摘要：青岛市初中物理学科“用中国古代科学家方法进行物理探究建模”的课题研究是教育部“十一五”子课题。将中国古代科学家在创造发明和发现中所运用的充满睿智的科学方法作为理论基础，本着费耶阿本德（Paul Feyerabend，1924―1994）“怎么都行”的方法论，通过演绎法，就可以建构出许多思维过程不同的探究模式。本篇介绍我们其中运用蔡伦“连续缺点――替代”方法所建构的“连续缺点――替代探究模式”，从而为物理教师的探究教学和学生的探究学习提供一种新的思维过程和探究工具。
关键词：物理探究教学；蔡伦；科学方法；连续缺点――替代探究模式
中图分类号：G633.7 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0170-02
一、蔡伦与造纸术的发明
蔡伦（约40至50~121），东汉器械制造家、造纸专家。
蔡伦在汉和帝时被封为尚方令，尚方令监督制造宝剑和其他器械，蔡伦在兼任这个职位时，对技术产生了兴趣，很快从一个技术门外汉变成了一个谙熟各项制造技术的专家。他所监制的宝剑和器物，件件精工坚巧，被后世的人们所效法。蔡伦的最大功绩，是发明和完善了造纸术，为整个人类作出了巨大贡献，被后人尊为造纸祖师。
当时，在造纸术发明之前，少数的字是写在丝绸类制品上的，而多数的字是写在由竹片制成的“简”或木片制成的“牍”上的。但是，这些字的载体都不理想。丝绸特别昂贵――一幅宽1.1米、长1米的丝织品，就要用9千克大米来换。而简、牍则非常笨重。每当蔡伦目睹这个现状时，就一直想用轻便的材料来代替。
一天，蔡伦在河边偶然看到人们把煮好的蚕丝铺在席子上，再放到水中去，用木棍把蚕丝敲烂，制成丝棉。丝棉晒干取下之后，席子上总留下一些薄薄的丝棉碎片。他觉得很新奇，就揭下一些，带回宫中。他发现，用它写字成书，比竹简轻多了，还比帛便宜。于是他认定这可能就是一种适于书写的载体。但是，丝棉也很贵重且产量很少，并且只是些碎片，形状还不规则，所以仍不理想。
但是，蔡伦却由此得到启发，经过向工匠请教和多次实验，终于在105年用生产丝棉的方法利用植物韧皮中提取的纤维，发明了“打浆”工艺，用比丝棉更廉价的麻皮、树皮、破布和废渔网等制成了实用的纸――“蔡侯纸”。这种纸在汉和帝的称赞和宣传下很快流传开来，成为中国“四大发明”之一。于是，整个世界为之改变！114年，汉安帝封蔡伦为龙亭侯，蔡侯纸也因此而得名。
二、蔡伦的“连续缺点――替代”方法
蔡伦发明蔡侯纸的故事，基本过程可描述如下：
简牍太重、丝绸太贵――用丝绵碎片代替――丝绵碎片仍然贵、产量少且是碎片――用植物纤维代替――制成“蔡侯纸”。
也就是说，解决问题时，发现原有方案的缺点，用替代的方法进行改进。若仍然发现不足，继续用替代的方法进一步改进……，直至方案最优化。可以用下列图示表示：
缺点1――替代1――缺点2――替代2――……
蔡伦的这种“连续缺点――替代”方法，可以使我们通过连续“缺点列举法”和“替代法”这两种创造技法，去不断改进和克服缺点，最终实现最优化。
三、“连续缺点――替代探究”模式
将蔡伦的“连续缺点――替代”方法运用到初中物理探究教学中，就形成了“连续缺点――替代探究模式”。
1.连续缺点――替代探究模式的思维程序：问题――缺点1――替代1――缺点2――替代2――……――解决问题
2.对上述思维程序的有关说明：
①问题：提出研究的问题。②缺点1：提出初步方案，然后通过缺点列举法找到初步方案的缺点和不足。③替代1：根据上述缺点，进行替代改进，形成新方案。④缺点2：再用缺点列举法，找到新方案中的不足。⑤替代2：根据上述不足，再进行替代改进，形成更新的方案。……⑥解决问题：通过最终方案，解决问题，得出结论、总结规律。
