化學(xué)探究教學(xué)中假設(shè)方法的運用

1、假設(shè)：根本特性與建構(gòu)方法王高南京市中華中學(xué) 江蘇 210006發(fā)表于?教育研究與評論? 2021第 6期假設(shè)是學(xué)生根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗， 對所研究問題的規(guī)律、 現(xiàn)象、結(jié)果及其產(chǎn)生的原因 做出假定性的推測和解釋， 是科學(xué)探究中的重要環(huán)節(jié)。 假設(shè)的建構(gòu)是探究學(xué)習(xí)中的重要切入 點。領(lǐng)悟假設(shè)的特性，科學(xué)地運用假設(shè)建構(gòu)的策略，有助于學(xué)生進行假設(shè)的建構(gòu)。一、假設(shè)的根本特性高質(zhì)量的假設(shè)必須同時具有三個根本特性：科學(xué)性、可驗證性、預(yù)測性。1、科學(xué)性科學(xué)的假設(shè)在事實和假設(shè)之間有必然的邏輯聯(lián)系和內(nèi)在一致性。 假設(shè)的科學(xué)性主要 表達在兩方面： 第一，假設(shè)是合理的，用以假設(shè)的事實和理論雖不充分但真實可靠。 1922

2、年，美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨中的電子對 X 射線的散射時發(fā)現(xiàn)，有些散射波的波長 比入射波的波長略大， 他認為這是光子和電子碰撞時， 光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子。 康普 頓大膽地提出了假設(shè)：光子和電子、質(zhì)子這樣的實物粒子一樣， 不僅具有能量，也具有動量， 碰撞過程中能量守恒，動量也守恒。后來，康普頓應(yīng)用守恒的思想列出方程，求出了散射前 后的波長差，結(jié)果與實驗測量的數(shù)據(jù)完全相符，證明了他的假設(shè)是合理的。第二，假設(shè)應(yīng)與已證實的相關(guān)概念、 原理、驗證過的事實相符。新的假設(shè)應(yīng)能解釋已有 事實，如果假設(shè)同其中的一個事實不符， 那么這個假設(shè)就應(yīng)拋棄或修正。 中子的發(fā)現(xiàn)就是一 個很好的例證。 1914 年

3、，盧瑟福用陰極射線轟擊氫原子，把氫原子的核外電子打掉得到了 氫原子核，盧瑟福把它稱為質(zhì)子。 盧瑟福根據(jù)氫原子的組成提出了原子結(jié)構(gòu)假設(shè)： 各種元素 的原子由一個帶正電的質(zhì)子組成的核和核外一群繞核旋轉(zhuǎn)的電子組成。 但很快就發(fā)現(xiàn)：氦原 子核帶有兩個單位正電荷， 它的質(zhì)量卻是氫原子核的 4倍，說明這個假設(shè)不正確。 于是他又 提出了一個大膽的假設(shè)： 在原子核中還存在有一種不帶電的中性粒子， 這種粒子的存在對于 解釋重元素的原子核的組成看來是必不可少的。 他假設(shè)的粒子后來被波特和小居里夫婦在實 驗中發(fā)現(xiàn)了，查德威克用實驗證實了盧瑟福的假設(shè)， 這樣，又一個根本粒子中子誕生了。2可驗證性 假設(shè)可以構(gòu)成某種假說

4、，當假說一旦獲得了科學(xué)實驗的有力支持，假說就開展成科學(xué) 的理論或?qū)W說，否那么，假設(shè)就要被拋棄。因此，假設(shè)可通過實驗來證實或證偽。例如：著名 的“以太假說 。在 19世紀，麥克斯韋和他同時代的人覺得，在空無一物的空間可以傳播電 磁波是令人難以置信的。因此，他們假定有一種稱之為 “以太的介質(zhì)充滿于整個空間，并由 它來傳遞電磁振動。 19 世紀下半葉，曾嘗試過幾十種模型，但都因在某一點上遇到困難而 宣告失敗。用直接試驗方法來確認存在著一個絕對的 “以太參考系的企圖也失敗了。 其中最 著名的邁克耳孫一莫雷實驗是打算測量地球相對于 “以太的運動速度的。為了把一些實驗結(jié) 果與“以太概念彌合起來，曾提出過各

