一、问题的提出

猜想与假设是科学探究中的重要环节,是学生解决物理疑难问题时重要的科学思维方法。猜想与假设是对所研究的问题根据已知事实和科学知识的一种猜测性陈述,对问题中事物的因果性、规律性的假定性解释,是科学思维的一种形式。猜想与假设作为重要的思维方法,在物理学中的作用举足轻重。

在初、高中物理学习的过程中,学生体验了在科学探究中“猜想与假设”的魅力。“猜想与假设”是科学探究的第二个步骤,是通向真理的桥梁,为科学探究指明了前进的方向。教师引导学生在遇到疑难的物理问题时,要科学大胆地进行猜想与假设,如假设物理情境、物理条件、物理过程、物理结论,突破常规的思维方法,逐步培养学生科学素养和综合分析问题的能力。

二、猜想与假设的作用

1.培养学生的发散思维

在科学探究的过程中,一些科学家的成功表明,他们的创造力在关键时刻往往不是来自逻辑推理,而是来源于联想和灵感,也就是直觉和想象力。

伽利略从教堂吊灯摆动的现象中获得灵感,即吊灯每次摆动所用的时间可能是一样的,从而产生一种冲动或者叫做激情。这种不可遏制的情感就是创新的冲动。教学中也有类似的情形。学习电压表后,课后练习中介绍了怎样自制电池,即把两片不同的金属插在酸、碱、盐的溶液中,两片金属就是电池正负极。课后学生马上就有了如此“奇思妙想”:把金属片插入酸、碱、盐混合溶液中,制成的电池电压也许会更高。为了用实验验证自己的猜想,该学生带来了一个用盐水和醋的混合溶液制成的电池和另一个只用盐水制成的电池,实验测量后,结果显示用混合溶液制成的电池电压反而更低。在教师讲解了有关化学知识以后,学生才恍然大悟。虽然该学生的猜想没有得到验证,但他敢于猜想,发散思维得到培养。

2.熏陶学生的美感

世界上事物都是有规律、有秩序的,同时又具备简洁对称、和谐之美的特征。因此,在学习分子热运动时,适时引导学生联系家庭、学校、社会都是由人这个最小单位组成的,每个人都在不停地忙碌着,人与人之间或亲近、或疏远,存在着相互吸引、相互排斥的关系,进而猜想物体内部分子的运动情况及相互作用,可使学生领略微观世界和宏观世界的和谐统一。又如,在研究减小摩擦的方法时,提出问题后让学生回忆增大摩擦的方法,即增大压力,使接触面粗糙,变滚动为滑动等;然后让学生对这些方法作相反的思考,从而提出减小摩擦的猜想,即为减小压力,使接触面光滑,变滑动为滚动等。这正是利用了事物具有对称性的特征。

3.提高处理信息的能力

猜想与假设能培养学生信息收集能力和处理能力,还能使学生通过各种信息的处理,保持对自然界的好奇心,对大自然有亲近、热爱、和谐相处的情感。以“蒸发”这节课为例,课堂上学生搜集有关加快蒸发的信息。搜集途径很多:根据观察的现象或日常生活经验、查阅资料、上网查询……搜集的信息五花八门,有晒衣服的做法,人体体温恒定的原因,可使湿手很快变干的热风干燥器……对这些信息运用科学研究方法中的分类法进行分类处理,可分为三类,即提高液体温度的实例、增大液体表面积的实例、加快液体表面气流的实例,从而建立了蒸发可能与温度、液体表面积、空气流速有关的假设。

三、猜想与假设在科学探究中的魅力

1.回眸历史情境中的猜想与假设

在物理学发展的历史进程中,有许多物理学家成功地利用了猜想与假设的方法,得出了一个又一个伟大的物理规律,学生可从中领悟猜想与假设的魅力。

(1)伽利略的理想斜面实验

情境1:科学思维和科学方法是认识世界的基本手段。在研究和解决问题过程中,不仅需要相应的知识,还要注意运用科学方法。理想实验有时更能深刻地反映自然规律。伽利略假设了一个理想实验,如图1所示。

猜想与假设的魅力

模拟伽利略与小球的一段对白,在这段对话中学生可领悟到科学方法的重要性。

伽利略:小球先生,假设没有摩擦,你会爬上什么高度呢?

