创设“黑盒”情境 培养关键能力——以初中科学教学为例

肖化兴 章华俊|浙江省杭州市余杭区闲林中学

初中科学教学过程中往往存在难以直观展示的问题或概念，采用平铺直叙的教学方式，不仅无法激发学生的学习兴趣，还会造成学生理解上的障碍。而初中阶段学生的科学关键能力，主要是在观察、实验、探索和分析科学现象，理解、掌握和运用科学概念与科学规律的过程中，不断形成与发展起来的。因此，笔者创设“黑盒”情境，使学生面临新的未知的知识情境，激发其学习欲望，调动其学习内驱力，促使其积极思考，自主提出问题，从而使科学课堂教学充满生机和活力，培养学生的科学素养，以及四个关键能力：问题与猜想能力、概括与推理能力、观察与建模能力、求实与质疑能力。

一、“黑盒”情境的含义

所谓“黑盒”，指内部结构或运行逻辑未知，有待研究或控制的对象与系统[1]。我们可有目的地往“黑盒”中输入一个或几个信号，观察其对应的输出信息，然后经由推理与分析，得出“黑盒”的内部结构或者运行逻辑。

地铁、机场或港口的安检扫描系统就利用了上述原理：乘客的行李箱进入扫描系统后，系统发射X射线（输入），再接收X射线穿过物品后不同的反射信息（输出），然后根据不同物品对X射线的吸收程度差异，达到检测行李箱内部状况的目的。有时通过单一信息或者一个循环无法了解“黑盒”内部结构，往往需要多次尝试、不断优化“输入信息”，以逐步破解“黑盒”，使其经由“灰盒”，最终变成“白盒”。其流程如图1所示。

图1 “黑盒—灰盒—白盒”转化

运用“黑盒”情境解决实际问题的过程，往往是创设“黑盒”、破解“黑盒”，再创设“新黑盒”、再破解“新黑盒”的循环过程。在这一过程中，我们可能会遇到“黑盒”中装“小黑盒”的情况，极端情况下，甚至会碰到“输入信息”导致“黑盒”内部结构或运行逻辑发生改变的情况。

二、“黑盒”情境策略

笔者认为，在实际的教学过程中，教师应充分研究教材，结合授课内容确定研究对象，合理设计需要的“输入信息”，收集相关证据。在获得“输出信息”后，教师要引导学生利用已知的知识与信息，提出“黑盒”内部结构与运行逻辑的假说，对实验结果进行解释，建立证据指导下的“黑盒”模型。在此基础上，教师再引导学生不断收集信息以优化“黑盒”模型，并设计合适的实验对“黑盒”模型进行验证，或者在“输入信息”后预测“输出信息”以佐证“黑盒”模型的合理性，或者利用已经验证后的“黑盒”模型结合获得的“输出信息”去推测“输入信息”。这就是“黑盒”情境策略，其流程及其与关键能力的对应关系如图2所示。

图2 “黑盒”情境策略的流程及其与关键能力的对应关系

三、“黑盒”情境策略运用案例

（一）卢瑟福原子模型

教材分析：卢瑟福通过α粒子散射实验结合推理建立的原子核式结构模型，是浙教版义务教育教科书《科学》（以下简称“浙教版教材”）八年级下册第二章第三节的内容。该章主题为“探究物质的结构”，这一节要求学生在了解原子结构模型的基础上，体验建立模型的思想和方法，并通过模型方法来认识和研究微观世界。介绍道尔顿和汤姆生的研究成果，目的是使学生理解模型方法在人们认识自然和发展科学中的作用。

教学目标：（1）了解原子的内部结构、原子结构模型的建立过程；（2）体验建立模型的思想；（3）以科学史为主线，引导学生分析α粒子散射实验的过程、现象和结论，并了解其中渗透的科学方法。

培养目标：（1）通过创设原子内部的“黑盒”模型，培养学生的问题与猜想能力；（2）观察α粒子散射实验的现象，结合所学知识，推测原子内部结构，培养学生的概括与推理能力、观察与建模能力；（3）让学生在科学史的学习过程中，认识到原子结构模型的建立是一个不断探索、不断优化的过程，培养学生的求实与质疑能力。

