“黑箱法”在动物生理学教学中的运用

吴旭聪， 郑晓蕙

(华东师范大学生命科学学院， 上海 200241)

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((Closed box)’问题开始的，…… 若干可供选择的结构被密闭在‘闭盒’中，研究它们的唯一途径是利用闭盒的输入和输出”。这里的“闭盒”即为“黑箱”，它是指科学研究中一类内部结构无法打开或无法清楚展示和认识的系统[1]，在动物生理学研究中广泛存在。

1动物生理学中的“黑箱”

以往的动物生理学研究倾向于在观察研究对象内部结构的基础上研究其功能特征，遵循结构与功能相适应的原则。这固然有其价值所在，却也隐含了人们认识的局限性——无法认识内部结构无法观察或无法展示的事物。例如研究神经系统时，无法直接观察其相应的结构，也无法通过解剖确定哪些结构与我们所想要了解的功能有关[2]。类似的问题可以运用黑箱方法进行研究和解决，即研究时不直接对研究对象的内部结构进行观察，而是通过控制输入信息(X)，观察和分析输出结果(Y)来认识黑箱(S)的内部结构或功能机制(如图1)。

“黑箱”反映的是人们对于客观事物的不同认知程度，若对事物或系统的内部结构全部认识，称之为白箱；若仅为部分认识，则称为灰箱。但实际上对于客观存在的事物，并没有所谓的黑箱、灰箱和白箱之分。此外，是否为黑箱还与人的知识水平、经验阅历等相关。例如动物的激素、分泌和调控对于教师以及已经掌握这部分知识的学生是白箱，对于尚未学习的学生则为黑箱。随着学生对动物生理学学习的不断深入，原先的“黑箱问题”会逐步变成“灰箱”、“白箱”[3]。

图1黑箱的作用机理

Fig 1 Black box mechanism mechanismmechanism

2 “黑箱法”在理论教学中的应用

2.1 利用科学史创设“黑箱” 动物生理活动的过程往往无法被直接认识，这一特点使得近代动物生理的许多研究都运用“黑箱方法”。在教学中可借助相关的科学史资料，向学生展示科学家利用黑箱方法进行研究的过程。

例如糖尿病与胰的关系的发现过程就是利用“黑箱法”进行动物生理学研究的典型案例。1886年，生理学家G.Mering和O.Minkowski切除了狗的胰(输入信息)，发现狗的尿量剧增，且能吸引大量蚂蚁(输出信息)。这种情况与人的糖尿病症状相似，故猜想胰与糖尿病的发生有关。切除胰后注射胰滤液(输入信息)，狗无糖尿病症状(输出信息)，证明胰中有防止出现糖尿病的物质存在。不切除胰的情况下结扎胰液管(输入信息)，狗无糖尿病病症(输出信息)，进而说明与糖尿病发生有关的物质不存在于胰的有管腺，而是存在于胰岛中，解决了胰与糖尿病的“黑箱问题”[2]。

运用黑箱方法对动物生理学中的各类黑箱问题进行阐述、确认及研究，不仅可以帮助学生深化对事物的认识，还能有利于促进其逻辑判断、信息分析及推理能力的发展。因此在动物生理学的教学过程中我们需要创设更多的黑箱，使学生发掘、研究以及解决黑箱问题的过程。

2.2 联系生活及学习经验建立“黑箱” 学生的日常生活及学习过程中普遍存在“黑箱问题”。教师需要在教学中有意识地引导学生关注这些问题，并鼓励学生进行自主探究，提高学生解决实际问题的能力。

以学生熟悉的“柠檬酸钠可以防止血液凝固”这一生活及学习经验为例，教师可设计“柠檬酸钠可以防止血液凝固是因为Na+还是C5H7O5COO-？”、“如何通过‘黑箱法’证明你的预期”以及“该离子为何能够防止血液凝固”等一系列的问题，启发学生主动地建立和解决“黑箱”[4]。

通过“基于问题的学习(Problem-based learning,PBL)”，逐步培养学生的科学探究能力和逻辑分析能力[5]，使学生能更为积极地利用黑箱方法以及动物生理学知识解决生活及学习中的问题，促进其科学素养的全面提高。

