葛蕊干

摘要：黑箱理論是探索未知系統(tǒng)的重要研究工具，介紹化學(xué)史中經(jīng)典的“黑箱”模型，主要研究高中化學(xué)中的化學(xué)概念“黑箱”模型教學(xué)和化學(xué)理論“黑箱”模型教學(xué)，達(dá)到深入認(rèn)識(shí)化學(xué)知識(shí)的目的，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：黑箱；高中化學(xué)；模型認(rèn)知

文章編號(hào)：1008-0546（2021）10-0021-03中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.005

一、黑箱理論

黑箱（Black box）作為一個(gè)科學(xué)概念，最初由控制論的創(chuàng)始人維納在《模型在科學(xué)中的作用》一書中提出，維納提出的黑箱，指的是內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚不能夠或者不便于直接觀察，只能從外部認(rèn)識(shí)的系統(tǒng)[1]。

黑箱理論作為一個(gè)科學(xué)概念，它的出發(fā)點(diǎn)在于自然界不存在孤立的事物，事物之間是相互聯(lián)系的。所以在使用“黑箱”模型進(jìn)行科學(xué)研究的時(shí)候，可以不考慮系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)構(gòu)造以及能量轉(zhuǎn)變形態(tài)，只需要抽象出“黑箱”當(dāng)中的輸入—輸出關(guān)系，關(guān)注它對(duì)于信息刺激做出的相應(yīng)反應(yīng)，就可以探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以它是探索未知系統(tǒng)的重要研究工具。

二、“黑箱”模型教學(xué)

1.模型與化學(xué)模型

（1）模型

南宋趙希鵠在《洞天清錄集》一書中寫到“古者鑄器，必先用蠟為模”，這是我國古代對(duì)“?！钡淖钤绲挠涊d，由此可以看出“?！笔且环N規(guī)矩的樣本。《美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于模型的定義表述為“模型是與真實(shí)物體、單一事件或一類事物相對(duì)應(yīng)的而且具有解釋力的試探性體系或結(jié)構(gòu)”。模型在科學(xué)認(rèn)識(shí)中具有描述、解釋和預(yù)測等功能，是理論發(fā)展的一種重要方式[2]。

（2）化學(xué)模型

陳進(jìn)前提出，化學(xué)模型是人們對(duì)化學(xué)領(lǐng)域中的研究對(duì)象作科學(xué)研究后所得結(jié)果的表述與解釋，是重要化學(xué)方法[3]。在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，“模型認(rèn)知”作為其中一個(gè)重要的元素被列在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中，從思維層面指導(dǎo)教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)。在2019年出版的人教版化學(xué)必修第一冊(cè)中，將化學(xué)模型分為實(shí)物模型、理論模型等，實(shí)物模型和理論模型在高中化學(xué)中應(yīng)用都非常廣泛[4]。在實(shí)際教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際情況，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)模型、構(gòu)建模型并初步運(yùn)用模型解決實(shí)際問題。而“黑箱”這一研究工具非常有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)和建構(gòu)化學(xué)模型。

2.化學(xué)史中經(jīng)典的“黑箱”模型

在化學(xué)研究過程中，黑箱模型從綜合的角度為科學(xué)家提供了一條認(rèn)識(shí)事物的重要途徑，尤其是內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的系統(tǒng)或者人們的力量尚不能分解的系統(tǒng)，黑箱模型是非常有效的研究工具。一般來說，黑箱模型一般的運(yùn)用流程主要有：信息的輸入、信息的輸出、系統(tǒng)的分析以及對(duì)結(jié)果的驗(yàn)證（如圖1）。圖1中X代表對(duì)黑箱輸入不同的信息，當(dāng)輸入不同信息時(shí)，Y代表相對(duì)應(yīng)的信息輸出，多次反復(fù)之后，經(jīng)過系統(tǒng)的分析，科學(xué)家可以對(duì)黑箱進(jìn)行抽象概括，建立黑箱模型。

化學(xué)史上對(duì)原子結(jié)構(gòu)模型的探索是黑箱模型的經(jīng)典實(shí)例。在湯姆生發(fā)現(xiàn)電子之后，于1898年提出了原子的“棗糕模型”，但是這個(gè)模型僅僅是湯姆生的猜想。原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)我們無法用肉眼觀察，所以對(duì)原子結(jié)構(gòu)模型的探索受到研究手段的局限，但是自然界不存在孤立的事物，所有事物都是相互聯(lián)系的，根據(jù)這一特點(diǎn)，我們可以把原子結(jié)構(gòu)比作“黑箱”。1911年，盧瑟?；跍飞难芯俊霸汀?，借助黑箱理論，采用高能α粒子轟擊金箔，設(shè)想能夠通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證湯姆生對(duì)原子結(jié)構(gòu)的猜想。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人意外：雖然絕大多數(shù)的α粒子穿過金箔后繼續(xù)前進(jìn)，但是有少量的α粒子發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，甚至有極少數(shù)的α粒子幾乎被撞了回來，由此分析，原子并不是“棗糕模型”。經(jīng)過嚴(yán)密的計(jì)算，盧瑟福提出了原子結(jié)構(gòu)的“行星模型”。

