科学假说及其在中学物理中的教学策略

科学假说是一种复杂的理论思维形式，是人们运用科学思维，根据已知的事实材料，对未知的事物及其规律所作的推断和假定，是一种带有推测性和假定性的理论形态，是没有经过实践充分证实的理论。恩格斯指出：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”作为一种理性思维的形式，假说是科学研究中重要的方法。在中学物理教学过程中，对21世纪知识经济时代中参与竞争的学生，培养探究形成假说的能力，严密思维能力和创新思维的能力是十分必要和十分紧迫的。本文就假说的作用及其在中学物理教学中有关假说的教学策略作一肤浅的论述，以期同仁指教。

一、假说的特征

1、假说具有猜测性。

假说之所以称为假说，就是因为它是一种“毛坯”，是具有一定猜测性的理论“预制品”，在未证实之前只能说是对自然现象及其规律的推断、猜测。假说只有通过实践检验和证明，才能上升为理论。例如，哥白尼的“日心说”，康德──拉普拉斯的“星云假说”，“大爆炸宇宙说”，“黑洞假说”等等。近代物理中卢瑟福核式结构模型、玻尔量子假说等等，在未证实之前均为假说，不能看成是一种完美的理论。有的至今未（进化）上升为理论，因为未得实验的检验。

2、假说具有科学性。

假说虽然是一种想象或猜测，但它的提出不但要以实验材料与经验事实为基础，而且要以科学理论为依据，经过实践检验和证明。所以假说不是无根据的猜测和幻想，不是主观臆造。假说一旦失去事实基础和科学依据，又未经受一定的实践或检验，它也就失去了存在的价值。

卢瑟福的原子核式结构模型，虽然有其很大的缺陷，但是它有科学依据，又能经得起a散射实验的检验，能推算出原子和原子核的半径。玻尔的原子模型是在卢瑟福模型的基础上发展起来的，它克服了卢瑟福模型的某些缺陷，引入了量子化的概念，因而是更为合理的一种新的假说，但是它还是有自己的缺陷。因此每一种假说都有科学依据，但它又随科学的不断发展而“进化”。

3、假说具有可变性。

假说是一种对实践证实的东西，因而通过实践检验可能成为真理而发展成一种理论，也可能成为谬误而被淘汰，也有可能被证实具有某种不完整性而发展成为一种新的假说。有时也通过相反的假说之间对峙和争论，形成一种变动更迭、新旧交替的局面，使假说得以发展。例如，关于太阳系演化的假说，18世纪康德──拉普拉斯提出了“星云假说”，到本世纪70年代又出现了“星子假说”、“陨星假说”、“宇宙大爆炸说”等，这些假说都有科学价值，因为都从某一角度反映了太阳系起源的可能性，都为解决太阳系起源作了贡献。关于光的本质，历史上出现了以牛顿为代表的“微粒说”和以惠更斯为代表的“波动说”的对峙与争论。两种学说争论都为揭示光的本性问题作出巨大贡献，最后为爱因斯坦的“光量子假说”所统一，给出了反映光的本性的“波粒二象性”的辩证图象。又如“以太”假说在科学事实面前证明是一种谬误，因而被人们抛弃。

二、假说在科学发展中的作用

假说作为一种重要的科学研究方法，在物理学中具有其它方法所不可替代的作用。其作用可以从图1表中看出：

1、假说是科学问题过渡到科学理论的桥梁。

一个自然现象，在其未被揭示出科学本质之前，人们对它的认识是很不完整的，甚至是片面的，只能借助于假说的形式进行研究与探索。当某一假说被大量事实所证实时，它就发展成一种理论：当新的科学事实又积累到一定程序与假说相矛盾时，又必须提出新的假说或修改、补充原来的假说，以便能圆满地解释事实，进而促进理论的进一步研究与发展。因此假说是物理学研究中理论发展必不可少的方法与桥梁。例如从黑体辐射问题的研究中出现的“紫外灾难”到1900年普朗克的量子假说，到1905年爱因斯坦“光量子假说”，到玻尔量子理论解释原子问题，建立旧量子论，到海森堡、薛定愕提出量子力学，再应用爱因斯坦相对论提出相对论量子力学的整个量子理论的发展，无不体现了从假说──理论──新假说──新理论……的循环发展模式，而每一次的发展都是对前一层次理论（假说）的继承、完善和修改，又是后一层次理论（假说）的重要台阶。因此，只要物理学发展着，假说便是永远不可缺少的一座桥梁。

