物理学习强调学生的科学探究。假设作为科学探究的前提和重要环节,是学生根据已有的知识和经验,对所研究问题的规律、现象、结果及其产生的原因做出假定性的推测和解释。假设的建构是探究学习中的重要切入点。领悟假设的特性,科学地运用假设建构的策略,有助于学生建构有效的、高质量的假设。

一、假设的基本特性

高质量的假设必须同时具有三个基本特性:科学性、可验证性、预测性。

(一)科学性

科学的假设与已知事实之间有必然的逻辑联系和内在的一致性。假设的科学性主要体现在两方面:

第一,假设是合理的,用以假设的事实和理论虽不充分但真实可靠。比如,1922年,美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现,有些散射波的波长比入射波的波长略大,他认为,这是因为光子和电子碰撞时光子的一些能量转移给了电子。据此,康普顿大胆地提出了假设:光子和电子、质子这样的实物粒子一样,不仅具有能量,也具有动量,碰撞过程中能量守恒,动量也守恒。后来,康普顿应用守恒的思想列出方程,求出了散射前后的波长差,结果与实验测量的数据完全相符,证明了这一假设是合理的。第二,假设应与已证实的相关概念、原理、验证过的事实相符。新的假设应能解释已有事实,如果假设与其中的一个事实不符,那么这个假设就应抛弃或修正。中子的发现就是一个很好的例证。1914年,卢瑟福用阴极射线轰击氢原子,把氢原子的核外电子打掉得到了氢原子核,卢瑟福把它称为质子。卢瑟福根据氢原子的组成提出了原子结构的假设:各种元素的原子由一个带正电的质子组成的核和核外一群绕核旋转的电子组成。但很快他又发现,氦原子核带有两个单位正电荷,它的质量却是氢原子核的4倍,说明这个假设不正确。于是,他又提出了一个大胆的假设:在原子核中还存在有一种不带电的中性粒子,这种粒子的存在对于解释重元素的原子核的组成是必不可少的。他假设的粒子后来被波特和小居里夫妇在实验中发现了,查德威克用实验证实了卢瑟福的假设,这样,又一个基本粒子——中子诞生了。

(二)可验证性

假设可以构成某种假说,当假说一旦获得了科学实验的有力支持,假说就发展成科学的理论或学说,否则,假设就要被抛弃。因此,假设必须通过实验来证实或证伪。例如着名的“以太假说”19世纪初,麦克斯韦和他同时代的物理学家都觉得,在空无一物的空间可以传播电磁波是令人难以置信的,便假定有一种称为“以太”的介质充满于整个空间,并由它来传递电磁振动。后来,曾尝试过几十种模型,但都因在某一点上遇到困难而宣告失败。用直接试验的方法来确认存在着一个绝对的“以太”参考系的企图也失败了(其中,最着名的迈克耳逊—莫雷实验是打算测量地球相对于“以太”的运动速度的)。为了把一些实验结果与“以太”概念弥合起来,曾提出过各种假说,但每一种假说都被另一些实验所否定。迄今为止,没有任何证据说明“以太”的存在,物理学家们还在不停地探索着。

(三)预测性

二、假设的建构方法

物理学习中,学生运用已有的知识和技能建构新的假设,应该说是有法可循的。

(一)类比法

自然界中有许多研究对象和过程,都具有很好的对应性和相似性。因此,在研究过程中,人们常常借助类比的方法,把陌生的对象与熟悉的对象类比,把未知的东西与已知的东西类比,从中得到启迪而形成假设。类比假设可简单示意为表1。

【案例1】探究电荷间的作用力

法国科学家普利斯特利根据实验的结果,把电荷间的作用跟物体间的引力作了类比,猜测电荷间的作用力也遵守同一规律。这一类比假设可示意为表2。

运用库仑的扭秤实验来进行验证,进而可得出结论:电荷间的作用力与距离的平方成反比关系。

(二)归纳法

把在特殊情况下已经证明无误的规律或对部分对象(或过程)研究所得的结论,运用归纳推理的方法,推广到一般的情况中去,也是形成假设的一种重要方法。归纳假设可简单示意为表3。

【案例2】探究感应电流产生的条件

根据下页表4所示的实验事实,可归纳假设:只要通过闭合回路的磁通量发生变化,闭合电路中就会产生感应电流。验证实验是:电路同4,开关接通后,B中磁通量不变,无感应电流;当改变滑动变阻器触头的位置,B中磁通量发生了变化,有感应电流。由此得出结论:感应电流产生的条件是通过闭合回路的磁通量发生变化。

(三)演绎法

演绎式假设是一种将一般的认识或规律、原理运用于某一特殊的具体的场合或对象,并由此做出对未知事件的假设。演绎假设可简单示意为表5。

【案例3】探究人造地球卫星的发射速度

(四)模型法

物理现象、过程和本质大多是比较复杂的,我们常通过建构模型的方法来认识其规律。模型的建构有的需要首先建构假设,这一过程不仅能使学生清晰地认识知识结构本身,而且能深刻地领悟到,科学特别是自然科学的发展形式就是假设。

【案例4】探究原子结构模型

事实1:汤姆逊发现了电子。

模型1:1904年汤姆逊提出的原子枣糕镶嵌模型——假设原子带正电的部分像“流体”一样均匀分布在球型的原子体积内,而负电子刚好相连成环状嵌在球体的某些固定位置。

事实2:卢瑟福的α粒子散射实验结果。

模型2:1911年卢瑟福提出的原子核式结构模型——在原子的中心有一个很小的核,叫原子核。原子的全部正电荷和绝大部分质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。

事实3:卢瑟福的模型与原子长期稳定发生了矛盾,原子辐射出的能量是不连续的线状光谱的实验事实。

模型3:1913年玻尔提出了原子的壳层同心模型,其中包括三个假设——定态假设、跃迁假设、轨道假设。

事实4:玻尔模型不能解释高速运动的电子具有波动特性的许多实验事实。

模型4:电子云模型。

从模型1到模型4,一次又一次地假设、实验验证,最终演变、发展,形成了现代物质结构学说,这样的过程,正如恩格斯所概括的那样,“一个新的事实被观察到了,它使得过去用来说明和它同类的事实的方式不适用了。从这一瞬间起,就需要新的说明方式了——它最初仅仅以有限数量的事实和观察为基础。进一步的观察材料会使这些假设纯化,取消一些,修正一些,直到最后纯粹地构成定律”。

总之,假设既是一种自由的尝试,又是一种严谨的创造。教师要善于抓住机会,积极创设良好的探究情景,立足于学生学习与思维的特点,不断鼓励学生通过类比、归纳、演绎、模型等方法,提高假设建构的有效性,进而收获一种习惯,成为一种意识,养成一种能力