張皮鳳 郭建生

[摘? ?要]黑箱法是通過觀察系統(tǒng)的輸入變化引起的輸出反應(yīng)，推斷黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而反饋檢驗，最后確定黑箱的內(nèi)部狀態(tài)、結(jié)構(gòu)和機理的一種科學(xué)方法，對培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)新思維等有促進(jìn)作用。結(jié)合“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯”知識的復(fù)習(xí)，介紹黑箱法的具體應(yīng)用，并歸納其優(yōu)缺點，可促進(jìn)黑箱法在生物教學(xué)中的有效應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]黑箱法;遺傳信息;轉(zhuǎn)錄;翻譯

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）08-0088-02

一、黑箱法的定義

所謂黑箱，是指內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特征不能直接觀察的系統(tǒng)，比如人的大腦。國內(nèi)學(xué)者對黑箱概念做這樣的描述：黑箱是指內(nèi)部構(gòu)造及作用機理還不清楚，但能通過外部的觀測與試驗，認(rèn)識其功能和性質(zhì)的系統(tǒng)或事物。

對于黑箱問題，人們常用的解決方法有兩種：一是打開黑箱;二是不打開黑箱。前者通過一定的手段來直接觀察和研究系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和功能，這在一般情況下是很難做到的。因此，更多使用后一種方法，即黑箱法，它是通過觀察系統(tǒng)的輸入變化引起的輸出反應(yīng)，推斷黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而反饋檢驗，最后確定黑箱的內(nèi)部狀態(tài)、結(jié)構(gòu)和機理的一種科學(xué)方法。黑箱法實際上是通過建模過程實現(xiàn)的，也叫黑箱法建模。黑箱法建模是信息分析方法和模型方法相結(jié)合而產(chǎn)生的一種方法。當(dāng)面對一個未知系統(tǒng)時，人們可以向其輸入某種信號，并且設(shè)法考察該系統(tǒng)的輸出信號，反復(fù)多次地進(jìn)行并獲取相關(guān)的信息，經(jīng)過分析和比較，建立黑箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)或功能的模型。黑箱法建模主要有以下幾個步驟：（1）通過研究輸入反應(yīng)和輸出反應(yīng)研究黑箱;（2）系統(tǒng)分析功能，確定幾個可供選擇的黑箱模型;（3）對黑箱模型進(jìn)行檢驗和選擇;（4）闡明黑箱的結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律并加以應(yīng)用。

二、黑箱法的應(yīng)用

黑箱與人對事物的認(rèn)識程度有關(guān)。事物本身是客觀存在的，無所謂黑箱、白箱、灰箱（對某事物的結(jié)構(gòu)全部認(rèn)識的，稱之為白箱，部分認(rèn)識、部分尚未認(rèn)識的稱之為灰箱，一點都不認(rèn)識的稱之為黑箱），它們反映的僅僅是人對事物的認(rèn)識程度。下面筆者以“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯”的復(fù)習(xí)為例淺談黑箱法的應(yīng)用。

“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯”這個知識，在上新課之前，對于學(xué)生來說是黑箱，而現(xiàn)在學(xué)生已學(xué)完相關(guān)知識并進(jìn)入復(fù)習(xí)階段，對于學(xué)生來說是灰箱，但不同的學(xué)生掌握的程度不同，這灰箱呈現(xiàn)的顏色深淺也不同。如何使學(xué)生對“轉(zhuǎn)錄和翻譯”這一認(rèn)識由灰箱轉(zhuǎn)變?yōu)榘紫洌墙處熇煤谙浞ㄒ龑?dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯”的主要任務(wù)。

課始，教師可先引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識繪制“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯”的表格，以對比相關(guān)知識，意在讓學(xué)生把各自的灰箱模型呈現(xiàn)出來，然后再根據(jù)學(xué)生呈現(xiàn)的模型特點，選擇合適的材料，進(jìn)一步補充修正模型，使之逐步完善，最終成為白箱。

下面就修正模型的具體實施過程進(jìn)行介紹。

1.根據(jù)學(xué)生表格填寫的不足修正模型

學(xué)生表格中填寫轉(zhuǎn)錄的場所為細(xì)胞核，為補充完善這個知識點，筆者找來原核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄和翻譯的圖片（如圖1），并通過PPT呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生思考分析：轉(zhuǎn)錄的場所在哪里？從而引導(dǎo)學(xué)生得出原核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄發(fā)生在擬核，再進(jìn)一步補充真核細(xì)胞線粒體和葉綠體的情況類似。這里不僅僅是補充完善了轉(zhuǎn)錄的場所知識，也使學(xué)生明確了轉(zhuǎn)錄和翻譯不一定有先后順序，可以同時同地發(fā)生，這取決于發(fā)生該生理過程的主體是哪一類生物，從而滲透了“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念，同時也訓(xùn)練了學(xué)生識圖、讀圖和表達(dá)交流的能力，提升了學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.根據(jù)習(xí)題檢測反饋修正模型

