科學假說及其教學建議

作者簡介：曹寶龍，教育學博士，教授，浙江省物理特級教師。杭州師范大學心理學碩士生導(dǎo)師，浙江大學教育博士導(dǎo)師?，F(xiàn)任杭州市基礎(chǔ)教育研究室主任，教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家委員會委員，國家課標修訂核心組成員（高中物理）。浙江省科學教育學會理事長，杭州市特級教師協(xié)會副會長兼秘書長。主要研究方向：學科教育與心理發(fā)展（物理、科學）。

摘 要：科學假說是科學探究的重要一環(huán)，具有假設(shè)性、科學性、解釋性與預(yù)見性、暫時性與檢驗性等特點?？茖W假說產(chǎn)生于科學發(fā)現(xiàn)中的“反?，F(xiàn)象”，它的形成需要理性精神與靈感思維?？茖W假說可以向科學理論轉(zhuǎn)化。建議科學教學中用科學史中的“反常現(xiàn)象”創(chuàng)設(shè)問題情境；把構(gòu)建假說的基本方法融入科學課堂設(shè)計；研究基于科學課程內(nèi)容的假說構(gòu)建過程與方法；把科學假說的基本思想融入科學探究教學設(shè)計。

關(guān)鍵詞：科學假說；科學理論；假說構(gòu)建；科學教育

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）2-0001-4

當人們把現(xiàn)有的科學認識應(yīng)用于一個新的科學現(xiàn)象時，可能會出現(xiàn)無法解釋或無法解決的問題。我們在肯定現(xiàn)象的客觀性之后，往往會懷疑原有的理論體系可能存在問題，從而提出新的能夠解釋這種現(xiàn)象的學說。這種新的能夠解釋當前問題的學說就是假說。假說是科學研究中的重要方法，假說可以推動科學研究突破原有的理論，使科學理論產(chǎn)生進步或革命性的發(fā)展。

科學假說是科學能力或科學素養(yǎng)的重要組成部分，培養(yǎng)學生的科學假說意識與能力，是理解科學本質(zhì)，提升科學素養(yǎng)的重要途徑。因此，假說的概念、假說的功能與作用、假說的基本方法等是科學教育的重要內(nèi)容，也是理解科學本質(zhì)的關(guān)鍵所在。

1 科學假說的概念

科學假說是人們在認識與研究客觀世界時，依據(jù)原有的科學知識和新的科學事實對所研究的問題作出的一種猜測性陳述，是一種用猜測性的假定理論來解釋新的經(jīng)驗事實的一種方法。它是將認識從已知推向未知， 進而變未知為已知的必不可少的思維方法，是科學發(fā)展的重要形式。

提出科學假說必須以一定的科學事實為依據(jù)， 以已知的科學理論為前提。當人們面對新的經(jīng)驗事實無法用現(xiàn)有的理論來解釋的時候，需要突破原有理論的界限，否定或修改原有理論，提出新的理論，使問題得以暫時性的“解決”。而提出的新的假定性理論是否正確還需科學觀察與實驗、新的經(jīng)驗事實來檢驗。

2 科學假說的性質(zhì)

顯然，假說既具有猜測性，也具有科學性，它既是科學研究的重要過程，也是科學研究的方法。因此，假說具有以下特征：

2.1 假說具有假設(shè)性

假說是在科學研究的過程中為了解釋或解決新的問題而形成的一種暫時性的假定，帶有猜測性和或然性。顯然，這種假定性“理論”與經(jīng)大量經(jīng)驗事實證實的真理論是不同的。因此，假說并不是真理論。

2.2 假說具有科學性

雖然假說并不是真理論，但假說并不是胡亂的猜測。提出假說必須根據(jù)科學問題的解釋或解決的需要，而且假說本身必須有理論自洽、邏輯過程清晰簡單等特性。因此，假說與平時日常生活中對一個問題的假定性解釋或假定性條件有本質(zhì)的區(qū)別。

