黑箱法建模在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用

徐力

摘 要 闡述了在教學(xué)中靈活運(yùn)用黑箱法建模，時(shí)間充裕時(shí)可以完成一些完整的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)，時(shí)間受限時(shí)可以在課堂的局部使用，這樣學(xué)習(xí)就是基于事實(shí)幫助學(xué)生改變已有的觀念和想法。

關(guān)鍵詞 黑箱法 模型建構(gòu) 問(wèn)題解決能力

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 黑箱法建模的含義

控制論創(chuàng)始人維納在《模型在科學(xué)中的作用》中指出“所有科學(xué)問(wèn)題都是作為‘閉盒問(wèn)題開(kāi)始的，若干可供選擇的結(jié)構(gòu)被密閉在‘閉盒中，研究它的唯一途徑是利用閉盒的輸入和輸出”。這里的“閉盒”即為黑箱。只能在不直接影響原有客體黑箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)、要素和機(jī)制的前提下，通過(guò)觀察黑箱中“輸入”、“輸出”的變量，得出關(guān)于黑箱內(nèi)部情況的推理，尋找、發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)黑箱的控制，這種研究方法叫做黑箱法。黑箱法構(gòu)建模型是信息分析方法和模型方法相結(jié)合產(chǎn)生的一種方法。當(dāng)面對(duì)一個(gè)未知的系統(tǒng)時(shí)，人們可以向其輸入某種信號(hào)，并且設(shè)法考察該系統(tǒng)的輸出信號(hào)，反復(fù)多次地進(jìn)行并獲取相關(guān)的信息，經(jīng)過(guò)分析和比較，建立“黑箱”內(nèi)部結(jié)構(gòu)或功能的模型。這種方法尤其適合高中生物學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀，不必也沒(méi)有可能將每一個(gè)黑箱打開(kāi)，但是思維能夠獲得很大的鍛煉和提高！黑箱法建模教學(xué)應(yīng)用的一般模式流程如圖1所示。

前兩個(gè)環(huán)節(jié)有時(shí)是連續(xù)重復(fù)的過(guò)程，對(duì)黑箱不斷改變輸入，收集不同的輸出結(jié)果，才能構(gòu)建出比較理想的模型。一個(gè)黑箱解開(kāi)后不意味著問(wèn)題的結(jié)束，有時(shí)還是新黑箱的開(kāi)始。這樣通過(guò)不斷建黑箱、解黑箱、構(gòu)建模型、修正解釋，以鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生各方面能力。黑箱法建模教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生大膽地提問(wèn)，留出足夠的時(shí)間用于學(xué)生思考、討論、構(gòu)建初步思維模型，有時(shí)還需要給出相關(guān)模擬的實(shí)物進(jìn)行模型搭建。教師適當(dāng)點(diǎn)撥，千萬(wàn)不能將經(jīng)典的模型一下子展現(xiàn)，逐步揭示真相是實(shí)施黑箱法建模教學(xué)最有價(jià)值的策略。

2 黑箱法建模教學(xué)模式與其他教學(xué)模式的比較

2.1 與常見(jiàn)教學(xué)模式比較（表1）

雖然常見(jiàn)的教學(xué)模式中也存在師生的提問(wèn)交流，但是多數(shù)都是對(duì)知識(shí)識(shí)記準(zhǔn)確性考查，或者是教師的解答思路和方式方法的重現(xiàn)。而黑箱法建模教學(xué)則力圖促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的變革，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與構(gòu)建知識(shí)模型，逐步培養(yǎng)學(xué)生收集和處理信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、批判性思維、分析和解決問(wèn)題的能力，還有交流與合作能力等多方面。