小球:我会搭乘梦想的阶梯一步一步往上爬,直到爬上原来的高度。

伽利略:如果我减小右斜面的倾角,你还要去原来的高度吗?

小球:梦想有多高,我就可以爬多高,只是我要走的路程更长了。

伽利略:如果我继续减小右斜面的倾角呢?

小球:我心已决,只是又多了一段山高水长之程。

伽利略:如果我把右斜面放平,你还会为了自己的梦想而前行吗?

小球:路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。既然选择了高度,留给世界的便只能是孤独的背影。

(2)伽利略的自由落体运动

情境2:日常生活的经验告诉我们,重的物体下落总是比较快。比如树上的一个苹果和一片树叶同时从同一高度掉下来,一定是苹果先落地。所以在16世纪以前,以亚里士多德为代表的学者认为物体下落的快慢由物体的重量决定,物体越重下落越快。由于亚里士多德在各方面的突出成就,人们将他的观点奉为经典,当时的教科书上这样写,众多学者也认同。虽然也有人表示怀疑,但由于教会利用他的结论,进行神化处理,所以大家都不敢对这一观点发出公开的质疑。直到文艺复兴时期,才由伽利略通过推理的方法研究下落运动的规律并公开发表。之后,伽利略也因他的着作而受到教会的迫害,被判处终身监禁,着作也被列为禁书。

猜想与假设的魅力

假设亚里士多德的观点是正确的,那么用绳子把两块石头连在一起,由于总体的重量大于任一石头,其下落速度应大于任一石头单独下落的速度;另一方面,用绳子连在一起的两块石头毕竟仍是分开运动的,大石头运动得快,小石头运动得慢,大石头必然会被小石头“拖后腿”,使总体的运动速度小于大石头单独运动的速度。用同一观点分析同一问题却得到完全矛盾的两个结论,说明亚里士多德的观点是错误的。

(3)牛顿的万有引力定律

情境3:为了验证地面上的重力与地球吸引月球、太阳吸引行星的力是同一性质的力,遵守同样的规律,牛顿做了着名的“月地检验”。基本想法是假设重力和星体间的引力是同一性质的力,都与距离的二次方成反比关系,那么月球绕地球做近似圆周运动的向心加速度就应该是地面重力加速度的,因为月心到地心的距离是地球半径的60倍。

猜想与假设的魅力

牛顿根据月球的周期和轨道半径,计算了月球围绕地球做圆周运动的向心加速度为

两个结果十分接近,在误差范围内这两种方法求得的向心加速度相同,牛顿的猜想得到了检验:地球对地面物体的引力与天体间的引力,本质上是同一种性质的力,遵循同一规律。

2.学生探究实验中的猜想与假设

猜想与假设是科学探究活动中思维最活跃、最能激发学生学习热情的重要一环。由于学生的知识、经验、能力不同,对问题的认识也就不同,就会提出各自不同的看法和假设。在探究活动中,要让学生在一个开放的环境中,充分发挥主观能动性,发掘独立思考和自主创新的能力。

(1)类比猜想法

类比猜想法是把陌生与熟悉的对象类比,把未知的与已知的类比,从中得到启迪而提出猜想,形成假设的一种方法。

探究1:在“探究弹性势能的表达式”活动中,教师通过引导学生思考达到猜想的目的。下面是相关的教学片断,请欣赏猜想与假设的魅力。

师:如何研究弹性势能呢?通过“重力势能”的学习对你有什么启发?

生:在讨论重力势能的时候,我们从重力做功的分析入手。现在讨论弹性势能,能不能从弹力做功的分析入手。在探究弹性势能的表达式时,可以参考对重力势能的讨论。

师:重力势能与那些因素有关呢?

