利用黑箱模型 促進化學學習

葛蕊干

摘要：黑箱理論是探索未知系統(tǒng)的重要研究工具，介紹化學史中經(jīng)典的“黑箱”模型，主要研究高中化學中的化學概念“黑箱”模型教學和化學理論“黑箱”模型教學，達到深入認識化學知識的目的，培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：黑箱；高中化學；模型認知

文章編號：1008-0546（2021）10-0021-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.005

一、黑箱理論

黑箱（Black box）作為一個科學概念，最初由控制論的創(chuàng)始人維納在《模型在科學中的作用》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，只能從外部認識的系統(tǒng)[1]。

黑箱理論作為一個科學概念，它的出發(fā)點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”模型進行科學研究的時候，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”當中的輸入—輸出關(guān)系，關(guān)注它對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

1.模型與化學模型

（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“?！钡淖钤绲挠涊d，由此可以看出“模”是一種規(guī)矩的樣本?！睹绹鴩铱茖W教育標準》中對于模型的定義表述為“模型是與真實物體、單一事件或一類事物相對應(yīng)的而且具有解釋力的試探性體系或結(jié)構(gòu)”。模型在科學認識中具有描述、解釋和預(yù)測等功能，是理論發(fā)展的一種重要方式[2]。

（2）化學模型

陳進前提出，化學模型是人們對化學領(lǐng)域中的研究對象作科學研究后所得結(jié)果的表述與解釋，是重要化學方法[3]。在《普通高中化學課程標準（2017年版）》中，“模型認知”作為其中一個重要的元素被列在化學學科核心素養(yǎng)中，從思維層面指導教師的教學和學生的學習。在2019年出版的人教版化學必修第一冊中，將化學模型分為實物模型、理論模型等，實物模型和理論模型在高中化學中應(yīng)用都非常廣泛[4]。在實際教學過程中，教師應(yīng)當結(jié)合教學內(nèi)容和學生的實際情況，引導學生認識模型、構(gòu)建模型并初步運用模型解決實際問題。而“黑箱”這一研究工具非常有利于學生認識和建構(gòu)化學模型。

2.化學史中經(jīng)典的“黑箱”模型

在化學研究過程中，黑箱模型從綜合的角度為科學家提供了一條認識事物的重要途徑，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)的分析以及對結(jié)果的驗證（如圖1）。圖1中X代表對黑箱輸入不同的信息，當輸入不同信息時，Y代表相對應(yīng)的信息輸出，多次反復(fù)之后，經(jīng)過系統(tǒng)的分析，科學家可以對黑箱進行抽象概括，建立黑箱模型。

化學史上對原子結(jié)構(gòu)模型的探索是黑箱模型的經(jīng)典實例。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，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)想能夠通過實驗來驗證湯姆生對原子結(jié)構(gòu)的猜想。但實驗結(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，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)過嚴密的計算，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：粒子散射實驗，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，而原子核周圍帶負電荷的電子繞核作軌道運動，盧瑟福將該模型命名為原子“行星模型”。

三、“黑箱”模型教學在高中化學中的應(yīng)用

化學“黑箱”模型在高中教學中可以根據(jù)教學內(nèi)容分為化學理論模型、化學概念模型和化學實驗?zāi)Ｐ偷龋韵率枪P者的一些課堂具體案例。

1.化學理論“黑箱”模型教學

以雜化軌道理論為例。鮑林在探索化學鍵理論時，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)。在高中教學中筆者嘗試利用“黑箱”模型教學。

（1）確認黑箱

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

（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個單電子，但甲烷分子中碳原子卻形成了四對共用電子對，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：利用四個氣球進行模擬，將四個大小相同的氣球扎在一起用力壓成一個平面，然后輕輕甩動氣球，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，就產(chǎn)生了電子共振，從而形成了化學鍵，為了形成穩(wěn)定的成鍵電子軌道組合，原本處在不同能級的電子軌道會打破原有的分級，形成雜化。這就是雜化軌道理論[5]。

（4）運用模型

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)；并引導學生類比到乙炔。

2.化學概念“黑箱”模型教學

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

（1）確認黑箱

將“離子反應(yīng)”的概念視為一個黑箱。

（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：電導率實驗，

輸出信息Y3：溶液中電導率曲線下降，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)。學生通過“黑箱”模型認識到離子反應(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)中能夠主動運用該模型解決問題。

3.化學實驗“黑箱”模型教學

（1）確認黑箱

以水質(zhì)研究實驗為例。將西太湖常州段采集的水樣（沿湖水域設(shè)置15個采樣點）視為一個黑箱。

（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：學生經(jīng)過觀察和思考，認為天然水中雜質(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：學生將采集的水樣靜置一段時間后，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、導電率、溶解氧、化學需氧量、生化需氧量等。

輸出信息Y3：學生利用pH計和便攜式電導率儀測定水樣的pH和導電率。水質(zhì)分析根據(jù)采集地點的不同，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，減小實驗帶來的誤差。高中學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

1.在教學過程中不斷開發(fā)適切的黑箱模型

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

2.黑箱模型的使用要注重學生的反饋

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

參考文獻

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

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

[3]陳進前.“模型認知”是重要的思維方式[J].化學教學，2020（5）：9-15

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