探究式物理課中的“猜想和論證”

《普通高中物理新課程標準》指出：“通過多樣化的教學方式，幫助學生學習物理知識與技能，培養其科學探究能力，使其逐步形成科學態度與科學精神”。通常探究式物理會以如下結構來實現這個理念：設置問題→提出假設→進行實驗→觀察現象→分析研究→抽出本質（規律）→得出結論。物理課要真正有效地開展探究，需要重視猜想和論證。所謂猜想就是提出假設，在已有的物理知識和經驗的基礎上，猜想決定某個物理量的因素有哪些（比如猜想與向心力大小有關的因素）、猜想因素間的定量關系（比如猜想向心力大小與半徑、質量、角速度定量關系的模型）。猜想是探究式學習的基礎，沒有猜想，探究學習的每一步既無方向又無內容，沒有任何意義。所謂論證就是分析證明猜想是正確還是錯誤，它是進行探究式學習主要的過程。尤其論證結果顯示猜想是錯誤的，更能加深知識理解和提升學習能力。可見，猜想為探究奠定了基礎、指明了方向，論證為探究提供了正負反饋，以證實、修正猜想。猜想和論證是探究式物理課的兩個基本要素。

一、探究式物理課中怎樣進行猜想

（一）營造猜想的條件

通常猜想的對象分為兩個層次：先猜想所探究的物理量與哪些物理量有關，再進一步猜想所探究物理量與那些物理量是什么定量關系。在猜想之前學習者對猜想點應該是：不知道（沒有一點信息）、不完全知道（有定性的相關因素信息但不完整）、不準確知道（不知道量于量間準確定量關系或表達式）。如果學習者在猜想之前就知道了需要猜的關系是什么，就很類似于已知了答案卻假裝不知道而去猜答案，當然一猜一個準，這樣的猜想毫無意義。假如教師也假裝不清楚學生知道與否而設置猜想點，就有為猜想而猜想進行假猜想的嫌疑，反而讓學習者誤認為：猜想是如此輕松，創新是如此簡單。但生活生產中的實際問題探究并非如此，猜想也并非如此，這樣會徹底把學習者排斥在探究問題的大門之外。那么怎樣根據學習者“不知道、不全知道、不準確知道”來猜想呢？

方法一：對所有學習者雖不知道但容易知道的問題可直接猜想。比如：在猜想“加速度與力、質量的關系”之前，學習者不了解其準確定量關系，但由于它是重點知識，教材、教輔、練習題目含有大量的學習內容，尤其學習習慣很好的學習者，很容易通過教材或教輔書知道。教師就有必要主動地取消對學習者的暗示，取消課前預習的環節等等進行直接猜想。

方法二：對于大眾都了解的常識性的知識，可深入到下一層次設置猜想。比如：對于哥白尼的“日心說”可以說人人都知道，就不能讓學習者猜想“是以地球為中心呢？還是以太陽為中心呢？”這種問題就可以深一層設置猜想，比如“地心說”、“日心說”的理由是什么？“日心說”正確的證據是什么？

方法三：對一個問題如果有部分學習者完全掌握了，也可以換一種方式進行猜想。比如：伽利略的“兩個鐵球同時著地”的知識人人都知道，但換成另一個問題“鵝毛與硬幣在真空中怎樣運動？”

（二）猜想的策略

1.在教師的引導下進行

探究式物理課對問題進行猜想，如果教師不給以引導，學習者就可能漫無目的地亂猜亂想，失去猜想環節的本來意義。因此教師要適時有效地進行引導。

操作一：指出猜想的原則，或者給猜想的思維框個范圍，或者直截了當給出猜想問題的前部分，引導學習者猜想其后半部分。比如：猜想向心加速度有關的物理量及關系時，教師需要根據物體做圓周運動的情境下，導向性地框個“有關物理量”的猜想范圍，再一步一步地引導學習者猜想向心加速度與“有關物理量”的具體關系。

