陳海深 劉劍鋒

(1. 廣西師范大學物理科學與技術學院,廣西 桂林 541004； 2. 贛南師范大學物理與電子信息學院,江西 贛州 341000)

對猜想與假設的質(zhì)疑是科學探究的“催化劑”
——以探究“不聽話”的小紙團為例

陳海深1劉劍鋒2

(1. 廣西師范大學物理科學與技術學院,廣西 桂林 541004； 2. 贛南師范大學物理與電子信息學院,江西 贛州 341000)

利用身邊簡易器材,在一個真實問題情境中以探究“不聽話”的小紙團為案例,讓學生經(jīng)歷提出猜想、質(zhì)疑猜想、設計實驗方案、驗證猜想等科學探究核心環(huán)節(jié),并通過對猜想的質(zhì)疑與批判,實質(zhì)性的“催化”和推動科學探究過程的不斷發(fā)展和深入,真正意義上培養(yǎng)學生的科學質(zhì)疑與批判精神,從而提高學生的科學素養(yǎng)．

高師本科教學改革； 職前科學教師培養(yǎng)； 猜想與假設; 質(zhì)疑; 科學探究

1 引言

猜想與假設亦稱科學假說,它是根據(jù)已知的科學知識和科學事實,對未知自然現(xiàn)象及其規(guī)律性所作的推測性解釋和說明,是自然科學理論思維的一種重要形式．恩格斯曾說,只要自然科學在思維著,它的發(fā)展形式就是假說．猜想與假設是自然科學思維發(fā)展的表現(xiàn)形式．它是形成科學理論的先導,同時亦是科學觀察、科學實驗的先導,是發(fā)展科學理論的必由之路．科學假說和科學理論相互演進,推動了科學理論的不斷發(fā)展完善,是人類在遇到問題、解決問題時的基本思維方法．

在知識的探索過程中,除了科學知識外,還應培養(yǎng)學生提出猜想與假設的能力,考察學生提出猜想的根據(jù)是否充分,證據(jù)是否確鑿,方法是否規(guī)范．聚焦于猜想與假設的質(zhì)疑與批判,不僅是科學探究過程推進的“催化劑”,而且能從真正意義上幫助學生重構(gòu)新知識,使探究活動更好地體現(xiàn)科學的本質(zhì),更有利于提高學生的科學素養(yǎng)．因此,開發(fā)培養(yǎng)學生提出猜想與假設的能力以及培養(yǎng)批判與質(zhì)疑精神的探究活動是很有必要的.

本文介紹一個在真實問題情境下利用簡易器材開發(fā)的探究式教學案例,希望能夠引發(fā)更多教師的關注和思考．

2 利用簡易器材,創(chuàng)設問題情境

圖1

教師:今天先請大家用一張紙揉成一個比瓶子口小的紙團,把一個瓶子(如塑料飲水瓶)水平放置,然后把紙團放在瓶口,再對著瓶口吹氣,大家在做實驗之前先猜一猜,紙團會進去嗎?(該實驗最早來源于科學小實驗的書籍,是吹葡萄酒瓶塞,筆者為取材方便起見將其改成紙團)．

3 “催生”動手實驗,猜想“五花八門”

一位學生說:“按常理會吹進去,但你這樣問，我想肯定進不去了!”教師笑著說:“挺聰明的,不過最后可得由實驗結(jié)果來說話．全班一下子活躍起來,很多學生發(fā)現(xiàn)紙團被吹出來,而且越用力吹,紙團往外跑得越快．學生們都被這個奇怪的現(xiàn)象吸引了．不少人還從不同的角度吹,用不同大小的紙團吹,很熱鬧．

接著學生以小組為單位圍繞“是什么原因讓紙團往外跑而不往瓶里跑?”開始討論,教師提出要求:先提出你們覺得可能的猜想,然后各小組選一人做代表匯報．教師將大家的猜想逐一列出來．

