“猜想與假設教學”探析

摘要：本文從概念和規(guī)律教學、實驗教學、習題教學、研究性學習等幾方面討論了如何引導學生猜想與假設。

關鍵詞：猜想；假設；引導

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)10(S)-0016-3

猜想與假設是指學習者根據已有的經驗和科學知識對要探究的問題做出某種嘗試性、猜測性的解釋和說明。根據水平差異，猜想可以分為不同的層次：隨機性猜想，即目的不十分明確，有很大的偶然性；發(fā)散性猜想，即盡可能多地想象各種可能情況；推斷性猜想，即以已有經驗和理論為基礎，經過一定的推理做出的判斷；創(chuàng)造性猜想，即以表象為基元，通過聯(lián)想、想象、直覺、靈感等非邏輯思維和一定的邏輯思維做出的猜想。這四類猜想相互間并不獨立，而是層次逐漸深入，經常相互融合。

猜想與假設既有聯(lián)系又有區(qū)別。猜想是學生接觸到問題后，在已有知識經驗的基礎上，結合對客觀現(xiàn)實的感性認識依靠直覺而做出的各種假定；假設是在猜想的基礎上經過一系列的觀察、實驗、分析、比較、歸納等方法排除掉一些不可能的猜想而得到的較為科學的結論。猜想與假設同形象思維活動緊密相連，多采用直覺、想象等思維形式，但并不意味著不需要依據，人們頭腦中原有經驗和知識就是根據和出發(fā)點。猜想與假設有別于步步有論證的邏輯推理，其成果是解決問題的方案或某個結論，或一個模型等，它是解決問題的關鍵環(huán)節(jié)。在物理教學中，對于培養(yǎng)能力的細節(jié)、環(huán)節(jié)，特別是猜想與假設環(huán)節(jié)往往重視不夠；在具體教學中教師如何引導、如何培養(yǎng)學生科學探究能力常常存在一定的困難。如果能夠從科學探究整體出發(fā)，重視各個環(huán)節(jié)的引導，則是提高學生探究能力的有效思路。

新一輪物理課程改革重視科學探究意識和能力的培養(yǎng)，注重學生科學素質的提高，而在科學探究的幾個要素中，“猜想與假設”是非常重要的一個環(huán)節(jié)。恩格斯說過：“只要自然科學還在思維著，它的發(fā)展形式就是假說”。那么在教學中怎樣培養(yǎng)學生的猜想與假設能力呢？本文結合教學實踐做一些探討。

1 結合概念、規(guī)律教學，引導學生猜想與假設

掌握概念、理解規(guī)律、領會物理學方法是物理學習的主體。其中在物理概念、規(guī)律教學中引導學生猜想與假設是主要渠道。

在“力的合成”教學中尋找合力與分力的關系，若先給出平行四邊形定則，再進行實驗測出合力，驗證對角線長度、方向與合力的關系，這樣做只是驗證了力的平行四邊形定則。按此過程教學，學生沒有經歷探究過程，缺少猜想與假設的體驗?？梢酝ㄟ^演示兩個力與一個力的作用效果相同（或學生自己做實驗），讓學生經歷猜想與假設的過程，例如先在豎直木板上采用掛鉤碼的方法，啟發(fā)學生：探究目標是尋找合力與分力關系，如何畫出合力、分力的圖示？讓學生改變兩個分力的夾角多做幾組，提醒學生重視兩個分力成90°夾角時情況，然后讓學生猜想、假設合力與分力間的可能關系，再通過交流、討論讓學生總結出平行四邊形定則。

在“向心力”教學中，向心力究竟與哪些因素有關、是什么關系？先讓學生想象坐汽車轉彎時的感覺，再用手捏住細繩一端（另一端掛重物）做圓周運動，感受繩上拉力（向心力）大小的變化。猜想向心力與哪些因素有關系，先定性猜想，學生依據經驗，容易猜測向心力與R、v、m有關系，且v、m越大F向越大，R越大F向越小，深入思考的學生會依據F=ma進行猜想。為了驗證猜想和假設，可使用力傳感器輔助測量向心力。這樣引導學生猜想定量關系F向=mv2/R，與教學中直接給出F向=mv2/R公式相比較，能更好地促進學生的猜想與假設能力的提高。

在物理概念課中引導學生從同類事物中尋找共性，然后對定義或物理量進行定性的猜想與假設，如比值定義電場強度、電容的教學。物理規(guī)律教學中不能只重視公式或結論，而要從引出規(guī)律的原因（背景知識），需解決的矛盾，面臨的環(huán)境等多方面引導學生分析、想象、猜想可能的關系，進而去粗取精，步步接近合理的假設，再進行理論或實驗的驗證與探索，也可以做一些實驗引發(fā)學生認知沖突，引導學生猜想和假設。新課程標準強調物理過程與方法，主要體現(xiàn)在重視概念規(guī)律的得出過程，在學習概念、規(guī)律過程中領會方法，提高能力。

