探究之精要
——猜想與假設

羅建美

(武義縣實驗中學 浙江 武漢 321200)

1 問題的提出

猜想與假設是科學探究中的重要環(huán)節(jié)，是學生解決物理疑難問題時重要的科學思維方法.猜想與假設是對所研究的問題根據(jù)已知事實和科學知識的一種猜測性陳述，對問題中事物的因果性、規(guī)律性的假定性解釋，是科學思維的一種形式.猜想與假設作為重要的思維方法，在物理學中的作用舉足輕重.

在初、高中物理學習的過程中，學生體驗了在科學探究中“猜想與假設”的魅力.“猜想與假設”是科學探究的第二個步驟，是通向真理的橋梁，為科學探究指明了前進的方向.教師引導學生在遇到疑難的物理問題時，要科學大膽地進行猜想與假設，如假設物理情境、物理條件、物理過程、物理結(jié)論，突破常規(guī)的思維方法，逐步培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和綜合分析問題的能力.

2 猜想與假設的作用

2.1 培養(yǎng)學生的發(fā)散思維

在科學探究的過程中，一些科學家的成功表明，他們的創(chuàng)造力在關鍵時刻往往不是來自邏輯推理，而是來源于聯(lián)想和靈感，也就是直覺和想象力.

伽俐略從教堂吊燈擺動的現(xiàn)象中獲得靈感，即吊燈每次擺動所用的時間可能是一樣的,從而產(chǎn)生一種沖動或者叫做激情.這種不可遏制的情感就是創(chuàng)新的沖動.教學中也有類似的情形.學習電壓表后，課后練習中介紹了怎樣自制電池,即把兩片不同的金屬插在酸、堿、鹽的溶液中，兩片金屬就是電池正負極.課后學生馬上就有了如此“奇思妙想”：把金屬片插入酸、堿、鹽混合溶液中，制成的電池電壓也許會更高.為了用實驗驗證自己的猜想，該學生帶來了一個用鹽水和醋的混合溶液制成的電池和另一個只用鹽水制成的電池，實驗測量后，結(jié)果顯示用混合溶液制成的電池電壓反而更低.在教師講解了有關化學知識以后，學生才恍然大悟.雖然該學生的猜想沒有得到驗證，但他敢于猜想，發(fā)散思維得到培養(yǎng).

2.2 熏陶學生的美育

世界上事物都是有規(guī)律、有秩序的，同時又具備簡潔對稱、和諧之美的特征.因此，在學習分子熱運動時，適時引導學生聯(lián)系家庭、學校、社會都是由人這個最小單位組成的，每個人都在不停地忙碌著，人與人之間或親近、或疏遠，存在著相互吸引、相互排斥的關系，進而猜想物體內(nèi)部分子的運動情況及相互作用，可使學生領略微觀世界和宏觀世界的和諧統(tǒng)一.又如，在研究減小摩擦的方法時，提出問題后讓學生回憶增大摩擦的方法，即增大壓力，使接觸面粗糙，變滾動為滑動等;然后讓學生對這些方法作相反的思考，從而提出減小摩擦的猜想，即為減小壓力，使接觸面光滑，變滑動為滾動等.這正是利用了事物具有對稱性的特征.

2.3 提高處理信息的能力

猜想與假設能培養(yǎng)學生信息收集能力和處理能力，還能使學生通過各種信息的處理，保持對自然界的好奇心，對大自然有親近、熱愛、和諧相處的情感.以“蒸發(fā)”這節(jié)課為例，課堂上學生搜集有關加快蒸發(fā)的信息.搜集途徑很多:根據(jù)觀察的現(xiàn)象或日常生活經(jīng)驗、查閱資料、上網(wǎng)查詢……搜集的信息五花八門，有曬衣服的做法,人體體溫恒定的原因,可使?jié)袷趾芸熳兏傻臒犸L干燥器……對這些信息運用科學研究方法中的分類法進行分類處理，可分為三類，即提高液體溫度實例、增大液體表面積的實例、加快液體表面氣流的實例，從而建立了蒸發(fā)可能與溫度、液體表面積、空氣流速有關的假設.

3 猜想與假設在科學探究中的魅力

3.1 回眸歷史情境中的猜想與假設

在物理學發(fā)展的歷史進程中，有許多物理學家成功地利用了猜想與假設的方法，得出了一個又一個偉大的物理規(guī)律，學生可從中領悟猜想與假設的魅力.

(1)伽利略的理想斜面實驗

情境1：科學思維和科學方法是認識世界的基本手段.在研究和解決問題過程中，不僅需要相應的知識，還要注意運用科學方法.理想實驗有時更能深刻地反映自然規(guī)律.伽利略假設了一個理想實驗，如圖1所示.

