淺議探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的科學(xué)假說
——從兩個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)說起

史孝武 陳海深

(1.滕州市第二中學(xué)，山東 滕州 277599; 2. 廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

淺議探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的科學(xué)假說
——從兩個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)說起

史孝武1陳海深2*

(1.滕州市第二中學(xué)，山東 滕州 277599; 2. 廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

本文以“探究滑動(dòng)摩擦力大小”和“探究求合力的方法”兩個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)為載體,指出當(dāng)前探究式教學(xué)中的科學(xué)假說的應(yīng)用誤區(qū),并通過理論辨析,探討了科學(xué)假說在探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的正確理解和應(yīng)用．

探究式教學(xué)；科學(xué)假說；滑動(dòng)摩擦力大小；力的合成

實(shí)施新課程改革以來,探究式教學(xué)理念深入人心,不斷地改變著教師教的方式,也深深地影響到了學(xué)生學(xué)的方式．但從實(shí)踐結(jié)果來看,物理教學(xué)中的“偽探究”、“形式化探究”較普遍,這也嚴(yán)重扭曲了對科學(xué)本質(zhì)的正確理解．本文試圖針對“探究滑動(dòng)摩擦力大小”和“探究求合力的方法”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué),聚焦于探究式教學(xué)中的科學(xué)假說,討論怎么讓學(xué)生經(jīng)歷真正的探究過程．

1 科學(xué)假說概念辨析

科學(xué)假說是根據(jù)已知的科學(xué)知識(shí)和科學(xué)事實(shí),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(xué)理論思維的一種重要形式．恩格斯曾說,只要自然科學(xué)在思維著,它的發(fā)展形式就是假說．科學(xué)假說是自然科學(xué)思維發(fā)展的表現(xiàn)形式,它在自然科學(xué)研究中具有重要作用．科學(xué)假說是形成科學(xué)理論的先導(dǎo),同時(shí)亦是科學(xué)觀察、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo),是發(fā)展科學(xué)理論的必由之路．物理學(xué)史告訴我們,科學(xué)假說和科學(xué)理論相互演進(jìn),推動(dòng)了科學(xué)理論的不斷發(fā)展完善,給人類提供新的認(rèn)識(shí)視角和方法．

在科學(xué)探究的幾個(gè)基本要素中,科學(xué)假說亦稱猜想與假設(shè)，但它不等同于物理習(xí)題教學(xué)中的假設(shè)法．解題中的假設(shè)是一種關(guān)于條件的虛設(shè),而科學(xué)假說是關(guān)于解決問題過程中的一種猜測．通常的解題是在已有的知識(shí)范圍之內(nèi)對已有知識(shí)的一種運(yùn)用,并不伴隨新知識(shí)或新方法的產(chǎn)生,所以不具有“創(chuàng)新”的成分;而科學(xué)假說往往帶來一種新的概念、新的規(guī)律或新的方法,富有“創(chuàng)新”的成分．

科學(xué)假說也不等同于日常生活、工作中的假設(shè)．日常生活、工作中的假設(shè)指的是為了說明或解釋日常生活、工作當(dāng)中的某個(gè)問題而作出的猜測或設(shè)想．例如,工作日內(nèi)某位教師不在辦公室,首先會(huì)做出他在教室內(nèi)上課的假設(shè),如果教室內(nèi)沒有,則剛才的假設(shè)不成立,接著會(huì)做出新的假設(shè),比如這位教師是不是請假外出了等．這種思維方法一般不需要通過專門教育來獲取,一般人通過生活經(jīng)驗(yàn)積累就會(huì)具備．日常生活、工作的假設(shè)中并沒有新知識(shí)產(chǎn)生,并不需要科學(xué)教育來進(jìn)行訓(xùn)練;而科學(xué)假說并不是已有知識(shí)基礎(chǔ)可以確切說明的,在檢驗(yàn)過程中會(huì)帶有新知識(shí)的產(chǎn)生,科學(xué)假說才具有真正的教育價(jià)值[1]．

2 科學(xué)假說價(jià)值辨析

通過上述辨析,我們知道假設(shè)檢驗(yàn)是人類在遇到問題、解決問題時(shí)的基本思維,但如果科學(xué)教育僅僅停留在日常生活、工作假設(shè)的層次上,就沒有什么實(shí)質(zhì)性的價(jià)值．如有的教師把“探究滑動(dòng)摩擦力大小”設(shè)計(jì)成如下探究活動(dòng).