2、假说对物理现察和实验具有先导作用。

假说在科学研究中具有一定的猜测性。但不是盲目的无目的的猜测，而是科学的预测，有计划的研究。有了假说便有了有计划有目的实验和观察。因此假说对物理观察和实验具有先导作用。例如在天体物理研究中，1845年，法国天文学家勒维烈和英国天文学家亚当斯根据万有引力定律计算的天王星轨道的偏离值，预言有一颗新的行星存在。1846年9月23日，由柏林天文学家加勒在勒维烈预言的位置偏离1°的地方果然找到了这颗新行星，并命名为海王星。又如1919年英国两个科学观测队按爱因斯坦关于光线通过太阳表面发生偏转的理论计算值所作出的观察，都是有计划的实验活动。

三、假说在中学物理中的教学策略

1、充分利用教材上的假说挖掘假说的方法论思想。

中学物理（尤其在物理下册内容）中，有很多内容与假说方法有关或使用了假说的方法。物理作为一门体现极强思维能力的实验科学，假说的方法是离不开的。特别是近代物理学的研究表现尤为突出。例如，狄拉克的迷人的磁单极于假说、安培分子环流假说、光的粒子说、光的波动说、普朗克光子说、爱因斯坦的光量子假说、汤姆生模型、卢瑟福原子模型、玻尔模型等等均为历史上极有影响力的假说，其中蕴含着极丰富的创造力，有科学家们的科学思想方法。

（1）假说在解决矛盾、解释事实中的方法论思想。

科学发展是有其自身的规律的，一个伟大的发现不仅与科学家自身的努力有关，更与当时科学群体、社会经济发展水平、科学技术的综合水平有关。一个假说的发展不可能与科学研究的历史相隔离，可以说每一个假说的发展都是从科学研究的矛盾与困难开始的。在研究解决这些矛盾的过程中运用分析、综合、抽象、概括、科学推理、类比、臻美、等效等思维方法，合理地提出假说。如原子物理一章中介绍原子理论发展时必须如数家珍般地列出每种模型的特点、可解释的物理事实及其存在的矛盾，尤其是研究存在的矛盾，是提出新的假说的开始。我在原子模型的教学中向学生提出这样一些问题并与学生一起展开程序式的讨论。

师：汤姆生为什么要提出“枣糕”模型？

生：为了解释电子的发现。

师：汤姆生模型能解释a散射实验的结果吗？

生：不能。

师：为了解释粒子散射实验，我们能否设想一个原子模型呢？依据是什么？

生：a粒子散射实验的结果。

师：从a粒子散射实验中“绝大多数”、“少数”、“极少数”、“有的甚至”，可猜测出原子模型的空间尺度对比吗？如何估算出原子核式结构模型中原子和原于核的大小的数量级之比？（这是一种由“果”推“因”的思维模式。）

师生互相讨论：绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，说明原子内部绝大多数是“空”的；极少数a粒子发生大角度偏转，说明粒子碰到了带正电的，且质量较大的东西，而且这东西很小。

师：由此猜测的模型是怎么样的呢？

生：中心是一个质量较大的核，其周围是电子。

师：带负电的电子如何才能与带正电的核保持一定的距离？

生：只有绕核旋转。

师：卢瑟福的模型可解释a散射实验，但它又遇到了哪些矛盾？

师生互相讨论：

（1）原子发光的频率。根据卢瑟福的模型原子光谱应该是连续的，但事实上是明线光谱。

（2）原子结构的稳定性问题。按卢瑟福的模型，由于电子加速运动而不断地发射光，那么由于系统能量不断减小，电子的轨道半径不断减小，则最后电子将落到原子核上。

师：事实上原子结构稳定吗？

生：稳定。

师：那么是事实出了问题还是卢瑟福模型出了问题？如果您是玻尔，您如何解决这个问题？

生：卢瑟福的模型必须修改。

师生互相讨论：卢瑟福模型有哪些合理之处必须保留？哪些必须修改？

接着给出书上的玻尔模型。（玻尔的三条假说）

师：玻尔理论有哪些成功之处？有什么缺陷吗？需要修改吗？

师生互相讨论：（略）

从以上教学可看出假说是否成功，要用实验来验证，它的发展模式可用图2表示：

（2）利用假说预见结果，创建新的理论的方法论思想。

科学的假说往往可以预言某些科学实验的结果。例如麦克斯韦的“以太”假说建立了电磁场理论，从而预言了电磁波的存在，并计算出了电磁波传播速率。法拉第从奥斯特实验的“电生碰”事实利用逆向思维的推测有了一种假说：“磁必可以生电”。从而驱使法拉第持之以恒地研究十年，终于发现了电磁感应现象。在此内容教学中我与学生讨论的主要问题如下：

