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)