案例1：探究滑動(dòng)摩擦力大小.

(1) 提出問題.

影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素有哪些?

(2) 建立假說.

學(xué)生1:與壓力有關(guān)．生活中拉一輛車子,如果車子越重,則越費(fèi)勁．

學(xué)生2:與接觸面有關(guān)．生活中如果拉車子在沙地里運(yùn)動(dòng),要比在水泥路上費(fèi)勁．

……

(3) 檢驗(yàn)假說.

教師對學(xué)生的猜測進(jìn)行評價(jià)．

教師:大家的猜測都有一定的道理,但缺乏足夠的依據(jù)．我們需要更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碛?下面用彈簧測力計(jì)勻速地拉一個(gè)木塊在木板上運(yùn)動(dòng),彈簧測力計(jì)的示數(shù)等于滑動(dòng)摩擦力大小．改變木塊的質(zhì)量,看看彈簧測力計(jì)的示數(shù)怎么變化;然后在質(zhì)量不變的情況下,再把毛巾鋪到木板上,看看彈簧測力計(jì)的示數(shù)怎么變化．

……

這里,我們不禁要問:高一的學(xué)生早已有足夠的生活經(jīng)驗(yàn),邏輯地推演出壓力越大,滑動(dòng)摩擦力越大,接觸面越粗糙,滑動(dòng)摩擦力越大．教師還有必要讓學(xué)生提出這樣的假說并進(jìn)行檢驗(yàn)嗎?

這樣的科學(xué)探究教學(xué),徒有其表,為假設(shè)而假設(shè),只求形似未得神似．而在“探究滑動(dòng)摩擦力大小”實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)真正不足以解決的問題是“滑動(dòng)摩擦力與壓力、接觸面粗糙程度有什么樣的定量關(guān)系”．認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行假設(shè)、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、得出結(jié)論,才是有意義的.基于此,我們進(jìn)行了這樣的探究活動(dòng)設(shè)計(jì).

案例2: “探究滑動(dòng)摩擦力大小”再設(shè)計(jì).

(1) 提出問題.

滑動(dòng)摩擦力大小與哪些因素有關(guān)?

(2) 提出初步假說.

學(xué)生1:與壓力有關(guān)．生活中拉一輛車子,如果車子越重,則越費(fèi)勁．

學(xué)生2:與接觸面有關(guān)．生活中如果拉車子在沙地里運(yùn)動(dòng),要比在水泥路上費(fèi)勁．

……

(3) 繼續(xù)提出滑動(dòng)摩擦力大小的定量關(guān)系假說.

學(xué)生3:壓力越大,接觸面越粗糙,滑動(dòng)摩擦力越大,它們之間可能是相加的關(guān)系．

學(xué)生4:也有可能是相乘的關(guān)系啊,與壓力、粗糙程度成正比．

學(xué)生5:也可能是與它們的平方成正比.

……

(4) 檢驗(yàn)假說.

教師:我們需要一些證據(jù)來支持假設(shè)或者反駁假設(shè)．

引導(dǎo)學(xué)生在控制接觸面粗糙程度不變的情況下,改變壓力大小,采集多組數(shù)據(jù),畫出滑動(dòng)摩擦力大小Ff與壓力大小FN的圖像(如圖1)．

根據(jù)圖1,學(xué)生們顯然可以把學(xué)生3、5的假設(shè)排除,然后再控制壓力大小不變,學(xué)生可以自然地繼續(xù)得到滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面粗糙程度成正比的關(guān)系(如圖2)．最終可以發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)摩擦力大小的定量表達(dá)式．

圖1

圖2

與上述教學(xué)案例1相反,有時(shí)候應(yīng)該進(jìn)行科學(xué)假說的,卻被教師代勞了．例如有教師將“探究求合力的方法”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下.