5、種假說，但每一種假說都被另一些實驗所否認。迄今 為止，沒有任何證據(jù)說明 “以太的存在。3.預(yù)測性 假設(shè)是對客觀事物的假定性說明，是對問題本質(zhì)的預(yù)測。在科學(xué)探究過程中，假設(shè)要有 一定的依據(jù)，或者以科學(xué)事實為根據(jù)，或者是以原有知識經(jīng)驗為根據(jù)。猜測不是假設(shè)，猜測 是形成科學(xué)假設(shè)的前期準備階段， 而假設(shè)起著更重要的指向作用， 只有做出科學(xué)假設(shè)，才能 確立探究活動的內(nèi)容和方向。例如，在研究a與F、m之間的定量關(guān)系時，首先是進行猜測：a與F的關(guān)系m 定：a* F a* F2；a與m的關(guān)系F 定：a * 1/m a* 1/m2。 對于這些可能的猜測，還要分析判斷，進行合理的取舍，進一步做出假設(shè)。依據(jù)伽利略“

6、相信自然界規(guī)律是簡單的，我們不妨假設(shè)a與F、m之間的定量關(guān)系遵從簡單的原那么，即： a* F，a* 1/m。這正是對a與F、m之間定量關(guān)系的本質(zhì)預(yù)測。二、假設(shè)建構(gòu)的方法學(xué)生運用已有的知識和技能建構(gòu)新的假設(shè)，應(yīng)該說是有“法可循的。1類比法假設(shè)自然界中有許多研究對象和過程，都具有很好的對應(yīng)性和相似性，研究中人們常常借助于類比的方法，把陌生的對象與熟悉的對象類比，把未知的東西與的東西類比，從中得到啟迪而形成假設(shè)。類比法假設(shè)簡單示意為表1。表1被研究對象所含要素具有的屬性研究對象1ABC有P探究的對象xADC假設(shè)：可能有P【案例1】探究問題：電荷間的作用力類比法假設(shè)：法國科學(xué)家普利斯特利根據(jù)實驗的結(jié)果

7、，把電荷間的作用跟物體間的引力作了類比，猜測電荷間的作用力也遵守同一規(guī)律。這一類比法假設(shè)可表示為：被研究對象所含要素具有的屬性研究對象物體之間的作用力均勻球殼對腔內(nèi)物體無 引力作用物體間的萬有引力與距離的 平方成反比關(guān)系探究的對象帶電體之間的作用力帶電空腔對腔內(nèi)帶電體 無電力作用假設(shè)：電荷間的相互作用也與距離的平方成反比關(guān)系實驗驗證：庫侖的扭秤實驗。結(jié)論：電荷間的作用力與距離的平方成反比關(guān)系。2 歸納法假設(shè)把在特殊情況下已經(jīng)證明無誤的規(guī)律或?qū)植繉ο蠡蜻^程研究所得的結(jié)論，運用歸納推理的方法，推廣到一般的情況中去，也是形成假設(shè)的一種重要方法。歸納法假設(shè)簡單示意為表2。表2被研究對象所含要素具有的

8、屬性研究對象1A B C D F有無P研究對象2A B C E F有無PA D C H F有無P探究的對象x只要有A C F因素就可能有無P屬性的假設(shè)【案例2】探究問題：感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件 實驗事實：實驗編號實驗過程現(xiàn)象1導(dǎo)體AE與電流表構(gòu)成一個閉合回路，導(dǎo)體AE垂直切割磁感線，回路中磁通量變化有感應(yīng)電流2線圈與電流表構(gòu)成一個閉合回路，磁鐵插入或拔出線圈， 回路中磁通量變化有感應(yīng)電流3線圈與電流表構(gòu)成一個閉合回路，磁鐵靜止于線圈中，回路中磁通量不變無感應(yīng)電流線圈A插在線圈E中， 線圈E與電流表構(gòu)成閉合回路，線圈有感應(yīng)電流4A與電源、開關(guān)、變阻器構(gòu)成回路，接通和斷開開關(guān)的瞬間，線圈E中磁通量變化