猜想1:往瓶內(nèi)吹氣,氣體通過紙團與瓶口間縫隙進入瓶內(nèi),使飲料瓶內(nèi)氣壓增大許多,從而把紙團壓出來.我們把持有這種觀點的稱為瓶內(nèi)壓強增大說．

猜想2:吹氣時,進入瓶內(nèi)的氣流遇到瓶底后反彈(或在瓶口就反彈),氣流返回,紙團就被向外推.我們把持有這種觀點的稱為氣流反彈說．

猜想3:吹氣時紙團外面流速大,壓強小,里面流速小,壓強大,形成由內(nèi)向外的壓強差,從而把紙團擠出來.我們把持有這種觀點的稱為伯努利原理說．

猜想4:向瓶內(nèi)吹氣后,瓶內(nèi)氣體充滿了就向外溢,就把小紙團沖出來了．

猜想5:原來瓶內(nèi)的氣體是冷空氣,從人口腔吹出的氣體是熱空氣,進入瓶內(nèi)后使氣體發(fā)生膨脹,把紙團壓出來．

還有其他無關猜想……

4 引發(fā)質(zhì)疑批判,排除“無關”猜想

提了這么多猜想,到底哪個是對的呢?有些學生忍不住討論起來,有些干脆又做起了實驗．這時教師說話了:猜想對不對,應該設法去驗證．但是真正的科學研究活動并不會馬上去設計實驗逐一檢驗各個猜想,而應該嘗試把猜想歸類,并考慮通過推理來排除某些猜想．

通過分析，不難發(fā)現(xiàn)猜想1與猜想4應該是一樣的,只不過猜想1是用物理語言來分析,猜想4是用生活化語言來分析．這很容易得到大家的一致贊同．猜想1與猜想3都認為是內(nèi)外壓強差造成的,是否也可以歸為一類呢?仔細分析會發(fā)現(xiàn),猜想1是瓶內(nèi)壓強增大后大于外界壓強才形成了壓強差,而猜想3其實是指外界壓強由于氣體流動而減小,因而瓶內(nèi)壓強大于瓶外壓強,其實瓶內(nèi)壓強沒有變,因而這兩個猜想不能合并．對于猜想5,多數(shù)學生提出不大可能,因為體內(nèi)呼出的氣體到達瓶內(nèi)時,溫度比周圍空氣溫度高不了多少,不可能產(chǎn)生這么大的壓強差,特別是夏天進行探究時,周圍空氣溫度甚至還高于體內(nèi)呼出的氣體溫度．而且作驗證也不難,只要用吹風機的冷風擋去吹就行了．因此，猜想5起碼不應該是優(yōu)先檢驗的猜想,可加以刪去,我們可先重點討論剩下的猜想1、2和猜想3．

5 競相設計實驗,檢驗“可能”的猜想

如何驗證這些猜想呢?新一輪討論又開始了,各組學生都在熱烈地討論著．教師本想讓大家先討論實驗方案,可沒想到學生們在討論的同時就開始動手做起了實驗,這時教師沒有打斷學生們的實驗,而是加入到了解各組的實驗方案中去了．

方案1:在瓶底開了小孔,然后再做實驗．結(jié)果發(fā)現(xiàn)當孔較小時,紙團還是會被吹出來,如果孔開大一些,或干脆把瓶底剪掉,那么紙團會被吹進瓶里面去．

