浅议探究式实验教学中的科学假说——从两个力学实验说起

史孝武 陈海深

(1.滕州市第二中学，山东 滕州 277599; 2. 广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004)

浅议探究式实验教学中的科学假说
——从两个力学实验说起

史孝武1陈海深2*

(1.滕州市第二中学，山东 滕州 277599; 2. 广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004)

本文以“探究滑动摩擦力大小”和“探究求合力的方法”两个力学实验为载体,指出当前探究式教学中的科学假说的应用误区,并通过理论辨析,探讨了科学假说在探究式实验教学中的正确理解和应用．

探究式教学；科学假说；滑动摩擦力大小；力的合成

实施新课程改革以来,探究式教学理念深入人心,不断地改变着教师教的方式,也深深地影响到了学生学的方式．但从实践结果来看,物理教学中的“伪探究”、“形式化探究”较普遍,这也严重扭曲了对科学本质的正确理解．本文试图针对“探究滑动摩擦力大小”和“探究求合力的方法”两个实验教学,聚焦于探究式教学中的科学假说,讨论怎么让学生经历真正的探究过程．

1 科学假说概念辨析

科学假说是根据已知的科学知识和科学事实,对未知自然现象及其规律性所作的推测性解释和说明,是自然科学理论思维的一种重要形式．恩格斯曾说,只要自然科学在思维着,它的发展形式就是假说．科学假说是自然科学思维发展的表现形式,它在自然科学研究中具有重要作用．科学假说是形成科学理论的先导,同时亦是科学观察、科学实验的先导,是发展科学理论的必由之路．物理学史告诉我们,科学假说和科学理论相互演进,推动了科学理论的不断发展完善,给人类提供新的认识视角和方法．

在科学探究的几个基本要素中,科学假说亦称猜想与假设，但它不等同于物理习题教学中的假设法．解题中的假设是一种关于条件的虚设,而科学假说是关于解决问题过程中的一种猜测．通常的解题是在已有的知识范围之内对已有知识的一种运用,并不伴随新知识或新方法的产生,所以不具有“创新”的成分;而科学假说往往带来一种新的概念、新的规律或新的方法,富有“创新”的成分．

科学假说也不等同于日常生活、工作中的假设．日常生活、工作中的假设指的是为了说明或解释日常生活、工作当中的某个问题而作出的猜测或设想．例如,工作日内某位教师不在办公室,首先会做出他在教室内上课的假设,如果教室内没有,则刚才的假设不成立,接着会做出新的假设,比如这位教师是不是请假外出了等．这种思维方法一般不需要通过专门教育来获取,一般人通过生活经验积累就会具备．日常生活、工作的假设中并没有新知识产生,并不需要科学教育来进行训练;而科学假说并不是已有知识基础可以确切说明的,在检验过程中会带有新知识的产生,科学假说才具有真正的教育价值[1]．

2 科学假说价值辨析

通过上述辨析,我们知道假设检验是人类在遇到问题、解决问题时的基本思维,但如果科学教育仅仅停留在日常生活、工作假设的层次上,就没有什么实质性的价值．如有的教师把“探究滑动摩擦力大小”设计成如下探究活动.

案例1：探究滑动摩擦力大小.

(1) 提出问题.

影响滑动摩擦力大小的因素有哪些?

(2) 建立假说.

学生1:与压力有关．生活中拉一辆车子,如果车子越重,则越费劲．

学生2:与接触面有关．生活中如果拉车子在沙地里运动,要比在水泥路上费劲．

……

(3) 检验假说.

教师对学生的猜测进行评价．

教师:大家的猜测都有一定的道理,但缺乏足够的依据．我们需要更为严谨的理由,下面用弹簧测力计匀速地拉一个木块在木板上运动,弹簧测力计的示数等于滑动摩擦力大小．改变木块的质量,看看弹簧测力计的示数怎么变化;然后在质量不变的情况下,再把毛巾铺到木板上,看看弹簧测力计的示数怎么变化．

……

这里,我们不禁要问:高一的学生早已有足够的生活经验,逻辑地推演出压力越大,滑动摩擦力越大,接触面越粗糙,滑动摩擦力越大．教师还有必要让学生提出这样的假说并进行检验吗?

