創(chuàng)設(shè)“黑盒”情境 培養(yǎng)關(guān)鍵能力
——以初中科學(xué)教學(xué)為例

肖化興 章華俊|浙江省杭州市余杭區(qū)閑林中學(xué)

初中科學(xué)教學(xué)過程中往往存在難以直觀展示的問題或概念，采用平鋪直敘的教學(xué)方式，不僅無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還會造成學(xué)生理解上的障礙。而初中階段學(xué)生的科學(xué)關(guān)鍵能力，主要是在觀察、實驗、探索和分析科學(xué)現(xiàn)象，理解、掌握和運用科學(xué)概念與科學(xué)規(guī)律的過程中，不斷形成與發(fā)展起來的。因此，筆者創(chuàng)設(shè)“黑盒”情境，使學(xué)生面臨新的未知的知識情境，激發(fā)其學(xué)習(xí)欲望，調(diào)動其學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，促使其積極思考，自主提出問題，從而使科學(xué)課堂教學(xué)充滿生機和活力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，以及四個關(guān)鍵能力：問題與猜想能力、概括與推理能力、觀察與建模能力、求實與質(zhì)疑能力。

一、“黑盒”情境的含義

所謂“黑盒”，指內(nèi)部結(jié)構(gòu)或運行邏輯未知，有待研究或控制的對象與系統(tǒng)[1]。我們可有目的地往“黑盒”中輸入一個或幾個信號，觀察其對應(yīng)的輸出信息，然后經(jīng)由推理與分析，得出“黑盒”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者運行邏輯。

地鐵、機場或港口的安檢掃描系統(tǒng)就利用了上述原理：乘客的行李箱進入掃描系統(tǒng)后，系統(tǒng)發(fā)射X射線（輸入），再接收X射線穿過物品后不同的反射信息（輸出），然后根據(jù)不同物品對X射線的吸收程度差異，達到檢測行李箱內(nèi)部狀況的目的。有時通過單一信息或者一個循環(huán)無法了解“黑盒”內(nèi)部結(jié)構(gòu)，往往需要多次嘗試、不斷優(yōu)化“輸入信息”，以逐步破解“黑盒”，使其經(jīng)由“灰盒”，最終變成“白盒”。其流程如圖1所示。

圖1 “黑盒—灰盒—白盒”轉(zhuǎn)化

運用“黑盒”情境解決實際問題的過程，往往是創(chuàng)設(shè)“黑盒”、破解“黑盒”，再創(chuàng)設(shè)“新黑盒”、再破解“新黑盒”的循環(huán)過程。在這一過程中，我們可能會遇到“黑盒”中裝“小黑盒”的情況，極端情況下，甚至?xí)龅健拜斎胄畔ⅰ睂?dǎo)致“黑盒”內(nèi)部結(jié)構(gòu)或運行邏輯發(fā)生改變的情況。

二、“黑盒”情境策略

筆者認為，在實際的教學(xué)過程中，教師應(yīng)充分研究教材，結(jié)合授課內(nèi)容確定研究對象，合理設(shè)計需要的“輸入信息”，收集相關(guān)證據(jù)。在獲得“輸出信息”后，教師要引導(dǎo)學(xué)生利用已知的知識與信息，提出“黑盒”內(nèi)部結(jié)構(gòu)與運行邏輯的假說，對實驗結(jié)果進行解釋，建立證據(jù)指導(dǎo)下的“黑盒”模型。在此基礎(chǔ)上，教師再引導(dǎo)學(xué)生不斷收集信息以優(yōu)化“黑盒”模型，并設(shè)計合適的實驗對“黑盒”模型進行驗證，或者在“輸入信息”后預(yù)測“輸出信息”以佐證“黑盒”模型的合理性，或者利用已經(jīng)驗證后的“黑盒”模型結(jié)合獲得的“輸出信息”去推測“輸入信息”。這就是“黑盒”情境策略，其流程及其與關(guān)鍵能力的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 “黑盒”情境策略的流程及其與關(guān)鍵能力的對應(yīng)關(guān)系

