“黑箱”模型教學(xué)初探

王蓓

摘 要：本文將原子比作一個(gè)“黑箱”，通過觀察高能粒子的輸入、輸出及其動(dòng)態(tài)過程，探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理以及對(duì)它作出功能特性、行為方式的研究。

關(guān)鍵詞：高中物理；黑箱；原子；核式結(jié)構(gòu)模型；思維發(fā)展

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）10-0041-3

什么是“黑箱”？黑箱（Black Box）作為一個(gè)科學(xué)概念，是指其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚不能夠或不便于直接觀察，而只能從外部去認(rèn)識(shí)的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。黑箱理論的出發(fā)點(diǎn)在于：自然界中不存在孤立的事物，所有事物都是相互作用、相互聯(lián)系的[2]。所以，即使我們不清楚“黑箱”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅注意到它對(duì)于信息刺激作出的相應(yīng)反應(yīng)，注意到它的輸入-輸出關(guān)系，就可探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理以及對(duì)它作出功能特性、行為方式的研究。

在高中物理電學(xué)、光學(xué)部分也有關(guān)于“黑箱”的知識(shí)，例如：用多用電表探索黑箱內(nèi)的電學(xué)元件，確定黑箱內(nèi)可能存在的光學(xué)元件及組合方式。

筆者借用“黑箱”這個(gè)模型以及黑箱理論，開展對(duì)高中原子物理的探究性教學(xué)。

1 猜想假設(shè) 棗糕模型

在湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子之后，對(duì)于原子中正負(fù)電荷如何分布的問題，科學(xué)家們提出了許多模型。其中較有影響的是湯姆孫本人于1898年提出的“棗糕模型”。[1]他認(rèn)為，原子是一個(gè)球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，電子鑲嵌其中（如圖1所示）。但這個(gè)模型僅僅出自于湯姆孫的猜想假設(shè)。

2 分析探究 黑箱理論

原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)我們無法用肉眼直接觀察，但自然界中不存在孤立的事物，所有事物都是相互作用、相互聯(lián)系的。根據(jù)這一特點(diǎn)，我們可以將原子比作一個(gè)“黑箱”，并用黑箱理論去分析研究原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，步驟如下（如表1所示）：

（1）信息的輸入：用高能粒子射入黑箱，對(duì)黑箱施加影響。

（2）信息的輸出：黑箱對(duì)高能粒子作出的反應(yīng)。

（3）系統(tǒng)的分析：綜合處理輸入與輸出的信息，猜想黑箱內(nèi)部的可能結(jié)構(gòu)模型。

（4）驗(yàn)證與控制：對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)對(duì)黑箱的控制。

3 實(shí)驗(yàn)論證 核式結(jié)構(gòu)

盧瑟福想借助黑箱理論推測原子內(nèi)部電荷和質(zhì)量的分布情況，從而驗(yàn)證湯姆孫的猜想。采用高能的α粒子轟擊金箔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（如圖2所示），但實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人震驚。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 1.絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進(jìn)；2.少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)；3.極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角甚至大于90 °，也就是說它們幾乎被“撞了回來” [1]。根據(jù)以上表格中的分析，得知“黑箱”內(nèi)裝的并不是“棗糕”。

根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)圖景（如圖3所示），盧瑟福于1911年提出了原子結(jié)構(gòu)模型。他設(shè)想：原子中有塊體積很小的區(qū)域，但集中了全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量——原子核，帶負(fù)電的電子繞原子核旋轉(zhuǎn)（如圖4所示），該模型命名為“核式結(jié)構(gòu)模型”。盧瑟福并以這個(gè)模型為依據(jù)，利用經(jīng)典力學(xué)計(jì)算了向各個(gè)方向散射的α粒子的比例，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好。

4 拓展提升 強(qiáng)化思維

在高中原子物理的教學(xué)中，黑箱理論從綜合的角度為學(xué)生提供了一條認(rèn)識(shí)事物的重要途徑，尤其對(duì)某些內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)迄今為止人們的力量尚不能分解的系統(tǒng)，黑箱理論提供的研究方法是非常有效的（如表2所示）。

將未知事物比作“黑箱”，從整體出發(fā)，從互相聯(lián)系中認(rèn)識(shí)事物。這樣既促進(jìn)了學(xué)生思維活躍性的提升，又使知識(shí)的學(xué)習(xí)過程充分地內(nèi)化為分析、思考、探究的自主認(rèn)知過程，符合學(xué)生學(xué)習(xí)的心理發(fā)展規(guī)律。

伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)研究的方法開拓了人類科學(xué)思維方式和科學(xué)研究的方法，從而打開了近代科學(xué)的大門?！皬恼w出發(fā)，從互相聯(lián)系中認(rèn)識(shí)事物”的“黑箱”思維方法與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，這在科學(xué)方法上是一個(gè)突破。黑箱理論對(duì)問題的處理不僅在物理學(xué)，對(duì)其他學(xué)科研究乃至于日常生活中都有著極其重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]林軍.淺析高中物理中“黑箱”的識(shí)別方法[J].新時(shí)代的腳步聲，2002（4）：169—175.

[2]人民教育出版社，課程材料中心，普通課程材料研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)教科書物理·選修3-5（2010版） [M].北京：人民教育出版社，2015.