2 突出實驗思路，啟發(fā)學生猜想與假設

科學探究包括提出問題、猜想與假設、實驗驗證、討論與評估交流等環(huán)節(jié)，實驗的目的是為了驗證猜想與假設，但中學物理教學中的實驗還有著特殊的意義，即培養(yǎng)學生的實驗意識、實驗能力以及實驗技能。在實驗教學中三維教學目標的落實同樣重要，其中引導學生猜想和假設有很多可為之處，應該防止實驗與理論脫節(jié)，提高實驗教學效果。

在“楞次定律”教學中，教師設計了演示實驗或學生實驗，通過實驗得出定律。事實上，法拉第正是通過無數次反復實驗才發(fā)現(xiàn)了電磁感應規(guī)律，問題在于如何充分挖掘實驗的教學功能。開始實驗之前引導學生猜想電流的方向與哪些因素有關，這時的聯(lián)想空間較大，依據已有經驗和實驗（如做過的電磁感應實驗、產生電磁感應的條件討論），屬于發(fā)散性猜想，學生可能主要把磁場、電流、切割（運動）速度等因素全部列舉出來。在學生進一步明確產生電磁感應現(xiàn)象的環(huán)境條件以及影響感應電流的主要因素后，接著啟發(fā)學生尋找組成電路的方法以及測量哪些物理量（產生感應電流的電流，測量引發(fā)原因——原磁場，結果——感應電流）。實驗中記錄了感應電流的方向，原磁場或電流方向，原磁場（或電流）的變化方式，學生感到猜想感應電流方向規(guī)律仍然有很大困難，教師適時引導學生列表進行比較，進而得出“磁通量增加，感應電流磁場與原磁場方向相反”、“磁通量減少，感應電流磁場與原磁場方向相同”的假設，最后進行實驗驗證，歸納得出楞次定律內容。

實驗教學中，無論是原理的應用、器材的選擇、步驟的安排、還是數據分析、得出結論與討論，都可以先引導學生猜想與假設，只是問題難易、復雜程度不同而已，設計得當就能夠培養(yǎng)這方面的能力與意識。實驗教學應盡量從選用器材、優(yōu)選實驗步驟、處理數據等環(huán)節(jié)進行猜想、假設與討論，以加深對實驗方法、思想與科學探究方法的體驗和理解。

3 活化習題功能，引導學生猜想與假設

中學物理中的習題教學，本質就是設置一些問題情境，讓學生分析和解決問題，從而鞏固所學知識，提高解決問題的能力。在此過程中，同樣有很多引導猜想與假設的契機，以下兩道例題可以說明。

例1 在秋收的打谷場上，谷粒用傳送帶送到平地上，堆積起來形成圓錐體，隨著堆積的谷粒越來越多，圓錐體積越來越大，如圖1所示，則圓錐體底角變化情況是：

A.不斷增大B.保持不變

C.不斷減小D.先增大后減小

分析 這是一道實際生活中的物理問題，學生常根據生活經驗猜想有二種可能：不斷增大或先增大后減小，尤其是后者，學生想象谷粒堆體積增大，圓錐底角隨圓錐體積變大而增大，當底面積達一定大小后，圓錐底變小，這一猜想過程為隨機猜想，依據的是生活經驗，缺乏物理理論根據，屬于前科學想象階段。如果學生能從“在圓錐表面上谷粒靜止還是滑動的決定因素”進行猜想便能形成推斷型猜想。是否滑動取決于mgsinθ與μmgcosθ大小關系：若mgsinθ≤μmgcosθ，則谷粒靜止在谷堆上，使傾角增大；在圓錐達一定傾角即mgsinθ>μmgcosθ后，谷粒下滑傾角不再增加，保持不變，這一猜想是否正確？實驗檢驗是判定的標準，教師可以讓學生回家后用稻米做實驗，檢驗自己的假設是否正確。這樣，習題教學不僅引導學生進行猜想與假設，而且對科學探究過程進行了微觀訓練，從而激發(fā)學生學習物理興趣。

例2 圖2為EAST（超導托卡馬克核聚變實驗裝置）簡化模型，垂直紙面有環(huán)形邊界的勻強磁場b區(qū)域，a區(qū)域無磁場，有向各個方向運動的離子，其速度只要不超過某值就不能穿過環(huán)形磁場外邊界而逃逸，從而被約束。設離子質量為m，電荷量為q， b的內半徑R1，外半徑R2=(1＋2) R1， 若b區(qū)域內磁場感應強度為B，離子從a區(qū)域中心O點沿半徑OM方向以某一速度射入b區(qū)，恰好不越出磁場外邊界。試畫出在此情況下離子在a、b區(qū)域中運動一個周期的軌跡，并求出周期。



