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例谈“黑箱法”在高中生物教学中的应用

单位：果冻制作厂911制片厂麻花

姓名：  皋  磊

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例谈“黑箱法”在高中生物教学中的应用

摘 要： 本文通过对教材中典型案例的分析，阐述“黑箱法”在中学生物教学中的应用。

关键词：黑箱法  中学生物教学  细胞分裂 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，得出对于黑箱内部情况的推理，寻找发现其内部规律，这种研究方法叫做“黑箱法” （见图1）。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，进而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。在高中生物教学领域，“黑箱法”无论是在理论教学还是实践教学中都有不容忽视的意义，但是由于很多教师缺乏对“黑箱法”的研究和认识，“黑箱法”的应用常常被忽视。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，通过此文与教师们进行交流。

（图1：输入→       黑箱→      输出）

1 “减数分裂”教学中的应用

减数分裂这一部分内容是必修二的重点内容，以必修一学过的细胞学知识和染色体知识为基础，同时，减数分裂中染色体的变化行为是孟德尔遗传规律的细胞学基础。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，教师在教学过程中引入“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，可将之视为“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作为输入和输出的信息。当输入输出关系确定后，教师可以利用橡皮泥建立物理模型来描述输入输出关系。

1.2确定可供选择的黑箱模型

在相关知识铺垫之后，学生小组讨论探究“黑箱”的解决方案，并利用手中的橡皮泥构建出黑箱模型，学生经过讨论构建出两种模型。

黑箱模型1：染色体先像有丝分裂一样进行着丝点分裂，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，最终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。

占有资料可见，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，黑箱问题最终解决。

2  “ 实验教学”中的应用

例1：“影响酶活性的条件”的实验

实验教学在生物教学中占有十分重要的地位，培养学生的科学思维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。以“影响酶活性的条件”为例，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℃中的唾液淀粉酶叁个不同信号后，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

    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，打开“黑箱”，即温度的变化会影响酶的活性，最适温度下，酶活性最高。

例2：“光合作用发现史”的实验

     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：光合作用发现史的教学中，教师再现英国科学家普里斯特利的实验之一——在钟罩内放入植物和蜡烛，但是意外出现了，放入植物后，蜡烛熄灭更快，教师借助“黑箱法”巧妙地利用该教学插曲提升了教学效果。“放入植物后，蜡烛为什么熄灭更快”可视为“黑箱问题”，师生共同分析，教师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），进行探究实验，观察输出结果（蜡烛熄灭的时间），通过确定输入和输出的呼应关系，解决“黑箱问题”（如表3）。

该“黑箱问题”的解决过程，再现了荷兰科学家英格豪斯做植物更新空气的实验探究过程，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。

     在生物教学中运用“黑箱法”引导学生积极地进行探索、假设和推理，有助于加深学生对生物知识的理解，能够促使学生学会科学研究的基本方法，有助于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]陶忠华 殷加余. 2007.黑箱法在教学中的应用.生物学教学，32（2）:18-19

[1]吴旭聪 郑晓惠. 2013.黑箱法在动物生理学教学中的应用.生物学杂志，30（1）:109-110