在學(xué)習(xí)中經(jīng)歷科學(xué)推理的過程

劉旭 劉征

摘? ?要：如果學(xué)生已形成“正、負(fù)電荷”的認(rèn)知，再去論證“電荷只有兩種”，這并不符合歷史上科學(xué)工作者發(fā)現(xiàn)結(jié)論的思維過程。在教學(xué)中可嘗試將物理概念剝離，利用編程軟件制作具有相同思維過程的小游戲，真實地還原“發(fā)現(xiàn)兩種電荷”的推理過程。

關(guān)鍵詞：科學(xué)推理;思維過程;編程

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）2-0056-2

1? ? 兩種電荷的發(fā)現(xiàn)歷史

在物理學(xué)史中，1733年法國人杜菲（1693—

1739）通過實驗發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：樹脂型的（負(fù)電）和玻璃型的（正電），而且電是同性相斥，異性相吸[1]。直到1747年，美國人富蘭克林才在一封書信中明確提出“正電”和“負(fù)電”等術(shù)語[2]。

2? ? 體驗思維過程的難點

在物理教學(xué)中，如果學(xué)生在已知結(jié)論的基礎(chǔ)上進(jìn)行實驗探究，就很難經(jīng)歷科學(xué)工作者發(fā)現(xiàn)結(jié)論的思維過程。中學(xué)生自幼就知道“電池有正、負(fù)極”，很可能還閱讀過介紹“正、負(fù)電荷”的科普讀物，在小學(xué)科學(xué)課上更是初步學(xué)習(xí)了“正、負(fù)電荷”的概念。對于已經(jīng)形成了“存在正、負(fù)兩種電荷”認(rèn)知的中學(xué)生來說，很難讓他們經(jīng)歷科學(xué)工作者“發(fā)現(xiàn)兩種電荷”的思維過程。而且大部分學(xué)生從來沒有考慮過“為什么電荷只有兩種”，因為“正”“負(fù)”這樣對立的名稱就使他們相信電荷只有兩種。

想要中學(xué)生真實地經(jīng)歷“發(fā)現(xiàn)兩種電荷”的思維過程，就要排除已有認(rèn)知對他們的干擾。不妨將電學(xué)相關(guān)概念從實驗中剝離，創(chuàng)設(shè)出一個能體現(xiàn)出相同科學(xué)推理過程的情境作為起始。在教學(xué)過程中，讓學(xué)生先體驗實驗的思維過程，再補充相關(guān)電學(xué)概念，進(jìn)行完整的物理教學(xué)。

3? ? 剝離實驗中的物理概念

物理學(xué)史中并未詳細(xì)記載杜菲得出“電荷有兩種”結(jié)論的思考過程，但不難從當(dāng)時人們所面對的實驗現(xiàn)象和認(rèn)知基礎(chǔ)進(jìn)行推斷：將不同的帶電體彼此靠近后只存在兩種現(xiàn)象——排斥或吸引。為了解釋這個現(xiàn)象，可先將一部分帶電體分為兩類（不妨稱為A類和B類），同類帶電體彼此靠近時會表現(xiàn)出排斥，異類帶電體彼此靠近時會表現(xiàn)出吸引。對于一個未分類的帶電體，若靠近A類帶電體表現(xiàn)為排斥，靠近B類帶電體表現(xiàn)為吸引，則可歸為A類;若靠近A類帶電體表現(xiàn)為吸引，靠近B類帶電體表現(xiàn)為排斥，則可歸為B類。因為不存在某個未分類的帶電體靠近兩類帶電體都表現(xiàn)出排斥或都表現(xiàn)出吸引，所以將帶電體分為兩類足矣。

如果將電學(xué)相關(guān)概念從以上過程中剝離開，形成的思維過程情境可以描述為：將不同物體兩兩配對進(jìn)行實驗，實驗僅存在兩種結(jié)果，可先將一部分物體分為兩類，同類物體兩兩配對出現(xiàn)某一結(jié)果，異類物體兩兩配對出現(xiàn)另一結(jié)果，且不存在某個未分類的物體靠近兩類物體后表現(xiàn)出相同的結(jié)果。

4? ? 制作同情境的小游戲

在教學(xué)中，可以利用編程軟件在上述情境中加入一些簡單的元素，制作一個“分小球”的游戲（如圖1）。在編程軟件中設(shè)置：打開小游戲后，隨機將100個小球分為A和B兩類，但在界面上無法區(qū)分種類，只顯示各個小球的編號。任意點擊兩個小球（可重復(fù)選擇同一小球），上方圓形內(nèi)出現(xiàn)點擊小球的編號，下方矩形顯示不同的顏色。當(dāng)兩個小球同為A類或同為B類時顯示紅色，當(dāng)兩個小球不同類時顯示藍(lán)色（如圖2）?？煞磸?fù)操作，讓學(xué)生總結(jié)、分析多次得到的結(jié)果，經(jīng)歷科學(xué)推理的過程，從而嘗試將小球進(jìn)行分類。

5? ? 教師指導(dǎo)建議

學(xué)生體驗這個小游戲時，僅有少部分學(xué)生能獨立得出正確結(jié)論。部分學(xué)生在選取小球時條理不清，部分學(xué)生未能有效記錄“實驗”數(shù)據(jù)，部分學(xué)生當(dāng)作“尋找數(shù)列規(guī)律”類的問題而陷入誤區(qū)。還有部分學(xué)生否定了自己已經(jīng)得出的正確結(jié)論，他們認(rèn)為同為A類的小球兩兩配對不應(yīng)該和同為B類的小球兩兩配對出現(xiàn)相同的結(jié)果，非?？上?。

教師在講解小游戲時，建議可先確定某一小球，例如01號小球，讓它依次與其他小球多次配對，初步將其他小球分為顯示紅色矩形的類型I和顯示藍(lán)色矩形的類型II。在類型I中的小球兩兩配對，均顯示紅色矩形;在類型II中的小球兩兩配對，也均顯示紅色矩形?？梢?，顯示紅色矩形代表兩小球同類別，01號小球應(yīng)屬于類型I（或令01號小球與自己配對，也可得出此結(jié)論）。在類型I和類型II中隨機各選一個小球進(jìn)行配對，均顯示藍(lán)色矩形。可見，顯示藍(lán)色矩形代表兩小球不同類別。因此，小球可分成兩類，與01號小球配對顯示紅色矩形的小球歸為一類，與01號小球配對顯示藍(lán)色矩形的小球歸為另一類。

因小球需要兩兩配對，為了便于分析，建議采用表1記錄“實驗”數(shù)據(jù)。

在小游戲講解完畢后，教師可繼續(xù)補充相關(guān)電學(xué)概念：科學(xué)家面對兩兩帶電體接近時表現(xiàn)出吸引和排斥兩種現(xiàn)象，將帶電體分為兩類，又以絲綢摩擦過的玻璃棒和毛皮摩擦過的橡膠棒作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電荷的正、負(fù)。學(xué)生可以自然地把物理知識和小游戲建立起聯(lián)系，將帶電體或電荷類比成小球，將吸引現(xiàn)象類比成顯示紅色矩形，將排斥現(xiàn)象類比成顯示藍(lán)色矩形，從而經(jīng)歷“發(fā)現(xiàn)只有兩種電荷”的推理過程。

參考文獻(xiàn)：

[1]沙振舜，鐘偉.簡明物理學(xué)史（2版）[M].南京：南京大學(xué)出版社，2015：58.

[2]弗·卡約里.戴念祖，譯.物理學(xué)史[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2010：96.

（欄目編輯? ? 羅琬華）