谈黑箱法在复习“遗传信息的转录和翻译”中的应用

张皮凤 郭建生

[摘   要]黑箱法是通过观察系统的输入变化引起的输出反应，推断黑箱的内部结构，进而反馈检验，最后确定黑箱的内部状态、结构和机理的一种科学方法，对培养学生的发散性思维和创新思维等有促进作用。结合“遗传信息的转录和翻译”知识的复习，介绍黑箱法的具体应用，并归纳其优缺点，可促进黑箱法在生物教学中的有效应用。

[关键词]黑箱法;遗传信息;转录;翻译

[中图分类号]    G633.91        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）08-0088-02

一、黑箱法的定义

所谓黑箱，是指内部结构和特征不能直接观察的系统，比如人的大脑。国内学者对黑箱概念做这样的描述：黑箱是指内部构造及作用机理还不清楚，但能通过外部的观测与试验，认识其功能和性质的系统或事物。

对于黑箱问题，人们常用的解决方法有两种：一是打开黑箱;二是不打开黑箱。前者通过一定的手段来直接观察和研究系统内部的结构和功能，这在一般情况下是很难做到的。因此，更多使用后一种方法，即黑箱法，它是通过观察系统的输入变化引起的输出反应，推断黑箱的内部结构，进而反馈检验，最后确定黑箱的内部状态、结构和机理的一种科学方法。黑箱法实际上是通过建模过程实现的，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结合而产生的一种方法。当面对一个未知系统时，人们可以向其输入某种信号，并且设法考察该系统的输出信号，反复多次地进行并获取相关的信息，经过分析和比较，建立黑箱内部结构或功能的模型。黑箱法建模主要有以下几个步骤：（1）通过研究输入反应和输出反应研究黑箱;（2）系统分析功能，确定几个可供选择的黑箱模型;（3）对黑箱模型进行检验和选择;（4）阐明黑箱的结构和运动规律并加以应用。

二、黑箱法的应用

黑箱与人对事物的认识程度有关。事物本身是客观存在的，无所谓黑箱、白箱、灰箱（对某事物的结构全部认识的，称之为白箱，部分认识、部分尚未认识的称之为灰箱，一点都不认识的称之为黑箱），它们反映的仅仅是人对事物的认识程度。下面笔者以“遗传信息的转录和翻译”的复习为例浅谈黑箱法的应用。

“遗传信息的转录和翻译”这个知识，在上新课之前，对于学生来说是黑箱，而现在学生已学完相关知识并进入复习阶段，对于学生来说是灰箱，但不同的学生掌握的程度不同，这灰箱呈现的颜色深浅也不同。如何使学生对“转录和翻译”这一认识由灰箱转变为白箱，是教师利用黑箱法引导学生复习“遗传信息的转录和翻译”的主要任务。

课始，教师可先引导学生利用已有知识绘制“遗传信息的转录和翻译”的表格，以对比相关知识，意在让学生把各自的灰箱模型呈现出来，然后再根据学生呈现的模型特点，选择合适的材料，进一步补充修正模型，使之逐步完善，最终成为白箱。

下面就修正模型的具体实施过程进行介绍。

1.根据学生表格填写的不足修正模型

学生表格中填写转录的场所为细胞核，为补充完善这个知识点，笔者找来原核细胞转录和翻译的图片（如图1），并通过PPT呈现给学生，让学生思考分析：转录的场所在哪里？从而引导学生得出原核细胞的转录发生在拟核，再进一步补充真核细胞线粒体和叶绿体的情况类似。这里不仅仅是补充完善了转录的场所知识，也使学生明确了转录和翻译不一定有先后顺序，可以同时同地发生，这取决于发生该生理过程的主体是哪一类生物，从而渗透了“结构与功能相适应”的生命观念，同时也训练了学生识图、读图和表达交流的能力，提升了学生的生物学科核心素养。

