論科學(xué)假設(shè)能力的結(jié)構(gòu)與培養(yǎng)的創(chuàng)新路徑論文
科學(xué)假設(shè)指人們根據(jù)已有的科學(xué)理論、科學(xué)知識對新的科學(xué)事實和未知的規(guī)律所做的假定性闡釋與說明。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)假設(shè)能力是理科教育的重要目標(biāo)。然而,當(dāng)前教學(xué)實踐表明,人們只重視假設(shè)的檢驗,如設(shè)計實驗、數(shù)據(jù)處理等,而對學(xué)生假設(shè)能力的培養(yǎng)并不關(guān)注。因為部分人認(rèn)為提出假設(shè)依靠的是靈感和直覺,是不能被教的。這是由于人們還未發(fā)現(xiàn)科學(xué)假設(shè)產(chǎn)生的邏輯機(jī)制以致設(shè)計不出有效的教學(xué)模式和策略。
國內(nèi)學(xué)者文慶城、羅星凱等從科學(xué)假設(shè)的數(shù)量、質(zhì)量、對所提出假設(shè)的解釋等幾個方面來探討科學(xué)假設(shè)能力的結(jié)構(gòu)及其培養(yǎng)。[1][2]國內(nèi)其他學(xué)者認(rèn)為應(yīng)從“加強(qiáng)‘雙基教學(xué)’、尊重學(xué)生所提出的假設(shè)、加強(qiáng)假設(shè)方法的教學(xué)”等方面來培養(yǎng)學(xué)生的假設(shè)能力。[3][4]國外學(xué)者奎因(Quinn)、勞森(Lawson)等[5][6]分別從假設(shè)質(zhì)量的判斷和假設(shè)論證方式來探討學(xué)生科學(xué)假設(shè)能力的培養(yǎng)。這些研究或僅關(guān)注科學(xué)假設(shè)自身的含義和質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn),未注意科學(xué)假設(shè)能力的其他維度;或?qū)儆谧陨淼慕虒W(xué)經(jīng)驗,理論基礎(chǔ)薄弱。要完整了解科學(xué)假設(shè)能力結(jié)構(gòu),制定科學(xué)假設(shè)能力培養(yǎng)的合理策略,還必須從科學(xué)家提出假設(shè)的邏輯機(jī)制去探討。
一、科學(xué)假設(shè)產(chǎn)生的邏輯機(jī)制
科學(xué)家究竟是如何提出科學(xué)假設(shè)的?經(jīng)驗主義者認(rèn)為,科學(xué)發(fā)現(xiàn)是個歸納的過程,所謂的科學(xué)假設(shè)也就是由歸納而產(chǎn)生�，F(xiàn)代科學(xué)哲學(xué)研究表明,我們不可能從事實歸納出任何假設(shè),因為如果沒有假設(shè)的指導(dǎo),人們就不知收集哪些事實。換言之,即使是歸納也是以假設(shè)為前提。演繹也不能產(chǎn)生任何假設(shè),因為演繹推理是從一般推知個別,如果前提為真,其結(jié)論也為真,即演繹推理并不會產(chǎn)生新的命題。因此,科學(xué)假設(shè)既不是通過歸納,也不是依靠演繹推理產(chǎn)生,而是科學(xué)家發(fā)明出來的。除直覺、頓悟等非理性因素外,科學(xué)假設(shè)的發(fā)明過程是否遵循一定的邏輯機(jī)制?目前科學(xué)哲學(xué)界的共識是,提出假設(shè)具有一定的邏輯模式,皮爾斯提出的溯因推理是產(chǎn)生科學(xué)假設(shè)的唯一邏輯操作。溯因推理是由結(jié)果推出原因的一種推理方式,它的觸發(fā)條件是事實與預(yù)期不符,如新事實、異常事實的出現(xiàn)。溯因推理的目的就是要形成假設(shè)以解釋這些事實。其邏輯形式可用如下模式表示:
一個令人吃驚的現(xiàn)象A被觀察(推理的前提和誘因)。
找到一個假設(shè)H(省略了另外的前提——已有的知識和理論),它能作為A的原因并解釋它,使A變成不吃驚。
因此有充足的理由去推敲H,使它成為可能的假設(shè)。[7]
其中,H與A之間在認(rèn)知上存在著相似關(guān)系。由此可見,溯因推理的邏輯起點(diǎn)是已有的事實、知識和理論,結(jié)論具有或然性的逆向推理方式。皮爾斯認(rèn)為,要從事實過渡到假設(shè),溯因推理重要的認(rèn)知特征是相似性。[8]其中,模型推理和類比推理在假設(shè)溯因中扮演了重要的角色。
