黑箱法建模在高中生物教學中的應用

徐力

摘 要 闡述了在教學中靈活運用黑箱法建模，時間充裕時可以完成一些完整的科學探究實驗，時間受限時可以在課堂的局部使用，這樣學習就是基于事實幫助學生改變已有的觀念和想法。

關鍵詞 黑箱法 模型建構 問題解決能力

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 黑箱法建模的含義

控制論創始人維納在《模型在科學中的作用》中指出“所有科學問題都是作為‘閉盒問題開始的，若干可供選擇的結構被密閉在‘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部結構、要素和機制的前提下，通過觀察黑箱中“輸入”、“輸出”的變量，得出關于黑箱內部情況的推理，尋找、發現其內部規律，實現對黑箱的控制，這種研究方法叫做黑箱法。黑箱法構建模型是信息分析方法和模型方法相結合產生的一種方法。當面對一個未知的系統時，人們可以向其輸入某種信號，并且設法考察該系統的輸出信號，反復多次地進行并獲取相關的信息，經過分析和比較，建立“黑箱”內部結構或功能的模型。這種方法尤其適合高中生物學習的現狀，不必也沒有可能將每一個黑箱打開，但是思維能夠獲得很大的鍛煉和提高！黑箱法建模教學應用的一般模式流程如圖1所示。

前兩個環節有時是連續重復的過程，對黑箱不斷改變輸入，收集不同的輸出結果，才能構建出比較理想的模型。一個黑箱解開后不意味著問題的結束，有時還是新黑箱的開始。這樣通過不斷建黑箱、解黑箱、構建模型、修正解釋，以鍛煉和培養學生各方面能力。黑箱法建模教學強調學生大膽地提問，留出足夠的時間用于學生思考、討論、構建初步思維模型，有時還需要給出相關模擬的實物進行模型搭建。教師適當點撥，千萬不能將經典的模型一下子展現，逐步揭示真相是實施黑箱法建模教學最有價值的策略。

2 黑箱法建模教學模式與其他教學模式的比較

2.1 與常見教學模式比較（表1）

雖然常見的教學模式中也存在師生的提問交流，但是多數都是對知識識記準確性考查，或者是教師的解答思路和方式方法的重現。而黑箱法建模教學則力圖促進學生學習方式的變革，引導學生主動參與構建知識模型，逐步培養學生收集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、批判性思維、分析和解決問題的能力，還有交流與合作能力等多方面。

2.2 與探究式教學比較（表2）

3 黑箱法建模應用的具體實例

3.1 細胞膜流動鑲嵌模型的構建

選擇依據：在科學家探索生物膜結構的曲折歷程中，推理建模和實驗技術革新不斷并行，人類的認識不斷發展，細胞膜的結構在不斷修正中完善。科學家大量的探索過程可以被篩選成為課堂教學黑箱的“輸入”“輸出”，學生根據這些條件推理黑箱內部情況，動手建構細胞膜的結構模型。這是一個不斷建黑箱——解黑箱——構建模型——建黑箱——解黑箱——構建模型的連續循環過程。

① 確認黑箱1：細胞膜的成分。

② 輸入條件、輸出結果：

資料1：細胞膜對脂溶性物質和水溶性物質的通過性不同，脂溶性物質很容易透過，而水溶性物質透過緩慢。

資料2：Danielli和Harvey分別于1931年和1935年發現細胞膜的表面張力低于油—水界面。而脂滴表面吸附油蛋白質成分時，表面張力會下降。

③ 解黑箱1：學生根據相似相溶原理，得出細胞膜中的脂質成分，再通過資料2中推測膜中還含有蛋白質成分。

④ 建構模型：細胞膜成分中含有脂質和蛋白質。

這樣新的問題誕生了：這些成分是以什么方式構成細胞膜的？這就構成了一個新的黑箱——細胞膜的結構。

① 確認黑箱2：細胞膜的結構。

② 輸入條件、輸出結果：

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

資料2：1959年，羅伯特森用透射電鏡觀察到細胞膜顯示出暗-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倍信息可以推測脂質在細胞膜中有兩層，還可以推測出蛋白質分布在磷脂中（圖1）。

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

學生不斷地嘗試推敲輸入、輸出的條件，不斷地比對已經構建出的模型，有比較理想的模型，也有不合理的模型，爭論和辨析貫穿整個課堂。學生展開了豐富的想象力，流動鑲嵌模型呼之欲出，結構與功能相適應的觀點潛移默化進入學生的知識結構中。這樣構建出的細胞膜模型究竟是靜止的還是能動的，這構成黑箱3。

① 確認黑箱3：細胞膜結構特點。

② 輸入條件、輸出結果：

資料：（視頻播放）熒光抗體免疫標記實驗。

③ 解黑箱3：學生根據標記熒光均勻分布于融合細胞表面，推測細胞膜的結構中蛋白質是可以流動的。再自主設計證明磷脂也具有流動性的實驗。

④ 建構模型：細胞膜具有流動性。

3.2 胰液的分泌模型的構建

選擇依據：教材中的資料“促胰液素的發現”不僅蘊涵了科學發現的思想與方法，而且可以啟發學生的思維，訓練學生的思維方法。黑箱建模作為導入局部使用的方法，兼顧了培養學生的科學思想和避免與課堂教學其他主要內容的沖突。

① 確認黑箱：胰液分泌的調節機制。

② 胰液分泌的輸入、輸出條件：

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

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

③ 學生分析構建模型：可能是神經調節，也可能是化學物質調節，還存在兩者一起調節。

教師引導學生利用構建的模型，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科學事實，但哪一個才是能被普遍接受的模型，還取決于進一步的觀察和實驗。

4 黑箱法建模教學的反思

在實際的教學工作中，大量的黑箱模型建構依賴的不是真實的實驗操作，而是由教師提供的資料進行分析。這樣的處理不僅解決了不少實驗受限客觀條件在中學無法開展，也符合了目前高中生物教學時間有限的實際。通過資料，學生在短時間中不但獲得了相對較多的知識信息，而且也有更多思考的時間。需要關注的是教師對資料的選擇，本著寧缺毋濫的標準，要避免過多材料的呈現讓學生出現信息飽和現象。

有了對黑箱問題的輸入和輸出信息，也不能必然構建出合適的模型，學生不一定能夠把握住關鍵的信息。教師要從分析信息方法、信息間的邏輯關系的梳理著手培養學生，學生學會思考、學會質疑、學會接受結果的多樣性和不確定性。對于學生在過程中出現的各種問題，甚至是幼稚低級的問題，教師也要注意保護。這樣學生才會敢于表達自己的想法。教師也要注意自己也是構建模型的參與者之一，生物教科書上的許多知識也僅代表目前大多數人接受的內容，不能因此就絕對的扼殺學生貌似不一致的所有想法，或許這當中就有更合適的模型雛形存在。

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