2.根据习题检测反馈修正模型

【例1】下列关于遗传信息表达的叙述，正确的是（）。

A.转录时，RNA聚合酶与RNA分子的某一启动部位相结合

B.转录时，在酶的催化下以A、U、C、G四种碱基为原料合成RNA

C.翻译时，核糖体认读mRNA上决定氨基酸种类的遗传密码，选择相应的氨基酸

D.翻译时，若干个mRNA串联在一个核糖体上的肽链合成方式，大大增加了翻译效率

通过习题检测，发现部分学生找不出B选项的错误之处，但从他们填写的表格来看，对于转录的材料，多数学生懂得填写“核糖核苷酸”，说明在这里学生把核糖核苷酸和碱基搞混了。对此，笔者把转录的条件当作黑箱，采用“输入信息→黑箱（转录条件）→输出信息”的模式，让学生分析输入与输出的关系，交流讨论，得出结论。输入信息：向某一试管中加入A、U、C、G四种碱基、酶、能量、双链DNA分子，在适宜的条件下反应一段时间，检测试管中是否有RNA生成。输出信息：试管中无RNA生成。让学生分析原因，此时学生会产生认知冲突：如果B选项是正确的，那么试管中应该有RNA生成，可为什么会没有呢？认知冲突会充分激发学生内在的对知识本身的探索欲望。待学生充分思考讨论后，教师再呈现黑箱的另一组输入和输出信息，输入信息：向某一试管中加入含A、U、C、G四种碱基的核糖核苷酸、酶、能量、双链DNA分子，在适宜的条件下反应一段时间，检测试管中是否有RNA生成。输出信息：试管中有RNA生成。学生通过对比两组输入和输出的关系，不仅清楚区别了堿基和核糖核苷酸的不同，也进一步巩固了转录的条件。

3.通过识图检测修正模型整体

【例2】如图2为某种真菌细胞中有关物质合成示意图，①～⑤表示生理过程，Ⅰ、Ⅱ表示结构或物质。据图分析回答：

（1）由图可知，真菌细胞中转录发生的场所有______、______。物质Ⅱ的基本组成单位是______。

（2）过程①需要解旋酶和______酶等。过程③中，一个mRNA上结合多个核糖体的意义是______。

（3）用某药物处理细胞后发现，细胞质基质中RNA含量显著减少，由此推测该药物抑制了______（填序号）过程，线粒体功能______（填“会”或“不会”）受到影响。

（4）图中遗传信息的流动途径可表示为______（用文字和箭头表示）。

首先，让学生看懂图中①～⑤表示哪些生理过程，Ⅰ、Ⅱ分别表示什么结构或物质。由于学生有转录和翻译的基本模型，所以大多数能够看懂图的含义，并能说出①～⑤表示哪些生理过程，Ⅰ、Ⅱ表示的结构或物质的名称。接着，让学生填写各小题中的答案，并尝试推测命题者的意图，通过推测命题者的意图，修正并完善脑海中的模型。例如，此题涉及复制的原料、酶、转录的场所、整个遗传信息的传递与表达过程等内容，有利于学生形成完整的知识网络。其中的第（3）小题，其实就是给这个黑箱（系统）输入信息（某药物处理细胞）和输出信息（细胞质基质中RNA含量显著减少），由学生填写推测结果。这就是黑箱理论在试题检测中的应用，可以训练学生的认知思维，提升学生的学科素养。

三、黑箱法的优缺点

优点：有利于学生掌握系统的知识，形成知识网络。对黑箱信息的输入与输出不是直接进行实验，而是从教师给出的资料中分析出来的，这可以节省大量的时间，提高复习的容量和效率。从学生的实际出发，充分体现学生为主体的学习方式。学生参与资料的分析，有利于培养和训练分析能力、质疑精神、创新能力、与他人合作的能力、语言表达能力等多种品质，从而提高学科素养。

缺点：对于学生的错误观点，纠正时要注意保护学生的积极性，尽量挖掘学生思维的闪光点，这在有限的课堂上有时难以做到。如何既控制好时间，又能让学生充分表达观点，这也是难以处理好的一个环节。

综上，黑箱法可在部分课堂教学中进行运用，但不是所有教学内容都适合，但它作为一种解题方法还是值得尝试与探究的。

（责任编辑    黄春香）