物理探究式教学中的科学假说之辨析.pdf

第 3 5 卷第 4 期 2 0 1 5 年 4月 课程 表材 旅 法 CURRI CULUM TEACHI NG MATERI AL AND METHOD Vo1 3 5 No 4 Ap r i l 2 0 1 5 物理探究式教 学 中的科 学假 说之 辨析 叶建柱 温州大学 物理与电子信息工程学院 浙江 温州 3 2 5 0 3 5 摘要 假设有 日常假设 工作假设和科学假设之分 科 学假设才称得上是假说 科学假设与 日常假设 工作假设具有本质区别 就是科学假说具有创新性 只有科 学假说才有教育价值 诱导假说 的方法很 多 经验归纳方法是最常用的方法 类比方法 探索性的演绎法也是常用的有效的诱导方法 而直觉和科学信念也是诱 导假说 的源泉 关键词 物理教 学 探究式 假说 中图分类号 G6 3 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 1 8 6 2 0 1 5 0 4 0 0 9 3 0 5 在我 国 倡导和实施探究式教学 已有 2 0年 左右时间了 其理念已经深入广大研究者和教师 心中 但是 从实践结果来看 我们仍然时有发 现科学探究徒有其表 只求形似未得神似的情 况 本文欲聚焦探究式教学 中的科学假说 来讨 论怎样让学生经历真正的科学探究的过程 一 科学假说 概念辨析 什么是 科学 假说 所谓科学假说 是指根据 已有 的事实陈述和 相关的科学理论 对未知事物或规律性所作 的猜 测性解释 所以在 全 日 制义务教育物理课程标 准 实验稿 阐述的科学探究七要素当中 与 此相关 的要素就是 猜想与假设 正是课程标 准使用 假设 一词 由此也带来了概念理解上 的问题 假设与假说相似 有些文献对假设 与假说是 不加 区别 的 西方哲学词典 说 假说 亦 称 假设 是对事物存在的原因或规律性作出 有根据的假定和说 明 如 关于天体演化 的假 说 关于大陆漂移的假说 等 假说是以事实 和科学知识为根据的 是人类认识接近客观真理 的方式和途径 是人类洞察世界的能力和智慧的 表现 但是 假说只是根据有限数量的事实 具 有推测 的性质 还有待于实践的经验和科学的论 证 它提供给人们的并不是可靠的知识 L 1 但是 细辨之下 我们认为假设与假说还是 应该加以区别 在中文里 假设 的意思要 比 假说 宽泛一些 现代汉语词典 解释 假 设 有三种意思 1 姑且认定 2 虚构 3 科学研究上对客观事物的假定的说明 假设 要根据事实提出 经过实践证明是正确的 就成 为理论 l 2 而 假说 就是与 假设 中的第 三 条意思相同 所 以 凡假说都是假设 而假设不 一 定是假说 科学假设才称得上是假说 把假设与假说进行各个层次上 的辨析对于科 学教育是很有必要的 因为我们发现 有不少教 师对 假说 概念的理解还不是非常准确 其 中 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 一l 1 作者简介 叶建柱 1 9 6 5 年生 浙江温州人 温州大学物理与电子信息工程学院教授 硕士 主要研究方向为科学教育 9 3 不乏含糊的认识 首先 是把 解题中的假设 与 科学探究 中的假设 混为一谈 很多教师 以为只要教学 中 经常使用假设方法 就可实现使学生掌握科学假 说方法的目标 可实际上 他们经常使用的是上 述第 1 或第 2 意义上的假设 比如 解题 中的假设方法 常常被一些作者等同于科学假设 方法 如有作者说 众所周知 假设法是科学研 究中的重要方法 在中学物理题中 也常常用到 假设法 用假设法解题 一般依据题意从某一假 设入手 然后运用物理规律得 出结论 3 显然 这里的假设不是上述 假设 之三种意思 中的第 三种意思即科学假设 而是第二种意思一 一 虚构 即虚设一个条件以方便解题 解题 中的假设 是一种 关于条件 的虚设 而 科学探究 中的假设 是关 于问题答案或解决 方案的一种猜测 也许它们都叫 假设 是因为 它们都是假拟的东西 是主观虚设的东西 但它 们有一个本质的区别 因为通常的 解题 是在 已有的知识范围之内对已有知识的一种运用 并 不伴随新知识或新方法或新技术的产生 所以不 具有 创新 的成分 而 科 学探 究 中的假设 往往带来一种新 的概念 