三、“黑盒”情境策略運用案例

（一）盧瑟福原子模型

教材分析：盧瑟福通過α粒子散射實驗結(jié)合推理建立的原子核式結(jié)構(gòu)模型，是浙教版義務(wù)教育教科書《科學(xué)》（以下簡稱“浙教版教材”）八年級下冊第二章第三節(jié)的內(nèi)容。該章主題為“探究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)”，這一節(jié)要求學(xué)生在了解原子結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，體驗建立模型的思想和方法，并通過模型方法來認識和研究微觀世界。介紹道爾頓和湯姆生的研究成果，目的是使學(xué)生理解模型方法在人們認識自然和發(fā)展科學(xué)中的作用。

教學(xué)目標：（1）了解原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)模型的建立過程；（2）體驗建立模型的思想；（3）以科學(xué)史為主線，引導(dǎo)學(xué)生分析α粒子散射實驗的過程、現(xiàn)象和結(jié)論，并了解其中滲透的科學(xué)方法。

培養(yǎng)目標：（1）通過創(chuàng)設(shè)原子內(nèi)部的“黑盒”模型，培養(yǎng)學(xué)生的問題與猜想能力；（2）觀察α粒子散射實驗的現(xiàn)象，結(jié)合所學(xué)知識，推測原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的概括與推理能力、觀察與建模能力；（3）讓學(xué)生在科學(xué)史的學(xué)習(xí)過程中，認識到原子結(jié)構(gòu)模型的建立是一個不斷探索、不斷優(yōu)化的過程，培養(yǎng)學(xué)生的求實與質(zhì)疑能力。

確認“黑盒”：原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

輸入信息：（1）道爾頓提出原子是堅實的、不可再分的實心球，是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子；（2）湯姆生發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部具有帶負電的電子，整個原子呈現(xiàn)電中性，說明原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)還可再分；（3）通過使用帶正電的α粒子轟擊金箔來研究原子的結(jié)構(gòu)。

輸出信息：（1）大多數(shù)α粒子仍舊保持原來的運動方向；（2）有一小部分α粒子的運動方向發(fā)生了一定角度的改變；（3）極少數(shù)α粒子被直接彈了回來[2]。

信息分析：（1）大多數(shù)α粒子不改變原來的運動方向，說明α粒子的運動沒有受到阻力或阻力極小，學(xué)生由此推測出原子內(nèi)部絕大多數(shù)空間是空的；（2）有一小部分α粒子改變了原來的運動方向，說明帶正電的α粒子受到了斥力，斥力的存在使其運動方向發(fā)生改變，學(xué)生由此推測出原子內(nèi)部有一個體積很小、帶正電的核；（3）極少數(shù)α粒子被彈了回來，說明這部分α粒子直接撞到了某個核，學(xué)生由此推測出這個核體積很小，但質(zhì)量很大。

構(gòu)建模型：原子的質(zhì)量幾乎全部集中在直徑很小的原子核上，電子在原子核外繞核運動。

教學(xué)反思：概括與推理能力，即根據(jù)已知信息通過分析作出綜合判斷的能力。具備基本的科學(xué)概括與推理能力是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)。因此，教師在創(chuàng)設(shè)“黑盒”情境時，要根據(jù)具體事實有針對性地設(shè)計問題，使學(xué)生可接收到問題中“輻射”出的信息，在降低學(xué)生思考難度的同時，也使學(xué)生的猜想更接近事物的本質(zhì)。在此過程中，不僅可培養(yǎng)學(xué)生的問題與猜想能力，也可培養(yǎng)學(xué)生的概括與推理能力，如“α粒子的運動方向為什么會發(fā)生偏轉(zhuǎn)”“電子的存在為什么不會影響α粒子的運動方向”“如果湯姆生的模型合理，α粒子轟擊金箔實驗會有怎樣的實驗現(xiàn)象”等。

