羅建美

(武義縣實(shí)驗(yàn)中學(xué) 浙江 武漢 321200)

1 問(wèn)題的提出

猜想與假設(shè)是科學(xué)探究中的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生解決物理疑難問(wèn)題時(shí)重要的科學(xué)思維方法.猜想與假設(shè)是對(duì)所研究的問(wèn)題根據(jù)已知事實(shí)和科學(xué)知識(shí)的一種猜測(cè)性陳述，對(duì)問(wèn)題中事物的因果性、規(guī)律性的假定性解釋，是科學(xué)思維的一種形式.猜想與假設(shè)作為重要的思維方法，在物理學(xué)中的作用舉足輕重.

在初、高中物理學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生體驗(yàn)了在科學(xué)探究中“猜想與假設(shè)”的魅力.“猜想與假設(shè)”是科學(xué)探究的第二個(gè)步驟，是通向真理的橋梁，為科學(xué)探究指明了前進(jìn)的方向.教師引導(dǎo)學(xué)生在遇到疑難的物理問(wèn)題時(shí)，要科學(xué)大膽地進(jìn)行猜想與假設(shè)，如假設(shè)物理情境、物理?xiàng)l件、物理過(guò)程、物理結(jié)論，突破常規(guī)的思維方法，逐步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和綜合分析問(wèn)題的能力.

2 猜想與假設(shè)的作用

2.1 培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維

在科學(xué)探究的過(guò)程中，一些科學(xué)家的成功表明，他們的創(chuàng)造力在關(guān)鍵時(shí)刻往往不是來(lái)自邏輯推理，而是來(lái)源于聯(lián)想和靈感，也就是直覺(jué)和想象力.

伽俐略從教堂吊燈擺動(dòng)的現(xiàn)象中獲得靈感，即吊燈每次擺動(dòng)所用的時(shí)間可能是一樣的,從而產(chǎn)生一種沖動(dòng)或者叫做激情.這種不可遏制的情感就是創(chuàng)新的沖動(dòng).教學(xué)中也有類似的情形.學(xué)習(xí)電壓表后，課后練習(xí)中介紹了怎樣自制電池,即把兩片不同的金屬插在酸、堿、鹽的溶液中，兩片金屬就是電池正負(fù)極.課后學(xué)生馬上就有了如此“奇思妙想”：把金屬片插入酸、堿、鹽混合溶液中，制成的電池電壓也許會(huì)更高.為了用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的猜想，該學(xué)生帶來(lái)了一個(gè)用鹽水和醋的混合溶液制成的電池和另一個(gè)只用鹽水制成的電池，實(shí)驗(yàn)測(cè)量后，結(jié)果顯示用混合溶液制成的電池電壓反而更低.在教師講解了有關(guān)化學(xué)知識(shí)以后，學(xué)生才恍然大悟.雖然該學(xué)生的猜想沒(méi)有得到驗(yàn)證，但他敢于猜想，發(fā)散思維得到培養(yǎng).

2.2 熏陶學(xué)生的美育

世界上事物都是有規(guī)律、有秩序的，同時(shí)又具備簡(jiǎn)潔對(duì)稱、和諧之美的特征.因此，在學(xué)習(xí)分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)，適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系家庭、學(xué)校、社會(huì)都是由人這個(gè)最小單位組成的，每個(gè)人都在不停地忙碌著，人與人之間或親近、或疏遠(yuǎn)，存在著相互吸引、相互排斥的關(guān)系，進(jìn)而猜想物體內(nèi)部分子的運(yùn)動(dòng)情況及相互作用，可使學(xué)生領(lǐng)略微觀世界和宏觀世界的和諧統(tǒng)一.又如，在研究減小摩擦的方法時(shí)，提出問(wèn)題后讓學(xué)生回憶增大摩擦的方法，即增大壓力，使接觸面粗糙，變滾動(dòng)為滑動(dòng)等;然后讓學(xué)生對(duì)這些方法作相反的思考，從而提出減小摩擦的猜想，即為減小壓力，使接觸面光滑，變滑動(dòng)為滾動(dòng)等.這正是利用了事物具有對(duì)稱性的特征.