这样的科学探究教学,徒有其表,为假设而假设,只求形似未得神似．而在“探究滑动摩擦力大小”实验中,学生现有知识真正不足以解决的问题是“滑动摩擦力与压力、接触面粗糙程度有什么样的定量关系”．认识到这一点,引导学生进行假设、实验检验、得出结论,才是有意义的.基于此,我们进行了这样的探究活动设计.

案例2: “探究滑动摩擦力大小”再设计.

(1) 提出问题.

滑动摩擦力大小与哪些因素有关?

(2) 提出初步假说.

学生1:与压力有关．生活中拉一辆车子,如果车子越重,则越费劲．

学生2:与接触面有关．生活中如果拉车子在沙地里运动,要比在水泥路上费劲．

……

(3) 继续提出滑动摩擦力大小的定量关系假说.

学生3:压力越大,接触面越粗糙,滑动摩擦力越大,它们之间可能是相加的关系．

学生4:也有可能是相乘的关系啊,与压力、粗糙程度成正比．

学生5:也可能是与它们的平方成正比.

……

(4) 检验假说.

教师:我们需要一些证据来支持假设或者反驳假设．

引导学生在控制接触面粗糙程度不变的情况下,改变压力大小,采集多组数据,画出滑动摩擦力大小Ff与压力大小FN的图像(如图1)．

根据图1,学生们显然可以把学生3、5的假设排除,然后再控制压力大小不变,学生可以自然地继续得到滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度成正比的关系(如图2)．最终可以发现滑动摩擦力大小的定量表达式．

图1

图2

与上述教学案例1相反,有时候应该进行科学假说的,却被教师代劳了．例如有教师将“探究求合力的方法”实验设计如下.

案例3: 探究求合力的方法.

(1) 提出问题.

探究求互成角度分力的合力的方法．

(2) 实验前,要注意的几个问题.

A: 保证橡皮筋的拉伸效果是相同的．

B: 合力和分立的方向是沿着拉线方向的,要把力的方向描在白纸上．

C: 合力和分立大小由弹簧测力计读出,用力的图示方法在白纸上画出几个力的箭头．

(3) 设计实验方案.

提供的实验器材有:弹簧秤2个，橡皮筋1条,20cm细线1条(两端打好套)、白纸1张、图钉几个、三角板1对.

学生讨论设计实验步骤:用弹簧测力计拉橡皮条到同一点;利用力的图示分别把这两组力画出来;寻找它们之间的规律．

(4) 进行实验.

学生分组实验,并在白纸上画出合力与分力的力的图示．

(5) 得出结论.

教师:建议用虚线把合力的箭头端分别与两个分力的箭头端连接,观察它们的图形关系．

各小组可以得到类似平行四边形的图形．于是,学生得出了合力与分力遵循平行四边形定则这一结论．

上面的探究过程看上去包含了很多基本要素,例如设计实验、记录数据、交流表达等．然而,正如同文献[2]在研究阿基米德原理，浮力大小实验中指出,“关键的问题是人们一开始怎么会想到要设法去收集那一部分由于物体的浸入而被排挤开的液体呢?在科学发现的故事中,这才是最具奥妙、最有魅力的一段．”[2]相同的道理,在本探究实验中最关键的问题是,我们一开始怎么会想到用虚线把合力的箭头端分别与两个分力的箭头端连接呢?这样的科学探究教学,舍弃科学假说,就算保留了其他要素,那也是买椟还珠、舍本求末了．认识到这一点,引导学生根据已有知识进行假设,当已有的知识与新的实验事实发生矛盾时,新的假说便可能应运而生．基于此,我们进行了这样的探究活动设计.

