在學習中經歷科學推理的過程

劉旭 劉征

摘? ?要：如果學生已形成“正、負電荷”的認知，再去論證“電荷只有兩種”，這并不符合歷史上科學工作者發現結論的思維過程。在教學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“發現兩種電荷”的推理過程。

關鍵詞：科學推理;思維過程;編程

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

1? ? 兩種電荷的發現歷史

在物理學史中，1733年法國人杜菲（1693—

1739）通過實驗發現電荷有兩種：樹脂型的（負電）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“負電”等術語[2]。

2? ? 體驗思維過程的難點

在物理教學中，如果學生在已知結論的基礎上進行實驗探究，就很難經歷科學工作者發現結論的思維過程。中學生自幼就知道“電池有正、負極”，很可能還閱讀過介紹“正、負電荷”的科普讀物，在小學科學課上更是初步學習了“正、負電荷”的概念。對于已經形成了“存在正、負兩種電荷”認知的中學生來說，很難讓他們經歷科學工作者“發現兩種電荷”的思維過程。而且大部分學生從來沒有考慮過“為什么電荷只有兩種”，因為“正”“負”這樣對立的名稱就使他們相信電荷只有兩種。

想要中學生真實地經歷“發現兩種電荷”的思維過程，就要排除已有認知對他們的干擾。不妨將電學相關概念從實驗中剝離，創設出一個能體現出相同科學推理過程的情境作為起始。在教學過程中，讓學生先體驗實驗的思維過程，再補充相關電學概念，進行完整的物理教學。

3? ? 剝離實驗中的物理概念

物理學史中并未詳細記載杜菲得出“電荷有兩種”結論的思考過程，但不難從當時人們所面對的實驗現象和認知基礎進行推斷：將不同的帶電體彼此靠近后只存在兩種現象——排斥或吸引。為了解釋這個現象，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出排斥，異類帶電體彼此靠近時會表現出吸引。對于一個未分類的帶電體，若靠近A類帶電體表現為排斥，靠近B類帶電體表現為吸引，則可歸為A類;若靠近A類帶電體表現為吸引，靠近B類帶電體表現為排斥，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出排斥或都表現出吸引，所以將帶電體分為兩類足矣。

如果將電學相關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行實驗，實驗僅存在兩種結果，可先將一部分物體分為兩類，同類物體兩兩配對出現某一結果，異類物體兩兩配對出現另一結果，且不存在某個未分類的物體靠近兩類物體后表現出相同的結果。

4? ? 制作同情境的小游戲

在教學中，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，但在界面上無法區分種類，只顯示各個小球的編號。任意點擊兩個小球（可重復選擇同一小球），上方圓形內出現點擊小球的編號，下方矩形顯示不同的顏色。當兩個小球同為A類或同為B類時顯示紅色，當兩個小球不同類時顯示藍色（如圖2）。可反復操作，讓學生總結、分析多次得到的結果，經歷科學推理的過程，從而嘗試將小球進行分類。

5? ? 教師指導建議

學生體驗這個小游戲時，僅有少部分學生能獨立得出正確結論。部分學生在選取小球時條理不清，部分學生未能有效記錄“實驗”數據，部分學生當作“尋找數列規律”類的問題而陷入誤區。還有部分學生否定了自己已經得出的正確結論，他們認為同為A類的小球兩兩配對不應該和同為B類的小球兩兩配對出現相同的結果，非常可惜。

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。可見，顯示紅色矩形代表兩小球同類別，01號小球應屬于類型I（或令01號小球與自己配對，也可得出此結論）。在類型I和類型II中隨機各選一個小球進行配對，均顯示藍色矩形。可見，顯示藍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”數據。

在小游戲講解完畢后，教師可繼續補充相關電學概念：科學家面對兩兩帶電體接近時表現出吸引和排斥兩種現象，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準規定了電荷的正、負。學生可以自然地把物理知識和小游戲建立起聯系，將帶電體或電荷類比成小球，將吸引現象類比成顯示紅色矩形，將排斥現象類比成顯示藍色矩形，從而經歷“發現只有兩種電荷”的推理過程。

參考文獻：

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

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

（欄目編輯? ? 羅琬華）