2.3 提高處理信息的能力

猜想與假設(shè)能培養(yǎng)學(xué)生信息收集能力和處理能力，還能使學(xué)生通過(guò)各種信息的處理，保持對(duì)自然界的好奇心，對(duì)大自然有親近、熱愛(ài)、和諧相處的情感.以“蒸發(fā)”這節(jié)課為例，課堂上學(xué)生搜集有關(guān)加快蒸發(fā)的信息.搜集途徑很多:根據(jù)觀察的現(xiàn)象或日常生活經(jīng)驗(yàn)、查閱資料、上網(wǎng)查詢……搜集的信息五花八門(mén)，有曬衣服的做法,人體體溫恒定的原因,可使?jié)袷趾芸熳兏傻臒犸L(fēng)干燥器……對(duì)這些信息運(yùn)用科學(xué)研究方法中的分類法進(jìn)行分類處理，可分為三類，即提高液體溫度實(shí)例、增大液體表面積的實(shí)例、加快液體表面氣流的實(shí)例，從而建立了蒸發(fā)可能與溫度、液體表面積、空氣流速有關(guān)的假設(shè).

3 猜想與假設(shè)在科學(xué)探究中的魅力

3.1 回眸歷史情境中的猜想與假設(shè)

在物理學(xué)發(fā)展的歷史進(jìn)程中，有許多物理學(xué)家成功地利用了猜想與假設(shè)的方法，得出了一個(gè)又一個(gè)偉大的物理規(guī)律，學(xué)生可從中領(lǐng)悟猜想與假設(shè)的魅力.

(1)伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)

情境1：科學(xué)思維和科學(xué)方法是認(rèn)識(shí)世界的基本手段.在研究和解決問(wèn)題過(guò)程中，不僅需要相應(yīng)的知識(shí)，還要注意運(yùn)用科學(xué)方法.理想實(shí)驗(yàn)有時(shí)更能深刻地反映自然規(guī)律.伽利略假設(shè)了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，如圖1所示.

圖1

猜想與假設(shè)的魅力

模擬伽利略與小球的一段對(duì)白，在這段對(duì)話中學(xué)生可領(lǐng)悟到科學(xué)方法的重要性.

伽利略：小球先生，假設(shè)沒(méi)有摩擦，你會(huì)爬上什么高度呢？

小球：我會(huì)搭乘夢(mèng)想的階梯一步一步往上爬，直到爬上原來(lái)的高度.

伽利略：如果我減小右斜面的傾角，你還要去原來(lái)的高度嗎？

小球：夢(mèng)想有多高，我就可以爬多高，只是我要走的路程更長(zhǎng)了.

伽利略：如果我繼續(xù)減小右斜面的傾角呢？

小球：我心已決，只是又多了一段山高水長(zhǎng)之程.

伽利略：如果我把右斜面放平，你還會(huì)為了自己的夢(mèng)想而前行嗎？

小球：路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索.既然選擇了高度，留給世界的便只能是孤獨(dú)的背影.

(2)伽利略的自由落體運(yùn)動(dòng)

情境2：日常生活的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，重的物體下落總是比較快.比如樹(shù)上的一個(gè)蘋(píng)果和一片樹(shù)葉同時(shí)從同一高度掉下來(lái)，一定是蘋(píng)果先落地.所以在16世紀(jì)以前，以亞里士多德為代表的學(xué)者認(rèn)為物體下落的快慢由物體的重量決定，物體越重下落越快.由于亞里士多德在各方面的突出成就，人們將他的觀點(diǎn)奉為經(jīng)典，當(dāng)時(shí)的教科書(shū)上這樣寫(xiě)，眾多學(xué)者也認(rèn)同.雖然也有人表示懷疑，但由于教會(huì)利用他的結(jié)論，進(jìn)行神化處理，所以大家都不敢對(duì)這一觀點(diǎn)發(fā)出公開(kāi)的質(zhì)疑.直到文藝復(fù)興時(shí)期，才由伽利略通過(guò)推理的方法研究下落運(yùn)動(dòng)的規(guī)律并公開(kāi)發(fā)表.之后，伽利略也因他的著作而受到教會(huì)的迫害，被判處終身監(jiān)禁，著作也被列為禁書(shū).

猜想與假設(shè)的魅力

假設(shè)亞里士多德的觀點(diǎn)是正確的，那么用繩子把兩塊石頭連在一起，由于總體的重量大于任一石頭，其下落速度應(yīng)大于任一石頭單獨(dú)下落的速度；另一方面，用繩子連在一起的兩塊石頭畢竟仍是分開(kāi)運(yùn)動(dòng)的，大石頭運(yùn)動(dòng)得快，小石頭運(yùn)動(dòng)得慢，大石頭必然會(huì)被小石頭“拖后腿”，使總體的運(yùn)動(dòng)速度小于大石頭單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的速度.用同一觀點(diǎn)分析同一問(wèn)題卻得到完全矛盾的兩個(gè)結(jié)論，說(shuō)明亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的.

