创设“黑盒”情境培养关键能力
肖化兴章华俊
摘??要：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。而创设“黑盒”情境，既能激发学生学习的内驱力，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。教师需要充分研究教材，合理设计“输入信息”，并在获得“输出信息”后，引导学生提出“黑盒”内部结构与运行逻辑的假说，建立证据指导下的“黑盒”模型，再设计实验验证“黑盒”模型。
关键词：“黑盒”情境;关键能力;初中科学教学
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。
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。
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礎上，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