2.2 與探究式教學(xué)比較（表2）

3 黑箱法建模應(yīng)用的具體實(shí)例

3.1 細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型的構(gòu)建

選擇依據(jù)：在科學(xué)家探索生物膜結(jié)構(gòu)的曲折歷程中，推理建模和實(shí)驗(yàn)技術(shù)革新不斷并行，人類的認(rèn)識(shí)不斷發(fā)展，細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)在不斷修正中完善。科學(xué)家大量的探索過(guò)程可以被篩選成為課堂教學(xué)黑箱的“輸入”“輸出”，學(xué)生根據(jù)這些條件推理黑箱內(nèi)部情況，動(dòng)手建構(gòu)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型。這是一個(gè)不斷建黑箱——解黑箱——構(gòu)建模型——建黑箱——解黑箱——構(gòu)建模型的連續(xù)循環(huán)過(guò)程。

① 確認(rèn)黑箱1：細(xì)胞膜的成分。

② 輸入條件、輸出結(jié)果：

資料1：細(xì)胞膜對(duì)脂溶性物質(zhì)和水溶性物質(zhì)的通過(guò)性不同，脂溶性物質(zhì)很容易透過(guò)，而水溶性物質(zhì)透過(guò)緩慢。

資料2：Danielli和Harvey分別于1931年和1935年發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜的表面張力低于油—水界面。而脂滴表面吸附油蛋白質(zhì)成分時(shí)，表面張力會(huì)下降。

③ 解黑箱1：學(xué)生根據(jù)相似相溶原理，得出細(xì)胞膜中的脂質(zhì)成分，再通過(guò)資料2中推測(cè)膜中還含有蛋白質(zhì)成分。

④ 建構(gòu)模型：細(xì)胞膜成分中含有脂質(zhì)和蛋白質(zhì)。

這樣新的問(wèn)題誕生了：這些成分是以什么方式構(gòu)成細(xì)胞膜的？這就構(gòu)成了一個(gè)新的黑箱——細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。

① 確認(rèn)黑箱2：細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。

② 輸入條件、輸出結(jié)果：

資料1：1925年，E.Gorter和F.Grendel用有機(jī)溶劑丙酮從人的紅細(xì)胞膜中提取脂質(zhì)，在空氣—水界面上鋪展成單分子層，測(cè)得單分子層的面積約為紅細(xì)胞面積的2倍。

資料2：1959年，羅伯特森用透射電鏡觀察到細(xì)胞膜顯示出暗-亮-暗3條帶。

該電鏡下，樣品電子密度較低的部分，在圖像中顯得較亮；電子密度較高的部分，顯得較暗。蛋白質(zhì)的電子密度較大而磷脂的電子密度較小。

③ 解黑箱2：由資料中的2倍信息可以推測(cè)脂質(zhì)在細(xì)胞膜中有兩層，還可以推測(cè)出蛋白質(zhì)分布在磷脂中（圖1）。

④ 建構(gòu)模型：利用信封1（磷脂模型和圖釘）中的模型在泡沫板上構(gòu)建細(xì)胞膜中磷脂分子排布的模型，將信封2（蛋白質(zhì)模型上貼上“蛋白質(zhì)”）中材料整合到已構(gòu)建的模型中（圖2）。

學(xué)生不斷地嘗試推敲輸入、輸出的條件，不斷地比對(duì)已經(jīng)構(gòu)建出的模型，有比較理想的模型，也有不合理的模型，爭(zhēng)論和辨析貫穿整個(gè)課堂。學(xué)生展開(kāi)了豐富的想象力，流動(dòng)鑲嵌模型呼之欲出，結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)潛移默化進(jìn)入學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)中。這樣構(gòu)建出的細(xì)胞膜模型究竟是靜止的還是能動(dòng)的，這構(gòu)成黑箱3。

① 確認(rèn)黑箱3：細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

② 輸入條件、輸出結(jié)果：

資料：（視頻播放）熒光抗體免疫標(biāo)記實(shí)驗(yàn)。

③ 解黑箱3：學(xué)生根據(jù)標(biāo)記熒光均勻分布于融合細(xì)胞表面，推測(cè)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)中蛋白質(zhì)是可以流動(dòng)的。再自主設(shè)計(jì)證明磷脂也具有流動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)。