分析 根據題意，學生容易知道離子在a區(qū)域做勻速直線運動，b區(qū)域做勻速圓周運動，關鍵是一個周期內經過怎樣的軌跡?？梢宰鋈缦虏孪耄涸赽中經一段圓弧，然后在a中勻速直線運動，再進入b區(qū)域勻速圓周運動一段圓弧，前后圓弧運動方向相反，每次形成一個“∞”形狀，循環(huán)重復多次，一個周期后回到原來的狀態(tài)。此假設的依據是粒子僅受洛侖茲力和不受力兩種情況下的運動特點，繪制軌跡圖的困難依然很大，無法求得周期，在磁場中經歷了多少個“∞”部分怎么確定？能否確定？假設還必須與問題具體條件相結合，“恰好不越出磁場的外邊界”說明軌跡圓弧與b區(qū)域的外邊界相切，作出剛開始在磁場中運動圓弧。

如圖3，軌跡圓心為O1，軌跡半徑r，

∵r2＋R21=（R2 －r）2，

∴ r=R1，∠OO1M=45°，∠O1MO=45°，

每運動一個“∞”為T/2，一個周期為兩個“∞”形狀的軌跡。

求得周期T=6πmBq+8mBq。

此問題分析中有兩點很重要：首先能否猜想在磁場區(qū)域、非磁場區(qū)域的一般運動軌跡“∞”形狀，這是解決問題的前提，然后根據本題特殊條件定量推論出“∞”個數。

物理習題能夠培養(yǎng)學生分析問題能力、創(chuàng)新思維能力，習題分析中引導學生從物理過程、物理情景、物理狀態(tài)等方面進行邏輯與非邏輯、發(fā)散與聚合相交替的猜想和假設，不僅有利于分析解決問題，更能培養(yǎng)學生探究分析的能力。

4 在研究性學習活動中強化猜想和假設

研究性學習作為獨立形態(tài)的課程已經開設多年，新課程賦予高中物理大量的研究性學習課題，內容豐富多采包括物理課程中概念、規(guī)律的探究，制作性探究，理論性探究，驗證物理學發(fā)展史的探究等。研究性學習重在體驗和感悟物理學探究的基本方法，猜想與假設是各類型探究活動的重要步驟。

例：粗略測量中學生百米跑的功率。

此題有幾個問題需要學生猜想和假設：（1）測量什么；（2）怎樣測量；（3）使用什么工具測量；（4）方案可行性；（5）方案評估。

猜想A：選擇測量原理P=W/t，式中W=F#8226;S。用秒表測量時間t，F(xiàn)可以視為腳與地面最大靜摩擦力，查表找出運動鞋與地面（即橡膠與路面）動摩擦因素μ， f=μmg，用滑動摩擦力代替F，也可用力傳感器測量F。

猜想B：選擇測量原理P=F#8226;V，F(xiàn)的測量同A，而速度V為變量，可否用平均速度代替，因V=S/t，測出時間t就可以了。

運用物理知識對A、B猜想進行可行性評估，A猜想的方法較為準確，用f=μmg代替F可行。還可以通過實際定量數據對以上猜想假設進行比較評估。 

“日光燈”是常見的家用電器，它經常發(fā)生一些小故障，學生提出了“日光燈常見故障及維修”研究性學習課題，列舉出兩種常見的故障：燈管兩端發(fā)紅而燈管卻不亮、日光燈工作時聲音較大。圍繞前一故障，學生提出了“斷路”與“短路”的猜想，通過分析排除了斷路的可能（若斷路，電路中不會有電流，燈管不會紅），那么短路可能發(fā)生在電路的哪一部分？整流器、啟動器、燈絲、開關、還是燈管中的氣體？猜想分析得出“啟動器短路的故障”，那么啟動器又怎么會短路呢？通過進一步猜想假設、推理分析，最后用日光燈電路實驗來分別驗證各種猜想與假設。

圍繞“日光燈工作時聲音比較大”的故障，學生首先對聲音的來源進行猜想，然后對形成原因作進一步的猜想，最后對猜想與假設因素控制變量、對比實驗。研究性學習以發(fā)展學生自主學習能力、獨立探究能力為主要目的，猜想與假設是此類課題不可缺少的環(huán)節(jié)。

猜想與假設是探究活動中的重要步驟，在物理教學的各個環(huán)節(jié)可以“小型化”地引導學生進行猜想與假設，有意識地培養(yǎng)學生的猜想與假設能力，可以全面提升學生的科學素質，從而為培養(yǎng)更多的創(chuàng)新型人才打下基礎。

參考文獻：

［1］姜水根.關于物理文化對話［M］.北京：科學出版社，2002.

［2］中華人民共和國教育部.物理課程標準（實驗）［M］.北京：人民教育出版社，2003.

(欄目編輯趙保鋼)