二、科學(xué)家提出假設(shè)的具體思維過程
從有待解釋的事實開始,分析它們,然后發(fā)明出科學(xué)假設(shè),溯因推理產(chǎn)生科學(xué)假設(shè)的具體思維過程是什么呢?以下用盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)模型來說明。
意外的現(xiàn)象被觀察:盧瑟福和他的助手做粒子散射實驗時發(fā)現(xiàn),大多數(shù)粒子可以照直透過金箔,偏轉(zhuǎn)很小的角度,但有小量粒子產(chǎn)生很大偏轉(zhuǎn),極少數(shù)粒子竟被反彈回來。這些現(xiàn)象可以概括為:原子里面大多數(shù)應(yīng)該是空虛的,而中間有個體積很小,密度很大的原子核。
從已有的經(jīng)驗知識和理論中尋找相似的現(xiàn)象:太陽系中太陽的質(zhì)量占99.87%,而體積卻占太陽系的很少一部分,這些與原子結(jié)構(gòu)相似。太陽與行星之間遵守萬有引力定律,而原子核和電子之間的電吸引力遵循庫侖定律,這兩個定律的數(shù)學(xué)關(guān)系式也基本相似。
借相似現(xiàn)象的因果解釋提出假設(shè):原子的行星結(jié)構(gòu)模型假設(shè)的提出。
根據(jù)上述案例,我們可以想象,盧瑟福在面臨迷惑的問題時,必定在已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中思考了多種相似經(jīng)驗現(xiàn)象,然后選擇最合適的一種作為問題的假設(shè)提出�？茖W(xué)史上,類似的科學(xué)發(fā)現(xiàn)比比皆是,如麥克斯韋的光的電磁理論是把光與電磁波進(jìn)行比較而做出的發(fā)現(xiàn),伽利略發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星過程也是不斷地用所掌握的恒星和衛(wèi)星的知識與觀察到的證據(jù)做對比。由此可知,從意外現(xiàn)象到假設(shè)之間存在一條可以逾越的鴻溝,那就是從已有知識和理論中尋找相似的經(jīng)驗現(xiàn)象或理論,并借用其中的因果解釋而提出假設(shè)�？茖W(xué)假設(shè)提出的整個溯因過程可用以下圖形來描述:
其具體思維步驟為:(1)科學(xué)假設(shè)的產(chǎn)生過程從分析問題,探討其中的因果關(guān)系開始;(2)推理者在已有的知識結(jié)構(gòu)中尋找與當(dāng)前問題情境相似的經(jīng)驗現(xiàn)象;(3)探討各種相似經(jīng)驗現(xiàn)象的因果解釋;(4)把各種經(jīng)驗現(xiàn)象與當(dāng)前的問題情境進(jìn)行比較;(5)借用經(jīng)驗現(xiàn)象的因果解釋提出假設(shè);(6)選擇合理的科學(xué)假設(shè)。圖中“”表示問題情境和經(jīng)驗現(xiàn)象間的對比。由此可見,假設(shè)產(chǎn)生的溯因推理程序看似簡單,其實包含復(fù)雜的思維過程,如探索、比較、綜合、選擇等思維操作。由于人類任何新知識都是在原有知識基礎(chǔ)上的創(chuàng)造,我們就不能把上述環(huán)節(jié)狹隘地理解為類比推理過程,如尋找相似經(jīng)驗這個環(huán)節(jié),除類比推理外還包括利用已有知識創(chuàng)造性地想象出與問題情境相似的結(jié)構(gòu)模型,如凱庫勒的苯分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。其中,非理性思維的靈感、直覺等也發(fā)揮重要的作用。
三、科學(xué)假設(shè)能力的含義及結(jié)構(gòu)
(一)科學(xué)假設(shè)能力的含義
由科學(xué)假設(shè)產(chǎn)生的邏輯思維過程可知,要提出科學(xué)假設(shè),推理者必須同時具備兩個條件:一是具備豐富的經(jīng)驗性、陳述性知識;二是具有溯因推理能力。而要選出合理的科學(xué)假設(shè),推理者還應(yīng)知道假設(shè)質(zhì)量的判斷標(biāo)準(zhǔn)和具有一定的溯因論證能力。由此可見,科學(xué)假設(shè)能力是集科學(xué)事實知識、方法知識、溯因推理能力等因素為一體的一種綜合能力。我們對科學(xué)假設(shè)能力界定為,面對令人迷惑的自然現(xiàn)象,推理者充分運(yùn)用已有的知識經(jīng)驗,順利提出符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的假設(shè)的個性心理特征。它具有以下四個特點(diǎn)。
