利用黑箱模型 促进化学学习

葛蕊干

摘要：黑箱理论是探索未知系统的重要研究工具，介绍化学史中经典的“黑箱”模型，主要研究高中化学中的化学概念“黑箱”模型教学和化学理论“黑箱”模型教学，达到深入认识化学知识的目的，培养学生的化学学科核心素养。

关键词：黑箱；高中化学；模型认知

文章编号：1008-0546（2021）10-0021-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.005

一、黑箱理论

黑箱（Black box）作为一个科学概念，最初由控制论的创始人维纳在《模型在科学中的作用》一书中提出，维纳提出的黑箱，指的是内部结构尚不能够或者不便于直接观察，只能从外部认识的系统[1]。

黑箱理论作为一个科学概念，它的出发点在于自然界不存在孤立的事物，事物之间是相互联系的。所以在使用“黑箱”模型进行科学研究的时候，可以不考虑系统内部的物质构造以及能量转变形态，只需要抽象出“黑箱”当中的输入—输出关系，关注它对于信息刺激做出的相应反应，就可以探索其内部结构，所以它是探索未知系统的重要研究工具。

二、“黑箱”模型教学

1.模型与化学模型

（1）模型

南宋赵希鹄在《洞天清录集》一书中写到“古者铸器，必先用蜡为模”，这是我国古代对“模”的最早的记载，由此可以看出“模”是一种规矩的样本。《美国国家科学教育标准》中对于模型的定义表述为“模型是与真实物体、单一事件或一类事物相对应的而且具有解释力的试探性体系或结构”。模型在科学认识中具有描述、解释和预测等功能，是理论发展的一种重要方式[2]。

（2）化学模型

陈进前提出，化学模型是人们对化学领域中的研究对象作科学研究后所得结果的表述与解释，是重要化学方法[3]。在《普通高中化学课程标准（2017年版）》中，“模型认知”作为其中一个重要的元素被列在化学学科核心素养中，从思维层面指导教师的教学和学生的学习。在2019年出版的人教版化学必修第一册中，将化学模型分为实物模型、理论模型等，实物模型和理论模型在高中化学中应用都非常广泛[4]。在实际教学过程中，教师应当结合教学内容和学生的实际情况，引导学生认识模型、构建模型并初步运用模型解决实际问题。而“黑箱”这一研究工具非常有利于学生认识和建构化学模型。

2.化学史中经典的“黑箱”模型

在化学研究过程中，黑箱模型从综合的角度为科学家提供了一条认识事物的重要途径，尤其是内部结构比较复杂的系统或者人们的力量尚不能分解的系统，黑箱模型是非常有效的研究工具。一般来说，黑箱模型一般的运用流程主要有：信息的输入、信息的输出、系统的分析以及对结果的验证（如图1）。图1中X代表对黑箱输入不同的信息，当输入不同信息时，Y代表相对应的信息输出，多次反复之后，经过系统的分析，科学家可以对黑箱进行抽象概括，建立黑箱模型。

化学史上对原子结构模型的探索是黑箱模型的经典实例。在汤姆生发现电子之后，于1898年提出了原子的“枣糕模型”，但是这个模型仅仅是汤姆生的猜想。原子的内部结构我们无法用肉眼观察，所以对原子结构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，所有事物都是相互联系的，根据这一特点，我们可以把原子结构比作“黑箱”。1911年，卢瑟福基于汤姆生的研究“原型”，借助黑箱理论，采用高能α粒子轰击金箔，设想能够通过实验来验证汤姆生对原子结构的猜想。但实验结果令人意外：虽然绝大多数的α粒子穿过金箔后继续前进，但是有少量的α粒子发生了偏转，甚至有极少数的α粒子几乎被撞了回来，由此分析，原子并不是“枣糕模型”。经过严密的计算，卢瑟福提出了原子结构的“行星模型”。

在卢瑟福的研究过程中，使用了“黑箱”这一研究方法（如图2），具体分析如下：

（1）确认黑箱

基于汤姆生“枣糕模型”的研究原型，明确黑箱：原子的内部结构是怎样的？

（2）研究过程

输入信息X：粒子散射实验，即采用高能α粒子轰击金箔；

输出信息Y：α粒子轰击金箔之后的散射情况。

（3）建立模型

根据输出信息进行分析，“黑箱”内装的不是“枣糕”，原子中有一块很小的区域，体积很小，但是集中了全部的正电荷和绝大部分的质量，即原子核，而原子核周围带负电荷的电子绕核作轨道运动，卢瑟福将该模型命名为原子“行星模型”。

三、“黑箱”模型教学在高中化学中的应用

化学“黑箱”模型在高中教学中可以根据教学内容分为化学理论模型、化学概念模型和化学实验模型等，以下是笔者的一些课堂具体案例。

1.化学理论“黑箱”模型教学

以杂化轨道理论为例。鲍林在探索化学键理论时，遇到了甲烷的正四面体结构的解释问题。为了解决这个问题，鲍林在1931年提出了杂化轨道理论，很好地解释了甲烷的正四面體结构。在高中教学中笔者尝试利用“黑箱”模型教学。