④ 建構(gòu)模型：細(xì)胞膜具有流動(dòng)性。

3.2 胰液的分泌模型的構(gòu)建

選擇依據(jù)：教材中的資料“促胰液素的發(fā)現(xiàn)”不僅蘊(yùn)涵了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的思想與方法，而且可以啟發(fā)學(xué)生的思維，訓(xùn)練學(xué)生的思維方法。黑箱建模作為導(dǎo)入局部使用的方法，兼顧了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想和避免與課堂教學(xué)其他主要內(nèi)容的沖突。

① 確認(rèn)黑箱：胰液分泌的調(diào)節(jié)機(jī)制。

② 胰液分泌的輸入、輸出條件：

資料1：若食物和胃酸一起進(jìn)入小腸后，胰腺開(kāi)始分泌胰液。有科學(xué)家將稀鹽酸注入狗的小腸腸腔內(nèi)，會(huì)引起胰腺分泌胰液。若直接將稀鹽酸注入狗的血液則不會(huì)引起胰液的分泌。

資料2：科學(xué)家切除通向該段小腸的神經(jīng)，只留下血管，再向小腸內(nèi)注入稀鹽酸，胰腺仍分泌胰液。

③ 學(xué)生分析構(gòu)建模型：可能是神經(jīng)調(diào)節(jié)，也可能是化學(xué)物質(zhì)調(diào)節(jié)，還存在兩者一起調(diào)節(jié)。

教師引導(dǎo)學(xué)生利用構(gòu)建的模型，解釋資料中的輸入和輸出條件，不同的模型都能在一定程度上解釋某一個(gè)科學(xué)事實(shí)，但哪一個(gè)才是能被普遍接受的模型，還取決于進(jìn)一步的觀察和實(shí)驗(yàn)。

4 黑箱法建模教學(xué)的反思

在實(shí)際的教學(xué)工作中，大量的黑箱模型建構(gòu)依賴的不是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，而是由教師提供的資料進(jìn)行分析。這樣的處理不僅解決了不少實(shí)驗(yàn)受限客觀條件在中學(xué)無(wú)法開(kāi)展，也符合了目前高中生物教學(xué)時(shí)間有限的實(shí)際。通過(guò)資料，學(xué)生在短時(shí)間中不但獲得了相對(duì)較多的知識(shí)信息，而且也有更多思考的時(shí)間。需要關(guān)注的是教師對(duì)資料的選擇，本著寧缺毋濫的標(biāo)準(zhǔn)，要避免過(guò)多材料的呈現(xiàn)讓學(xué)生出現(xiàn)信息飽和現(xiàn)象。

有了對(duì)黑箱問(wèn)題的輸入和輸出信息，也不能必然構(gòu)建出合適的模型，學(xué)生不一定能夠把握住關(guān)鍵的信息。教師要從分析信息方法、信息間的邏輯關(guān)系的梳理著手培養(yǎng)學(xué)生，學(xué)生學(xué)會(huì)思考、學(xué)會(huì)質(zhì)疑、學(xué)會(huì)接受結(jié)果的多樣性和不確定性。對(duì)于學(xué)生在過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，甚至是幼稚低級(jí)的問(wèn)題，教師也要注意保護(hù)。這樣學(xué)生才會(huì)敢于表達(dá)自己的想法。教師也要注意自己也是構(gòu)建模型的參與者之一，生物教科書(shū)上的許多知識(shí)也僅代表目前大多數(shù)人接受的內(nèi)容，不能因此就絕對(duì)的扼殺學(xué)生貌似不一致的所有想法，或許這當(dāng)中就有更合適的模型雛形存在。

黑箱法建模教學(xué)不是解決一切問(wèn)題的教學(xué)模式，但是作為一種有效的教學(xué)模式值得教師不斷探究。