1.科學(xué)假設(shè)能力是一種特殊的能力,是一般假設(shè)能力和科學(xué)學(xué)科的有機(jī)結(jié)合。它又隨假設(shè)思維的發(fā)展而發(fā)展,是一般假設(shè)能力的發(fā)展和科學(xué)教育的結(jié)晶。
2.科學(xué)假設(shè)能力有顯性的邏輯操作機(jī)制,是可以培養(yǎng)的�？茖W(xué)假設(shè)能力體現(xiàn)在其活動的各個環(huán)節(jié)中,并在活動中得到發(fā)展。
3.科學(xué)知識、已有經(jīng)驗是科學(xué)假設(shè)能力的前提,但缺乏溯因推理能力,不懂科學(xué)假設(shè)能力基本操作,科學(xué)假設(shè)能力也無從談起。因此,科學(xué)假設(shè)能力是科學(xué)知識和溯因推理能力的有機(jī)結(jié)合。
4.科學(xué)假設(shè)過程也是科學(xué)思維不斷地調(diào)整、監(jiān)控、反思和評價的過程。
(二)科學(xué)假設(shè)能力的構(gòu)成要素
吉爾福特認(rèn)為,智力結(jié)構(gòu)是由操作、內(nèi)容、產(chǎn)品所構(gòu)成的三維度空間結(jié)構(gòu)。雖然該三維結(jié)構(gòu)模型能較全面地反映智力的基本成分,但科學(xué)假設(shè)能力也有自身的特點(diǎn),比如在假設(shè)過程中始終離不開思維的調(diào)整和監(jiān)控以及思維品質(zhì)的作用。這些都是在智力基本要素基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高級思維能力要素。因此,我們認(rèn)為,科學(xué)假設(shè)能力的構(gòu)成要素主要有以下五點(diǎn)。
1.科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)容
科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)容是指提出和評價假設(shè)所依據(jù)的科學(xué)知識、經(jīng)驗等,是假設(shè)產(chǎn)生的前提條件和原始動力。缺乏對問題本質(zhì)的理解,沒有足夠的知識儲備及不能準(zhǔn)確提取相應(yīng)知識,人們很難提出合理的科學(xué)假設(shè)。因此,科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)容包括對科學(xué)問題的理解,科學(xué)常識、規(guī)律、概念的掌握和運(yùn)用、生活經(jīng)驗等因子。
2.科學(xué)假設(shè)能力的操作
科學(xué)假設(shè)產(chǎn)生遵循一定的邏輯機(jī)制,也有具體的思維流程和方法。科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)容、品質(zhì)和監(jiān)控等要素都要通過操作要素體現(xiàn),因此,操作是科學(xué)假設(shè)能力的核心要素。此要素因子有5個,即分析問題本質(zhì)、尋找與問題現(xiàn)象相似的經(jīng)驗知識、對比問題情境和各種經(jīng)驗現(xiàn)象、借用經(jīng)驗現(xiàn)象的科學(xué)解釋提出假設(shè)、選擇合理的假設(shè)。
3.科學(xué)假設(shè)能力的產(chǎn)品
產(chǎn)品是指科學(xué)假設(shè)能力的結(jié)果。其判斷標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)假設(shè)的質(zhì)量水平。波普爾、亨佩爾等從簡單性、可以檢驗、強(qiáng)大的預(yù)見功能、經(jīng)驗和理論支持等方面來判斷假設(shè)的質(zhì)量。[9]據(jù)此,產(chǎn)品要素包含的因子為:基于經(jīng)驗、可以檢驗、預(yù)見性和簡單性。
4.科學(xué)假設(shè)能力的品質(zhì)
