吳旭聰， 鄭曉蕙

(華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 上海 200241)

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)問題都是作為‘閉盒((Closed box)’問題開始的，…… 若干可供選擇的結(jié)構(gòu)被密閉在‘閉盒’中，研究它們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”，它是指科學(xué)研究中一類內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法打開或無法清楚展示和認(rèn)識(shí)的系統(tǒng)[1]，在動(dòng)物生理學(xué)研究中廣泛存在。

1動(dòng)物生理學(xué)中的“黑箱”

以往的動(dòng)物生理學(xué)研究傾向于在觀察研究對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究其功能特征，遵循結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的原則。這固然有其價(jià)值所在，卻也隱含了人們認(rèn)識(shí)的局限性——無法認(rèn)識(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法觀察或無法展示的事物。例如研究神經(jīng)系統(tǒng)時(shí)，無法直接觀察其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，也無法通過解剖確定哪些結(jié)構(gòu)與我們所想要了解的功能有關(guān)[2]。類似的問題可以運(yùn)用黑箱方法進(jìn)行研究和解決，即研究時(shí)不直接對研究對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，而是通過控制輸入信息(X)，觀察和分析輸出結(jié)果(Y)來認(rèn)識(shí)黑箱(S)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或功能機(jī)制(如圖1)。

“黑箱”反映的是人們對于客觀事物的不同認(rèn)知程度，若對事物或系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)全部認(rèn)識(shí)，稱之為白箱；若僅為部分認(rèn)識(shí)，則稱為灰箱。但實(shí)際上對于客觀存在的事物，并沒有所謂的黑箱、灰箱和白箱之分。此外，是否為黑箱還與人的知識(shí)水平、經(jīng)驗(yàn)閱歷等相關(guān)。例如動(dòng)物的激素、分泌和調(diào)控對于教師以及已經(jīng)掌握這部分知識(shí)的學(xué)生是白箱，對于尚未學(xué)習(xí)的學(xué)生則為黑箱。隨著學(xué)生對動(dòng)物生理學(xué)學(xué)習(xí)的不斷深入，原先的“黑箱問題”會(huì)逐步變成“灰箱”、“白箱”[3]。

圖1黑箱的作用機(jī)理

Fig 1 Black box mechanism mechanismmechanism

2 “黑箱法”在理論教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)“黑箱” 動(dòng)物生理活動(dòng)的過程往往無法被直接認(rèn)識(shí)，這一特點(diǎn)使得近代動(dòng)物生理的許多研究都運(yùn)用“黑箱方法”。在教學(xué)中可借助相關(guān)的科學(xué)史資料，向?qū)W生展示科學(xué)家利用黑箱方法進(jìn)行研究的過程。

例如糖尿病與胰的關(guān)系的發(fā)現(xiàn)過程就是利用“黑箱法”進(jìn)行動(dòng)物生理學(xué)研究的典型案例。1886年，生理學(xué)家G.Mering和O.Minkowski切除了狗的胰(輸入信息)，發(fā)現(xiàn)狗的尿量劇增，且能吸引大量螞蟻(輸出信息)。這種情況與人的糖尿病癥狀相似，故猜想胰與糖尿病的發(fā)生有關(guān)。切除胰后注射胰濾液(輸入信息)，狗無糖尿病癥狀(輸出信息)，證明胰中有防止出現(xiàn)糖尿病的物質(zhì)存在。不切除胰的情況下結(jié)扎胰液管(輸入信息)，狗無糖尿病病癥(輸出信息)，進(jìn)而說明與糖尿病發(fā)生有關(guān)的物質(zhì)不存在于胰的有管腺，而是存在于胰島中，解決了胰與糖尿病的“黑箱問題”[2]。

運(yùn)用黑箱方法對動(dòng)物生理學(xué)中的各類黑箱問題進(jìn)行闡述、確認(rèn)及研究，不僅可以幫助學(xué)生深化對事物的認(rèn)識(shí)，還能有利于促進(jìn)其邏輯判斷、信息分析及推理能力的發(fā)展。因此在動(dòng)物生理學(xué)的教學(xué)過程中我們需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)更多的黑箱，使學(xué)生發(fā)掘、研究以及解決黑箱問題的過程。

2.2 聯(lián)系生活及學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)建立“黑箱” 學(xué)生的日常生活及學(xué)習(xí)過程中普遍存在“黑箱問題”。教師需要在教學(xué)中有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注這些問題，并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主探究，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

以學(xué)生熟悉的“檸檬酸鈉可以防止血液凝固”這一生活及學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)為例，教師可設(shè)計(jì)“檸檬酸鈉可以防止血液凝固是因?yàn)镹a+還是C5H7O5COO-？”、“如何通過‘黑箱法’證明你的預(yù)期”以及“該離子為何能夠防止血液凝固”等一系列的問題，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)地建立和解決“黑箱”[4]。

