高中生物應(yīng)用黑箱法提高概念教學(xué)有效性研究

張皮鳳

摘 要：在高中生物課程教學(xué)中，教師可以借助黑箱法來完成對(duì)一些抽象概念的教學(xué)，為提高教學(xué)有效性探尋捷徑。實(shí)際教學(xué)中，使用黑箱法來完成對(duì)一些生物概念知識(shí)的建模，有助于直觀的向?qū)W生展示生物概念知識(shí)的內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)生物概念的理解質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展。文章以黑箱法教學(xué)模式助力《基因在染色體上》一課教學(xué)為例，探討切實(shí)提高生物概念教學(xué)法有效性的策略，教無定法，以期拋磚引玉。

關(guān)鍵詞：黑箱法;生物學(xué)歷史;基因;染色體

生物學(xué)知識(shí)中存在許多較為抽象的概念，其特征難以在課堂上進(jìn)行直觀的展示，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也降低了課程的教學(xué)質(zhì)量。為此，本課題組申請(qǐng)并獲得了福建省省級(jí)立項(xiàng)課題《黑箱法理論在高中生物概念建模教學(xué)中應(yīng)用研究》。教師可以借助黑箱法來完成對(duì)課程的教學(xué)，引入黑箱法構(gòu)建合適的教學(xué)模型，幫助學(xué)生在談?wù)摵吞骄恐姓莆丈飳W(xué)概念，促進(jìn)學(xué)生探究能力和思維能力的發(fā)展。

一、黑箱法建模的概述

黑箱是指一個(gè)封閉系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不明，在研究中，研究者只能借助信號(hào)的輸入和輸出來分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這種研究方式也被稱作黑箱法。黑箱法建模的基礎(chǔ)是信息分析方式和模型架構(gòu)方式，技術(shù)人員可以對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行分析，以此來完成對(duì)黑箱結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。黑箱法建模適合在當(dāng)前高中生物教學(xué)中使用，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和自主分析能力。在實(shí)際教學(xué)中，黑箱法建模的流程包括確認(rèn)黑箱、輸入條件和輸出結(jié)果分析、模型構(gòu)建以及模型的修正。經(jīng)過師生共同多次對(duì)黑箱進(jìn)行信息的輸入，并通過對(duì)比不同的輸出結(jié)果來修正模型的結(jié)構(gòu)。這種教學(xué)方式在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用可以鍛煉學(xué)生的探究能力，對(duì)學(xué)生的深度思考能力的提升有著重要的作用。

黑箱法建模教學(xué)主要圍繞對(duì)生物系統(tǒng)這個(gè)黑箱的研究，以此作為課程的重點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和邏輯思維。在實(shí)際教學(xué)中，教師會(huì)提出黑箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的問題，并創(chuàng)設(shè)一定的信息輸入和輸出條件，便于學(xué)生的分析。學(xué)生通過對(duì)系統(tǒng)信息的收集分析完成對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的架構(gòu)理解，優(yōu)化了自身的探索能力。黑箱法建模教學(xué)可以在一個(gè)課時(shí)中完成系統(tǒng)分析，教師可以結(jié)合課程時(shí)間以及教學(xué)內(nèi)容來合理設(shè)計(jì)黑箱系統(tǒng)的規(guī)模，優(yōu)化教學(xué)質(zhì)量，提升課堂效率，保證學(xué)生參與探索的積極性。

二、黑箱法在“基因在染色體上”課程教學(xué)中的應(yīng)用

（一）教材內(nèi)容分析

“基因在染色體上”是高中生物課程的重要組成部分，其內(nèi)容包括“薩頓假說”以及實(shí)驗(yàn)證明等部分。在以往的生物教學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)基本掌握孟德爾遺傳規(guī)律，并了解了基因在生物的遺傳中的重要作用。但是，學(xué)生對(duì)于基因和染色體的關(guān)系不明確，因此，在教學(xué)中，教師可以結(jié)合生物學(xué)的發(fā)展史，根據(jù)歷史上許多生物學(xué)家的假說和實(shí)驗(yàn)來開展課堂教學(xué)過程，提升課堂的趣味性。教學(xué)的重點(diǎn)是通過實(shí)驗(yàn)表達(dá)基因在染色體上的證據(jù)。教師可以結(jié)合生物學(xué)發(fā)展歷史，使用黑箱法來構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，提升學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中的主動(dòng)性，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)生物知識(shí)的理解，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

（二）教學(xué)目標(biāo)

這一課程的教學(xué)目的主要是完成對(duì)基因位于染色體上實(shí)驗(yàn)過程的教學(xué)，保證學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)證據(jù)，掌握基因在染色體上這一概念的內(nèi)涵與外延。教師為了強(qiáng)化學(xué)生的理解質(zhì)量，提升課堂教學(xué)效果，在課程中使用了黑箱法，構(gòu)建生物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，更為直觀的向?qū)W生展示歷史上生物學(xué)家探究基因位置的過程，培養(yǎng)學(xué)生的生物實(shí)驗(yàn)觀念以及邏輯思維能力。

三、黑箱法的教學(xué)實(shí)踐

（一）實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

在生物學(xué)歷史上，生物學(xué)家使用果蠅來探究遺傳學(xué)的規(guī)律。因此，在現(xiàn)代高中生物教學(xué)中，教師也可以使用果蠅來構(gòu)建黑箱，完成課堂教學(xué)。在課程開始之前，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行果蠅的采集。在采集過程中學(xué)生要注意氣溫，并為果蠅準(zhǔn)備食物，確保果蠅的存活。借助課前的準(zhǔn)備，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了提升，且可以更為深入的理解這一生物學(xué)實(shí)驗(yàn)材料的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維的發(fā)展有著重要的作用。

