蔡倫的“連續(xù)缺點——替代方法”在物理探究教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：青島市初中物理學(xué)科“用中國古代科學(xué)家方法進行物理探究建模”的課題研究是教育部“十一五”子課題。將中國古代科學(xué)家在創(chuàng)造發(fā)明和發(fā)現(xiàn)中所運用的充滿睿智的科學(xué)方法作為理論基礎(chǔ)，本著費耶阿本德（Paul Feyerabend，1924—1994）“怎么都行”的方法論，通過演繹法，就可以建構(gòu)出許多思維過程不同的探究模式。本篇介紹我們其中運用蔡倫“連續(xù)缺點——替代”方法所建構(gòu)的“連續(xù)缺點——替代探究模式”，從而為物理教師的探究教學(xué)和學(xué)生的探究學(xué)習(xí)提供一種新的思維過程和探究工具。

關(guān)鍵詞：物理探究教學(xué)；蔡倫；科學(xué)方法；連續(xù)缺點——替代探究模式

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）03-0170-02

一、蔡倫與造紙術(shù)的發(fā)明

蔡倫（約40至50~121），東漢器械制造家、造紙專家。

蔡倫在漢和帝時被封為尚方令，尚方令監(jiān)督制造寶劍和其他器械，蔡倫在兼任這個職位時，對技術(shù)產(chǎn)生了興趣，很快從一個技術(shù)門外漢變成了一個諳熟各項制造技術(shù)的專家。他所監(jiān)制的寶劍和器物，件件精工堅巧，被后世的人們所效法。蔡倫的最大功績，是發(fā)明和完善了造紙術(shù)，為整個人類作出了巨大貢獻，被后人尊為造紙祖師。

當(dāng)時，在造紙術(shù)發(fā)明之前，少數(shù)的字是寫在絲綢類制品上的，而多數(shù)的字是寫在由竹片制成的“簡”或木片制成的“牘”上的。但是，這些字的載體都不理想。絲綢特別昂貴——一幅寬1.1米、長1米的絲織品，就要用9千克大米來換。而簡、牘則非常笨重。每當(dāng)蔡倫目睹這個現(xiàn)狀時，就一直想用輕便的材料來代替。

一天，蔡倫在河邊偶然看到人們把煮好的蠶絲鋪在席子上，再放到水中去，用木棍把蠶絲敲爛，制成絲棉。絲棉曬干取下之后，席子上總留下一些薄薄的絲棉碎片。他覺得很新奇，就揭下一些，帶回宮中。他發(fā)現(xiàn)，用它寫字成書，比竹簡輕多了，還比帛便宜。于是他認(rèn)定這可能就是一種適于書寫的載體。但是，絲棉也很貴重且產(chǎn)量很少，并且只是些碎片，形狀還不規(guī)則，所以仍不理想。

但是，蔡倫卻由此得到啟發(fā)，經(jīng)過向工匠請教和多次實驗，終于在105年用生產(chǎn)絲棉的方法利用植物韌皮中提取的纖維，發(fā)明了“打漿”工藝，用比絲棉更廉價的麻皮、樹皮、破布和廢漁網(wǎng)等制成了實用的紙——“蔡侯紙”。這種紙在漢和帝的稱贊和宣傳下很快流傳開來，成為中國“四大發(fā)明”之一。于是，整個世界為之改變！114年，漢安帝封蔡倫為龍亭侯，蔡侯紙也因此而得名。

二、蔡倫的“連續(xù)缺點——替代”方法

蔡倫發(fā)明蔡侯紙的故事，基本過程可描述如下：

簡牘太重、絲綢太貴——用絲綿碎片代替——絲綿碎片仍然貴、產(chǎn)量少且是碎片——用植物纖維代替——制成“蔡侯紙”。

也就是說，解決問題時，發(fā)現(xiàn)原有方案的缺點，用替代的方法進行改進。若仍然發(fā)現(xiàn)不足，繼續(xù)用替代的方法進一步改進……，直至方案最優(yōu)化。可以用下列圖示表示：

缺點1——替代1——缺點2——替代2——……

蔡倫的這種“連續(xù)缺點——替代”方法，可以使我們通過連續(xù)“缺點列舉法”和“替代法”這兩種創(chuàng)造技法，去不斷改進和克服缺點，最終實現(xiàn)最優(yōu)化。

三、“連續(xù)缺點——替代探究”模式

將蔡倫的“連續(xù)缺點——替代”方法運用到初中物理探究教學(xué)中，就形成了“連續(xù)缺點——替代探究模式”。

1.連續(xù)缺點——替代探究模式的思維程序：問題——缺點1——替代1——缺點2——替代2——……——解決問題

2.對上述思維程序的有關(guān)說明：

①問題：提出研究的問題。②缺點1：提出初步方案，然后通過缺點列舉法找到初步方案的缺點和不足。③替代1：根據(jù)上述缺點，進行替代改進，形成新方案。④缺點2：再用缺點列舉法，找到新方案中的不足。⑤替代2：根據(jù)上述不足，再進行替代改進，形成更新的方案。……⑥解決問題：通過最終方案，解決問題，得出結(jié)論、總結(jié)規(guī)律。