【例1】下列關(guān)于遺傳信息表達(dá)的敘述，正確的是（）。

A.轉(zhuǎn)錄時，RNA聚合酶與RNA分子的某一啟動部位相結(jié)合

B.轉(zhuǎn)錄時，在酶的催化下以A、U、C、G四種堿基為原料合成RNA

C.翻譯時，核糖體認(rèn)讀mRNA上決定氨基酸種類的遺傳密碼，選擇相應(yīng)的氨基酸

D.翻譯時，若干個mRNA串聯(lián)在一個核糖體上的肽鏈合成方式，大大增加了翻譯效率

通過習(xí)題檢測，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生找不出B選項的錯誤之處，但從他們填寫的表格來看，對于轉(zhuǎn)錄的材料，多數(shù)學(xué)生懂得填寫“核糖核苷酸”，說明在這里學(xué)生把核糖核苷酸和堿基搞混了。對此，筆者把轉(zhuǎn)錄的條件當(dāng)作黑箱，采用“輸入信息→黑箱（轉(zhuǎn)錄條件）→輸出信息”的模式，讓學(xué)生分析輸入與輸出的關(guān)系，交流討論，得出結(jié)論。輸入信息：向某一試管中加入A、U、C、G四種堿基、酶、能量、雙鏈DNA分子，在適宜的條件下反應(yīng)一段時間，檢測試管中是否有RNA生成。輸出信息：試管中無RNA生成。讓學(xué)生分析原因，此時學(xué)生會產(chǎn)生認(rèn)知沖突：如果B選項是正確的，那么試管中應(yīng)該有RNA生成，可為什么會沒有呢？認(rèn)知沖突會充分激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的對知識本身的探索欲望。待學(xué)生充分思考討論后，教師再呈現(xiàn)黑箱的另一組輸入和輸出信息，輸入信息：向某一試管中加入含A、U、C、G四種堿基的核糖核苷酸、酶、能量、雙鏈DNA分子，在適宜的條件下反應(yīng)一段時間，檢測試管中是否有RNA生成。輸出信息：試管中有RNA生成。學(xué)生通過對比兩組輸入和輸出的關(guān)系，不僅清楚區(qū)別了堿基和核糖核苷酸的不同，也進(jìn)一步鞏固了轉(zhuǎn)錄的條件。

3.通過識圖檢測修正模型整體

【例2】如圖2為某種真菌細(xì)胞中有關(guān)物質(zhì)合成示意圖，①～⑤表示生理過程，Ⅰ、Ⅱ表示結(jié)構(gòu)或物質(zhì)。據(jù)圖分析回答：

（1）由圖可知，真菌細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄發(fā)生的場所有______、______。物質(zhì)Ⅱ的基本組成單位是______。

（2）過程①需要解旋酶和______酶等。過程③中，一個mRNA上結(jié)合多個核糖體的意義是______。

（3）用某藥物處理細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中RNA含量顯著減少，由此推測該藥物抑制了______（填序號）過程，線粒體功能______（填“會”或“不會”）受到影響。

（4）圖中遺傳信息的流動途徑可表示為______（用文字和箭頭表示）。

首先，讓學(xué)生看懂圖中①～⑤表示哪些生理過程，Ⅰ、Ⅱ分別表示什么結(jié)構(gòu)或物質(zhì)。由于學(xué)生有轉(zhuǎn)錄和翻譯的基本模型，所以大多數(shù)能夠看懂圖的含義，并能說出①～⑤表示哪些生理過程，Ⅰ、Ⅱ表示的結(jié)構(gòu)或物質(zhì)的名稱。接著，讓學(xué)生填寫各小題中的答案，并嘗試推測命題者的意圖，通過推測命題者的意圖，修正并完善腦海中的模型。例如，此題涉及復(fù)制的原料、酶、轉(zhuǎn)錄的場所、整個遺傳信息的傳遞與表達(dá)過程等內(nèi)容，有利于學(xué)生形成完整的知識網(wǎng)絡(luò)。其中的第（3）小題，其實就是給這個黑箱（系統(tǒng)）輸入信息（某藥物處理細(xì)胞）和輸出信息（細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中RNA含量顯著減少），由學(xué)生填寫推測結(jié)果。這就是黑箱理論在試題檢測中的應(yīng)用，可以訓(xùn)練學(xué)生的認(rèn)知思維，提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

三、黑箱法的優(yōu)缺點

優(yōu)點：有利于學(xué)生掌握系統(tǒng)的知識，形成知識網(wǎng)絡(luò)。對黑箱信息的輸入與輸出不是直接進(jìn)行實驗，而是從教師給出的資料中分析出來的，這可以節(jié)省大量的時間，提高復(fù)習(xí)的容量和效率。從學(xué)生的實際出發(fā)，充分體現(xiàn)學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生參與資料的分析，有利于培養(yǎng)和訓(xùn)練分析能力、質(zhì)疑精神、創(chuàng)新能力、與他人合作的能力、語言表達(dá)能力等多種品質(zhì)，從而提高學(xué)科素養(yǎng)。

缺點：對于學(xué)生的錯誤觀點，糾正時要注意保護(hù)學(xué)生的積極性，盡量挖掘?qū)W生思維的閃光點，這在有限的課堂上有時難以做到。如何既控制好時間，又能讓學(xué)生充分表達(dá)觀點，這也是難以處理好的一個環(huán)節(jié)。

綜上，黑箱法可在部分課堂教學(xué)中進(jìn)行運用，但不是所有教學(xué)內(nèi)容都適合，但它作為一種解題方法還是值得嘗試與探究的。

（責(zé)任編輯? ? 黃春香）