（1）确认黑箱

将杂化轨道理论对甲烷模型的解释视为一个黑箱。为什么基态碳原子只有2个单电子，而甲烷等一类有机物却能形成4个单键。

（2）研究过程

输入信息X1：展示甲烷的球棍模型、比例模型和X射线衍射仪的研究结果，

输出信息Y1：甲烷是正四面体结构；

输入信息X2：碳原子最外层只有2个单电子，但甲烷分子中碳原子却形成了四对共用电子对，而且这四根C-H键键能相同，

输出信息Y2：碳原子的原子轨道发生了某种变化，即原子轨道的杂化；

输入信息X3：利用四个气球进行模拟，将四个大小相同的气球扎在一起用力压成一个平面，然后轻轻甩动气球，立即变成正四面体构型，

输出信息Y3：sp3杂化轨道的空间构型为四面体构型。

（3）建立模型

成键双方原子的电子轨道在特定方向上满足条件而交叠重合时，就产生了电子共振，从而形成了化学键，为了形成稳定的成键电子轨道组合，原本处在不同能级的电子轨道会打破原有的分级，形成杂化。这就是杂化轨道理论[5]。

（4）运用模型

通过乙烯分子分析乙烯中的碳原子的sp2杂化轨道形成的过程，以及乙烯的平面型结构；并引导学生类比到乙炔。

2.化学概念“黑箱”模型教学

以离子反应的概念为例。在教学过程中，教师常常会举硫酸铜和氯化钡反应的例子来指导学生学习“离子反应”的概念，并书写对应的离子方程式。但在这个反应过程中具体发生了什么，学生并不能很透彻地理解，因此笔者采用“黑箱”模型进行教学。

（1）确认黑箱

将“离子反应”的概念视为一个黑箱。

（2）研究过程

输入信息X1：向CuSO4溶液中加入少量BaCl2溶液，

输出信息Y1：产生白色沉淀；

輸入信息X2：向过滤之后的滤液中滴加AgNO3溶液，

输出信息Y2：产生白色沉淀；

输入信息X3：电导率实验，

输出信息Y3：溶液中电导率曲线下降，但不为零。

（3）建立模型

根据输入信息X1，和输出信息Y1可知，该反应生成了难溶物，使得离子反应得以发生；再根据输入信息X2，和输出信息Y2可知，溶液中的Cl-没有参与该离子反应，仍以自由移动离子的形式存在；最后根据输入信息X3，和输出信息Y3可知溶液中一直存在自由移动的离子，SO2-4和Ba2+两种离子参与反应生成了BaSO4沉淀，而Cu2+和Cl-没有参与反应。学生通过“黑箱”模型认识到离子反应指的是在反应中有离子参加或有离子生成的反应，同时自主建构了离子反应的条件，并在其他反应中能够主动运用该模型解决问题。

3.化学实验“黑箱”模型教学

（1）确认黑箱

以水质研究实验为例。将西太湖常州段采集的水样（沿湖水域设置15个采样点）视为一个黑箱。

（2）研究过程

输入信息X1：观察采集的天然水样品，思考天然水中杂质的种类。

输出信息Y1：学生经过观察和思考，认为天然水中杂质一般含有悬浮物质、胶体物质、溶解物质。

输入信息X2：学生将采集的水样静置一段时间后，利用倾倒法取上部分水样，并用激光笔照射水样。

输出信息Y2：经观察，倾倒法留下来的水样中含有悬浮固体，上部分水样中含有胶体物质。

输入信息X3：西太湖的水质是否适合鱼类等生物生长，还要考虑水温、pH、导电率、溶解氧、化学需氧量、生化需氧量等。

输出信息Y3：学生利用pH计和便携式电导率仪测定水样的pH和导电率。水质分析根据采集地点的不同，结果有所区别。

（3）建立模型

将西太湖常州段的沿湖水域的土地利用类型分为五种，分别是林地、耕地、水利设施用地、住宅用地和其他用地五类，每一类水样采集3份样品，减小实验带来的误差。高中学生主要分析水样的悬浮固体和胶体物质含量，以及水样的pH和导电率。结果发现各采样区域水质与土地利用类型关系密切，其中植被覆盖面积较大区域的水质较好，水质较差的主要是耕地、住宅用地附近的水样。

四、意义与体会

1.在教学过程中不断开发适切的黑箱模型

在中学化学中有不少问题学生难以直观认识，如原电池理论、化学反应速率和限度、元素周期律、有机物结构分析等等，这些都可以探索使用黑箱模型来帮助学生深入认识化学知识。在输入和输出的交互过程中，学生的逻辑思维能力和创造性都得到了很大的提升，有利于学生核心素养的形成。但教师在使用黑箱模型时也要注意模型的适切性，要充分考虑高中学生的认知水平，不要盲目拔高知识难度，教学设计要符合学生的认知发展规律。

2.黑箱模型的使用要注重学生的反馈

教学是教师的教和学生的学组成的培养社会所需要人才的活动，学生是学习的主体，在使用黑箱模型时教师要注重学生的反馈。在课堂上学生发言时，让学生充分思考，说出问题解决的思路，而不仅仅是简单的答案；课后与同学沟通，更多地了解学生在建构模型过程中的困难。通过不断地交流，促进学生思考，将课本上的知识充分内化为分析、思考、探究的自主建模过程，学生在这样的过程中也在逐步发展其化学学科核心素养。

参考文献

[1]苏文雯，季春阳.黑箱方法在中学化学模型建构中的应用[J].中学化学教学教学参考，2020（1）：21-24

[2][4]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书化学必修第一册（2019版）[M].北京：人民教育出版社，2019

[3]陈进前.“模型认知”是重要的思维方式[J].化学教学，2020（5）：9-15

[5]陈功东.鲍林的化学键理论的思想起源[J].化学通报，2019（6）：566-575