方案2:在瓶身側(cè)面開孔,再進行實驗．與方案1結(jié)果類似,當孔較小時,紙團會吹出來,孔大一些則會被吹進去．

方案3:不直接對著瓶口吹氣,而是與瓶子垂直沿瓶口切線吹氣．實驗結(jié)果不穩(wěn)定,有的能將紙團吹出,有的不能將紙團吹出．

方案4:將空簽字筆桿(或吸管)伸入瓶內(nèi)吹氣,輕輕一吹就能將紙團吹出．

方案5:將空簽字筆桿(或吸管)對準紙團吹氣,輕輕吹就能將紙團吹進瓶內(nèi)．或?qū)⒆齑矫蚱饋聿市∏蛑行?集中氣流吹,也能將紙團吹進瓶內(nèi)．

經(jīng)過剛才深入各組了解情況,教師發(fā)現(xiàn)大部分學生的檢驗方案往往是圍繞猜想3展開．有些是想尋找支持猜想3的證據(jù),而有些則想尋找否定猜想3的依據(jù)．

6 聚焦“可能”猜想,缺乏“確鑿”證據(jù)

那么，方案3的實驗結(jié)果為什么不穩(wěn)定呢?學生經(jīng)過仔細討論會發(fā)現(xiàn),其實人吹氣時氣流是向四周擴散開的,雖然看起來是垂直瓶口吹氣,其實氣流還是有向瓶內(nèi)流動的可能．還有就是有時紙團所放的位置靠外,部分露在瓶口之外,氣流會直接作用在它上面,使它出來．因此,為嚴格地控制變量,有的實驗組學生建議應該利用吸管等辦法來吹氣,以便約束氣流的方向,故紙團不能露出瓶口．根據(jù)改進后的實驗方案進行檢驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)紙團幾乎靜靜地呆在瓶口不動．

有意思的是,持不同觀點的學生對實驗證據(jù)的認可度并不一樣．認為是瓶內(nèi)壓強增大或氣體在瓶內(nèi)反彈的學生認為方案1、2和5的實驗現(xiàn)象完全可以推翻猜想3,其理由是如果是因為流速大壓強小的原因,那么這3個方案中紙團在瓶外側(cè)的氣流速度一直是大于紙團瓶口內(nèi)側(cè)的速度,因此,實驗現(xiàn)象應該與最初的現(xiàn)象一樣,紙團應該被吹出瓶外;方案3改進后的實驗結(jié)果更加否定了猜想3,至于方案5則從另一個角度支持了猜想1或2．而支持猜想3的學生則不同,有些在證據(jù)面前改變了自己的觀點,轉(zhuǎn)而支持其他猜想．但仍有一些學生堅持猜想3,他們認為方案1和方案2改變了實驗環(huán)境,就像將紙團放在桌子上一吹就會飛出去一樣,不足為據(jù);而方案4則是因為吸管對準紙團中間吹氣,氣流作用面積太小,流速太大,可能會造成氣流的沖擊力太大,才造成紙團進入瓶內(nèi)的； 方案5則說明氣流進去能使紙團出來,并不能否定猜想3； 至于方案3是另一種情況,但還是無法否定猜想3．

7 從“定性”伯努利,導航“定量”伯努利

圖2

為最終否定猜想3,教師提示可以通過計算求出氣流對紙團沖擊力及由于內(nèi)外流速差造成的壓力差．由于無論紙團是什么形狀,其實驗現(xiàn)象都相同．因此,為計算方便,可以將紙團設想成一個小立方塊,其表面積為S,當密度為ρ的氣流以速度v垂直其表面撞擊時,如果假設撞擊后氣流速度變?yōu)?,則由動量定理可計算出氣流的撞擊力F撞為ρSv2,如果有氣流反彈的話則這個撞擊力會更大,但反彈速度不可能超過v,撞擊力也就不可能超過2ρSv2．當人體呼氣時,肺部氣體壓強p肺內(nèi)應大于大氣壓強p0,且可近似看作肺內(nèi)氣體流速為0,由氣體伯努利方程p+ρv2/2=常量=p肺內(nèi)，可估算出紙團受氣流沖擊處壓強為p=p肺內(nèi)-ρv2/2,則由于前后表面壓強差造成紙團受到的向瓶外的壓強差Δp=p0-p=p0-p肺內(nèi)+ρv2/2<ρv2/2,壓力差ΔF<ρSv2/2.由此可見,氣流撞擊力近似為由于流速造成的壓力差的2倍還多,因此猜想3被否定(學生僅在初中定性學習過伯努利原理,教師在此處補充或讓學生通過查找資料掌握其定量關系)．