①奥斯特实验的本质是什么？

②从“电生磁”想到“磁生电”是一种什么样的思维方法？

③设想如果法拉第的思想中对“磁生电”的必然性不是十分有把握，那么他会坚持十年研究吗？

④法拉第的研究方法体现了什么样的哲学思想？

2、构建假说的基本方法

（1）类比方法

通过对两个不同物理事物进行比较，找出它们的相似点或相同点，然后以此为根据，把其中某一物理事物的相关知识迁移到另一物理事物中去，从而对另一物理事物的规律作出一假定性的说明。例如欧姆受到傅立叶的热流规律的启发，通过热现象的类比中提出假说：“导线中的两点之间电流的大小也可能正比于这两点之间的某种“驱动力”。从而导致欧姆进行潜心研究后，果然发现了此规律，即后来的“欧姆定律”。再如卢瑟福原子核式结构模型是受到“太阳系模型”的启发，再根据a散射实验结果而提出的假说。牛顿的“微粒说”是把光类比成“弹性球”而形成的假说。狄拉克把“磁荷”与“电荷”比较后提出了“磁单极子假说”。

（2）臻美方法

通过对美的追求，探索物理事物的本质和规律，从而提出假说的方法。在物理学的研究中，对科学美的追求是物理学家的永恒的目标，而且一种理论的完善过程本身就是臻美的过程。例如爱因斯坦的光子说，是在牛顿与惠更斯的学说的基础上，吸收了前面两种假说的合理思想，构建出符合物理事实的光与粒子完美的对立统一体即“光子”。理解光子假说，本人与学生一起讨论了如下问题：

①牛顿的粒子说能解释哪些光学现象？在哪些现象上遇到了困难？讨论其成功与缺陷之处。

②惠更斯的波动说能解释哪些光学现象？在哪些现象上遇到了困难？讨论其成功与缺陷之处。

③如果提出一种新的关于光的模型，这种模型必须解释所有的光学现象，那么这一模型可能是怎么样的？请设想一下。

④“波”与“粒子”是二种不同的对立模型，它们在“光子”模型中如何统一？

⑤“波粒二象性”假说中，“粒子性”和“波动性”有什么区别和联系？

⑥“波值二象性”与光的电磁说有什么联系？

⑦“波粒二象性”体现了一种什么样的哲学思想？

（3）逆向思维法

1924年，法国青年物理学家德波罗意思考：光量子假说能把过去认为本质上是波的光加以粒子化，那么本质上是粒子的实物粒子也可以看成波，也具有波动性。于是，他提出一个惊人的设想：石头并不是沿直线运动的，而会产生一种波，并倚在自己所产生的波上前进。实物粒子量子化的假说，被认为是物理学发展史上最富有创新精神，最富有挑战性的科学假说。

（4）理想化方法

理想化方法是物理学中常见的处理方法，它是对实际问题的科学抽象，其特点是抓住研究对象或研究过程的本质，而忽略它们的次要因素，使物理过程或对象的物理图象更清晰，使它们更容易为我们所研究。科学假说的形成离不开理想化方法。例如，伽利略的斜面实验中，采取了理想化的抽象思维和合理的外推方法，得出了一个近似于牛顿第一定律的结论：“一切物体如果不受外力作用，那么物体将保持在水平面上作匀速直线运动或静止状态。”爱因斯坦采取理想化的“电梯实验”，导致了广义相对论中“等效原理”假说的发现。“等效原理”是广义相对论中两个基本原理（假说）之一。

3、创建“新假说”，解决新问题。

中学物理中要使教师与学生一起发现新的假说几乎是不可能的，但是形成假说的科学方法可为我们教学中采用。建立假说的方法论是想也可以为我们建立一些必要的新模型，从而以快捷的方法解决这些问题。