案例3: 探究求合力的方法.

(1) 提出問題.

探究求互成角度分力的合力的方法．

(2) 實(shí)驗(yàn)前,要注意的幾個(gè)問題.

A: 保證橡皮筋的拉伸效果是相同的．

B: 合力和分立的方向是沿著拉線方向的,要把力的方向描在白紙上．

C: 合力和分立大小由彈簧測力計(jì)讀出,用力的圖示方法在白紙上畫出幾個(gè)力的箭頭．

(3) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.

提供的實(shí)驗(yàn)器材有:彈簧秤2個(gè)，橡皮筋1條,20cm細(xì)線1條(兩端打好套)、白紙1張、圖釘幾個(gè)、三角板1對.

學(xué)生討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟:用彈簧測力計(jì)拉橡皮條到同一點(diǎn);利用力的圖示分別把這兩組力畫出來;尋找它們之間的規(guī)律．

(4) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),并在白紙上畫出合力與分力的力的圖示．

(5) 得出結(jié)論.

教師:建議用虛線把合力的箭頭端分別與兩個(gè)分力的箭頭端連接,觀察它們的圖形關(guān)系．

各小組可以得到類似平行四邊形的圖形．于是,學(xué)生得出了合力與分力遵循平行四邊形定則這一結(jié)論．

上面的探究過程看上去包含了很多基本要素,例如設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、記錄數(shù)據(jù)、交流表達(dá)等．然而,正如同文獻(xiàn)[2]在研究阿基米德原理，浮力大小實(shí)驗(yàn)中指出,“關(guān)鍵的問題是人們一開始怎么會(huì)想到要設(shè)法去收集那一部分由于物體的浸入而被排擠開的液體呢?在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的故事中,這才是最具奧妙、最有魅力的一段．”[2]相同的道理,在本探究實(shí)驗(yàn)中最關(guān)鍵的問題是,我們一開始怎么會(huì)想到用虛線把合力的箭頭端分別與兩個(gè)分力的箭頭端連接呢?這樣的科學(xué)探究教學(xué),舍棄科學(xué)假說,就算保留了其他要素,那也是買櫝還珠、舍本求末了．認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)進(jìn)行假設(shè),當(dāng)已有的知識(shí)與新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)發(fā)生矛盾時(shí),新的假說便可能應(yīng)運(yùn)而生．基于此,我們進(jìn)行了這樣的探究活動(dòng)設(shè)計(jì).

案例4: 探究求合力的方法再設(shè)計(jì).

(1) 提出問題.

互成角度的分力與合力可能存在什么關(guān)系?

(2) 建立假說.

學(xué)生1:合力等于分力之和．

學(xué)生2:當(dāng)分力方向相反時(shí)候,合力等于大的分力減去小的分力．

……

(3) 檢驗(yàn)假說.

A: 用兩只彈簧測力計(jì)在豎直方向提起一個(gè)砝碼,讀數(shù)．

B: 讓兩個(gè)提砝碼的彈簧測力計(jì)有一定的夾角,讀數(shù)．

合力的大小不再等于兩分力的大小之和．

(4) 繼續(xù)提出新的假說.

在人教版普通高中物理必修1“時(shí)間和位移”這一章節(jié)中(教材13頁)對研究矢量相加的法則做了鋪墊(如圖3)．通過對圖3中的幾個(gè)位移有向線段位置關(guān)系的討論,學(xué)生會(huì)在拋棄原來分力相加法則的基礎(chǔ)上,勾畫圖形,繼續(xù)假設(shè)新的運(yùn)算關(guān)系．

……

圖3

3 科學(xué)假說與科學(xué)理論關(guān)系辨析

科學(xué)假說帶有或然性和推測性,其內(nèi)容有一定的科學(xué)依據(jù),但卻還沒有通過實(shí)踐來檢驗(yàn);而科學(xué)理論是通過實(shí)踐檢驗(yàn)并已經(jīng)顯示出自身正確性的理論．科學(xué)假說是一種“應(yīng)然”層面的東西,科學(xué)理論是一種“實(shí)然”層面的東西．