8 猜想質(zhì)疑“再發(fā)酵”,實驗設計“再探究”

圖3

有學生由此會有新的疑問產(chǎn)生:既然吹氣時氣流的撞擊力大于流速原因產(chǎn)生的壓力差,那么為什么往漏斗里吹氣時,乒乓球能被吸住呢?有的學生提出由于漏斗吹氣口處的截面積很小,雖然氣流對乒乓球直接撞擊的壓強較大,但撞擊的面積較小,其撞擊力并不大,一旦氣流進入喇叭口內(nèi),氣流將沿乒乓球表面流動,流動方向近似為其沿其表面的切線方向,因此對其表面的直接撞擊作用就很小了,此時由于乒乓球上下表面流速差造成的壓強差雖然相對較小,但其作用面積卻遠大于漏斗吹氣口處氣流的直接撞擊面積,因此其產(chǎn)生的向上壓力差反而大于漏斗口氣流的撞擊力與乒乓球重力之和,于是乒乓球就能被“吸”在漏斗口(如圖3所示)．因此,如果沒有喇叭口而只有一個與乒乓球一樣大的吹氣口,則乒乓球不可能被吸住,于是有學生立即想到用喝奶茶的吸管吹乒乓球,結(jié)果乒乓球沒能被“吸”住．

在排除了猜想3后,如何判斷猜想1、2的正確性呢?大家經(jīng)討論后認為,這兩種猜想都有道理．首先,吹氣時,肯定會有氣流進入瓶內(nèi),造成瓶內(nèi)氣體增多,但瓶子容積幾乎不變(即使用玻璃酒瓶也是一樣的實驗現(xiàn)象),因此瓶內(nèi)氣體壓強必然會增大．至于反彈說，部分小組認為也有道理,因為吹氣時能明顯感覺到一股氣流往外沖,故紙團被吹出瓶口是瓶內(nèi)氣體壓強增大與氣流反彈共同的作用效果．但到底是在瓶底部反彈還是瓶口反彈呢?部分組學生對此設計了兩個檢驗方案．一個方案是在瓶側(cè)身切兩個口,分別伸入輕柔的餐巾紙條,吹氣后觀察紙條晃動情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩紙條均會晃動．另一個方案是吸一口煙,再向瓶口吹氣,利用煙霧在瓶內(nèi)的分布情況來判斷,結(jié)果瓶內(nèi)煙霧非常淡,現(xiàn)象并不明顯,改往瓶內(nèi)放入大量的輕小碎紙屑,發(fā)現(xiàn)紙屑運動也沒有什么規(guī)律可言．此外,還有學生考慮加長飲料瓶身長度或換用大瓶(如大可樂瓶,甚至是飲水機上裝礦泉水的大瓶),結(jié)果紙團仍會出來．結(jié)合這些實驗現(xiàn)象,有部分學生猜想是:氣流不大可能有明確的流動軌跡,很可能隨吹入氣流的角度不同而不同,氣流進入瓶內(nèi)后會受到瓶身、瓶底等的多次沖擊作用,其反射氣流應該非常紊亂．此外,瓶內(nèi)原有氣體受排擠后也會流動形成氣流,但最終會匯成一股氣流沖向瓶口,并將紙團帶出．

