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1、1假设：基本特性与建构方法王高（南京市中华中学 江苏 210006）（发表于教育研究与评论2011 第 6 期）假设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，是科学探究中的重要环节。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，有助于学生进行假设的建构。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。1、科学性科学的假设在已知事实和假设之间有必然的逻辑联系和内在一致性。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。1922 年，美
2、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，他认为这是光子和电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子。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，证明了他的假设是合理的。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，如果假设同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
3、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。但很快就发现：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看来是必不可少的。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。2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
4、说，否则，假设就要被抛弃。因此，假设可通过实验来证实或证伪。例如：著名的“以太假说” 。在 19 世纪，麦克斯韦和他同时代的人觉得，在空无一物的空间可以传播电磁波是令人难以置信的。因此，他们假定有一种称之为“ 以太”的介质充满于整个空间，并由它来传递电磁振动。19 世纪下半叶，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。其中最著名的迈克耳孙一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
5、太”的存在。3.预测性假设是对客观事物的假定性说明，是对问题本质的预测。在科学探究过程中，假设要有一定的依据，或者以科学事实为根据，或者是以原有知识经验为根据。猜想不是假设，猜想是形成科学假设的前期准备阶段，而假设起着更重要的指向作用，只有做出科学假设，才能确立探究活动的内容和方向。例如，在研究 a 与 F、 m 之间的定量关系时，首先是进行猜想：a 与 F 的关系（m 一定）： aF aF 2 ；a 与 m 的关系（F 一定）： 2a1/m a1/m 2 。对于这些可能的猜想，还要分析判断，进行合理的取舍，进一步做出假设。依据伽利略“相信自然界规律是简单的”，我们不妨假设 a 与 F、 m
6、之间的定量关系遵从简单的原则，即：aF，a1/m。这正是对 a 与 F、 m 之间定量关系的本质预测。二、假设建构的方法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。1类比法假设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，研究中人们常常借助于类比的方法，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。类比法假设简单示意为表 1。表 1被研究对象所含要素 具有的属性已知研究对象 I A B C 有 P 探究的对象 x A D C 假设：可能有 P【案例 1】探究问题：电荷间的作用力 类比法假设：法国科学家普利斯特利根据实验的结果，
7、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。这一类比法假设可表示为：被研究对象所含要素 具有的属性已知研究对象物体之间的作用力均匀球壳对腔内物体无引力作用物体间的万有引力与距离的平方成反比关系探究的对象带电体之间的作用力带电空腔对腔内带电体无电力作用假设：电荷间的相互作用也与距离的平方成反比关系 实验验证：库仑的扭秤实验。结论：电荷间的作用力与距离的平方成反比关系。2归纳法假设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。归纳法假设简单示意为表 2。表 2被研究对象所含要素
8、 具有的属性已知研究对象 1 A B C D F 有（无）P已知研究对象 2 A B C E F 有（无）P A D C H F 有（无）P探究的对象 x 只要有 A C F 因素就可能有（无）P 属性的假设【案例 2】探究问题：感应电流产生的条件实验事实：实验编号 实验过程 现象 导体与电流表构成一个闭合回路，导体垂直切割磁感线，回路中磁通量变化 有感应电流 线圈与电流表构成一个闭合回路，磁铁插入或拔出线圈，回路中磁通量变化 有感应电流3线圈与电流表构成一个闭合回路，磁铁静止于线圈中，回路中磁通量不变无感应电流线圈插在线圈中，线圈与电流表构成闭合回路，线圈与电源、开关、变阻器构成回路，接通和
9、断开开关的瞬间，线圈中磁通量变化有感应电流归纳法假设：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实验验证：电路同，开关接通后，中磁通量不变,无感应电流。当改变滑动变阻器触头的位置，中磁通量发生了变化，有感应电流。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。3演绎法假设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上，并由此作出对未知事件的假设的方法。演绎法假设简单示意为表 3。表 3被研究对象所含要素 具有的属性一类事物 A、B、C 有属性 P个别 1 A、D、E 无属性 P个别 2 A、F、C 有属性 P探究对象 属性 P 适用于有 A
10、、C 要素的个案，可产生演绎假设【案例 3】探究问题：人造地球卫星的发射速度事 实：物体做平抛运动，由平抛运动规律 、 可知，在同一高度用21hgtxvt不同的水平速度抛出同一物体，因为物体在空中的运动时间相同，水平初速度大时位移大，即落地点远。 演绎法假设：从高山上用不同的初速度水平抛出物体，初速度一次比一次大，物体的落地点也一次比一次离山脚远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星。提供实验数据验证：当人造地球卫星绕地球近地运行时，万有引力提供了向心力，有，所以 =7.9km/s。22MmvGRGMR结论：当物体的水平初速度达到 7.
11、9km/s 时,它就能成为人造地球卫星 .4模型法假设物理现象、过程和本质大都是很复杂的，我们常通过建构模型的方法来认识其规律，而模型的建立有的需要首先建构假设，这一过程不仅使学生认识知识结构本身，而且使学生认识到科学特别是自然科学，它的发展形式就是假设。【案例 4】原子结构模型问题：原子的结构是什么？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 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
12、核，叫做原子核，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4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提出了三点假设：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：电子云模型这样一次又一次的假设、实验验证，演变发展形成了现代物质结构学说。正如恩格斯所概括的：“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。 ”假设既是一种自由尝试，又是一种严谨的创造。教师要擅于创造机会和良好的探究情景，善于抓住学生学习与思维的特点，不断鼓励学生通过类比法、归纳法、演绎法、模型法等策略，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。