筆者引導(dǎo)學(xué)生利用已有的規(guī)律和信息去分析“黑盒”所“輻射”出的信息，即“黑盒”本身的表現(xiàn)（原子本身的信息），從而推測“黑盒”的結(jié)構(gòu)和可能具有的信息與邏輯。

實際上，該章所學(xué)的原子結(jié)構(gòu)，除了可分為原子核和核外電子外，原子核內(nèi)部仍可再分，即包括質(zhì)子和中子，而質(zhì)子和中子又由夸克構(gòu)成，且夸克依然可再分。對于“原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)”這一“黑盒”的破解，是一個不斷構(gòu)建“黑盒”、破解“黑盒”、再構(gòu)建“黑盒”、再破解“黑盒”的過程，也是“黑盒”中裝“黑盒”的破解過程?？赡荛_啟一個“黑盒”之后，只能說明我們的認識達到了某一個層次，比如原子層次、夸克層次，并不能說明我們已經(jīng)把“黑盒”完全破解為了“白盒”，仍然需要不斷地探索與求證。

（二）地球的形狀

教材分析：“地球的形狀的認識歷程”是浙教版教材七年級上冊第三章第一節(jié)的內(nèi)容。該章的主題為“人類的家園——地球”，主要介紹地球的形狀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地殼板塊的分布以及常見的自然災(zāi)害等內(nèi)容。這一節(jié)主要是讓學(xué)生了解古人對于地球形狀的認識經(jīng)歷了“直觀猜測—實踐探究—科學(xué)驗證”的過程，并且隨著證據(jù)的增加不斷調(diào)整對于地球形狀的認識，感受科學(xué)家們不斷探索、不斷進步的科學(xué)精神，培養(yǎng)探究自然奧秘的興趣。

教學(xué)目標：（1）學(xué)會科學(xué)準確地描述地球的形狀；（2）了解地球形狀的認識歷程；（3）學(xué)會使用對比分析、邏輯推理的方法分析問題。

培養(yǎng)目標：（1）引導(dǎo)學(xué)生通過直覺推測、邏輯推理的方式探索地球的形狀，培養(yǎng)學(xué)生的問題與猜想能力；（2）通過對自然現(xiàn)象的觀測與推理培養(yǎng)學(xué)生收集信息、處理信息的能力；（3）通過實踐探究與科學(xué)推導(dǎo)逐步得出地球的形狀，培養(yǎng)學(xué)生的觀察與建模能力；（4）經(jīng)由地球形狀的認識歷程培養(yǎng)學(xué)生的求實與質(zhì)疑能力以及勇于探索的科學(xué)精神。

確認“黑盒”：地球的形狀。

輸入信息：（1）用肉眼粗糙地觀察自然；（2）亞里士多德利用日月食時地球投射的影子觀察地球的形狀；（3）畢達哥拉斯在海岸上觀察遠去的帆船；（4）麥哲倫率領(lǐng)團隊環(huán)球航行探索地球的形狀；（5）使用太空望遠鏡觀測地球。

輸出信息：（1）“蓋天說”與“渾天說”；（2）日月食時地球投射出的影子是圓形；（3）海岸邊遠去的帆船總是船身先消失船帆后消失；（4）麥哲倫率領(lǐng)團隊環(huán)球航行最終回到出發(fā)點；（5）經(jīng)太空觀測手段發(fā)現(xiàn)地球是一個赤道略鼓、兩極稍扁的形狀不規(guī)則的球體。

信息分析：（1）“蓋天說”“渾天說”受限于知識的寬度，認為地球是方形的，或無法判斷地球是球形的；（2）日月食時地球投射出的影子是圓形的，再結(jié)合地球總是在不停地自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，推測地球的形狀為球形；（3）海岸邊遠去的帆船總是船身先消失船帆后消失，通過模擬實驗可推測地球的形狀為球形；（4）麥哲倫經(jīng)環(huán)球航行，最終回到出發(fā)點的過程，證明了地球的形狀是球形；（5）太空觀測再次印證地球的形狀為不規(guī)則的球體。