在盧瑟福的研究過程中，使用了“黑箱”這一研究方法（如圖2），具體分析如下：

（1）確認(rèn)黑箱

基于湯姆生“棗糕模型”的研究原型，明確黑箱：原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的？

（2）研究過程

輸入信息X：粒子散射實(shí)驗(yàn)，即采用高能α粒子轟擊金箔；

輸出信息Y：α粒子轟擊金箔之后的散射情況。

（3）建立模型

根據(jù)輸出信息進(jìn)行分析，“黑箱”內(nèi)裝的不是“棗糕”，原子中有一塊很小的區(qū)域，體積很小，但是集中了全部的正電荷和絕大部分的質(zhì)量，即原子核，而原子核周圍帶負(fù)電荷的電子繞核作軌道運(yùn)動(dòng)，盧瑟福將該模型命名為原子“行星模型”。

三、“黑箱”模型教學(xué)在高中化學(xué)中的應(yīng)用

化學(xué)“黑箱”模型在高中教學(xué)中可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容分為化學(xué)理論模型、化學(xué)概念模型和化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?，以下是筆者的一些課堂具體案例。

1.化學(xué)理論“黑箱”模型教學(xué)

以雜化軌道理論為例。鮑林在探索化學(xué)鍵理論時(shí)，遇到了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)的解釋問題。為了解決這個(gè)問題，鮑林在1931年提出了雜化軌道理論，很好地解釋了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)。在高中教學(xué)中筆者嘗試?yán)谩昂谙洹蹦Ｐ徒虒W(xué)。

（1）確認(rèn)黑箱

將雜化軌道理論對(duì)甲烷模型的解釋視為一個(gè)黑箱。為什么基態(tài)碳原子只有2個(gè)單電子，而甲烷等一類有機(jī)物卻能形成4個(gè)單鍵。

（2）研究過程

輸入信息X1：展示甲烷的球棍模型、比例模型和X射線衍射儀的研究結(jié)果，

輸出信息Y1：甲烷是正四面體結(jié)構(gòu)；

輸入信息X2：碳原子最外層只有2個(gè)單電子，但甲烷分子中碳原子卻形成了四對(duì)共用電子對(duì)，而且這四根C-H鍵鍵能相同，

輸出信息Y2：碳原子的原子軌道發(fā)生了某種變化，即原子軌道的雜化；

輸入信息X3：利用四個(gè)氣球進(jìn)行模擬，將四個(gè)大小相同的氣球扎在一起用力壓成一個(gè)平面，然后輕輕甩動(dòng)氣球，立即變成正四面體構(gòu)型，

輸出信息Y3：sp3雜化軌道的空間構(gòu)型為四面體構(gòu)型。

（3）建立模型

成鍵雙方原子的電子軌道在特定方向上滿足條件而交疊重合時(shí)，就產(chǎn)生了電子共振，從而形成了化學(xué)鍵，為了形成穩(wěn)定的成鍵電子軌道組合，原本處在不同能級(jí)的電子軌道會(huì)打破原有的分級(jí)，形成雜化。這就是雜化軌道理論[5]。

（4）運(yùn)用模型

通過乙烯分子分析乙烯中的碳原子的sp2雜化軌道形成的過程，以及乙烯的平面型結(jié)構(gòu)；并引導(dǎo)學(xué)生類比到乙炔。

2.化學(xué)概念“黑箱”模型教學(xué)

以離子反應(yīng)的概念為例。在教學(xué)過程中，教師常常會(huì)舉硫酸銅和氯化鋇反應(yīng)的例子來指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“離子反應(yīng)”的概念，并書寫對(duì)應(yīng)的離子方程式。但在這個(gè)反應(yīng)過程中具體發(fā)生了什么，學(xué)生并不能很透徹地理解，因此筆者采用“黑箱”模型進(jìn)行教學(xué)。

（1）確認(rèn)黑箱

將“離子反應(yīng)”的概念視為一個(gè)黑箱。

（2）研究過程

輸入信息X1：向CuSO4溶液中加入少量BaCl2溶液，

輸出信息Y1：產(chǎn)生白色沉淀；

輸入信息X2：向過濾之后的濾液中滴加AgNO3溶液，

輸出信息Y2：產(chǎn)生白色沉淀；

輸入信息X3：電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)，

輸出信息Y3：溶液中電導(dǎo)率曲線下降，但不為零。

（3）建立模型

根據(jù)輸入信息X1，和輸出信息Y1可知，該反應(yīng)生成了難溶物，使得離子反應(yīng)得以發(fā)生；再根據(jù)輸入信息X2，和輸出信息Y2可知，溶液中的Cl-沒有參與該離子反應(yīng)，仍以自由移動(dòng)離子的形式存在；最后根據(jù)輸入信息X3，和輸出信息Y3可知溶液中一直存在自由移動(dòng)的離子，SO2-4和Ba2+兩種離子參與反應(yīng)生成了BaSO4沉淀，而Cu2+和Cl-沒有參與反應(yīng)。學(xué)生通過“黑箱”模型認(rèn)識(shí)到離子反應(yīng)指的是在反應(yīng)中有離子參加或有離子生成的反應(yīng)，同時(shí)自主建構(gòu)了離子反應(yīng)的條件，并在其他反應(yīng)中能夠主動(dòng)運(yùn)用該模型解決問題。