新的规律或新 的方法 富有 创新 的成分 当然我们所谓 的 创 新 都是针对学生的原有知识状况而言的 利用 解 题 中的假设方法 的训练 不能有效地实现使学 生掌握科学假说方法 的目标 达不到培养学生创 新能力的 目的 其次 是把 日常假 设 工作假设 与 科学假设 混为一谈 在逻辑上 假设有 日常 假设 工作假设和科学假设之分 日常假设指的是为了说明或解释 日常生活当 中的某个问题而作出的猜测或设想 比如 晚上 突然电灯灭了 一般会首先作出停电的假设 就 会想到通过别人家的用 电情况来验证这个假设 如果别人家也没有电 就认为假设成立 如果别 人家有 电 停 电假设不成 立 就会作 出新 的假 设 比如假设家内电线路出问题 等等 这种思 维方法一般不需要通过专门教育来获取 一般人 通过生活经验积 累就会具备 心理学研 究证实 4岁以上幼儿 已经基本具 有假设检验能力 4 甚 至可 以说 某些动物也能够掌握这种思维方法 9 4 有外国动物学家对所养的猴子做试验 他常常把 糖块用纸包好后再给它们 有时他在纸包中放一 只活黄蜂 当它们急着打开纸包 时就被蛰到 了 只要经过这样一次之后 它们总是首先把纸放在 耳朵旁边 侦查一下其 中是否有任何 动静 5 猴 子就是这样思维的 假设纸包里面有黄蜂 那么 就会有动静 然后它就检验这个假设 工作假设是关于 日常工作过程 中为了说 明或 解释某个 问题而作 出的猜测或设想 如诊疗假 设 如果病人告诉医生肚子疼且腹泻 医生可能 首先假设他得急性肠炎 并开出大便化验单 如 果化验结果证实假设 就 开出治疗肠炎的处方 如果化验结果不证实肠炎 医生又需另作假设 工作假设与日常假设相比 除了所牵涉的知识基 础 需要通过专门教育来获取 大不相同以外 在思维方面没有其他什么特别两样之处 科学假设 其总体 或者说最粗略 的思维 模式与 日常假设 工作假设是一样的 都是 问 题 假设一检验 的模式 但这只是一个最外层 的模式 即表层结构 科学假设与 日常假设 工作 假设具有本质 区别 就是科学假说具有创新性 它不是已有知识基础可以确切说明的 在检验过 程中带有新知识 的产生 日常假设 工作假设并 不具备这一特征 并没有新知识产生 这种连动 物和幼儿都具有的思维 并不需要科学教育来进 行训练 只有科学假说才有教育价值 二 科学假说 价 值辨析 什么 时候 作 科学假说 通过上述辨析 我们已经知道假设检验的思 维是人类 甚至动物 在遇到问题 解决问题时 的基本 思维 如果科 学教育仅仅停 留在 日常假 设 工作假设 的层次上 就没有什么实质性的价 值 但是实际上有很多文献在讨论假说方法只局 限于此 科学探究徒有其表 为假设而假设 只 求形似未得神似 如有的教师把电阻并联后总电 阻跟 分 电 阻 的 大 小 关 系 设 计 成 如 下 的 探 究 活动 1 提 出问题 教师提 出问题 两个电阻并联后 的总电阻与 各个 分 电阻的 大 小关 系如 何 2 建立假 说 得 薹 R IR 2 R 2 借助逻辑推理而综合运用知识 表象和经验知 觉 迅速作出猜测 设想 判断的思维 引导 学生讨论 锻炼了物理说理的能力等等 但是我 在这里要强调 的是 不要理解成这是在训练学生 进行科学假说 因为如上文所作概念辨析知 科 学假说特征是创新性 没有创新性的假设 只有 形似而神不似 只有当学生的现有知识不足 以解 决当前问题时 引导学生进行假设 从而得出结 论 才是有意义 的 对科学假说训练而言 而 对于本节课 学生已有足够的前期基础知识可以 逻辑地推演 出结论 所 以即便 推演之前进行猜 测 也只不过是推演之前的热身罢了 相反 有时候应该进行科学假说的 却被教 师代劳了 比如 将阿基米德原理的教学方案作 如下设计 l 6 实验探 究 每两三个学生为一小组 每组先 给一 支弹簧秤 一只装 满水的烧杯 一个橡皮 塞 一条 细线 1 用所给器材试定性研究浮力的大小跟物 体排开水的多少的关系 2 与 其 他 小组 交 流 你 们 的做 法 和得 出的 结 论 3 与组 内的同学讨论如下问题 A 要定量研 究水 的浮力大小与物体排开水 的多少的关系 需要做什 么 B 若再 给你 一 个 量 筒和 一 只 溢 水杯 它 们 在你的实验探 究中能派上什 么用场 C 实验 中需要直接测量哪些物理量 4 在笔记本上写下简单的实验步骤 