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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(shí)對(duì)新的科學(xué)事實(shí)和未知的規(guī)律所做的假定性闡釋與說(shuō)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(shí)踐表明,人們只重視假設(shè)的檢驗(yàn),如設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理等,而對(duì)學(xué)生假設(shè)能力的培養(yǎng)并不關(guān)注。因?yàn)椴糠秩苏J(rèn)為提出假設(shè)依靠的是靈感和直覺(jué),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(jì)不出有效的教學(xué)模式和策略。
國(guó)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(duì)所提出假設(shè)的解釋等幾個(gè)方面來(lái)探討科學(xué)假設(shè)能力的結(jié)構(gòu)及其培養(yǎng)。[1][2]國(guó)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(lái)培養(yǎng)學(xué)生的假設(shè)能力。[3][4]國(guó)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(lái)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(píng)價(jià)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(yàn),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(yàn)主義者認(rèn)為,科學(xué)發(fā)現(xiàn)是個(gè)歸納的過(guò)程,所謂的科學(xué)假設(shè)也就是由歸納而產(chǎn)生。現(xiàn)代科學(xué)哲學(xué)研究表明,我們不可能從事實(shí)歸納出任何假設(shè),因?yàn)槿绻麤](méi)有假設(shè)的指導(dǎo),人們就不知收集哪些事實(shí)。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?yàn)檠堇[推理是從一般推知個(gè)別,如果前提為真,其結(jié)論也為真,即演繹推理并不會(huì)產(chǎn)生新的命題。因此,科學(xué)假設(shè)既不是通過(guò)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(lái)的。除直覺(jué)、頓悟等非理性因素外,科學(xué)假設(shè)的發(fā)明過(guò)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(shí)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(shí)與預(yù)期不符,如新事實(shí)、異常事實(shí)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(shí)。其邏輯形式可用如下模式表示:
一個(gè)令人吃驚的現(xiàn)象A被觀察(推理的前提和誘因)。
找到一個(gè)假設(shè)H(省略了另外的前提——已有的知識(shí)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(jiàn),溯因推理的邏輯起點(diǎn)是已有的事實(shí)、知識(shí)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(shí)過(guò)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(guò)程
從有待解釋的事實(shí)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(guò)程是什么呢?以下用盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)模型來(lái)說(shuō)明。
意外的現(xiàn)象被觀察:盧瑟福和他的助手做粒子散射實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),大多數(shù)粒子可以照直透過(guò)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(lái)。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(gè)體積很小,密度很大的原子核。
從已有的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和理論中尋找相似的現(xiàn)象:太陽(yáng)系中太陽(yáng)的質(zhì)量占99.87%,而體積卻占太陽(yáng)系的很少一部分,這些與原子結(jié)構(gòu)相似。太陽(yáng)與行星之間遵守萬(wàn)有引力定律,而原子核和電子之間的電吸引力遵循庫(kù)侖定律,這兩個(gè)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(wèn)題時(shí),必定在已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中思考了多種相似經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象,然后選擇最合適的一種作為問(wèn)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(guò)程也是不斷地用所掌握的恒星和衛(wèi)星的知識(shí)與觀察到的證據(jù)做對(duì)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(shí)和理論中尋找相似的經(jīng)驗(yàn)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(gè)溯因過(guò)程可用以下圖形來(lái)描述:
其具體思維步驟為:(1)科學(xué)假設(shè)的產(chǎn)生過(guò)程從分析問(wèn)題,探討其中的因果關(guān)系開始;(2)推理者在已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中尋找與當(dāng)前問(wèn)題情境相似的經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象;(3)探討各種相似經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象的因果解釋;(4)把各種經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象與當(dāng)前的問(wèn)題情境進(jìn)行比較;(5)借用經(jīng)驗(yàn)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(wèn)題情境和經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象間的對(duì)比。由此可見(jiàn),假設(shè)產(chǎn)生的溯因推理程序看似簡(jiǎn)單,其實(shí)包含復(fù)雜的思維過(guò)程,如探索、比較、綜合、選擇等思維操作。由于人類任何新知識(shí)都是在原有知識(shí)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(guò)程,如尋找相似經(jīng)驗(yàn)這個(gè)環(huán)節(jié),除類比推理外還包括利用已有知識(shí)創(chuàng)造性地想象出與問(wèn)題情境相似的結(jié)構(gòu)模型,如凱庫(kù)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(jué)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(guò)程可知,要提出科學(xué)假設(shè),推理者必須同時(shí)具備兩個(gè)條件:一是具備豐富的經(jīng)驗(yàn)性、陳述性知識(shí);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(jiàn),科學(xué)假設(shè)能力是集科學(xué)事實(shí)知識(shí)、方法知識(shí)、溯因推理能力等因素為一體的一種綜合能力。我們對(duì)科學(xué)假設(shè)能力界定為,面對(duì)令人迷惑的自然現(xiàn)象,推理者充分運(yùn)用已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn),順利提出符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的假設(shè)的個(gè)性心理特征。它具有以下四個(gè)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(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中,并在活動(dòng)中得到發(fā)展。