四、连续缺点――替代探究模式的应用案例
下面通过两个典型的初中物理探究实例，体会这种模式的运用：
1.案例一：探究“大气压强的测量”。
●问题：提出问题“如何测量大气压？”
●缺点1：通过覆杯实验，引导学生想到可以用水槽中的覆杯内水面高度，比较大气压大小。但是，水杯太矮，比较不出来。
●替代1：学生讨论，用长玻璃管代替玻璃杯，用玻璃管中的水面高低，比较大气压大小。
●缺点2：通过实验发现，玻璃管仍然长度不够，还是比较不出。
●替代2：引导学生，考虑用密度大的水银柱代替水柱，进行比较。
●解决问题：运用这种方法，也就是托里拆利的方法，测出了大气压的值。
2.案例二：探究“平面镜成像的规律”。
●问题：提出问题“如何研究平面镜成像规律？也即如何研究物体和像的位置关系？”
●缺点1：用点燃的蜡烛作为物体放在镜前，可以看到镜中蜡烛的像。但是，由于平面镜不透明，就不知道像处在镜后什么位置，也就不能测量出像的位置。
●替代1：引导学生讨论，用透明的平面玻璃代替不透明的平面镜。这样，既可以看到镜中所成的像，也可以看到镜子后面的情况。
●缺点2：通过实验发现，虽然可以从玻璃前面看到镜中的像，但是从玻璃后面找不到这个像，由此得出平面镜成的像是虚像。由于是虚像，也就无法直接测出像在镜后的位置。
●替代2：引导学生讨论，用另一只完全一样的蜡烛放玻璃后面，与镜中像的位置重合，这样，通过测量第二只蜡烛的位置，就等于测出了像的位置。
●解决问题：运用这种方法，进行物体和像位置关系的测量和比较，最终得出平面镜成像的规律：物体在平面镜中成的是虚像，像的大小与物体大小相等，它们的连线与镜面垂直，它们到镜面的距离相等。
五、有关说明
通过上述应用实例，我们可以得出如下结论：
1.“连续缺点――替代探究模式”告诉我们一种不断地进行缺点改进的过程：通过不断地进行缺点列举、换元替代，找到最终方案，去解决问题。
2.在这一过程中，多次采用了“缺点列举法”、“替代（换元）法”这两种创造学技法。缺点列举法的一般过程是：对于研究对象列举缺点、挑毛病，然后根据这些缺点进行改进，从而解决问题。替代法的一般过程是：对于不便直接研究的问题，寻找替代物，通过研究替代物达到研究原来对象的目的。这两种创造技法的有机结合，可以大大提高学生解决问题的能力，培养学生的创造力。
3.上述过程也是一个逐渐优化和臻美推理的过程：通过连续的缺点列举、连续的替代（不仅可以连续两次，还可以连续多次），使方案逐渐优化，逐渐完美，最终达到最优化，从而解决问题。因此，这是一个“最优化过程”，同时也体现了伽利略（Galileo Galilei，1564~1642）研究物体运动时所创立的“逐渐逼近方法”。
4.在上述过程中，通过不断的缺点列举和替代，使最初的研究问题或对象变成另一个问题或对象，再变成第三个问题或对象……经历了多个问题、对象之间的转换，最终变为可以直接研究的问题或对象，这充分体现了精致证伪主义科学哲学家拉卡托斯（Imre Lakatos，1922~1974）科学研究纲领“问题转换”的科学认识论过程。
由此可见，早在一千九百年以前，蔡伦的科学思想和方法就已经非常丰富多彩。我们由此借鉴而形成的“连续缺点――替代探究模式”，完全可以从多个思维角度培养学生各个方面的能力，从而为提高学生的科学素养起到十分积极的作用。
参考文献：
[1]中共中央宣传部宣传教育局，教育部基础教育司，科技部政策法规与体制改革司.中国古代100位科学家故事[M].北京：人民教育出版社、学习出版社联合出版发行，2006.
[2]查有梁.教育模式[M].北京：教育科学出版社，1999.
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