科學(xué)假設(shè)能力的品質(zhì)是在假設(shè)過程中形成和發(fā)展的,它反映了科學(xué)假設(shè)能力產(chǎn)品的質(zhì)量,是衡量個體科學(xué)假設(shè)能力發(fā)展水平的重要指標(biāo)。主要包括深刻性、靈活性、批判性、獨(dú)創(chuàng)性和敏捷性共5個因子。
5.科學(xué)假設(shè)能力的自我監(jiān)控
科學(xué)假設(shè)的自我監(jiān)控就是在提出、評價、選擇假設(shè)的過程中自我監(jiān)督和控制。其表現(xiàn)為:明確解決問題方向,了解提出假設(shè)思維的過程;懂得假設(shè)產(chǎn)生常用的推理方法;能夠排除外界的干擾,使思維集中到問題的假設(shè)上;能夠不斷地調(diào)整思維的方法和方向,及時發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗現(xiàn)象和問題間的差異等。
(三)科學(xué)假設(shè)能力的結(jié)構(gòu)模型
要建構(gòu)科學(xué)假設(shè)能力的結(jié)構(gòu)模型,應(yīng)以科學(xué)哲學(xué)和青少年假設(shè)思維發(fā)展理論、系統(tǒng)科學(xué)原理、知識和方法與能力關(guān)系理論為依據(jù)。綜合上述論述,且能力必須在具體的活動中得以體現(xiàn),我們認(rèn)為,科學(xué)假設(shè)能力是以操作為核心要素,科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)容、品質(zhì)、監(jiān)控、產(chǎn)品4個要素分別位于四個頂角,這5個要素所構(gòu)成的相互聯(lián)系、相互作用的一個有機(jī)的整體。科學(xué)假設(shè)能力結(jié)構(gòu)可用圖2表示。
該模型具有以下三個特點(diǎn)。第一,整體性�？茖W(xué)假設(shè)能力是一個多要素、多側(cè)面、多聯(lián)系的有機(jī)整體。其中,內(nèi)容、操作和產(chǎn)品是科學(xué)假設(shè)能力的基本要素,操作又是基本要素的核心。品質(zhì)和監(jiān)控是在科學(xué)假設(shè)能力基本要素基礎(chǔ)上發(fā)展的�？茖W(xué)假設(shè)能力的內(nèi)容、操作和產(chǎn)品這3個基本要素是科學(xué)假設(shè)能力的品質(zhì)和監(jiān)控發(fā)展的前提和基礎(chǔ),同時,科學(xué)假設(shè)能力的品質(zhì)和監(jiān)控又使提出的假設(shè)更具科學(xué)性、多樣化、合理化。第二,層次性和動態(tài)性。由于學(xué)生的科學(xué)假設(shè)能力與年齡相關(guān)。皮亞杰認(rèn)為,兒童要到形式運(yùn)算期(11歲以上)才能形成對科學(xué)現(xiàn)象的假設(shè)檢驗?zāi)芰?而勞森認(rèn)為,形式運(yùn)算期的兒童只能依據(jù)可感知的因果關(guān)系提出假設(shè),要根據(jù)不可感知的理論成分創(chuàng)造出科學(xué)假設(shè),必須到后形式運(yùn)算期(約18歲以后)。因此,科學(xué)假設(shè)能力有一定的層次性。它又是動態(tài)的,將隨著學(xué)生年齡、科學(xué)知識和經(jīng)驗、推理能力的增長而得到發(fā)展。同時,外在環(huán)境,如鼓勵創(chuàng)新的寬松教育環(huán)境有利于科學(xué)假設(shè)能力的發(fā)展。所以,它是層次性和動態(tài)性的統(tǒng)一體。第三,自調(diào)性。該結(jié)構(gòu)模型內(nèi)5個要素構(gòu)成了科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)核,年齡階段是科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)在環(huán)境。在內(nèi)外環(huán)境的共同作用下,這5個要素為達(dá)到平衡,能產(chǎn)生依靠其內(nèi)部規(guī)律而進(jìn)行的自我調(diào)節(jié)。
四、學(xué)生科學(xué)假設(shè)能力的培養(yǎng)