通過“基于問題的學(xué)習(xí)(Problem-based learning,PBL)”，逐步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和邏輯分析能力[5]，使學(xué)生能更為積極地利用黑箱方法以及動(dòng)物生理學(xué)知識(shí)解決生活及學(xué)習(xí)中的問題，促進(jìn)其科學(xué)素養(yǎng)的全面提高。

3 “黑箱法”在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)中的“黑箱” 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要目的，而基于“黑箱法”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和探索精神。

例如：已知背根含有傳入神經(jīng)，腹根含有傳出神經(jīng)，背根和腹根構(gòu)成脊神經(jīng)。教師可引導(dǎo)學(xué)生以牛蛙或蟾蜍為實(shí)驗(yàn)材料，自選實(shí)驗(yàn)用具設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟證明這一觀點(diǎn)[6]。這其實(shí)是將其視為“黑箱”，學(xué)生需要將青蛙的腦部破壞并保留脊髓，在脊柱下部打開脊椎骨，剝離出脊髓一側(cè)的一對脊神經(jīng)根(包含背根和一個(gè)腹根)，分別電刺激背根與腹根均可引起蛙同側(cè)后肢發(fā)生運(yùn)動(dòng)反應(yīng)，學(xué)生可以通過建立相應(yīng)的黑箱模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(如圖2所示)。

圖2 基于“黑箱法”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

這類基于“黑箱法”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)除了要求學(xué)生掌握必要的實(shí)驗(yàn)原理之外，還需要其學(xué)會(huì)科學(xué)研究的基本方法，調(diào)動(dòng)創(chuàng)造性的思維，對于全方面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)大有裨益[7]。

3.2 基于“黑箱”的學(xué)生實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)在動(dòng)物生理學(xué)研究中占有重要地位，也是引導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作技能的必要環(huán)節(jié)。除了幫助學(xué)生掌握各個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理和步驟，動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)還應(yīng)積極運(yùn)用“黑箱”法培養(yǎng)學(xué)生的思維嚴(yán)謹(jǐn)性以及分析推斷能力。

以“離體蛙心灌流實(shí)驗(yàn)”為例[8]，實(shí)驗(yàn)前先拋出“體液因子是否會(huì)影響心肌的收縮能力”這一“黑箱問題”，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。輸入Na+、K+、Ca2+和乙酰膽堿等信號(hào)后，觀察相應(yīng)的輸出信息——心肌收縮幅度的變化(如圖3所示)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一定濃度的腎上腺素、Ca2+可使心肌收縮幅度增大，而Na+、K+及乙酰膽堿將減低心肌收縮幅度，解決了之前所提出的黑箱問題。但體液因子如何引起心肌收縮幅度以及心率的變化？這又是一個(gè)“黑箱問題”，教師可將其再拋回給學(xué)生，啟發(fā)學(xué)生開展相關(guān)的探究和討論。

圖3 黑箱法在離體蛙心灌流實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

此外，在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生可能觀察到與預(yù)設(shè)不符的現(xiàn)象，也可視為“黑箱問題”。教師可引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)操作中可能存在的問題，通過改變輸入信息、觀察輸出結(jié)果的過程確認(rèn)并進(jìn)一步解決“黑箱問題”[9]。

上述“離體蛙心灌流實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)始終處于“建構(gòu)黑箱-揭示黑箱”的動(dòng)態(tài)過程之中。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象建構(gòu)黑箱的過程將會(huì)使學(xué)生更深刻地認(rèn)同“黑箱法”作為重要的科學(xué)研究方法在動(dòng)物生理學(xué)研究中的意義，也能增強(qiáng)學(xué)生分析推理以及解決問題的能力[10]。

4 小結(jié)

在動(dòng)物生理學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用“黑箱法”引導(dǎo)學(xué)生積極地進(jìn)行探索、假設(shè)和推理，有助于加深學(xué)生對動(dòng)物生理學(xué)知識(shí)的理解，提高其邏輯推理及判斷能力?！昂谙浞ā弊鳛檩^為有效的方法，希望它可以為教師們選擇教學(xué)方式及策略時(shí)提供一些啟發(fā)和思考。

[1]劉明軒.黑想方法在生物學(xué)中的應(yīng)用[J].沈陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1994,2:62-64.

[2]葛祥國,肖桃華.淺析黑箱理論[J],中國教育技術(shù)裝備,2011,18:93-94.

[3]黃 緘,袁志兵.黑箱法在病理生理學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用[J].醫(yī)學(xué)教育探索,2010, 5:596-598.

[4] 楊秀平,肖向紅.動(dòng)物生理學(xué)[M].北京:高等教育出版社, 2009, 64-67,309-311.

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[8]楊秀平,肖向紅.動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,2009,100-105.

[9]顧 萍.黑箱理論在中醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J].南京中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2001,2(2):66-68.

[10]張祥沛.生物學(xué)教學(xué)中的素質(zhì)教育特點(diǎn)及其實(shí)施策略[J].生物學(xué)雜志,2003,20(4):55-56.