圖1

猜想與假設的魅力

模擬伽利略與小球的一段對白，在這段對話中學生可領悟到科學方法的重要性.

伽利略：小球先生，假設沒有摩擦，你會爬上什么高度呢？

小球：我會搭乘夢想的階梯一步一步往上爬，直到爬上原來的高度.

伽利略：如果我減小右斜面的傾角，你還要去原來的高度嗎？

小球：夢想有多高，我就可以爬多高，只是我要走的路程更長了.

伽利略：如果我繼續(xù)減小右斜面的傾角呢？

小球：我心已決，只是又多了一段山高水長之程.

伽利略：如果我把右斜面放平，你還會為了自己的夢想而前行嗎？

小球：路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索.既然選擇了高度，留給世界的便只能是孤獨的背影.

(2)伽利略的自由落體運動

情境2：日常生活的經(jīng)驗告訴我們，重的物體下落總是比較快.比如樹上的一個蘋果和一片樹葉同時從同一高度掉下來，一定是蘋果先落地.所以在16世紀以前，以亞里士多德為代表的學者認為物體下落的快慢由物體的重量決定，物體越重下落越快.由于亞里士多德在各方面的突出成就，人們將他的觀點奉為經(jīng)典，當時的教科書上這樣寫，眾多學者也認同.雖然也有人表示懷疑，但由于教會利用他的結(jié)論，進行神化處理，所以大家都不敢對這一觀點發(fā)出公開的質(zhì)疑.直到文藝復興時期，才由伽利略通過推理的方法研究下落運動的規(guī)律并公開發(fā)表.之后，伽利略也因他的著作而受到教會的迫害，被判處終身監(jiān)禁，著作也被列為禁書.

猜想與假設的魅力

假設亞里士多德的觀點是正確的，那么用繩子把兩塊石頭連在一起，由于總體的重量大于任一石頭，其下落速度應大于任一石頭單獨下落的速度；另一方面，用繩子連在一起的兩塊石頭畢竟仍是分開運動的，大石頭運動得快，小石頭運動得慢，大石頭必然會被小石頭“拖后腿”，使總體的運動速度小于大石頭單獨運動的速度.用同一觀點分析同一問題卻得到完全矛盾的兩個結(jié)論，說明亞里士多德的觀點是錯誤的.

(3)牛頓的萬有引力定律

猜想與假設的魅力

牛頓根據(jù)月球的周期和軌道半徑，計算了月球圍繞地球做圓周運動的向心加速度為

物體在地球表面的重力加速度為g=9.8 m/s2.若把這個物體移到月球軌道的高度，其加速度也應是月球的向心加速度值

兩個結(jié)果十分接近，在誤差范圍內(nèi)這兩種方法求得的向心加速度相同，牛頓的猜想得到了檢驗：地球?qū)Φ孛嫖矬w的引力與天體間的引力，本質(zhì)上是同一種性質(zhì)的力，遵循同一規(guī)律.

3.2 學生探究實驗中的猜想與假設

猜想與假設是科學探究活動中思維最活躍、最能激發(fā)學生學習熱情的重要一環(huán).由于學生的知識、經(jīng)驗、能力不同，對問題的認識也就不同，就會提出各自不同的看法和假設.在探究活動中，要讓學生在一個開放的環(huán)境中，充分發(fā)揮主觀能動性，發(fā)掘獨立思考和自主創(chuàng)新的能力.

(1)類比猜想法

類比猜想法是把陌生與熟悉的對象類比，把未知的與已知的類比，從中得到啟迪而提出猜想，形成假設的一種方法.

探究1：在“探究彈性勢能的表達式”活動中，教師通過引導學生思考達到猜想的目的.下面是相關的教學片斷，請欣賞猜想與假設的魅力.

師：如何研究彈性勢能呢？通過“重力勢能”的學習對你有什么啟發(fā)？

生：在討論重力勢能的時候,我們從重力做功的分析入手.現(xiàn)在討論彈性勢能,能不能從彈力做功的分析入手.在探究彈性勢能的表達式時，可以參考對重力勢能的討論.

師：重力勢能與那些因素有關呢？

生：重力勢能與物體被舉高的高度h有關，所以彈性勢能很有可能與彈簧被拉伸的長度L有關.

師(追問)：有什么樣的關系？(給學生提供各種不同的彈簧)

學生拉各種彈簧，會有不同體驗.可能有學生提出正比關系，彈簧拉伸長度越大，彈簧的彈性勢能應該越大，但對于同一個彈簧，拉的越長，所用的力就越大.而舉起同一個重物，所用的力并不隨高度變化.因此，應該不會是正比關系，可能是平方關系，也可能是三次方的關系……

師：用不同的彈簧拉伸相同的長度，彈性勢能一樣嗎？

生(進一步拉彈簧體驗)：彈性勢能還和彈簧的“軟硬”有關，即勁度系數(shù)κ有關.