3.科學(xué)知識(shí)、已有經(jīng)驗(yàn)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(wú)從談起。因此,科學(xué)假設(shè)能力是科學(xué)知識(shí)和溯因推理能力的有機(jī)結(jié)合。
4.科學(xué)假設(shè)過(guò)程也是科學(xué)思維不斷地調(diào)整、監(jiān)控、反思和評(píng)價(jià)的過(guò)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(guò)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(lái)的高級(jí)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(píng)價(jià)假設(shè)所依據(jù)的科學(xué)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等,是假設(shè)產(chǎn)生的前提條件和原始動(dòng)力。缺乏對(duì)問(wèn)題本質(zhì)的理解,沒(méi)有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備及不能準(zhǔn)確提取相應(yīng)知識(shí),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(duì)科學(xué)問(wèn)題的理解,科學(xué)常識(shí)、規(guī)律、概念的掌握和運(yùn)用、生活經(jīng)驗(yàn)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(guò)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(gè),即分析問(wèn)題本質(zhì)、尋找與問(wèn)題現(xiàn)象相似的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、對(duì)比問(wèn)題情境和各種經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象、借用經(jīng)驗(yàn)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(jiǎn)單性、可以檢驗(yàn)、強(qiáng)大的預(yù)見(jiàn)功能、經(jīng)驗(yàn)和理論支持等方面來(lái)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(yàn)、可以檢驗(yàn)、預(yù)見(jiàn)性和簡(jiǎn)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(guò)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(gè)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(gè)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(píng)價(jià)、選擇假設(shè)的過(guò)程中自我監(jiān)督和控制。其表現(xiàn)為:明確解決問(wèn)題方向,了解提出假設(shè)思維的過(guò)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(wèn)題的假設(shè)上;能夠不斷地調(diào)整思維的方法和方向,及時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象和問(wèn)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(shí)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(dòng)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(gè)要素分別位于四個(gè)頂角,這5個(gè)要素所構(gòu)成的相互聯(lián)系、相互作用的一個(gè)有機(jī)的整體�？茖W(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(gè)特點(diǎn)。第一,整體性�？茖W(xué)假設(shè)能力是一個(gè)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。科學(xué)假設(shè)能力的內(nèi)容、操作和產(chǎn)品這3個(gè)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(shí),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(dòng)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(duì)科學(xué)現(xiàn)象的假設(shè)檢驗(yàn)?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(dòng)態(tài)的,將隨著學(xué)生年齡、科學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)、推理能力的增長(zhǎng)而得到發(fā)展。同時(shí),外在環(huán)境,如鼓勵(lì)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(dòng)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(gè)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(gè)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(shí)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(yǔ)來(lái)表征假設(shè)推理,但他們的詞語(yǔ)或其他象征符號(hào)還不能代表抽象的概念,只能在不脫離實(shí)物和實(shí)際情景的場(chǎng)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(yǔ)言表達(dá)假設(shè)推理,而且能脫離直觀表象對(duì)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(jì)必須根據(jù)上述分類,不斷創(chuàng)設(shè)“最近發(fā)展區(qū)”,同時(shí)營(yíng)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(duì)學(xué)前和小學(xué)階段的學(xué)生,應(yīng)引導(dǎo)他們?cè)诰唧w的實(shí)物操作中提出猜想,科學(xué)假設(shè)只涉及簡(jiǎn)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(yǔ)言論證假設(shè)中的變量關(guān)系,針對(duì)不可觀察的因素盡量用可觀察的實(shí)物來(lái)比喻,如用水流、水壓來(lái)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(yàn)來(lái)解釋問(wèn)題外,還必須引導(dǎo)他們用微觀、符號(hào)模型、科學(xué)理論來(lái)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(shí),增強(qiáng)提取知識(shí)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(shí)的教學(xué),因?yàn)榛A(chǔ)知識(shí)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(shí),而是不能準(zhǔn)確地提取相關(guān)知識(shí)。[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(shí),還應(yīng)包括學(xué)生對(duì)科學(xué)問(wèn)題的理解及具有結(jié)構(gòu)化知識(shí)。也就是說(shuō),知識(shí)在頭腦中雜亂無(wú)章地堆積是不能被提取的重要原因。