(3)牛頓的萬(wàn)有引力定律

猜想與假設(shè)的魅力

牛頓根據(jù)月球的周期和軌道半徑，計(jì)算了月球圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度為

物體在地球表面的重力加速度為g=9.8 m/s2.若把這個(gè)物體移到月球軌道的高度，其加速度也應(yīng)是月球的向心加速度值

兩個(gè)結(jié)果十分接近，在誤差范圍內(nèi)這兩種方法求得的向心加速度相同，牛頓的猜想得到了檢驗(yàn)：地球?qū)Φ孛嫖矬w的引力與天體間的引力，本質(zhì)上是同一種性質(zhì)的力，遵循同一規(guī)律.

3.2 學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)中的猜想與假設(shè)

猜想與假設(shè)是科學(xué)探究活動(dòng)中思維最活躍、最能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的重要一環(huán).由于學(xué)生的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、能力不同，對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)也就不同，就會(huì)提出各自不同的看法和假設(shè).在探究活動(dòng)中，要讓學(xué)生在一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境中，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，發(fā)掘獨(dú)立思考和自主創(chuàng)新的能力.

(1)類比猜想法

類比猜想法是把陌生與熟悉的對(duì)象類比，把未知的與已知的類比，從中得到啟迪而提出猜想，形成假設(shè)的一種方法.

探究1：在“探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式”活動(dòng)中，教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生思考達(dá)到猜想的目的.下面是相關(guān)的教學(xué)片斷，請(qǐng)欣賞猜想與假設(shè)的魅力.

師：如何研究彈性勢(shì)能呢？通過(guò)“重力勢(shì)能”的學(xué)習(xí)對(duì)你有什么啟發(fā)？

生：在討論重力勢(shì)能的時(shí)候,我們從重力做功的分析入手.現(xiàn)在討論彈性勢(shì)能,能不能從彈力做功的分析入手.在探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式時(shí)，可以參考對(duì)重力勢(shì)能的討論.

師：重力勢(shì)能與那些因素有關(guān)呢？

生：重力勢(shì)能與物體被舉高的高度h有關(guān)，所以彈性勢(shì)能很有可能與彈簧被拉伸的長(zhǎng)度L有關(guān).

師(追問(wèn))：有什么樣的關(guān)系？(給學(xué)生提供各種不同的彈簧)

學(xué)生拉各種彈簧，會(huì)有不同體驗(yàn).可能有學(xué)生提出正比關(guān)系，彈簧拉伸長(zhǎng)度越大，彈簧的彈性勢(shì)能應(yīng)該越大，但對(duì)于同一個(gè)彈簧，拉的越長(zhǎng)，所用的力就越大.而舉起同一個(gè)重物，所用的力并不隨高度變化.因此，應(yīng)該不會(huì)是正比關(guān)系，可能是平方關(guān)系，也可能是三次方的關(guān)系……

師：用不同的彈簧拉伸相同的長(zhǎng)度，彈性勢(shì)能一樣嗎？

生(進(jìn)一步拉彈簧體驗(yàn))：彈性勢(shì)能還和彈簧的“軟硬”有關(guān)，即勁度系數(shù)κ有關(guān).

師(總結(jié))：彈性勢(shì)能與彈簧的拉伸長(zhǎng)度(不是正比關(guān)系)和勁度系數(shù)有關(guān).

感悟：類比法是從特殊到特殊的邏輯過(guò)程.雖然類比的邏輯根據(jù)可能不充分，結(jié)論可靠性較小，但創(chuàng)造性很大，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維.

(2) 演繹猜想法

演繹猜想法是把已知的一般原理(理論)運(yùn)用于某一特殊的、具體的研究對(duì)象上，并由此作出對(duì)未知事件的猜測(cè)或假設(shè)的一種方法.

探究2：“探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”教學(xué)片斷

師：平拋運(yùn)動(dòng)可分解為哪兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)？

生：水平方向和豎直方向.

師：那么，水平方向和豎直方向的運(yùn)動(dòng)是什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)呢？請(qǐng)根據(jù)牛頓第二定律推測(cè).