(一)以科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)在環(huán)境為教學(xué)前提,同時創(chuàng)設(shè)良好的外在環(huán)境,使學(xué)生科學(xué)假設(shè)能力螺旋式發(fā)展
年齡階段是科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)在環(huán)境,它使科學(xué)假設(shè)能力具有一定的層次性,是內(nèi)因;教學(xué)環(huán)境和教學(xué)策略是科學(xué)假設(shè)能力培養(yǎng)的外在環(huán)境,是外因。皮亞杰、勞森等研究表明,很小的兒童就具有假設(shè)思維能力。前運(yùn)算階段和具體運(yùn)算期的兒童能使用表象和詞語來表征假設(shè)推理,但他們的詞語或其他象征符號還不能代表抽象的概念,只能在不脫離實物和實際情景的場合應(yīng)用。形式操作期或因果階段(大約11至12歲以后)兒童不僅能夠運(yùn)用語言表達(dá)假設(shè)推理,而且能脫離直觀表象對假設(shè)進(jìn)行因果論證,即這階段的兒童已經(jīng)能夠控制變量,但只能依據(jù)可感知的因果關(guān)系提出假設(shè)。后形式運(yùn)算期或理論期(大約18歲以后)的.學(xué)生提出的假設(shè)將包括不可感知的理論成分。因此,教學(xué)設(shè)計必須根據(jù)上述分類,不斷創(chuàng)設(shè)“最近發(fā)展區(qū)”,同時營造民主寬松的環(huán)境,使學(xué)生科學(xué)假設(shè)能力螺旋式發(fā)展。針對學(xué)前和小學(xué)階段的學(xué)生,應(yīng)引導(dǎo)他們在具體的實物操作中提出猜想,科學(xué)假設(shè)只涉及簡單的變量關(guān)系。初中學(xué)生也要以直觀的自然現(xiàn)象引發(fā)他們提出假設(shè),引導(dǎo)他們用科學(xué)語言論證假設(shè)中的變量關(guān)系,針對不可觀察的因素盡量用可觀察的實物來比喻,如用水流、水壓來比喻電流和電壓。高中及以上的學(xué)生可以涉及理論假設(shè),除讓他們用可觀察到的經(jīng)驗來解釋問題外,還必須引導(dǎo)他們用微觀、符號模型、科學(xué)理論來解釋宏觀自然現(xiàn)象。
(二)加強(qiáng)科學(xué)解釋教學(xué),使學(xué)生形成結(jié)構(gòu)化知識,增強(qiáng)提取知識的能力,從而完善科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)容
談到科學(xué)假設(shè)能力的培養(yǎng),人們首先想到的是應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)知識的教學(xué),因為基礎(chǔ)知識是科學(xué)假設(shè)產(chǎn)生的原材料。但學(xué)生不能提出合理的假設(shè),往往并不是學(xué)生缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)知識,而是不能準(zhǔn)確地提取相關(guān)知識。[10]因此,筆者認(rèn)為,科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)容不僅包含基礎(chǔ)知識,還應(yīng)包括學(xué)生對科學(xué)問題的理解及具有結(jié)構(gòu)化知識。也就是說,知識在頭腦中雜亂無章地堆積是不能被提取的重要原因。
形成結(jié)構(gòu)化知識的方式是使不同知識間互相關(guān)聯(lián)。對科學(xué)問題的解釋是幫助學(xué)生形成結(jié)構(gòu)化知識,完善科學(xué)假設(shè)能力內(nèi)容的教學(xué)策略之一。學(xué)生要能對科學(xué)問題提出合理的解釋,一是必須理解科學(xué)問題;二是需把不同的知識與科學(xué)問題進(jìn)行關(guān)聯(lián);三是要準(zhǔn)確提取相關(guān)知識�？茖W(xué)研究的實質(zhì)是對科學(xué)問題的解釋活動,只不過有些科學(xué)解釋是成功的解釋,無須驗證,而有些科學(xué)解釋還有待證實,假設(shè)就是有待證實的科學(xué)解釋。如將水加入盛有固體的試管中,待形成溶液,滴加少量酚酞試液,溶液先變紅,半分鐘內(nèi)褪為無色,為何?成功的科學(xué)解釋:酚酞變紅是因為生成了NaOH;有待驗證科學(xué)解釋(假設(shè)):酚酞褪色可能是生成的的作用,也可能是溶液中NaOH濃度過大。這兩類科學(xué)解釋都有利于學(xué)生形成結(jié)構(gòu)化知識,增強(qiáng)分析問題和提取知識的能力。