科學(xué)假說的提出和建立不是目的,目的在于建立科學(xué)理論,而科學(xué)理論可以達(dá)到對自然規(guī)律和本質(zhì)的深層次認(rèn)識(shí)．科學(xué)假說經(jīng)過理論檢驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn),向科學(xué)理論的方向轉(zhuǎn)化．科學(xué)假說向科學(xué)理論的轉(zhuǎn)化是一個(gè)不斷進(jìn)行充實(shí)、系統(tǒng)化的嚴(yán)格邏輯證明和證實(shí)證偽的過程．

在前面的案例3中,學(xué)生通過畫出力的圖示,連接箭頭就得到平行四邊形定則,所體現(xiàn)的仍然是經(jīng)驗(yàn)主義的科學(xué)觀和行為主義的學(xué)習(xí)觀．所做的探究活動(dòng),背后依然還是新課程改革之前“驗(yàn)證平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)的影子.基本上還是把科學(xué)理論當(dāng)成已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的、有了定論的客觀真理來教給學(xué)生的架式,在這種大的格局下,學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮筒襟E已被確定,學(xué)習(xí)活動(dòng)自然就剩下了使用儀器設(shè)備來觀察、測量獲取數(shù)據(jù),以便去證實(shí)科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)的科學(xué)真理．這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)也就成為了目標(biāo)和路線都明擺著的形式化探究．

況且,案例3中學(xué)生最終得到的“平行四邊形”就是得到了平行四邊形定則這一科學(xué)理論嗎?顯然不是.正如我們的案例4中所說的一樣,它還只是科學(xué)假說．這是學(xué)生通過新的實(shí)踐,有了新的認(rèn)識(shí),原先的理論(加法定則)不能解釋的新現(xiàn)象,這就需要提出新的假說(平行四邊形定則),從而試圖建立新的理論．實(shí)際上,科學(xué)理論的形成不正是在“科學(xué)假說—科學(xué)理論—新科學(xué)假說—新科學(xué)理論……”的道路上不斷發(fā)展的嗎?

基于此,我們對案例4繼續(xù)進(jìn)行了這樣的探究活動(dòng)設(shè)計(jì).

(4) 繼續(xù)建立新的假說.

合力和分力滿足平行四邊形圖形的關(guān)系.

(5) 繼續(xù)檢驗(yàn)假說.

教師:假說作為一種科學(xué)研究方法,在自然科學(xué)的發(fā)展中起著巨大的作用,它具有預(yù)見性．

圖4

學(xué)生:如果合力和分力滿足平行四邊形圖形的關(guān)系,把兩個(gè)分力(F1、F2)畫出來,用尺規(guī)作圖畫出的對角線(F)就應(yīng)該與真正的合力(F′)力的圖示重合才對,否則假設(shè)還是錯(cuò)誤的(如圖4)．

……

總之,在物理教學(xué)中滲透科學(xué)假說的思想方法是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的重要途徑．教師應(yīng)在對科學(xué)本質(zhì)的正確理解基礎(chǔ)上,營造和諧、民主的學(xué)習(xí)氛圍,選擇恰當(dāng)?shù)念}材,創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)膯栴}情境,讓學(xué)生大膽提出假說,展開反駁與辯護(hù),從而真正發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力．

1 葉建柱.物理探究式教學(xué)中的科學(xué)假說之辨析[J]. 課程·教材·教法, 2015(4):93-97.

2 羅星凱,李萍昌.探究式學(xué)習(xí):含義、特征及核心要素[J].教育研究,2001(12):52-56.

本文系廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目重點(diǎn)課題“探索理科師范生探究教學(xué)能力發(fā)展的培養(yǎng)體系構(gòu)建”(課題批準(zhǔn)號(hào):2016JGZ113)階段性成果．

2016-09-21)

* 通訊作者：陳海深，Email：hnchs503@163.com.