3 “黑箱法”在实验教学中的应用

3.1 实验设计教学中的“黑箱” 培养学生的科学思维是动物生理学实验教学的重要目的，而基于“黑箱法”的实验教学有助于培养学生的逻辑思维和探索精神。

例如：已知背根含有传入神经，腹根含有传出神经，背根和腹根构成脊神经。教师可引导学生以牛蛙或蟾蜍为实验材料，自选实验用具设计实验步骤证明这一观点[6]。这其实是将其视为“黑箱”，学生需要将青蛙的脑部破坏并保留脊髓，在脊柱下部打开脊椎骨，剥离出脊髓一侧的一对脊神经根(包含背根和一个腹根)，分别电刺激背根与腹根均可引起蛙同侧后肢发生运动反应，学生可以通过建立相应的黑箱模型进行实验设计(如图2所示)。

图2 基于“黑箱法”的实验设计

这类基于“黑箱法”的实验设计除了要求学生掌握必要的实验原理之外，还需要其学会科学研究的基本方法，调动创造性的思维，对于全方面提高学生的科学素养大有裨益[7]。

3.2 基于“黑箱”的学生实验 实验在动物生理学研究中占有重要地位，也是引导学生掌握实验设计及操作技能的必要环节。除了帮助学生掌握各个实验的原理和步骤，动物生理学实验还应积极运用“黑箱”法培养学生的思维严谨性以及分析推断能力。

以“离体蛙心灌流实验”为例[8]，实验前先抛出“体液因子是否会影响心肌的收缩能力”这一“黑箱问题”，引导学生进行探究实验。输入Na+、K+、Ca2+和乙酰胆碱等信号后，观察相应的输出信息——心肌收缩幅度的变化(如图3所示)。实验结果表明，一定浓度的肾上腺素、Ca2+可使心肌收缩幅度增大，而Na+、K+及乙酰胆碱将减低心肌收缩幅度，解决了之前所提出的黑箱问题。但体液因子如何引起心肌收缩幅度以及心率的变化？这又是一个“黑箱问题”，教师可将其再抛回给学生，启发学生开展相关的探究和讨论。

图3 黑箱法在离体蛙心灌流实验中的应用

此外，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”。教师可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、观察输出结果的过程确认并进一步解决“黑箱问题”[9]。

上述“离体蛙心灌流实验”的教学始终处于“建构黑箱-揭示黑箱”的动态过程之中。根据实验现象建构黑箱的过程将会使学生更深刻地认同“黑箱法”作为重要的科学研究方法在动物生理学研究中的意义，也能增强学生分析推理以及解决问题的能力[10]。

4 小结

在动物生理学理论及实验教学中运用“黑箱法”引导学生积极地进行探索、假设和推理，有助于加深学生对动物生理学知识的理解，提高其逻辑推理及判断能力。“黑箱法”作为较为有效的方法，希望它可以为教师们选择教学方式及策略时提供一些启发和思考。

[1]刘明轩.黑想方法在生物学中的应用[J].沈阳师范学院学报(自然科学版),1994,2:62-64.

[2]葛祥国,肖桃华.浅析黑箱理论[J],中国教育技术装备,2011,18:93-94.

[3]黄 缄,袁志兵.黑箱法在病理生理学教学中的运用[J].医学教育探索,2010, 5:596-598.

[4] 杨秀平,肖向红.动物生理学[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]陶忠华,殷加余,黑箱法在教学中的运用[J].生物学教学,2007,32(2):18-19.

[7]李 涛.病例教学法在师范院校生理学教学中应用的探讨[J].生物学杂志,2012,29(1):103-105.

[8]杨秀平,肖向红.动物生理学实验[M].北京:高等教育出版社,2009,100-105.

[9]顾 萍.黑箱理论在中医学中的应用[J].南京中医药大学学报(社会科学版),2001,2(2):66-68.

[10]张祥沛.生物学教学中的素质教育特点及其实施策略[J].生物学杂志,2003,20(4):55-56.