确认“黑盒”：原子的内部结构。

输入信息：（1）道尔顿提出原子是坚实的、不可再分的实心球，是构成物质的基本粒子；（2）汤姆生发现原子内部具有带负电的电子，整个原子呈现电中性，说明原子内部结构还可再分；（3）通过使用带正电的α粒子轰击金箔来研究原子的结构。

输出信息：（1）大多数α粒子仍旧保持原来的运动方向；（2）有一小部分α粒子的运动方向发生了一定角度的改变；（3）极少数α粒子被直接弹了回来[2]。

信息分析：（1）大多数α粒子不改变原来的运动方向，说明α粒子的运动没有受到阻力或阻力极小，学生由此推测出原子内部绝大多数空间是空的；（2）有一小部分α粒子改变了原来的运动方向，说明带正电的α粒子受到了斥力，斥力的存在使其运动方向发生改变，学生由此推测出原子内部有一个体积很小、带正电的核；（3）极少数α粒子被弹了回来，说明这部分α粒子直接撞到了某个核，学生由此推测出这个核体积很小，但质量很大。

构建模型：原子的质量几乎全部集中在直径很小的原子核上，电子在原子核外绕核运动。

教学反思：概括与推理能力，即根据已知信息通过分析作出综合判断的能力。具备基本的科学概括与推理能力是培养创新能力的基础。因此，教师在创设“黑盒”情境时，要根据具体事实有针对性地设计问题，使学生可接收到问题中“辐射”出的信息，在降低学生思考难度的同时，也使学生的猜想更接近事物的本质。在此过程中，不仅可培养学生的问题与猜想能力，也可培养学生的概括与推理能力，如“α粒子的运动方向为什么会发生偏转”“电子的存在为什么不会影响α粒子的运动方向”“如果汤姆生的模型合理，α粒子轰击金箔实验会有怎样的实验现象”等。

笔者引导学生利用已有的规律和信息去分析“黑盒”所“辐射”出的信息，即“黑盒”本身的表现（原子本身的信息），从而推测“黑盒”的结构和可能具有的信息与逻辑。

实际上，该章所学的原子结构，除了可分为原子核和核外电子外，原子核内部仍可再分，即包括质子和中子，而质子和中子又由夸克构成，且夸克依然可再分。对于“原子的内部结构”这一“黑盒”的破解，是一个不断构建“黑盒”、破解“黑盒”、再构建“黑盒”、再破解“黑盒”的过程，也是“黑盒”中装“黑盒”的破解过程。可能开启一个“黑盒”之后，只能说明我们的认识达到了某一个层次，比如原子层次、夸克层次，并不能说明我们已经把“黑盒”完全破解为了“白盒”，仍然需要不断地探索与求证。

（二）地球的形状

教材分析：“地球的形状的认识历程”是浙教版教材七年级上册第三章第一节的内容。该章的主题为“人类的家园——地球”，主要介绍地球的形状与内部结构、地壳板块的分布以及常见的自然灾害等内容。这一节主要是让学生了解古人对于地球形状的认识经历了“直观猜测—实践探究—科学验证”的过程，并且随着证据的增加不断调整对于地球形状的认识，感受科学家们不断探索、不断进步的科学精神，培养探究自然奥秘的兴趣。

教学目标：（1）学会科学准确地描述地球的形状；（2）了解地球形状的认识历程；（3）学会使用对比分析、逻辑推理的方法分析问题。

培养目标：（1）引导学生通过直觉推测、逻辑推理的方式探索地球的形状，培养学生的问题与猜想能力；（2）通过对自然现象的观测与推理培养学生收集信息、处理信息的能力；（3）通过实践探究与科学推导逐步得出地球的形状，培养学生的观察与建模能力；（4）经由地球形状的认识历程培养学生的求实与质疑能力以及勇于探索的科学精神。