设计 实验记录表 并与其他 同学交流 5 在教师的参与和引导下 让全体学生设 计一个标准的实验步骤和实验记录表 在笔记本 上写出这个实验步骤 并完成如下空格的记录表 2的内容 表 2是一张空 白表格 此处略 6 进行 实验 把实验数据记录在表 2中 7 根据表 2中的实验数据 你能得 出什 么 结论 关 系式 换用其他液体 可以得到类似的关 系 这个 关系叫作阿基米德原理 浸在液体里的物体 受 到向上的浮力 浮力的大小等于物体排开的液体 受到的重力 即 F浮一G排 液 P g 在这里 我们首先声 明这个实验探究过程也 9 5 包含有若干探究的要素 比如 设计实验以及设 计数据记 录表 进行 实验并记 录数 据 分析 论 证 交流与表达等 我们也 同意某一次探究教学 过程不一定要包含所有探究要素 但是我在这里 要强调的是 在阿基米德原理这一内容的教学设 计上 舍弃 科学假说 就算保 留了其他要素 那也是买椟还珠 舍本求末了 罗星凯曾经一针 见血地指出 关键的问题是 人们一开始怎么会 想到要设法去收集那一部分由于物体的浸入而被 排挤开 的液体呢 在科学发现的故事 中 这才是 最具奥妙 最有魅力 的一段 这种最终能得到实 验证据支持 的假说就是通 向发现的护照 E 7 3 所 以 上述设计第 1 步就把这 最具奥妙 最有魅 力的一段 绕了过去 中学物理当中有很多内容是富含假说教育价 值的 那么何时作 科学假说 最有教育价值 呢 当学生已经有足够的知识基础来进行逻辑推 演 得出结论 就没必要提 出假说 提出假说 应该是在用已有经验和知识 当然教学 中指的是 学生当时的已有经验和知识 不足以得出逻辑结 论时才发生的 只有这种情况作假说 才有教育 价值 在进行 猜想与假设 探究点的设计上 应 该落点在现象或材料到结论 的过程之间 而非针 对所要考察的现象本身 比如 在 力 的合成 一 节的教学设计上 有教师作以下设计 8 请学生利 用两个弹簧秤 钩码 细绳 模拟 提 水 过 程 看 两 个 力 的 代 数 和 与 一 个 力 是 否 相等 1 1 用两只弹簧秤通过两个细绳差不 多 竖直 的提 起 一 个钩 码 读数 2 让 两个提钩 码 的弹簧秤有一定的夹角 读数 2 用一个弹簧秤提起钩码 读数 结论 矢量既有大小又有方向 当它们的方 向互成某一角度 时 合力大小不再等于两分力大 小之 和 即 F F Fz 根 据模 拟 实验 的结 果 猜 想 分 力与 合 力可 能 存在什么关系 学生可能猜 想 F F1 F2 实验 2 中两弹簧秤夹角大于 1 2 0 F F F 实 验 2 中两弹簧秤 夹角小于 1 2 0 F F1 F 实验 2 中两弹簧秤 夹角有大于 1 2 0 也有 9 6 小于 1 2 0 的 做 了多次 最直观 经验 究竟哪种猜想是正确的 学生通过模拟提水的实验 养成有根据地进 行科学猜想与假设的习惯 这个设计就把 猜想与假设 落点在了所要 考察的现象本身 应该是在观察到分力与合力之 间不是简单 的数值相加 或相减的关 系后 再 去 猜想与假设 分力 与合力之 间是一种怎样 的运 算关系 三 科学假说 方法辨析 怎样作 科学 假说 虽然假说形成 的过程与方法是复杂多样 的 既没有唯一的逻辑 通道 也无普适性机械程 序 此所谓教无定法 但是 不管通过什么途径 提出假说 总还是有一定的内在逻辑性可循的 此所谓教学有法 比如 在阿基米德定律的教学当中 应该在 提出假说环节下功夫 但是怎样提出假说可以有 不同的方法 可以是通过生活经验 让学生猜想 浮力大小与什么因素有关 然后讨论如何设计实 验去验证这些猜想 这是一条 比较受 中学教师欢 迎的路径 课堂气氛会比较热烈 还有一条路径 比较专业化 有人会认为不适合初 中学生 就 是利用规则 如正方体 物体计算浸没在液体 中 所受的浮力 大小 所用知识 在前面 已经学过 得出规则物体情况下 的结论 推广到任意形状物 体 这也是物理学 中提 出假说的常用方 法 然 后验证 这时如果还拿仪器站所提供的通常是圆 柱体的规则物体来做实验 就不合适了 但是我 们发现很多教师确实这么做 的 还有一条路径 就更加抽象了 就是利用等效替代法去分析受力 情况 发现物体所排开的那部分液体在原来位置 上所受浮力与物体所受浮力是一样的 而物体所 排开的那部分液体原来是处于平衡状态的 因而 