形成結(jié)構(gòu)化知識(shí)的方式是使不同知識(shí)間互相關(guān)聯(lián)。對(duì)科學(xué)問(wèn)題的解釋是幫助學(xué)生形成結(jié)構(gòu)化知識(shí),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(duì)科學(xué)問(wèn)題提出合理的解釋,一是必須理解科學(xué)問(wèn)題;二是需把不同的知識(shí)與科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行關(guān)聯(lián);三是要準(zhǔn)確提取相關(guān)知識(shí)�？茖W(xué)研究的實(shí)質(zhì)是對(duì)科學(xué)問(wèn)題的解釋活動(dòng),只不過(guò)有些科學(xué)解釋是成功的解釋,無(wú)須驗(yàn)證,而有些科學(xué)解釋還有待證實(shí),假設(shè)就是有待證實(shí)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(wú)色,為何?成功的科學(xué)解釋:酚酞變紅是因?yàn)樯闪薔aOH;有待驗(yàn)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(guò)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(shí),增強(qiáng)分析問(wèn)題和提取知識(shí)的能力。
(三)加強(qiáng)科學(xué)假設(shè)思維過(guò)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(dòng)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(jiǎn)單化、程序化的弊病,忽視了學(xué)生假設(shè)形成的思維過(guò)程及圍繞假設(shè)進(jìn)行的系列論證活動(dòng)。假設(shè)是學(xué)生表達(dá)觀點(diǎn)、交流和自由創(chuàng)造的活動(dòng),忽視了學(xué)生的假設(shè)活動(dòng)就等于扭曲了真實(shí)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(yàn)基礎(chǔ)上主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)的過(guò)程。教師的作用是提供適宜的問(wèn)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(lái)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。
[案例1]“質(zhì)量守恒定律”探究教學(xué)設(shè)計(jì)。
教師引入一些化學(xué)反應(yīng)圖片來(lái)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,同時(shí)提出“我們是否可以像拉瓦錫一樣從量的角度來(lái)探討化學(xué)反應(yīng)”的問(wèn)題。
引導(dǎo)學(xué)生提出核心問(wèn)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(yàn)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(duì)經(jīng)驗(yàn)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?yàn)殍F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(shí)、實(shí)驗(yàn)等各種方法糾正。
把經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象和核心問(wèn)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(yàn)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(gè)假設(shè)既要包含核心問(wèn)題所指示的變量關(guān)系,又要符合經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象的科學(xué)解釋。通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象和核心問(wèn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)。以鐵生銹為例,“質(zhì)量增加”的假設(shè)就沒(méi)有考慮參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)還有氧氣和水這2個(gè)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(jì)白磷燃燒、鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
大家可以發(fā)現(xiàn),我們常見(jiàn)探究教學(xué)設(shè)計(jì)與上述案例有重大區(qū)別。常見(jiàn)探究教學(xué)設(shè)計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)并沒(méi)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中去探討這些問(wèn)題。換言之,當(dāng)前的探究教學(xué)設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)性。
(四)提高監(jiān)控意識(shí),學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)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(gè)伴隨著思維不斷地監(jiān)控、調(diào)整、評(píng)價(jià)和選擇的過(guò)程,這個(gè)過(guò)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(duì)所提出的假設(shè)進(jìn)行評(píng)價(jià)是提高監(jiān)控意識(shí)的途徑。通過(guò)評(píng)價(jià),學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)假設(shè)思維過(guò)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(píng)價(jià)主體可以采用個(gè)人自評(píng)和集體評(píng)價(jià)相結(jié)合。評(píng)價(jià)內(nèi)容為:假設(shè)與問(wèn)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(shí)經(jīng)驗(yàn)相沖突,是否可以檢驗(yàn),假設(shè)的預(yù)見(jiàn)度如何。
溯因論證是評(píng)價(jià)假設(shè)合理性的重要方式。它是一種弱的假設(shè)檢驗(yàn)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(yàn)性。這種論證方式的基本操作程序:如果這個(gè)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(shí)經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(gè)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(wèn)題情境,要求學(xué)生對(duì)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(cè),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(yàn),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(duì)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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