在学习中经历科学推理的过程
刘旭 刘征
摘? ?要：如果学生已形成“正、负电荷”的认知，再去论证“电荷只有两种”，这并不符合历史上科学工作者发现结论的思维过程。在教学中可尝试将物理概念剥离，利用编程软件制作具有相同思维过程的小游戏，真实地还原“发现两种电荷”的推理过程。
关键词：科学推理;思维过程;编程
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）2-0056-2
1? ? 两种电荷的发现历史
在物理学史中，1733年法国人杜菲（1693—
1739）通过实验发现电荷有两种：树脂型的（负电）和玻璃型的（正电），而且电是同性相斥，异性相吸[1]。直到1747年，美国人富兰克林才在一封书信中明确提出“正电”和“负电”等术语[2]。
2? ? 体验思维过程的难点
在物理教学中，如果学生在已知结论的基础上进行实验探究，就很难经历科学工作者发现结论的思维过程。中学生自幼就知道“电池有正、负极”，很可能还阅读过介绍“正、负电荷”的科普读物，在小学科学课上更是初步学习了“正、负电荷”的概念。对于已经形成了“存在正、负两种电荷”认知的中学生来说，很难让他们经历科学工作者“发现两种电荷”的思维过程。而且大部分学生从来没有考虑过“为什么电荷只有两种”，因为“正”“负”这样对立的名称就使他们相信电荷只有两种。
想要中学生真实地经历“发现两种电荷”的思维过程，就要排除已有认知对他们的干扰。不妨将电学相关概念从实验中剥离，创设出一个能体现出相同科学推理过程的情境作为起始。在教学过程中，让学生先体验实验的思维过程，再补充相关电学概念，进行完整的物理教学。
3? ? 剥离实验中的物理概念
物理学史中并未详细记载杜菲得出“电荷有两种”结论的思考过程，但不难从当时人们所面对的实验现象和认知基础进行推断：将不同的带电体彼此靠近后只存在两种现象——排斥或吸引。为了解释这个现象，可先将一部分带电体分为两类（不妨称为A类和B类），同类带电体彼此靠近时会表现出排斥，异类带电体彼此靠近时会表现出吸引。对于一个未分类的带电体，若靠近A类带电体表现为排斥，靠近B类带电体表现为吸引，则可归为A类;若靠近A类带电体表现为吸引，靠近B类带电体表现为排斥，则可归为B类。因为不存在某个未分类的带电体靠近两类带电体都表现出排斥或都表现出吸引，所以将带电體分为两类足矣。
如果将电学相关概念从以上过程中剥离开，形成的思维过程情境可以描述为：将不同物体两两配对进行实验，实验仅存在两种结果，可先将一部分物体分为两类，同类物体两两配对出现某一结果，异类物体两两配对出现另一结果，且不存在某个未分类的物体靠近两类物体后表现出相同的结果。
4? ? 制作同情境的小游戏
在教学中，可以利用编程软件在上述情境中加入一些简单的元素，制作一个“分小球”的游戏（如图1）。在编程软件中设置：打开小游戏后，随机将100个小球分为A和B两类，但在界面上无法区分种类，只显示各个小球的编号。任意点击两个小球（可重复选择同一小球），上方圆形内出现点击小球的编号，下方矩形显示不同的颜色。当两个小球同为A类或同为B类时显示红色，当两个小球不同类时显示蓝色（如图2）。可反复操作，让学生总结、分析多次得到的结果，经历科学推理的过程，从而尝试将小球进行分类。
5? ? 教师指导建议
学生体验这个小游戏时，仅有少部分学生能独立得出正确结论。部分学生在选取小球时条理不清，部分学生未能有效记录“实验”数据，部分学生当作“寻找数列规律”类的问题而陷入误区。还有部分学生否定了自己已经得出的正确结论，他们认为同为A类的小球两两配对不应该和同为B类的小球两两配对出现相同的结果，非常可惜。
教师在讲解小游戏时，建议可先确定某一小球，例如01号小球，让它依次与其他小球多次配对，初步将其他小球分为显示红色矩形的类型I和显示蓝色矩形的类型II。在类型I中的小球两两配对，均显示红色矩形;在类型II中的小球两两配对，也均显示红色矩形。可见，显示红色矩形代表两小球同类别，01号小球应属于类型I（或令01号小球与自己配对，也可得出此结论）。在类型I和类型II中随机各选一个小球进行配对，均显示蓝色矩形。可见，显示蓝色矩形代表两小球不同类别。因此，小球可分成两类，与01号小球配对显示红色矩形的小球归为一类，与01号小球配对显示蓝色矩形的小球归为另一类。
因小球需要两两配对，为了便于分析，建议采用表1记录“实验”数据。
在小游戏讲解完毕后，教师可继续补充相关电学概念：科学家面对两两带电体接近时表现出吸引和排斥两种现象，将带电体分为两类，又以丝绸摩擦过的玻璃棒和毛皮摩擦过的橡胶棒作为标准规定了电荷的正、负。学生可以自然地把物理知识和小游戏建立起联系，将带电体或电荷类比成小球，将吸引现象类比成显示红色矩形，将排斥现象类比成显示蓝色矩形，从而经历“发现只有两种电荷”的推理过程。
参考文献：
[1]沙振舜，钟伟.简明物理学史（2版）[M].南京：南京大学出版社，2015：58.
[2]弗·卡约里.戴念祖，译.物理学史[M].北京：中国人民大学出版社，2010：96.
（栏目编辑? ? 罗琬华）
