“黑箱”模型教学初探

王蓓

摘 要：本文将原子比作一个“黑箱”，通过观察高能粒子的输入、输出及其动态过程，探索其内部结构和机理以及对它作出功能特性、行为方式的研究。

关键词：高中物理；黑箱；原子；核式结构模型；思维发展

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）10-0041-3

什么是“黑箱”？黑箱（Black Box）作为一个科学概念，是指其内部结构尚不能够或不便于直接观察，而只能从外部去认识的现实系统。黑箱理论的出发点在于：自然界中不存在孤立的事物，所有事物都是相互作用、相互联系的[2]。所以，即使我们不清楚“黑箱”的内部结构，仅注意到它对于信息刺激作出的相应反应，注意到它的输入-输出关系，就可探索其内部结构和机理以及对它作出功能特性、行为方式的研究。

在高中物理电学、光学部分也有关于“黑箱”的知识，例如：用多用电表探索黑箱内的电学元件，确定黑箱内可能存在的光学元件及组合方式。

笔者借用“黑箱”这个模型以及黑箱理论，开展对高中原子物理的探究性教学。

1 猜想假设 枣糕模型

在汤姆孙发现电子之后，对于原子中正负电荷如何分布的问题，科学家们提出了许多模型。其中较有影响的是汤姆孙本人于1898年提出的“枣糕模型”。[1]他认为，原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中（如图1所示）。但这个模型仅仅出自于汤姆孙的猜想假设。

2 分析探究 黑箱理论

原子的内部结构我们无法用肉眼直接观察，但自然界中不存在孤立的事物，所有事物都是相互作用、相互联系的。根据这一特点，我们可以将原子比作一个“黑箱”，并用黑箱理论去分析研究原子的内部结构，步骤如下（如表1所示）：

（1）信息的输入：用高能粒子射入黑箱，对黑箱施加影响。

（2）信息的输出：黑箱对高能粒子作出的反应。

（3）系统的分析：综合处理输入与输出的信息，猜想黑箱内部的可能结构模型。

（4）验证与控制：对结果进行验证和实现对黑箱的控制。

3 实验论证 核式结构

卢瑟福想借助黑箱理论推测原子内部电荷和质量的分布情况，从而验证汤姆孙的猜想。采用高能的α粒子轰击金箔进行实验（如图2所示），但实验结果令人震惊。实验发现： 1.绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进；2.少数α粒子发生了较大的偏转；3.极少数α粒子的偏转角甚至大于90 °，也就是说它们几乎被“撞了回来” [1]。根据以上表格中的分析，得知“黑箱”内装的并不是“枣糕”。

根据α粒子散射实验图景（如图3所示），卢瑟福于1911年提出了原子结构模型。他设想：原子中有块体积很小的区域，但集中了全部正电荷和几乎全部的质量——原子核，带负电的电子绕原子核旋转（如图4所示），该模型命名为“核式结构模型”。卢瑟福并以这个模型为依据，利用经典力学计算了向各个方向散射的α粒子的比例，结果与实验数据符合得很好。

4 拓展提升 强化思维

在高中原子物理的教学中，黑箱理论从综合的角度为学生提供了一条认识事物的重要途径，尤其对某些内部结构比较复杂的系统，对迄今为止人们的力量尚不能分解的系统，黑箱理论提供的研究方法是非常有效的（如表2所示）。

将未知事物比作“黑箱”，从整体出发，从互相联系中认识事物。这样既促进了学生思维活跃性的提升，又使知识的学习过程充分地内化为分析、思考、探究的自主认知过程，符合学生学习的心理发展规律。

伽利略对自由落体运动研究的方法开拓了人类科学思维方式和科学研究的方法，从而打开了近代科学的大门。“从整体出发，从互相联系中认识事物”的“黑箱”思维方法与现代科学技术紧密结合，这在科学方法上是一个突破。黑箱理论对问题的处理不仅在物理学，对其他学科研究乃至于日常生活中都有着极其重要的指导意义。

参考文献：

[1]林军.浅析高中物理中“黑箱”的识别方法[J].新时代的脚步声，2002（4）：169—175.

[2]人民教育出版社，课程材料中心，普通课程材料研究开发中心.普通高中课程标准教科书物理·选修3-5（2010版） [M].北京：人民教育出版社，2015.