師(總結(jié))：彈性勢能與彈簧的拉伸長度(不是正比關系)和勁度系數(shù)有關.

感悟：類比法是從特殊到特殊的邏輯過程.雖然類比的邏輯根據(jù)可能不充分，結(jié)論可靠性較小，但創(chuàng)造性很大，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維.

(2) 演繹猜想法

演繹猜想法是把已知的一般原理(理論)運用于某一特殊的、具體的研究對象上，并由此作出對未知事件的猜測或假設的一種方法.

探究2：“探究平拋運動的規(guī)律”教學片斷

師：平拋運動可分解為哪兩個方向的運動？

生：水平方向和豎直方向.

師：那么，水平方向和豎直方向的運動是什么性質(zhì)的運動呢？請根據(jù)牛頓第二定律推測.

生甲：在水平方向Fx=0，根據(jù)牛頓第二定律，加速度ax=0，推測水平方向的分運動是勻速運動.

生乙：在豎直方向Fy=mg，根據(jù)牛頓第二定律，加速度ay=g，而且豎直方向的初速度為零，推測豎直方向的分運動是自由落體運動.

師：兩位同學分別從理論上推測出水平方向是勻速運動，豎直方向是自由落體運動，這樣的推測對嗎？下面請同學們設計實驗來檢驗.

感悟：用演繹法引導學生猜想，方向明確，可以節(jié)省探究時間，提高教學效率，同時培養(yǎng)學生的邏輯推理能力.

(3) 歸納猜想法

歸納法是通過對一些個別經(jīng)驗事實和感性材料進行概括和總結(jié)，從中得出一般結(jié)論、原理、公式等的一種邏輯推理方法，也是提出猜想、形成假設的一種比較重要的方法.

探究3：探究“彈力”教學片斷

師：人坐在沙發(fā)上，沙發(fā)凹下去，發(fā)生形變.手拉橡皮筋，橡皮筋伸長，發(fā)生形變.拉開的弓、拍打的皮球、擰緊的發(fā)條、吹脹的氣球等都發(fā)生了形變.這些現(xiàn)象說明了什么呢？

生：物體受力時，都會產(chǎn)生形變.

師：書放在桌面上，桌面發(fā)生了形變嗎？

生：發(fā)生形變.

師：我們怎么沒看見桌面發(fā)生形變？

生：桌面的形變很微小，眼晴是看不見的.

師：對!有些物體的形變很明顯，肉眼可以直接看見；有些很微小，需要借助儀器將其“放大”才能觀察到.下面通過實驗來觀察玻璃瓶發(fā)生的微小形變.

感悟：對學生來說，培養(yǎng)歸納推理能力非常重要，因為學生正處于學習物理的初級階段，往往不自覺地憑借個別現(xiàn)象去認識物理規(guī)律.因此，要讓學生從熟悉的、典型的具體例子中，感知升華為抽象的理解.高中物理學中的許多定律和公式都是運用歸納法總結(jié)出來的.

(4) 直覺猜想法

直覺作為一種思維方式，也稱非邏輯思維，屬于創(chuàng)造思維，是一種缺乏完整的分析過程與邏輯程序的思維方式;它依靠靈感或頓悟迅速理解并作出判斷和結(jié)論.直覺猜測、直覺假設都是直覺思維的形式.

探究4：“牛頓第一定律”教學片斷

師：將小車放在斜面上，放手讓小車滑下，運動到水平面上后，能一直運動下去嗎？

生：不會.

師：猜想小車在水平面上前進的距離與哪些因素有關？

生甲：斜面坡度.

生乙：水平面的阻力.

生丙：小車質(zhì)量.

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師：如果要研究小車在水平面上前進的距離和所受阻力的關系，那么如何設計研究方案.

感悟：小車到達水平面后不會一直運動下去.在水平面上前進的距離與斜面坡度、水平面的阻力、小車質(zhì)量、起始高度有關都是學生憑生活經(jīng)驗直覺猜想的.直覺猜想是一個不成熟的結(jié)論，它必須經(jīng)過嚴密的邏輯論證和實驗檢驗.在物理教學中，創(chuàng)設實驗情境、提供原始問題、拓寬知識面等，都有利于培養(yǎng)直覺思維能力.

總之，在探究的活動中要引導學生多動腦、多思考，善于提出問題，在“猜想與假設”中學會“探究”，在“探究”中學會“猜想與假設”，在成功的“猜想”中享受喜悅，在錯誤的“猜想”中學到知識，從而提高學生的科學素養(yǎng).