四、連續(xù)缺點——替代探究模式的應(yīng)用案例

下面通過兩個典型的初中物理探究實例，體會這種模式的運用：

1.案例一：探究“大氣壓強的測量”。

●問題：提出問題“如何測量大氣壓？”

●缺點1：通過覆杯實驗，引導(dǎo)學(xué)生想到可以用水槽中的覆杯內(nèi)水面高度，比較大氣壓大小。但是，水杯太矮，比較不出來。

●替代1：學(xué)生討論，用長玻璃管代替玻璃杯，用玻璃管中的水面高低，比較大氣壓大小。

●缺點2：通過實驗發(fā)現(xiàn)，玻璃管仍然長度不夠，還是比較不出。

●替代2：引導(dǎo)學(xué)生，考慮用密度大的水銀柱代替水柱，進行比較。

●解決問題：運用這種方法，也就是托里拆利的方法，測出了大氣壓的值。

2.案例二：探究“平面鏡成像的規(guī)律”。

●問題：提出問題“如何研究平面鏡成像規(guī)律？也即如何研究物體和像的位置關(guān)系？”

●缺點1：用點燃的蠟燭作為物體放在鏡前，可以看到鏡中蠟燭的像。但是，由于平面鏡不透明，就不知道像處在鏡后什么位置，也就不能測量出像的位置。

●替代1：引導(dǎo)學(xué)生討論，用透明的平面玻璃代替不透明的平面鏡。這樣，既可以看到鏡中所成的像，也可以看到鏡子后面的情況。

●缺點2：通過實驗發(fā)現(xiàn)，雖然可以從玻璃前面看到鏡中的像，但是從玻璃后面找不到這個像，由此得出平面鏡成的像是虛像。由于是虛像，也就無法直接測出像在鏡后的位置。

●替代2：引導(dǎo)學(xué)生討論，用另一只完全一樣的蠟燭放玻璃后面，與鏡中像的位置重合，這樣，通過測量第二只蠟燭的位置，就等于測出了像的位置。

●解決問題：運用這種方法，進行物體和像位置關(guān)系的測量和比較，最終得出平面鏡成像的規(guī)律：物體在平面鏡中成的是虛像，像的大小與物體大小相等，它們的連線與鏡面垂直，它們到鏡面的距離相等。

五、有關(guān)說明

通過上述應(yīng)用實例，我們可以得出如下結(jié)論：

1.“連續(xù)缺點——替代探究模式”告訴我們一種不斷地進行缺點改進的過程：通過不斷地進行缺點列舉、換元替代，找到最終方案，去解決問題。

2.在這一過程中，多次采用了“缺點列舉法”、“替代（換元）法”這兩種創(chuàng)造學(xué)技法。缺點列舉法的一般過程是：對于研究對象列舉缺點、挑毛病，然后根據(jù)這些缺點進行改進，從而解決問題。替代法的一般過程是：對于不便直接研究的問題，尋找替代物，通過研究替代物達到研究原來對象的目的。這兩種創(chuàng)造技法的有機結(jié)合，可以大大提高學(xué)生解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。

3.上述過程也是一個逐漸優(yōu)化和臻美推理的過程：通過連續(xù)的缺點列舉、連續(xù)的替代（不僅可以連續(xù)兩次，還可以連續(xù)多次），使方案逐漸優(yōu)化，逐漸完美，最終達到最優(yōu)化，從而解決問題。因此，這是一個“最優(yōu)化過程”，同時也體現(xiàn)了伽利略（Galileo Galilei，1564~1642）研究物體運動時所創(chuàng)立的“逐漸逼近方法”。

4.在上述過程中，通過不斷的缺點列舉和替代，使最初的研究問題或?qū)ο笞兂闪硪粋€問題或?qū)ο螅僮兂傻谌齻€問題或?qū)ο蟆?jīng)歷了多個問題、對象之間的轉(zhuǎn)換，最終變?yōu)榭梢灾苯友芯康膯栴}或?qū)ο螅@充分體現(xiàn)了精致證偽主義科學(xué)哲學(xué)家拉卡托斯（Imre Lakatos，1922~1974）科學(xué)研究綱領(lǐng)“問題轉(zhuǎn)換”的科學(xué)認(rèn)識論過程。

由此可見，早在一千九百年以前，蔡倫的科學(xué)思想和方法就已經(jīng)非常豐富多彩。我們由此借鑒而形成的“連續(xù)缺點——替代探究模式”，完全可以從多個思維角度培養(yǎng)學(xué)生各個方面的能力，從而為提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)起到十分積極的作用。

參考文獻：

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