3.化學(xué)實(shí)驗(yàn)“黑箱”模型教學(xué)

（1）確認(rèn)黑箱

以水質(zhì)研究實(shí)驗(yàn)為例。將西太湖常州段采集的水樣（沿湖水域設(shè)置15個(gè)采樣點(diǎn)）視為一個(gè)黑箱。

（2）研究過程

輸入信息X1：觀察采集的天然水樣品，思考天然水中雜質(zhì)的種類。

輸出信息Y1：學(xué)生經(jīng)過觀察和思考，認(rèn)為天然水中雜質(zhì)一般含有懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)、溶解物質(zhì)。

輸入信息X2：學(xué)生將采集的水樣靜置一段時(shí)間后，利用傾倒法取上部分水樣，并用激光筆照射水樣。

輸出信息Y2：經(jīng)觀察，傾倒法留下來的水樣中含有懸浮固體，上部分水樣中含有膠體物質(zhì)。

輸入信息X3：西太湖的水質(zhì)是否適合魚類等生物生長，還要考慮水溫、pH、導(dǎo)電率、溶解氧、化學(xué)需氧量、生化需氧量等。

輸出信息Y3：學(xué)生利用pH計(jì)和便攜式電導(dǎo)率儀測定水樣的pH和導(dǎo)電率。水質(zhì)分析根據(jù)采集地點(diǎn)的不同，結(jié)果有所區(qū)別。

（3）建立模型

將西太湖常州段的沿湖水域的土地利用類型分為五種，分別是林地、耕地、水利設(shè)施用地、住宅用地和其他用地五類，每一類水樣采集3份樣品，減小實(shí)驗(yàn)帶來的誤差。高中學(xué)生主要分析水樣的懸浮固體和膠體物質(zhì)含量，以及水樣的pH和導(dǎo)電率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)各采樣區(qū)域水質(zhì)與土地利用類型關(guān)系密切，其中植被覆蓋面積較大區(qū)域的水質(zhì)較好，水質(zhì)較差的主要是耕地、住宅用地附近的水樣。

四、意義與體會(huì)

1.在教學(xué)過程中不斷開發(fā)適切的黑箱模型

在中學(xué)化學(xué)中有不少問題學(xué)生難以直觀認(rèn)識(shí)，如原電池理論、化學(xué)反應(yīng)速率和限度、元素周期律、有機(jī)物結(jié)構(gòu)分析等等，這些都可以探索使用黑箱模型來幫助學(xué)生深入認(rèn)識(shí)化學(xué)知識(shí)。在輸入和輸出的交互過程中，學(xué)生的邏輯思維能力和創(chuàng)造性都得到了很大的提升，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的形成。但教師在使用黑箱模型時(shí)也要注意模型的適切性，要充分考慮高中學(xué)生的認(rèn)知水平，不要盲目拔高知識(shí)難度，教學(xué)設(shè)計(jì)要符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。

2.黑箱模型的使用要注重學(xué)生的反饋

教學(xué)是教師的教和學(xué)生的學(xué)組成的培養(yǎng)社會(huì)所需要人才的活動(dòng)，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，在使用黑箱模型時(shí)教師要注重學(xué)生的反饋。在課堂上學(xué)生發(fā)言時(shí)，讓學(xué)生充分思考，說出問題解決的思路，而不僅僅是簡單的答案；課后與同學(xué)溝通，更多地了解學(xué)生在建構(gòu)模型過程中的困難。通過不斷地交流，促進(jìn)學(xué)生思考，將課本上的知識(shí)充分內(nèi)化為分析、思考、探究的自主建模過程，學(xué)生在這樣的過程中也在逐步發(fā)展其化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇文雯，季春陽.黑箱方法在中學(xué)化學(xué)模型建構(gòu)中的應(yīng)用[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)教學(xué)參考，2020（1）：21-24

[2][4]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書化學(xué)必修第一冊(cè)（2019版）[M].北京：人民教育出版社，2019

[3]陳進(jìn)前.“模型認(rèn)知”是重要的思維方式[J].化學(xué)教學(xué)，2020（5）：9-15

[5]陳功東.鮑林的化學(xué)鍵理論的思想起源[J].化學(xué)通報(bào)，2019（6）：566-575