2.3 假說具有解釋性與預(yù)見性

提出科學假說就是為了解釋新發(fā)現(xiàn)的科學事實，因此假說的解釋性是它產(chǎn)生的目的。例如：量子假說的提出可以解釋黑體輻射中的“紫外災(zāi)難”。

假說又可以預(yù)見并未觀察到的科學事實。例如：根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言了光線經(jīng)過星體引力場時會發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。

2.4 假說具有暫時性和檢驗性

科學假說在新的科學事實面前被證實或證偽，可能出現(xiàn)幾種情況：①新的經(jīng)驗事實與假說相符，證明假說正確；②新的經(jīng)驗事實與假說不符，但在修改假說后符合事實；③新的經(jīng)驗事實完全否定了假說。后兩種情況顯然說明假說具有暫時性，但第一種情況往往也是暫時的，因為假說在后續(xù)經(jīng)驗事實的數(shù)量增加的情境下，可能會“退化”到后兩種情況。例如：原子模型發(fā)展中，當湯姆遜模型遇到了α粒子散射現(xiàn)象后，就提出了盧瑟福模型；但盧瑟福模型又受到了各種光譜線事實的挑戰(zhàn)后，就出現(xiàn)了波爾模型；但波爾模型只能解釋氫原子光譜……因此，科學假說是暫時的，因為它會不斷地受到新的科學事實的挑戰(zhàn)，它隨經(jīng)驗事實的驗證量的增加會進一步發(fā)展或消亡。

3 科學假說的形成與發(fā)展

3.1 假說來自于科學的“反常現(xiàn)象”

科學家在研究時，通常會遇到一些“反?，F(xiàn)象”。這些“反常現(xiàn)象”不能被既有的科學理論加以說明，甚至與其相沖突。要解決這些困惑，科學家首先必須對“反?，F(xiàn)象”進行分析，然后提出問題來概括“反常現(xiàn)象”。[1]在對問題初步分析的基礎(chǔ)上，研究者往往會大膽地提出帶有問題解釋傾向的初步假定。

3.2 假說的形成需要理性與靈感

科學研究者在初步假定的基礎(chǔ)上，運用各種思維方式（包括邏輯的或非邏輯的）、觀察與實驗等方式對提出的初步假說進行論證、修改與完善。當假說本身在體系上自洽，并與經(jīng)驗事實相符后，就形成一般意義上的科學假說。例如：魏格納觀察到各大陸塊邊緣非常吻合、大西洋兩岸的古生物種雷同這些奇特現(xiàn)象，于是就進行了深入分析與歸納，并附之以靈感思維，提出了“大陸漂移”設(shè)想（初步假說）。然后對這一觀念進行擴展和充實，論證大陸漂移的原動力、方向、速度等等。最后把其發(fā)展成了一個系統(tǒng)性的科學假說，從而解釋了觀察到的各種奇特現(xiàn)象，并且預(yù)測到大西洋兩岸的距離正在逐漸擴大，格陵蘭與格林威治之間的經(jīng)度距離正在增大。

3.3 假說可以向理論轉(zhuǎn)化

如果科學假說本身的內(nèi)容或其邏輯推論和預(yù)言在反復(fù)進行實踐驗證的過程中得到證實，科學假說便發(fā)展成為科學理論。科學假說發(fā)展成科學理論要具備以下幾個條件：①科學假說能夠用來解釋與說明原有理論可以解釋與說明的所有問題。即科學假說可覆蓋原有理論，原有理論有相融性與自洽性。例如：愛因斯坦的狹義相對論在速度不高的情況下，與牛頓理論是一致的；德布羅意的物質(zhì)波運用于宏觀物體時是沒有波動性的。②用科學假說可以解釋所有已有事實，包括新的經(jīng)驗事實。即科學假說能夠解決原有理論與事實之間的所有沖突與矛盾。③用科學假說可以預(yù)見未發(fā)生的現(xiàn)象?？茖W假說不僅可以解決現(xiàn)有的問題，更重要的是能夠用推理或演繹的方法預(yù)見未曾經(jīng)歷的經(jīng)驗事實。例如：根據(jù)萬有引力定律和牛頓運動定律發(fā)現(xiàn)的海王星就是理論對未發(fā)現(xiàn)的行星的預(yù)見。