例题1：如图3，小球的质量为m，带电量为q，整个区域加一个场强为E的水平方向的匀强电场，小球可在绳子与竖直方向成对45角的F点处平衡。则：

（1）电场力qE＝？

（2）如果小球在C点释放，则小球到达A点的速度是多少？绳子上的拉力T_A＝？

（3）上述过程中──小球的最大速度在哪点？最大速度为多大？此时绳子上的拉力为多大？

（4）小球在竖直面上作圆周运动时，最大速度与最小速度分别在哪点？最大速度与最小速度分别为多大？绳子上最大与最小拉力在哪里？分别为多大？

（5）要使小球在竖直面上作圆周运动，必须在C点加多大的初速度？

这个问题如果用一般方法来解难度会较大，但是如果我们先建立一个科学“假说”再来解决这个问题，便更简单了。因为重力mg与电场力qE都是大小、方向始终不变的恒定的保守力，故可以把mg与qE合成为一个合力，方向与竖直成。我们把带电小球看成是处于一个合力场中的物体，于是F点是它在运动过程中的等效“最低点”。有了这个“假说”以后，这个问题相当于只有重力作用下的竖直面上的四周运动问题了。只是把解题过程中的g替换成。限于篇幅，解题过程不再展开。更有价值的是，有了这个“假说”，可以帮助我们轻松地解决一类问题，真正做到触类旁通。

机械能守恒定律是能量守恒定律在力学中的特定条件下的体现，是以只有重力和弹力的作用下的物体系为研究对象的。但是如果用类比的方式也可以拓宽到有重力、弹力、浮力、电场力都做功的较复杂的情况中去，问题是要建立一个适合这些问题的假说。根据这些力做功的特点，可引入与它们相对应的“浮力势能”、“电势能”。在此情形下，能量守恒定律的表达形式为：

只有重力、弹力、电场力和浮力做功，那么物体系的动能与势能的总和保持守恒。当然，这里的势能总和＝重力势能＋弹性势能＋浮力势能＋电势能。在没有经过检验之前，这个结论只能算是一个假说。教学中，我们可以利用动能定理和这些保守力做功的特点加以证明，使其上升为理论而为我们所用。下面是本人的课堂教学的一段实录。

例题2：如图4所示，一个质量为m，电量为q的带电粒子，以速度V₁进入一充满电场的蓖麻油中的A点，蓖麻油的密度为P，其中的电场强度为E，粒子到达B点时的速度为V₂（阻力不计）则：

师：电荷的机械能守恒吗？为什么？

生：不守恒。因为有除重力以外的力做功。

师：哪些力做功呢？

生：浮力、电场力。

师：浮力和电场力做功的结果使粒子的机械能如何变化呢？

生：浮力做正功，使机械能增加；电场力做负功使机械能减小。

师：从能量转化的角度分析，改变的机械能是哪儿来的？

引导（缓慢地）：电场力做负功，电势能增加，机械能转化成电势能；浮力做功是什么能量转化成机械能呢？（学生开始讨论）

师：（继续引导）可否引入一个与浮力对应的势能，叫“浮力势能”呢？

生：可以。

师：为什么？是否任何力都可以引入一个对应的势能呢？

生：只有做功与路往无关的力（保守力）才能引入相应的势能。

生：浮力做功，浮力势能减小，机械能增加。是浮力势能转化成机械能。师：这个问题中什么样的一个能量是保持守恒的？

生：“浮力势能＋电势能＋重力势能＋动能”的总和保持守恒。

师：能否针对这种情况总结一个类似机械能守恒定律的一个新定律。哪位同学来总结，此定律就以这位同学的名字来命名。（此时课堂气氛十分活泼，同学们都跃跃欲试。）

接着同学们便踊跃地讨论，很自然地总结出了相应的“新定律”。

师：最后列出解决该问题的公式。

生：（略）

在物理教学中渗透科学假说的思想方法是培养学生创新思维的重要途径。创新包括两类；一是科学家和其它创造发明家最终产生了对人类来说是新的和有社会价值的成品的活动，这类叫真创新，另一类是学生在学习中发生的思维过程与科学家的发明创造过程本质上是相同的，对学生个人来说是新的，而对人类来说是已知的，这类叫类创新。科学假说作为重要的研究方法，有利于培养学生类创新思维能力。因此，在平时教学中需要我们教师细心琢磨、不断“创新”。这里创新的含义有两层，首先是科学史中或课本上的科学假说的创造性使用。其次是作为一个物理教师要大胆“创造”新的科学假说，使课堂教学的思维更活跃，思维力度重大、效率更高。

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