“黑箱法”在動物生理學教學中的運用

吳旭聰， 鄭曉蕙

(華東師范大學生命科學學院， 上海 200241)

控制論創(chuàng)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((Closed box)’問題開始的，…… 若干可供選擇的結構被密閉在‘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”，它是指科學研究中一類內(nèi)部結構無法打開或無法清楚展示和認識的系統(tǒng)[1]，在動物生理學研究中廣泛存在。

1動物生理學中的“黑箱”

以往的動物生理學研究傾向于在觀察研究對象內(nèi)部結構的基礎上研究其功能特征，遵循結構與功能相適應的原則。這固然有其價值所在，卻也隱含了人們認識的局限性——無法認識內(nèi)部結構無法觀察或無法展示的事物。例如研究神經(jīng)系統(tǒng)時，無法直接觀察其相應的結構，也無法通過解剖確定哪些結構與我們所想要了解的功能有關[2]。類似的問題可以運用黑箱方法進行研究和解決，即研究時不直接對研究對象的內(nèi)部結構進行觀察，而是通過控制輸入信息(X)，觀察和分析輸出結果(Y)來認識黑箱(S)的內(nèi)部結構或功能機制(如圖1)。

“黑箱”反映的是人們對于客觀事物的不同認知程度，若對事物或系統(tǒng)的內(nèi)部結構全部認識，稱之為白箱；若僅為部分認識，則稱為灰箱。但實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水平、經(jīng)驗閱歷等相關。例如動物的激素、分泌和調(diào)控對于教師以及已經(jīng)掌握這部分知識的學生是白箱，對于尚未學習的學生則為黑箱。隨著學生對動物生理學學習的不斷深入，原先的“黑箱問題”會逐步變成“灰箱”、“白箱”[3]。

圖1黑箱的作用機理

Fig 1 Black box mechanism mechanismmechanism

2 “黑箱法”在理論教學中的應用

2.1 利用科學史創(chuàng)設“黑箱” 動物生理活動的過程往往無法被直接認識，這一特點使得近代動物生理的許多研究都運用“黑箱方法”。在教學中可借助相關的科學史資料，向學生展示科學家利用黑箱方法進行研究的過程。

例如糖尿病與胰的關系的發(fā)現(xiàn)過程就是利用“黑箱法”進行動物生理學研究的典型案例。1886年，生理學家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。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)糖尿病的物質存在。不切除胰的情況下結扎胰液管(輸入信息)，狗無糖尿病病癥(輸出信息)，進而說明與糖尿病發(fā)生有關的物質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]。

運用黑箱方法對動物生理學中的各類黑箱問題進行闡述、確認及研究，不僅可以幫助學生深化對事物的認識，還能有利于促進其邏輯判斷、信息分析及推理能力的發(fā)展。因此在動物生理學的教學過程中我們需要創(chuàng)設更多的黑箱，使學生發(fā)掘、研究以及解決黑箱問題的過程。

2.2 聯(lián)系生活及學習經(jīng)驗建立“黑箱” 學生的日常生活及學習過程中普遍存在“黑箱問題”。教師需要在教學中有意識地引導學生關注這些問題，并鼓勵學生進行自主探究，提高學生解決實際問題的能力。

以學生熟悉的“檸檬酸鈉可以防止血液凝固”這一生活及學習經(jīng)驗為例，教師可設計“檸檬酸鈉可以防止血液凝固是因為Na+還是C5H7O5COO-？”、“如何通過‘黑箱法’證明你的預期”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)學生主動地建立和解決“黑箱”[4]。

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

3 “黑箱法”在實驗教學中的應用

3.1 實驗設計教學中的“黑箱” 培養(yǎng)學生的科學思維是動物生理學實驗教學的重要目的，而基于“黑箱法”的實驗教學有助于培養(yǎng)學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)，背根和腹根構成脊神經(jīng)。教師可引導學生以牛蛙或蟾蜍為實驗材料，自選實驗用具設計實驗步驟證明這一觀點[6]。這其實是將其視為“黑箱”，學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，剝離出脊髓一側的一對脊神經(jīng)根(包含背根和一個腹根)，分別電刺激背根與腹根均可引起蛙同側后肢發(fā)生運動反應，學生可以通過建立相應的黑箱模型進行實驗設計(如圖2所示)。

圖2 基于“黑箱法”的實驗設計

這類基于“黑箱法”的實驗設計除了要求學生掌握必要的實驗原理之外，還需要其學會科學研究的基本方法，調(diào)動創(chuàng)造性的思維，對于全方面提高學生的科學素養(yǎng)大有裨益[7]。

3.2 基于“黑箱”的學生實驗 實驗在動物生理學研究中占有重要地位，也是引導學生掌握實驗設計及操作技能的必要環(huán)節(jié)。除了幫助學生掌握各個實驗的原理和步驟，動物生理學實驗還應積極運用“黑箱”法培養(yǎng)學生的思維嚴謹性以及分析推斷能力。

以“離體蛙心灌流實驗”為例[8]，實驗前先拋出“體液因子是否會影響心肌的收縮能力”這一“黑箱問題”，引導學生進行探究實驗。輸入Na+、K+、Ca2+和乙酰膽堿等信號后，觀察相應的輸出信息——心肌收縮幅度的變化(如圖3所示)。實驗結果表明，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“黑箱問題”，教師可將其再拋回給學生，啟發(fā)學生開展相關的探究和討論。

圖3 黑箱法在離體蛙心灌流實驗中的應用

此外，在實驗過程中學生可能觀察到與預設不符的現(xiàn)象，也可視為“黑箱問題”。教師可引導學生分析實驗操作中可能存在的問題，通過改變輸入信息、觀察輸出結果的過程確認并進一步解決“黑箱問題”[9]。

上述“離體蛙心灌流實驗”的教學始終處于“建構黑箱-揭示黑箱”的動態(tài)過程之中。根據(jù)實驗現(xiàn)象建構黑箱的過程將會使學生更深刻地認同“黑箱法”作為重要的科學研究方法在動物生理學研究中的意義，也能增強學生分析推理以及解決問題的能力[10]。

4 小結

在動物生理學理論及實驗教學中運用“黑箱法”引導學生積極地進行探索、假設和推理，有助于加深學生對動物生理學知識的理解，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方式及策略時提供一些啟發(fā)和思考。

[1]劉明軒.黑想方法在生物學中的應用[J].沈陽師范學院學報(自然科學版),1994,2:62-64.

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

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

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

[5]Engel C.An internet guide to key variables for a coherent educational system based on principles of problem-basde learning[J].Teach Learn Med, 2009, 21(1):59-63.

[6]陶忠華,殷加余,黑箱法在教學中的運用[J].生物學教學,2007,32(2):18-19.

[7]李 濤.病例教學法在師范院校生理學教學中應用的探討[J].生物學雜志,2012,29(1):103-105.

[8]楊秀平,肖向紅.動物生理學實驗[M].北京:高等教育出版社,2009,100-105.

[9]顧 萍.黑箱理論在中醫(yī)學中的應用[J].南京中醫(yī)藥大學學報(社會科學版),2001,2(2):66-68.

[10]張祥沛.生物學教學中的素質教育特點及其實施策略[J].生物學雜志,2003,20(4):55-56.