論科學假設能力的結構與培養的創新路徑論文

論科學假設能力的結構與培養的創新路徑論文

　　科學假設指人們根據已有的科學理論、科學知識對新的科學事實和未知的規律所做的假定性闡釋與說明。培養學生的科學假設能力是理科教育的重要目標。然而,當前教學實踐表明,人們只重視假設的檢驗,如設計實驗、數據處理等,而對學生假設能力的培養并不關注。因為部分人認為提出假設依靠的是靈感和直覺,是不能被教的。這是由于人們還未發現科學假設產生的邏輯機制以致設計不出有效的教學模式和策略。

　　國內學者文慶城、羅星凱等從科學假設的數量、質量、對所提出假設的解釋等幾個方面來探討科學假設能力的結構及其培養。[1][2]國內其他學者認為應從“加強‘雙基教學’、尊重學生所提出的假設、加強假設方法的教學”等方面來培養學生的假設能力。[3][4]國外學者奎因(Quinn)、勞森(Lawson)等[5][6]分別從假設質量的判斷和假設論證方式來探討學生科學假設能力的培養。這些研究或僅關注科學假設自身的含義和質量評價標準,未注意科學假設能力的其他維度;或屬于自身的教學經驗,理論基礎薄弱。要完整了解科學假設能力結構,制定科學假設能力培養的合理策略,還必須從科學家提出假設的邏輯機制去探討。

　　一、科學假設產生的邏輯機制

　　科學家究竟是如何提出科學假設的?經驗主義者認為,科學發現是個歸納的過程,所謂的科學假設也就是由歸納而產生。現代科學哲學研究表明,我們不可能從事實歸納出任何假設,因為如果沒有假設的指導,人們就不知收集哪些事實。換言之,即使是歸納也是以假設為前提。演繹也不能產生任何假設,因為演繹推理是從一般推知個別,如果前提為真,其結論也為真,即演繹推理并不會產生新的命題。因此,科學假設既不是通過歸納,也不是依靠演繹推理產生,而是科學家發明出來的。除直覺、頓悟等非理性因素外,科學假設的發明過程是否遵循一定的邏輯機制?目前科學哲學界的共識是,提出假設具有一定的邏輯模式,皮爾斯提出的溯因推理是產生科學假設的唯一邏輯操作。溯因推理是由結果推出原因的一種推理方式,它的觸發條件是事實與預期不符,如新事實、異常事實的出現。溯因推理的目的就是要形成假設以解釋這些事實。其邏輯形式可用如下模式表示:

　　一個令人吃驚的現象A被觀察(推理的前提和誘因)。

　　找到一個假設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。[7]

　　其中,H與A之間在認知上存在著相似關系。由此可見,溯因推理的邏輯起點是已有的事實、知識和理論,結論具有或然性的逆向推理方式。皮爾斯認為,要從事實過渡到假設,溯因推理重要的認知特征是相似性。[8]其中,模型推理和類比推理在假設溯因中扮演了重要的角色。

　　二、科學家提出假設的具體思維過程

　　從有待解釋的事實開始,分析它們,然后發明出科學假設,溯因推理產生科學假設的具體思維過程是什么呢?以下用盧瑟福發現原子結構模型來說明。

　　意外的現象被觀察:盧瑟福和他的助手做粒子散射實驗時發現,大多數粒子可以照直透過金箔,偏轉很小的角度,但有小量粒子產生很大偏轉,極少數粒子竟被反彈回來。這些現象可以概括為:原子里面大多數應該是空虛的,而中間有個體積很小,密度很大的原子核。

　　從已有的經驗知識和理論中尋找相似的現象:太陽系中太陽的質量占99.87%,而體積卻占太陽系的很少一部分,這些與原子結構相似。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,這兩個定律的數學關系式也基本相似。