生:重力势能与物体被举高的高度h有关,所以弹性势能很有可能与弹簧被拉伸的长度L有关。

师(追问):有什么样的关系?(给学生提供各种不同的弹簧)

学生拉各种弹簧,会有不同体验。可能有学生提出正比关系,弹簧拉伸长度越大,弹簧的弹性势能应该越大,但对于同一个弹簧,拉的越长,所用的力就越大。而举起同一个重物,所用的力并不随高度变化。因此,应该不会是正比关系,可能是平方关系,也可能是三次方的关系……

师:用不同的弹簧拉伸相同的长度,弹性势能一样吗?

生(进一步拉弹簧体验):弹性势能还和弹簧的“软硬”有关,即劲度系数k有关。

师(总结):弹性势能与弹簧的拉伸长度(不是正比关系)和劲度系数有关。

感悟:类比法是从特殊到特殊的逻辑过程。虽然类比的逻辑根据可能不充分,结论可靠性较小,但创造性很大,有利于培养学生的创造性思维。

(2)演绎猜想法

演绎猜想法是把已知的一般原理(理论)运用于某一特殊的、具体的研究对象上,并由此作出对未知事件的猜测或假设的一种方法。

探究2:“探究平抛运动的规律”教学片断

师:平抛运动可分解为哪两个方向的运动?

生:水平方向和竖直方向。

师:那么,水平方向和竖直方向的运动是什么性质的运动呢?请根据牛顿第二定律推测。

师:两位同学分别从理论上推测出水平方向是匀速运动,竖直方向是自由落体运动,这样的推测对吗?下面请同学们设计实验来检验。

感悟:用演绎法引导学生猜想,方向明确,可以节省探究时间,提高教学效率,同时培养学生的逻辑推理能力。

(3)归纳猜想法

归纳法是通过对一些个别经验事实和感性材料进行概括和总结,从中得出一般结论、原理、公式等的一种逻辑推理方法,也是提出猜想、形成假设的一种比较重要的方法。

探究3:探究“

弹力”教学片断

师:人坐在沙发上,沙发凹下去,发生形变。手拉橡皮筋,橡皮筋伸长,发生形变。拉开的弓、拍打的皮球、拧紧的发条、吹胀的气球等都发生了形变。这些现象说明了什么呢?

生:物体受力时,都会产生形变。

师:书放在桌面上,桌面发生了形变吗?

生:发生形变。

师:我们怎么没看见桌面发生形变?

生:桌面的形变很微小,眼睛是看不见的。

师:对!有些物体的形变很明显,肉眼可以直接看见;有些很微小,需要借助仪器将其“放大”才能观察到。下面通过实验来观察玻璃瓶发生的微小形变。

感悟:对学生来说,培养归纳推理能力非常重要,因为学生正处于学习物理的初级阶段,往往不自觉地凭借个别现象去认识物理规律。因此,要让学生从熟悉的、典型的具体例子中,感知升华为抽象的理解。高中物理学中的许多定律和公式都是运用归纳法总结出来的。

(4)直觉猜想法

直觉作为一种思维方式,也称非逻辑思维,属于创造性思维,是一种缺乏完整的分析过程与逻辑程序的思维方式;它依靠灵感或顿悟迅速理解并作出判断和结论。直觉猜测、直觉假设都是直觉思维的形式。

探究4:“牛顿第一定律”教学片断

师:将小车放在斜面上,放手让小车滑下,运动到水平面上后,能一直运动下去吗?

生:不会。

师:猜想小车在水平面上前进的距离与哪些因素有关?

生甲:斜面坡度。

生乙:水平面的阻力。

生丙:小车质量。

生丁:小车起始高度。

师:如果要研究小车在水平面上前进的距离和所受阻力的关系,如何设计研究方案?

感悟:小车到达水平面后不会一直运动下去。在水平面上前进的距离与斜面坡度、水平面的阻力、小车质量、起始高度有关都是学生凭生活经验直觉猜想的。直觉猜想是一个不成熟的结论,它必须经过严密的逻辑论证和实验检验。在物理教学中,创设实验情境、提供原始问题、拓宽知识面等,都有利于培养直觉思维能力。

总之,在探究的活动中要引导学生多动脑、多思考,善于提出问题,在“猜想与假设”中学会“探究”,在“探究”中学会“猜想与假设”,在成功的“猜想”中享受喜悦,在错误的“猜想”中学到知识,从而提高学生的科学素养