9 “兩類猜想”均可能,“波粒二性”終統(tǒng)一

探究到這里,那么猜想1與猜想2到底哪個更好呢?看來要想否定其中的一個猜想還得有更充分的證據(jù)．課堂的氣氛僵持不下,誰也不能說服誰,這時教師示意大家安靜下來.當探究進行到已知和未知問題的邊界處時,我們已經(jīng)常常習慣于一個所謂的“標準答案”的判決,但在真實的科學探究過程中,科學家由于證據(jù)不夠,只好讓這些猜想并存,只有等到收集到更多證據(jù)的時候才可能進一步去排除某些猜想,甚至最后發(fā)現(xiàn)兩種猜想其實本質(zhì)上是一樣的.例如大家熟悉的光的波動說和粒子說最后被愛因斯坦統(tǒng)一為光子說,所以教師希望學生們繼續(xù)去尋找證據(jù)．

10 文獻研究“很重要”,水錘效應“再導航”

就在大家面對兩類猜想“黔驢技窮”時,教師及時介紹到:我在進行相關文獻查閱時發(fā)現(xiàn)了一種與本實驗類似的水錘效應．水流在正常流動的過程中,如果由于某種原因,水管突然被堵住(如人為地迅速關上閥門),流動的水猛地撞擊閥門,從而產(chǎn)生一個極大的沖擊力,并產(chǎn)生一個反彈的壓力波向四周傳遞,造成水管所受壓力急劇增大,我們把這種效應稱為“水錘效應”．理論計算表明，從大約6.3m/s的水流在被阻礙瞬間能產(chǎn)生約8.8MPa的壓強,在生產(chǎn)實踐中,2m的落差可以產(chǎn)生接近90m的升高壓力．因此,在缺電的邊遠山區(qū),人們常常利用水錘效應生產(chǎn)的水錘泵,把水運到高處供人、畜飲水或灌溉用．

根據(jù)文獻[2]中提供的公式Δp=cρv(其中c為壓力波在空氣中傳播的速度,即聲速,ρ為流體密度)，還可估算出由于氣流反彈而產(chǎn)生的類似水錘效應附加的壓強．如果從這個方面來理解,氣流反彈說更科學．

當然,真正的探究就是在即將結(jié)束的時候已經(jīng)解決了一部分原有的問題,但同時還會留下繼續(xù)探索新問題的空間．例如根據(jù)公式Δp=cρv實際估算出由于氣流反彈而產(chǎn)生的類似水錘效應附加的壓強大小,或者尋找到新的有力證據(jù)推翻氣流反彈說．

11 結(jié)語

科學探究通過猜想與假設的質(zhì)疑與批判和設計實驗方案,互相“推波助瀾”,不斷地“催化”和“發(fā)酵”，推動科學探究過程的不斷發(fā)展和深入，這樣“曲折探索”的過程既使學生感受到“山窮水 盡疑無路”時的茫然，又有互相啟迪時“柳暗花明 又一村的”的希望，真正意義上培養(yǎng)學生的科學 質(zhì)疑與批判精神、猜想與假設的能力以及設計實 驗方案的能力等，從而有效地提高學生的科學素 養(yǎng)．而這些靠單純的講授往往是較難培養(yǎng)的．令 筆者印象最深的一幕是一位女學生，當面對證據(jù) 不得不放棄她自己深信不疑而一直堅持的猜想時，竟然難過得流下了眼淚，這種強烈的科學情 感體驗也是在其他教學方式中很難出現(xiàn)的．

1 陳海深．橫看成側(cè)影豎看影無蹤[J]．物理教師， 2016，(4)：47-49．

2 王國平，張澤京．液壓水錘泵原理及其應用[J]．水利 水電快報，2003，24(5)：22-25．

3 李富林等．氣量增加段塞流場中壓力波傳播特性分析 [J]．油氣地質(zhì)與采收率，2004，11(5)：78-82．

2017-02-12)

本文為廣西高等教育本科教學改革工程項目重點課題“探索理科師范生探究教學能力發(fā)展的培養(yǎng)體系構(gòu)建”(批準號:2016JGZ113)和江西省教育科學“十二五”規(guī)劃立項課題“不同學習方式對職前科學教師探究教學能力培養(yǎng)的影響研究”(批準文號:15ZD3LYB003)的階段性成果．