構(gòu)建模型：經(jīng)現(xiàn)代科學(xué)手段的探測，地球是一個兩極稍扁、赤道略鼓的不規(guī)則球體。

教學(xué)反思：人們對于地球形狀的認識是一個不斷探索、不斷優(yōu)化的過程，對于這節(jié)課所構(gòu)建的“黑盒”模型來說，也是一個不斷破解“黑盒”、不斷優(yōu)化模型的過程。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和探測手段的多樣化，人們對于“地球的形狀”這一“黑盒”的認識會越來越全面。但是對于處于不斷動態(tài)變化的地球來說，其形狀可能沒有“定格”的時間，其模型需要人們不斷去探索與優(yōu)化。

在這節(jié)課的教學(xué)過程中要發(fā)揮學(xué)生的主體作用，教師應(yīng)充當“引路人”，學(xué)生則扮演“探索者”。教師引導(dǎo)學(xué)生談一談“自己眼中的地球形狀”和“古人眼中的地球形狀”，在比較的過程中培養(yǎng)學(xué)生的問題與猜想能力。初中階段，學(xué)生的思維水平相對較低，教師需要在構(gòu)建“黑盒”、破解“黑盒”的過程中運用圖片、視頻等資料，不斷地加以啟發(fā)和引導(dǎo)，才能逐步強化學(xué)生的觀察、推理、概括、實踐能力。此外，教師還可在授課結(jié)束時設(shè)問“地球的形狀是固定不變的嗎”“我們現(xiàn)在所了解到的就是地球真實的形狀嗎”，以培養(yǎng)學(xué)生不斷探索的求實與質(zhì)疑能力。

四、小結(jié)

在培養(yǎng)學(xué)生的問題與猜想能力時，直覺思維非常重要。學(xué)生在面對“黑盒”時總會產(chǎn)生一種想深入洞察本質(zhì)的沖動，但是教師必須注意，一定要讓學(xué)生有證據(jù)意識，因為依據(jù)證據(jù)理解進行的猜想才有深度，才會有一定的研究價值。

在實際教學(xué)活動中使用“黑盒”情境可避免真實操作的很多痛點，很多無法開展真實教學(xué)的活動都可利用“黑盒”情境加以探究。例如，在探究過大、過小或者過于復(fù)雜、難以直觀展示的問題、概念，以及事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行邏輯時，使用“黑盒”情境，可避免實驗場地、實驗器材、實驗對象，以及學(xué)生認知水平、思維層次帶來的限制。而且通過閱讀資料的方式，整理歸納以獲得“輸入信息”，也是對學(xué)生閱讀思考能力的培養(yǎng)。此外，在閱讀材料的過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)問題、作出假設(shè)，并概括、收集“輸出信息”，這也能培養(yǎng)學(xué)生的推理能力。

但是即使獲得足夠的“輸入信息”和“輸出信息”，學(xué)生也并不一定就能夠破解“黑盒”，這就要求教師必須在關(guān)鍵節(jié)點和關(guān)鍵問題上加以引導(dǎo)，讓學(xué)生思考、推理、質(zhì)疑和實踐。對于學(xué)生構(gòu)建出的不同模型，教師要加以肯定，并引導(dǎo)學(xué)生逐步優(yōu)化模型，直至更加適合教學(xué)內(nèi)容。

不斷發(fā)現(xiàn)新的“黑盒”，研究更多的“黑盒”，是科學(xué)發(fā)展不斷推陳出新、不斷完善的好方法?！昂诤小鼻榫臣饶芗ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，使其產(chǎn)生高認知且具有目的性、適應(yīng)性和新穎性的問題，又可將認知能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)滲透在課堂學(xué)習(xí)的每一個環(huán)節(jié)中，最終促使學(xué)生形成關(guān)鍵能力?？茖W(xué)教師一定要讓學(xué)生在課堂中不斷地去體會，不斷地去探索，不斷地去創(chuàng)新，如此，我們才能培養(yǎng)出具有科學(xué)探索精神的人。