(三)加強(qiáng)科學(xué)假設(shè)思維過程訓(xùn)練,掌握科學(xué)假設(shè)能力的操作,是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)假設(shè)能力的關(guān)鍵
科學(xué)假設(shè)能力必須在假設(shè)活動中進(jìn)行培養(yǎng)。學(xué)生不能提出合理的假設(shè),關(guān)鍵原因是學(xué)生不知怎么做、從何著手,即不理解科學(xué)假設(shè)能力的基本操作。這歸咎于當(dāng)前的探究教學(xué)存在簡單化、程序化的弊病,忽視了學(xué)生假設(shè)形成的思維過程及圍繞假設(shè)進(jìn)行的系列論證活動。假設(shè)是學(xué)生表達(dá)觀點(diǎn)、交流和自由創(chuàng)造的活動,忽視了學(xué)生的假設(shè)活動就等于扭曲了真實的科學(xué)探究。建構(gòu)主義認(rèn)為,學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者在原有的經(jīng)驗基礎(chǔ)上主動建構(gòu)知識的過程。教師的作用是提供適宜的問題情境引導(dǎo)學(xué)生提出觀點(diǎn),鑒定學(xué)生的觀點(diǎn),讓學(xué)生探討自己觀點(diǎn)的合理性,提供刺激使學(xué)生發(fā)展、修正或改變自己的觀點(diǎn)。我們可以把建構(gòu)主義理論與科學(xué)假設(shè)產(chǎn)生的邏輯機(jī)制結(jié)合起來進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。
[案例1]“質(zhì)量守恒定律”探究教學(xué)設(shè)計。
教師引入一些化學(xué)反應(yīng)圖片來創(chuàng)設(shè)問題情境,同時提出“我們是否可以像拉瓦錫一樣從量的角度來探討化學(xué)反應(yīng)”的問題。
引導(dǎo)學(xué)生提出核心問題:反應(yīng)后生成的物質(zhì)質(zhì)量總和與參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量總和存在什么關(guān)系。
引導(dǎo)學(xué)生用頭腦風(fēng)暴法尋找經(jīng)驗現(xiàn)象:如蠟燭燃燒、鐵生銹、鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)等。
要求學(xué)生對經(jīng)驗現(xiàn)象作出科學(xué)解釋。如蠟燭燃燒質(zhì)量減少,原因是生成了水和二氧化碳等物質(zhì)排放在空氣中;鐵生銹質(zhì)量增加是因為鐵吸收了空氣中的氧氣和水。如學(xué)生的解釋不正確,教師可以引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)的知識、實驗等各種方法糾正。
把經(jīng)驗現(xiàn)象和核心問題進(jìn)行比較。如蠟燭燃燒參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)是蠟燭和氧氣,生成的物質(zhì)是水和二氧化碳。鐵生銹參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)是鐵、水和氧氣,生成的物質(zhì)是鐵銹。
借用經(jīng)驗現(xiàn)象的因果解釋提出假設(shè),選擇合理的假設(shè)。學(xué)生可能提出“質(zhì)量增加、減少、不變”三種假設(shè)。選擇合理科學(xué)假設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)是這個假設(shè)既要包含核心問題所指示的變量關(guān)系,又要符合經(jīng)驗現(xiàn)象的科學(xué)解釋。通過對經(jīng)驗現(xiàn)象和核心問題的比較分析,師生可以發(fā)現(xiàn)前2種假設(shè)不符合這個標(biāo)準(zhǔn)。以鐵生銹為例,“質(zhì)量增加”的假設(shè)就沒有考慮參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)還有氧氣和水這2個變量,因此,“質(zhì)量不變”的假設(shè)最符合此標(biāo)準(zhǔn),即參加化學(xué)反應(yīng)的三種物質(zhì)質(zhì)量總和很可能等于生成鐵銹的質(zhì)量。我們選擇“質(zhì)量不變”作為最合理的假設(shè)。