（二）黑箱的建立以及輸入輸出信息的選擇

在實(shí)際教學(xué)中，教師首先要做的就是結(jié)合課程的內(nèi)容來構(gòu)建合適的黑箱模型。課程的重點(diǎn)是基因在染色體上的實(shí)驗(yàn)證明思想以及證明措施，因此課程可以將基因和染色體的位置關(guān)系作為教學(xué)中的黑箱模型，對(duì)其進(jìn)行探究。其次，教師要合理設(shè)計(jì)課程中需要使用的輸入和輸出信息。在對(duì)基因位置這一黑箱模型進(jìn)行分析之前，教師應(yīng)當(dāng)結(jié)合課程的內(nèi)容來選擇合適的輸入和輸出信息，這是后續(xù)課程探究的進(jìn)行基礎(chǔ)。課程中使用果蠅作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)象，因此，教師可以將子代果蠅的眼色作為實(shí)驗(yàn)的輸出信息，將摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)組合作為輸入信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，果蠅的眼色和性別相關(guān)，因此，果蠅的眼色基因應(yīng)當(dāng)位于性染色體上。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過性別信息以及眼色信息來對(duì)基因的位置進(jìn)行思考，實(shí)現(xiàn)對(duì)黑箱模型的研究。

（三）提出假說，構(gòu)建多種輸入信息

果蠅雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示眼色基因符合孟德爾的分離定律，但是，白眼果蠅均為雄性，這顯示眼色基因和性染色體有著一定的關(guān)系。根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師可以引導(dǎo)學(xué)生提出幾種眼色基因和性染色體位置的假說。假說內(nèi)容包括如下的三種：第一，眼色基因位于Y染色體上，X染色體上不存在眼色等位基因。第二，眼色基因在X、Y染色體上均有存在。第三，眼色基因位于X染色體上，Y染色體上不存在等位基因。在獲得雜交實(shí)驗(yàn)的輸出信息之后，學(xué)生要結(jié)合提出的假說利用遺傳圖解對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋。

通過遺傳圖解分析，發(fā)現(xiàn)假說二與假說三的遺傳圖解結(jié)果都和實(shí)際的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。為了進(jìn)一步探究的需要，也為了促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維的發(fā)展，教師可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來對(duì)假說進(jìn)行證實(shí)。在生物學(xué)的發(fā)展中，遺傳學(xué)家在提出合適的假說之后還要預(yù)測(cè)一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以此來佐證假說的正確性。在這一課程的教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過測(cè)交的方式對(duì)假說進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，通過更為全面的輸入和輸出信息來獲知基因是否存在于染色體上。

測(cè)交是生物學(xué)研究中常用的一種實(shí)驗(yàn)雜交形式，實(shí)驗(yàn)人員會(huì)將子代與其顯性或是隱性親代進(jìn)行雜交，以此來測(cè)定子代的基因型。根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)生可以對(duì)雜交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。選擇測(cè)交組合為F1的紅眼雌果蠅和F2白眼雄果蠅為親本，根據(jù)遺傳圖解，假說2和假說3的測(cè)交結(jié)果一致，難以對(duì)正確的基因位置提供參考。因此，教師需要繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考正確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證形式來體現(xiàn)基因位置對(duì)子代性狀的影響。這一步驟的難度較高，也是教學(xué)中的難點(diǎn)，教師需要注意引導(dǎo)學(xué)生的思維，幫助學(xué)生設(shè)計(jì)完善的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段。

課堂實(shí)驗(yàn)中，雌果蠅的性狀類型包括野生紅眼雌果蠅，紅眼雌果蠅雜合子以及白眼雌果蠅。雄果蠅的性狀類型包括紅眼雄果蠅以及白眼雄果蠅。實(shí)驗(yàn)中使用的雜交實(shí)驗(yàn)組合包括野生紅眼果蠅和白眼雄果蠅進(jìn)行雜交、雜合雌果蠅和紅眼雄果蠅進(jìn)行雜交以及雜合雌果蠅和白眼雄果蠅進(jìn)行雜交。在上述的雜交實(shí)驗(yàn)中，假說二、三均滿足其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過配對(duì)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究，引導(dǎo)學(xué)生反向思考，找到使用白眼雌果蠅和野生的紅眼雄果蠅進(jìn)行雜交。遺傳圖解分析表明，假說二與假說三的結(jié)果不同，此時(shí)教師展示白眼雌果蠅和野生紅眼雄果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的實(shí)際結(jié)果，子代只出現(xiàn)白眼雄果蠅，學(xué)生自然得出假說三的正確性，學(xué)生完成了對(duì)基因位置這一黑箱模型的解析，加深了對(duì)生物知識(shí)的理解，也提高了自身對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)思想的掌握質(zhì)量。

總之，黑箱法在當(dāng)前的高中生物教學(xué)中有著重要的作用，教師借助模型構(gòu)建、輸入輸出信息的設(shè)計(jì)以及模型分析過程，可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的印象，強(qiáng)化學(xué)生的理解質(zhì)量，有效培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思想和分析能力，從而切實(shí)提升了高中生物課程的教學(xué)質(zhì)量。

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課題項(xiàng)目：本文系福建省教育科學(xué)規(guī)劃科研基地專項(xiàng)課題《黑箱法理論在高中生物概念建模教學(xué)中應(yīng)用研究》（批準(zhǔn)號(hào)：Fjjgzx18-105）研究成果。