當然，假說與理論有時并不是絕對對立的，假說所經(jīng)受的事實的檢驗量越大，它就越向理論靠近了。而如果理論在新的事實面前又有“反?，F(xiàn)象”，則我們又必須在理論的基礎(chǔ)上提出新的假說了。

4 科學假說的教學建議

科學假說是科學探究的重要一環(huán)，它是科學研究中對已有的理論或思維方式的革新或突破，是面對新情境、新問題的科學創(chuàng)新思維。假說是基于新的科學發(fā)現(xiàn)、新的科學事實、新的科學環(huán)境創(chuàng)生的，是創(chuàng)立新理論的必經(jīng)之路。因此，科學假說能力的培養(yǎng)應(yīng)該是科學教育的重要內(nèi)容之一。

4.1 用科學史中的“反?，F(xiàn)象”創(chuàng)設(shè)問題情境

“矛盾沖突”是科學發(fā)展的動力， “反?，F(xiàn)象”是科學問題的開端。假說的提出是為了解決“反常現(xiàn)象”中出現(xiàn)的問題。我們往往用假說來解釋科學中出現(xiàn)的新問題。例如：盧瑟福提出原子核式結(jié)構(gòu)模型解釋了α粒子的散射現(xiàn)象；玻爾又否定了盧瑟福的模型，運用量子概念構(gòu)建的量子化軌道模型解釋了氫原子光譜現(xiàn)象；……原子結(jié)構(gòu)模型總是在新的“反常現(xiàn)象”中提出新的模型，解決新的問題。

從認識論的觀點來看，科學史上的“反?，F(xiàn)象”是科學認識的過程中原有的“認識”受到了新的“實踐”的挑戰(zhàn)，人們必須改變原有的“認識”以適應(yīng)新的“實踐”或經(jīng)驗事實。

從認知心理的觀點來看，科學史上的一個個“反?，F(xiàn)象”是人們科學認識過程中的“認知沖突”，而這種“認知沖突”正好是學習者進一步認知、解決問題（提出解釋現(xiàn)象的假說）的心理動力。因此，教學過程中我們要注重科學發(fā)展史中的各種“反?，F(xiàn)象”，以認知發(fā)生的原理為基礎(chǔ)，根據(jù)學生現(xiàn)有的認知水平和已有知識，設(shè)計符合學生“最近發(fā)展區(qū)”的“認知沖突”的問題情境，讓學習者的認知過程符合心理建構(gòu)的特征和規(guī)律。這樣的學習活動既符合科學歷史的發(fā)展過程，又符合學生科學學習的認知發(fā)展原理，有利于培養(yǎng)學生的科學假說能力，發(fā)展學生對科學探索的興趣。

4.2 把構(gòu)建假說的基本方法融入科學課堂設(shè)計

人的能力來自于實踐，來自于“動手做”。構(gòu)建假說的能力當然需要在學習科學的過程中，讓學生投入于科學發(fā)現(xiàn)的“準真實情境”中，讓學生自己來構(gòu)建能夠解釋“反?，F(xiàn)象”的假說。構(gòu)建假說的方法一般有以下幾種[2]：

（1）類比方法。如果兩個科學事物在現(xiàn)象與本質(zhì)上有許多相似或相同點，往往它們的一些未知特征也相同或相似?？茖W研究中常常把兩個相同模型或相似模型的特征進行類比，用遷移的觀點找出某些未知特性，這種方法就是類比方法。如牛頓的“微粒說”是把光類比成“彈性球”而形成的假說；盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型是受到“太陽系模型”的啟發(fā)， 再根據(jù)α散射實驗結(jié)果而提出的假說；庫侖定律的提出是把兩個點電荷之間的作用力與萬有引力原理進行類比而獲得的。