浮力就与物体所排开的那部分液体所受的重力相 等 这条路径虽然抽象 但对于学业成绩 比较好 的学生来说 训练抽象思维的效果很好 肯定还 有一些其他路径有待中学教师的创新设计 无论 怎样 假说环节的文章做足了 想到要设法去 收集那一部分 由于物体 的浸入 而被排挤开 的液 体 就是水到渠成 的了 虽然试图建立一定的形成假说 的科学思维模 式 也许会是徒劳 因为假说的提出是多种复杂 因素交互 作用 的结果 有 时可能是一个 偶然事 件 但一般来说 假说的形成是有一定的逻辑基 础 的 或者总是有一定 的逻辑诱 因的 所以也还 有些方法可循的 由于这些方法与产生某一个假 说之间并无必 然的联 系 所 以我们 就把它称 为 诱导假说 的方法 教学中 让学生了解假说 形成的逻辑基础 掌握一些诱导假说的方法 对 于培养学生提 出假说的能力必定大有好处 在 中学物理当中 经验归纳方法是最常用的 方法 就是以经验 生活经验或者实验事实 为 基础形成假说 归纳在传统形式逻辑系统 中有两 种形态 完全归纳和不完全归纳 由于完全归纳 要求穷尽一类事物全部对象的情况 而通常满足 这一要求是相当困难 的 所以形成假说较多运用 的是不完全归纳 不完全归纳又包括简单枚举归 纳和科学归纳法 9 在运用不完全归纳的过程当中 我们发现很 多教师有这样的观念 就是尽可能多地举例 以 增加结论 的可信度 当然 如果只是简单枚举归 纳的时候 这种观念没有错 但是在 物理教学当 中 更重要的是运用科学归纳法 科学归纳法是 根据某类事物的部分对象的情况 并分析了此情 况的本质 从而推 出关于这一类事物的一般性结 论 的归纳推理 这种时候 作本质分析比尽可能 多地考查对象要重要得多 本质抓住 了 对象并 不需要多 本质没抓住 再 多的对象也不过就是 将科学归纳当作简单枚举归纳来用 就像前面提 到的阿基米 德定律 做 完水还要换其 他一种液 体 如果没有作本质分析 那么换一种液体是远 远不够的 相反进行了本质分析 只做一种水的 实验又何妨 此外 类 比方法 探索性 的演绎法也是常用 的有效的诱导方法 而直觉和科学信念也是诱导 假说的源泉 限于篇幅 本文就不再展开讨论了 参考文献 1 谭鑫田 西方哲学词典 M 济南 山东人民出版 社 1 9 9 2 2 1 o 一 2 1 1 E 2 中国社会科学院语言研究所词典编辑室 现代汉语 词典 2 0 0 2增 补本 s 北 京 商务 印 书 馆 2 0 02 6 0 8 6 09 3 3朱 巨天 假设 法 巧解光 学作 图 J 物理 教学 1 9 9 9 2 1 6 2 9 4 3杨春燕 张庆林 幼儿假设检验思维能力发展的实 验研究 J 西南师范大学学报 自然科学版 1 9 9 9 2 4 3 3 5 7 3 6 1 I 5 张浩 思维发生学 从动物思维到人的思维 M 北京 中国社会科学出版社 1 9 9 4 3 6 郑青岳 探究式学 习 动手做实验 I J 中学物理 教学参考 2 0 0 4 3 3 6 4 6 7 罗星凯 李萍昌 探究式学习 含义 特征及核心 要素 J 教育研究 2 0 0 1 1 2 5 2 5 6 E 8 杨 冲 力 的合 成 l E B OL h t t p we n k b a i d t u c o rn l i n k h t m 2 0 1 4 1 2 2 5 9 朱成全 徐祥运 形式逻辑学概论 I M 大连 东 北财经大学出版社 2 0 0 1 1 5 1 责任编辑 钮瑛 An a l y s i s o f S c i e n t i f i c Hy p o t h e s i s i n P h y s i c s I n q u i r y Te a c h i n g Ye J i a n z h u C o l l e g e o f P h y s i c s a n d El e c t r o n i c I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g We n z h o u Un i v e r s i t y We n z h o u Z h e j i a n g 3 2 5 0 3 5 C h i n a Ab s t r a c t As s u mp t i o n s i n c l