操作二：比如：教科書上沒有講到“日心說”正確的證據，這是個非常好的猜想問題。通過提問進行啟發，激發學習者問題猜想的激情，運用懸念式提問，誘發學習者的想象力，觸及問題的本質，盡量讓學習者所猜想結果有正有反，有近有遠，為下一步論證提供多數量多角度的真假命題。

操作三：從物理量的關系上導向，可由因猜果，也可由果猜因。總之，在教師導向下猜想，模仿的機會多了，學習者會從中悟出一些門道，學會當遇到從未遇到的問題時，應提出一個什么樣的猜想才是有價值的。比如：猜想與斜拋的最大射程有關的物理量及其關系，就是典型的由果猜因的猜想過程；而猜想某星球能否留住大氣，就是典型的由因（某星球重力）猜果（某星球第一宇宙速度）的猜想過程。

2.在已有知識經驗上進行

（1）控制變量法。在物理規律探究學習中，運用控制變量法研究物理規律是極為常見的。首先要猜想該物理量與哪些因素應該是有關系的，當這些因素中其余因素均不變，只有一個因素變化引起所研究物理量的變化，于是就要猜想所研究物理量與該因素間是什么關系，什么函數，并在此函數基礎上猜想一個具體的類似y=kxn模型。

（2）守恒法。在物理規律的探究學習中，物理量守恒是一個非常重要的方向和方法。如果遇到一個從未遇到的物理量，也不妨根據以前學習到的守恒規律和守恒思維，猜想它的守恒問題。

（3）圖象法。在物理規律探究學習中，物理量與量的關系通常可以轉化為函數圖像，分析圖象的特征和走勢，可以從中猜想出它們是什么關系。比如根據簡諧運動的振動圖象的描點、平拋運動軌跡的描點，就可以猜想它們的運動規律應該是什么。

二、探究式物理課中怎樣進行論證

（一）取舍論證

首先需要對猜想進行篩選和取舍。將正確的猜想、較遠的猜想、較為殘缺的猜想、相左的猜想等一一點評，篩選出最好的猜想進一步論證。如果進一步論證是正確的，則進入下一步程序；如果進一步論證是錯誤的，或者是不全面的，就需要否定和修正前面的猜想，否定后又需要重新猜想。

（二）進一步論證

1.定性論證

定性論證主要是運用反證法和邏輯推理來進行。比如對電子繞核運動情形的猜想，根據以往的知識經驗猜想電子繞核做圓周運動，由此則推導出一個與事實不符的結論，證明猜想是錯誤的。定性論證的方法，不僅在科學上而且在生活中也經常運用，比如生活中質疑某一事件最常用的就是反證法。

2.定量論證

定量論證主要是利用數學運算和演繹推理，導出物理量與其有關因素的具體定量變化關系。比如在初中就知道動能與質量速度均為增函數關系，據以往的知識經驗，通常猜想動能為Ek=kmv。通過定量論證的推導過程和結論顯示，其猜想是錯誤的，動能應為Ek=1/2mv2。從功能原理導出動能定量，即外力做功與物體動能的變化定量關系；進一步導出系統外力做功與系統能量的變化關系；類似地還能導出：物體動量變化與受到沖量的定量關系。這些定量的推導論證，更能準確地論證我們對相關問題的假設。再比如：猜想地球能留住大氣而月球不能的原因（第一宇宙速度）也需要運用已知的數據和數學知識，對地球第一宇宙速度的值以及月球第一宇宙速度的值進行比較，才能論證其原因。

3.實驗論證

實驗論證主要是通過實驗具體測量物理量與其變化因素的定量數據，從數據中找出關系來論證前面的猜想、數學模型是否正確，或者從數據分析中得到啟發而進一步猜想。比如：鵝毛與硬幣在真空中的運動、向心力規律、焦耳定律等等都是典型的用實驗來論證猜想的過程。

綜上所述，探究式物理課中如果抓住猜想和論證這兩個環節，不斷提高猜想和論證的質量，學習者就能夠進行探究式學習以及探究實際問題，就抓住了培養探究能力、形成科學精神科學態度的核心和突破點。

（作者單位：邛崍市平樂中學，成都 611539）