确认“黑盒”：地球的形状。

输入信息：（1）用肉眼粗糙地观察自然；（2）亚里士多德利用日月食时地球投射的影子观察地球的形状；（3）毕达哥拉斯在海岸上观察远去的帆船；（4）麦哲伦率领团队环球航行探索地球的形状；（5）使用太空望远镜观测地球。

输出信息：（1）“盖天说”与“浑天说”；（2）日月食时地球投射出的影子是圆形；（3）海岸边远去的帆船总是船身先消失船帆后消失；（4）麦哲伦率领团队环球航行最终回到出发点；（5）经太空观测手段发现地球是一个赤道略鼓、两极稍扁的形状不规则的球体。

信息分析：（1）“盖天说”“浑天说”受限于知识的宽度，认为地球是方形的，或无法判断地球是球形的；（2）日月食时地球投射出的影子是圆形的，再结合地球总是在不停地自转与公转，推测地球的形状为球形；（3）海岸边远去的帆船总是船身先消失船帆后消失，通过模拟实验可推测地球的形状为球形；（4）麦哲伦经环球航行，最终回到出发点的过程，证明了地球的形状是球形；（5）太空观测再次印证地球的形状为不规则的球体。

构建模型：经现代科学手段的探测，地球是一个两极稍扁、赤道略鼓的不规则球体。

教学反思：人们对于地球形状的认识是一个不断探索、不断优化的过程，对于这节课所构建的“黑盒”模型来说，也是一个不断破解“黑盒”、不断优化模型的过程。随着科学技术的进步和探测手段的多样化，人们对于“地球的形状”这一“黑盒”的认识会越来越全面。但是对于处于不断动态变化的地球来说，其形状可能没有“定格”的时间，其模型需要人们不断去探索与优化。

在这节课的教学过程中要发挥学生的主体作用，教师应充当“引路人”，学生则扮演“探索者”。教师引导学生谈一谈“自己眼中的地球形状”和“古人眼中的地球形状”，在比较的过程中培养学生的问题与猜想能力。初中阶段，学生的思维水平相对较低，教师需要在构建“黑盒”、破解“黑盒”的过程中运用图片、视频等资料，不断地加以启发和引导，才能逐步强化学生的观察、推理、概括、实践能力。此外，教师还可在授课结束时设问“地球的形状是固定不变的吗”“我们现在所了解到的就是地球真实的形状吗”，以培养学生不断探索的求实与质疑能力。

四、小结

在培养学生的问题与猜想能力时，直觉思维非常重要。学生在面对“黑盒”时总会产生一种想深入洞察本质的冲动，但是教师必须注意，一定要让学生有证据意识，因为依据证据理解进行的猜想才有深度，才会有一定的研究价值。

在实际教学活动中使用“黑盒”情境可避免真实操作的很多痛点，很多无法开展真实教学的活动都可利用“黑盒”情境加以探究。例如，在探究过大、过小或者过于复杂、难以直观展示的问题、概念，以及事物的内部结构和运行逻辑时，使用“黑盒”情境，可避免实验场地、实验器材、实验对象，以及学生认知水平、思维层次带来的限制。而且通过阅读资料的方式，整理归纳以获得“输入信息”，也是对学生阅读思考能力的培养。此外，在阅读材料的过程中，学生会发现问题、作出假设，并概括、收集“输出信息”，这也能培养学生的推理能力。

但是即使获得足够的“输入信息”和“输出信息”，学生也并不一定就能够破解“黑盒”，这就要求教师必须在关键节点和关键问题上加以引导，让学生思考、推理、质疑和实践。对于学生构建出的不同模型，教师要加以肯定，并引导学生逐步优化模型，直至更加适合教学内容。

不断发现新的“黑盒”，研究更多的“黑盒”，是科学发展不断推陈出新、不断完善的好方法。“黑盒”情境既能激发学生学习的内驱力，使其产生高认知且具有目的性、适应性和新颖性的问题，又可将认知能力和创新能力的培养渗透在课堂学习的每一个环节中，最终促使学生形成关键能力。科学教师一定要让学生在课堂中不断地去体会，不断地去探索，不断地去创新，如此，我们才能培养出具有科学探索精神的人。