9、歸納法假設(shè)：只要通過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流實驗驗證：電路同4,開關(guān)接通后，E中磁通量不變，無感應(yīng)電流。當改變滑動變阻器觸頭的位置，E中磁通量發(fā)生了變化，有感應(yīng)電流。結(jié)論：感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件是通過閉合回路的磁通量發(fā)生變化。3 演繹法假設(shè)演繹式假設(shè)是一種將一般的認識或規(guī)律、原理運用于某一特殊的具體的場合或?qū)ο笊? 并由此作出對未知事件的假設(shè)的方法。演繹法假設(shè)簡單示意為表3。表3被研究對象所含要素具有的屬性一類事物A、B、C有屬性P個別1A、D、E無屬性P個別2A、F、C有屬性P探究對象屬性P適用于有A、C要素的個案，可產(chǎn)生演繹假設(shè)【案例3】探究問題：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射

10、速度1 2事 實：物體做平拋運動，由平拋運動規(guī)律h gt、x=vt可知，在同一高度用不2同的水平速度拋出同一物體，因為物體在空中的運動時間相同，水平初速度大時位移大，即落地點遠。演繹法假設(shè)：從高山上用不同的初速度水平拋出物體，初速度一次比一次大，物體的落地點也一次比一次離山腳遠。如果沒有空氣阻力，當速度足夠大時，物體就永遠不會落到地 面上來，成為一顆繞地球運動的人造地球衛(wèi)星。提供實驗數(shù)據(jù)驗證：當人造地球衛(wèi)星繞地球近地運行時，萬有引力提供了向心力，有Mmv2G = mR，GM，.:=7.9km/s。結(jié)論：當物體的水平初速度到達7.9km/s時，它就能成為人造地球衛(wèi)星.4 模型法假設(shè)物理現(xiàn)象、過程

11、和本質(zhì)大都是很復(fù)雜的，我們常通過建構(gòu)模型的方法來認識其規(guī)律，而模型的建立有的需要首先建構(gòu)假設(shè)，這一過程不僅使學(xué)生認識知識結(jié)構(gòu)本身，而且使學(xué)生認識到科學(xué)特別是自然科學(xué)，它的開展形式就是假設(shè)?！景咐?】原子結(jié)構(gòu)模型問題：原子的結(jié)構(gòu)是什么？事實1:湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子模型1： 1904年湯姆遜提出的原子棗糕鑲嵌模型一一假設(shè)原子帶正電的局部像“流體一樣均勻分布在球型的原子體積內(nèi)，而負電子剛好相連成環(huán)狀嵌在球體的某些固定位置。事實2:盧瑟福的a粒子散射實驗結(jié)果模型2： 1911年盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型一一在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和絕大局部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。事實3：盧瑟福的模型與原子長期穩(wěn)定發(fā)生了矛盾，原子輻射出的能量是不連續(xù)的線狀光譜的實驗事實模型 3：1913年玻爾提出了原子的殼層同心模型提出了三點假設(shè)：定態(tài)假設(shè)、 躍遷假設(shè)、軌道假設(shè)。事實 4：玻爾模型不能解釋高速運動的電子具有波動特性的許多實驗事實模型 4：電子云模型這樣一次又一次的假設(shè)、 實驗驗證， 演變開展形成了現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)說。 正如恩格斯所 概括的：“一個新的事實被觀察到了， 它使得過去用來說明和它同類的事實的方式不適用了。 從這一瞬間起， 就需要新的