（2）臻美方法。我們總是相信“上帝”創(chuàng)造的世界具有簡單美，因此自然系統(tǒng)總是以最美的形式呈現(xiàn)的，這就是科學美的原理?？茖W研究中對美的追求或要求，可探索出科學本質(zhì)與規(guī)律，從而提出科學假說。例如：愛因斯坦的光子說， 是在牛頓微粒說與惠更斯的波動說的基礎(chǔ)上，吸收了這兩種假說的合理思想而構(gòu)建的。光子說既體現(xiàn)了光的粒子性又體現(xiàn)了光的波動性，光子模型體現(xiàn)了粒子性與波動性的對立統(tǒng)一關(guān)系，是波與粒子的完美整合。

（3）逆向思維法。科學探索中逆著前人研究的思維路徑，可能會得出科學假說。1919年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，即“電產(chǎn)生磁”。法拉第就認為：既然電可以產(chǎn)生磁，那么磁是否可以產(chǎn)生電呢？基于這種樸素的逆向思維方法，他堅定了“磁生電”的信念，經(jīng)過研究，終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1924年，德布羅意思考：光量子假說能把過去認為本質(zhì)上是波的光加以粒子化，那么本質(zhì)上是粒子的實物粒子也可以看成波，也具有波動性。實物粒子“物質(zhì)波”的假說，被認為是物理學發(fā)展史上最富有創(chuàng)新精神、最富有挑戰(zhàn)性的科學假說。

（4）理想化方法。理想化方法是對實際問題的科學抽象，是抓住研究對象或研究過程的本質(zhì)，而忽略它們的次要因素，使過程或?qū)ο蟮那榫掣逦?，更容易為我們所研究的一種方法。科學假說的形成離不開理想化方法。伽利略的斜面實驗就采用了理想化的抽象思維和合理的外推法，得出結(jié)論：“一切物體如果不受外力作用，那么物體將保持在水平面上做勻速直線運動或靜止狀態(tài)?！?/p>

4.3 研究基于科學課程內(nèi)容的假說構(gòu)建過程與方法

科學教育的課堂中，需要研究課程內(nèi)容中的各種假說方法，搞清每一個假說構(gòu)建的問題情境、提出假說的方法、問題解釋的結(jié)果等因子，使科學假說的教育目標更清晰明確。表1以幾個物理學有關(guān)假說的教學內(nèi)容為例來說明構(gòu)建假說的因子分析。

教師以自己教學的課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，參照上表的研究方法，研究課程內(nèi)容所涵蓋的科學假說的內(nèi)容和方法等因子有助于有效設(shè)計科學教學，有助于使科學教育的目標更清晰、過程更具有探究特性。

4.4 把科學假說的基本思想融入科學探究教學設(shè)計

科學假說是科學探究活動的重要一環(huán)，是基于解決科學情境中的“反?，F(xiàn)象”的問題而提出的?？茖W假說應(yīng)該由科學觀察與實驗來檢驗。因此，假說應(yīng)該有機地融入于科學探究教學。其實，科學假說本身就存在于科學探究的過程中，如圖1所示：[3]

科學假說是科學探究過程的重要思維形式，是科學探究的核心所在?？茖W假說基于科學問題的解決，當然也可預(yù)見未見的科學事實?？茖W假說的教學設(shè)計應(yīng)該基于科學探究、學生認知和課程內(nèi)容等幾個方面的實際情況。

參考文獻：

[1]陳海明.科學假說探析[D].廈門：廈門大學碩士學位論文，2002（7）：2-3.

[2]趙銳.科學假說在物理教學中的重要作用[J].科技資訊， 2008（33）：252.

[3]曹寶龍. 科學假說及其在中學物理中的教學策略[J].物理教學，2000（2）：10-14.

（欄目編輯 廖伯琴）