对本小组构建的模型进行修正，最终“黑箱”打开，黑箱问题解决。

在探究教学中，运用“黑箱法”对各类生物学问题进行阐述、确认及研究，不仅可以帮助学生深化对生物学概念的认识，还能有利于促进学生逻辑判断、信息分析及推理能力的发展。因此，在生物教学中教师应该创设更多符合生物学事实的黑箱，促使学生发掘、研究以及解决黑箱问题，从而提升学生的核心素养^[2]。

2 实验教学中的“黑箱”

实验教学在生物教学中占有十分重要的地位，培养学生的学科素养是实验教学的重要目的，而基于“黑箱法”的实验教学更有助于培养学生的逻辑思维能力及科学探究的能力。例如，在“影响酶活性的条件”实验教学中，教师实验前首先设定“黑箱问题”即“温度的变化是否会影响酶的活性”，紧接着引导学生绘制表格确立输入和输出关系（见表2），学生依据表格进行探究实验。在学生实验中，学生分别输入0℃、37℃、70℃中的唾液淀粉酶三个不同信号后，分别进行实验，学生观察相应的输出信息——馒头碎屑（淀粉）与碘液变蓝的变化情况。

表2 温度对酶活性的影响

学生根据输入信号进行实验，记录实验现象，得出输出信息分别是①滴加碘液变蓝②滴加碘液不变蓝③滴加碘液变蓝，通过外部实验，学生找出输入和输出的关系，并由此推理得出：酶的特性即温度的变化会影响酶的活性，最适温度下，酶活性最高。最终“黑箱”打开，黑箱问题解决。

在实验过程中学生可能观察到与预设不符的现象，也可视为“黑箱问题”。例如，光合作用发现史的实验教学中，教师通过演示实验再现了英国科学家普里斯特利的实验。当教师演示在钟罩内放入植物和蜡烛这一实验时，意外发生了，放入植物的钟罩内的蜡烛原本应该燃烧时间更长，而实际上蜡烛却熄灭得更快。教师顺势将这一认知冲突即“放入植物后，蜡烛熄灭更快”视为“黑箱问题”，引导学生分析实验操作中可能存在的问题，通过改变输入信息（改变植物种类、数量、改变外界光线、温度等），分别进行实验，观察输出结果（蜡烛熄灭的时间），确定输入和输出的关系，解决“黑箱问题”（如表3）^[3]。

光合作用发现史

该“黑箱问题”解决的过程正是荷兰科学家英格豪斯植物更新空气的实验探究过程的再现，英格豪斯对该黑箱输入了500多次信号，通过分析输出结果，最后得出结论：植物绿叶只有在阳光照射情况下才能更新空气成分。 由此可见，基于“黑箱法”的实验教学，能够促使学生学会科学研究的基本方法，促进学生逻辑思维能力及科学探究能力的培养。“黑箱法”对于落实课程标准倡导的“提高每个高中学生的生物科学素养”的理念也有着明显的作用。

参考文献：

[1]刘明轩.黑箱方法在生物学中的应用[J].沈阳师范学院学报（自然科学版），1999,2:62-64

[2]陶忠华,殷加余.黑箱法在教学中的运用[J].生物学教学，2007,2:18-19

[3]吴旭聪,郑晓惠.黑箱法在动物生理学教学中的应用[J].生物学杂志，2013,1:109-110