生甲：在水平方向Fx=0，根據(jù)牛頓第二定律，加速度ax=0，推測(cè)水平方向的分運(yùn)動(dòng)是勻速運(yùn)動(dòng).

生乙：在豎直方向Fy=mg，根據(jù)牛頓第二定律，加速度ay=g，而且豎直方向的初速度為零，推測(cè)豎直方向的分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng).

師：兩位同學(xué)分別從理論上推測(cè)出水平方向是勻速運(yùn)動(dòng)，豎直方向是自由落體運(yùn)動(dòng)，這樣的推測(cè)對(duì)嗎？下面請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn).

感悟：用演繹法引導(dǎo)學(xué)生猜想，方向明確，可以節(jié)省探究時(shí)間，提高教學(xué)效率，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力.

(3) 歸納猜想法

歸納法是通過(guò)對(duì)一些個(gè)別經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和感性材料進(jìn)行概括和總結(jié)，從中得出一般結(jié)論、原理、公式等的一種邏輯推理方法，也是提出猜想、形成假設(shè)的一種比較重要的方法.

探究3：探究“彈力”教學(xué)片斷

師：人坐在沙發(fā)上，沙發(fā)凹下去，發(fā)生形變.手拉橡皮筋，橡皮筋伸長(zhǎng)，發(fā)生形變.拉開(kāi)的弓、拍打的皮球、擰緊的發(fā)條、吹脹的氣球等都發(fā)生了形變.這些現(xiàn)象說(shuō)明了什么呢？

生：物體受力時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生形變.

師：書(shū)放在桌面上，桌面發(fā)生了形變嗎？

生：發(fā)生形變.

師：我們?cè)趺礇](méi)看見(jiàn)桌面發(fā)生形變？

生：桌面的形變很微小，眼晴是看不見(jiàn)的.

師：對(duì)!有些物體的形變很明顯，肉眼可以直接看見(jiàn)；有些很微小，需要借助儀器將其“放大”才能觀察到.下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察玻璃瓶發(fā)生的微小形變.

感悟：對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，培養(yǎng)歸納推理能力非常重要，因?yàn)閷W(xué)生正處于學(xué)習(xí)物理的初級(jí)階段，往往不自覺(jué)地憑借個(gè)別現(xiàn)象去認(rèn)識(shí)物理規(guī)律.因此，要讓學(xué)生從熟悉的、典型的具體例子中，感知升華為抽象的理解.高中物理學(xué)中的許多定律和公式都是運(yùn)用歸納法總結(jié)出來(lái)的.

(4) 直覺(jué)猜想法

直覺(jué)作為一種思維方式，也稱非邏輯思維，屬于創(chuàng)造思維，是一種缺乏完整的分析過(guò)程與邏輯程序的思維方式;它依靠靈感或頓悟迅速理解并作出判斷和結(jié)論.直覺(jué)猜測(cè)、直覺(jué)假設(shè)都是直覺(jué)思維的形式.

探究4：“牛頓第一定律”教學(xué)片斷

師：將小車放在斜面上，放手讓小車滑下，運(yùn)動(dòng)到水平面上后，能一直運(yùn)動(dòng)下去嗎？

生：不會(huì).

師：猜想小車在水平面上前進(jìn)的距離與哪些因素有關(guān)？

生甲：斜面坡度.

生乙：水平面的阻力.

生丙：小車質(zhì)量.

生?。盒≤嚻鹗几叨?

師：如果要研究小車在水平面上前進(jìn)的距離和所受阻力的關(guān)系，那么如何設(shè)計(jì)研究方案.

感悟：小車到達(dá)水平面后不會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去.在水平面上前進(jìn)的距離與斜面坡度、水平面的阻力、小車質(zhì)量、起始高度有關(guān)都是學(xué)生憑生活經(jīng)驗(yàn)直覺(jué)猜想的.直覺(jué)猜想是一個(gè)不成熟的結(jié)論，它必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的邏輯論證和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn).在物理教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境、提供原始問(wèn)題、拓寬知識(shí)面等，都有利于培養(yǎng)直覺(jué)思維能力.

總之，在探究的活動(dòng)中要引導(dǎo)學(xué)生多動(dòng)腦、多思考，善于提出問(wèn)題，在“猜想與假設(shè)”中學(xué)會(huì)“探究”，在“探究”中學(xué)會(huì)“猜想與假設(shè)”，在成功的“猜想”中享受喜悅，在錯(cuò)誤的“猜想”中學(xué)到知識(shí)，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).