案例4: 探究求合力的方法再设计.

(1) 提出问题.

互成角度的分力与合力可能存在什么关系?

(2) 建立假说.

学生1:合力等于分力之和．

学生2:当分力方向相反时候,合力等于大的分力减去小的分力．

……

(3) 检验假说.

A: 用两只弹簧测力计在竖直方向提起一个砝码,读数．

B: 让两个提砝码的弹簧测力计有一定的夹角,读数．

合力的大小不再等于两分力的大小之和．

(4) 继续提出新的假说.

在人教版普通高中物理必修1“时间和位移”这一章节中(教材13页)对研究矢量相加的法则做了铺垫(如图3)．通过对图3中的几个位移有向线段位置关系的讨论,学生会在抛弃原来分力相加法则的基础上,勾画图形,继续假设新的运算关系．

……

图3

3 科学假说与科学理论关系辨析

科学假说带有或然性和推测性,其内容有一定的科学依据,但却还没有通过实践来检验;而科学理论是通过实践检验并已经显示出自身正确性的理论．科学假说是一种“应然”层面的东西,科学理论是一种“实然”层面的东西．

科学假说的提出和建立不是目的,目的在于建立科学理论,而科学理论可以达到对自然规律和本质的深层次认识．科学假说经过理论检验和经验检验,向科学理论的方向转化．科学假说向科学理论的转化是一个不断进行充实、系统化的严格逻辑证明和证实证伪的过程．

在前面的案例3中,学生通过画出力的图示,连接箭头就得到平行四边形定则,所体现的仍然是经验主义的科学观和行为主义的学习观．所做的探究活动,背后依然还是新课程改革之前“验证平行四边形定则”实验的影子.基本上还是把科学理论当成已经发现了的、有了定论的客观真理来教给学生的架式,在这种大的格局下,学生的实验目的和步骤已被确定,学习活动自然就剩下了使用仪器设备来观察、测量获取数据,以便去证实科学家所发现的科学真理．这样的教学设计也就成为了目标和路线都明摆着的形式化探究．

况且,案例3中学生最终得到的“平行四边形”就是得到了平行四边形定则这一科学理论吗?显然不是.正如我们的案例4中所说的一样,它还只是科学假说．这是学生通过新的实践,有了新的认识,原先的理论(加法定则)不能解释的新现象,这就需要提出新的假说(平行四边形定则),从而试图建立新的理论．实际上,科学理论的形成不正是在“科学假说—科学理论—新科学假说—新科学理论……”的道路上不断发展的吗?

基于此,我们对案例4继续进行了这样的探究活动设计.

(4) 继续建立新的假说.

合力和分力满足平行四边形图形的关系.

(5) 继续检验假说.

教师:假说作为一种科学研究方法,在自然科学的发展中起着巨大的作用,它具有预见性．

图4

学生:如果合力和分力满足平行四边形图形的关系,把两个分力(F1、F2)画出来,用尺规作图画出的对角线(F)就应该与真正的合力(F′)力的图示重合才对,否则假设还是错误的(如图4)．

……

总之,在物理教学中渗透科学假说的思想方法是培养学生创新思维的重要途径．教师应在对科学本质的正确理解基础上,营造和谐、民主的学习氛围,选择恰当的题材,创设适当的问题情境,让学生大胆提出假说,展开反驳与辩护,从而真正发展学生的科学探究能力．

1 叶建柱.物理探究式教学中的科学假说之辨析[J]. 课程·教材·教法, 2015(4):93-97.

2 罗星凯,李萍昌.探究式学习:含义、特征及核心要素[J].教育研究,2001(12):52-56.

本文系广西高等教育本科教学改革工程项目重点课题“探索理科师范生探究教学能力发展的培养体系构建”(课题批准号:2016JGZ113)阶段性成果．

2016-09-21)

* 通讯作者：陈海深，Email：hnchs503@163.com.