最后,師生共同設(shè)計白磷燃燒、鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)的實驗進(jìn)行驗證。
大家可以發(fā)現(xiàn),我們常見探究教學(xué)設(shè)計與上述案例有重大區(qū)別。常見探究教學(xué)設(shè)計也要求學(xué)生提出“質(zhì)量增加、減少和不變”三種假設(shè),但這些假設(shè)只是擺設(shè),教師在這個環(huán)節(jié)并沒有認(rèn)真去追究學(xué)生為何提出這些假設(shè),如何糾正學(xué)生不合理的假設(shè)和存在的模糊觀念,而是放在實驗設(shè)計環(huán)節(jié)中去探討這些問題。換言之,當(dāng)前的探究教學(xué)設(shè)計忽視了學(xué)生產(chǎn)生假設(shè)的環(huán)節(jié)。因此,必須把科學(xué)假設(shè)思維過程融入到探究教學(xué)中,使學(xué)生掌握科學(xué)假設(shè)能力的操作,從而體現(xiàn)探究的真實性。
(四)提高監(jiān)控意識,學(xué)會評價科學(xué)假設(shè)能力產(chǎn)品的合理性
科學(xué)假設(shè)的提出是一個伴隨著思維不斷地監(jiān)控、調(diào)整、評價和選擇的過程,這個過程使學(xué)生克服了思維的盲目性,保證了假設(shè)結(jié)果的科學(xué)性和合理性。引導(dǎo)學(xué)生對所提出的假設(shè)進(jìn)行評價是提高監(jiān)控意識的途徑。通過評價,學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)假設(shè)思維過程中的缺陷,從而在不斷反思中提高自己的科學(xué)假設(shè)能力。評價主體可以采用個人自評和集體評價相結(jié)合。評價內(nèi)容為:假設(shè)與問題相關(guān)性,證據(jù)和理論的符合程度,提出的假設(shè)是否與已有的知識經(jīng)驗相沖突,是否可以檢驗,假設(shè)的預(yù)見度如何。
溯因論證是評價假設(shè)合理性的重要方式。它是一種弱的假設(shè)檢驗方式,用于至少保證所提的假設(shè)能解釋令人迷惑的現(xiàn)象及由此得出推論的可檢驗性。這種論證方式的基本操作程序:如果這個假設(shè)合理,而且也觀察到證據(jù),并且這些證據(jù)與已有的知識經(jīng)驗相符合(如不符合,則該假設(shè)直接被否認(rèn)),然后,由此假設(shè)可以得到一些可以檢驗的推論,因此,該假設(shè)是合理的。
[案例2]:教師提供“把點(diǎn)燃的蠟燭用一個倒扣的玻璃杯罩住,然后壓入水中。蠟燭熄滅之后,為何杯子里的水面上升?”問題情境,要求學(xué)生對所提出的假設(shè)進(jìn)行溯因論證。某生的假設(shè):玻璃杯中的氧氣被消耗。溯因論證如下:如果是“玻璃杯中的氧氣被消耗”的假設(shè),且觀察到玻璃杯中氣體減少的證據(jù),已有理論是氣體減少導(dǎo)致壓強(qiáng)變小而水面上升。然后,由此假設(shè)可以推測,即使在玻璃杯中放兩根、三根或更多點(diǎn)燃的蠟燭,玻璃杯中水上升的高度應(yīng)一致,該推論可以檢驗,所以此假設(shè)是合理的。
最后,還必須加強(qiáng)學(xué)生科學(xué)假設(shè)能力品質(zhì)的培養(yǎng),并把它作為科學(xué)假設(shè)能力培養(yǎng)的突破口,前文已經(jīng)對品質(zhì)的培養(yǎng)有所論述,這里就不再一一探討
【論科學(xué)假設(shè)能力的結(jié)構(gòu)與培養(yǎng)的創(chuàng)新路徑論文】相關(guān)文章：
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