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。
【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。
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。
(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。
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