　　借相似現象的因果解釋提出假設:原子的行星結構模型假設的提出。

　　根據上述案例,我們可以想象,盧瑟福在面臨迷惑的問題時,必定在已有的認知結構中思考了多種相似經驗現象,然后選擇最合適的一種作為問題的假設提出。科學史上,類似的科學發現比比皆是,如麥克斯韋的光的電磁理論是把光與電磁波進行比較而做出的發現,伽利略發現木星的衛星過程也是不斷地用所掌握的恒星和衛星的知識與觀察到的證據做對比。由此可知,從意外現象到假設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驗現象或理論,并借用其中的因果解釋而提出假設。科學假設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)科學假設的產生過程從分析問題,探討其中的因果關系開始;(2)推理者在已有的知識結構中尋找與當前問題情境相似的經驗現象;(3)探討各種相似經驗現象的因果解釋;(4)把各種經驗現象與當前的問題情境進行比較;(5)借用經驗現象的因果解釋提出假設;(6)選擇合理的科學假設。圖中“”表示問題情境和經驗現象間的對比。由此可見,假設產生的溯因推理程序看似簡單,其實包含復雜的思維過程,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上的創造,我們就不能把上述環節狹隘地理解為類比推理過程,如尋找相似經驗這個環節,除類比推理外還包括利用已有知識創造性地想象出與問題情境相似的結構模型,如凱庫勒的苯分子結構的發現。其中,非理性思維的靈感、直覺等也發揮重要的作用。

　　三、科學假設能力的含義及結構

　　(一)科學假設能力的含義

　　由科學假設產生的邏輯思維過程可知,要提出科學假設,推理者必須同時具備兩個條件:一是具備豐富的經驗性、陳述性知識;二是具有溯因推理能力。而要選出合理的科學假設,推理者還應知道假設質量的判斷標準和具有一定的溯因論證能力。由此可見,科學假設能力是集科學事實知識、方法知識、溯因推理能力等因素為一體的一種綜合能力。我們對科學假設能力界定為,面對令人迷惑的自然現象,推理者充分運用已有的知識經驗,順利提出符合質量標準的假設的個性心理特征。它具有以下四個特點。

　　1.科學假設能力是一種特殊的能力,是一般假設能力和科學學科的有機結合。它又隨假設思維的發展而發展,是一般假設能力的發展和科學教育的結晶。

　　2.科學假設能力有顯性的邏輯操作機制,是可以培養的。科學假設能力體現在其活動的各個環節中,并在活動中得到發展。

　　3.科學知識、已有經驗是科學假設能力的前提,但缺乏溯因推理能力,不懂科學假設能力基本操作,科學假設能力也無從談起。因此,科學假設能力是科學知識和溯因推理能力的有機結合。

　　4.科學假設過程也是科學思維不斷地調整、監控、反思和評價的過程。

　　(二)科學假設能力的構成要素

　　吉爾福特認為,智力結構是由操作、內容、產品所構成的三維度空間結構。雖然該三維結構模型能較全面地反映智力的基本成分,但科學假設能力也有自身的特點,比如在假設過程中始終離不開思維的調整和監控以及思維品質的作用。這些都是在智力基本要素基礎上發展起來的高級思維能力要素。因此,我們認為,科學假設能力的構成要素主要有以下五點。

　　1.科學假設能力的內容

　　科學假設能力的內容是指提出和評價假設所依據的科學知識、經驗等,是假設產生的前提條件和原始動力。缺乏對問題本質的理解,沒有足夠的知識儲備及不能準確提取相應知識,人們很難提出合理的科學假設。因此,科學假設能力的內容包括對科學問題的理解,科學常識、規律、概念的掌握和運用、生活經驗等因子。

　　2.科學假設能力的操作

　　科學假設產生遵循一定的邏輯機制,也有具體的思維流程和方法。科學假設能力的內容、品質和監控等要素都要通過操作要素體現,因此,操作是科學假設能力的核心要素。此要素因子有5個,即分析問題本質、尋找與問題現象相似的經驗知識、對比問題情境和各種經驗現象、借用經驗現象的科學解釋提出假設、選擇合理的假設。

　　3.科學假設能力的產品

　　產品是指科學假設能力的結果。其判斷標準是科學假設的質量水平。波普爾、亨佩爾等從簡單性、可以檢驗、強大的預見功能、經驗和理論支持等方面來判斷假設的質量。[9]據此,產品要素包含的因子為:基于經驗、可以檢驗、預見性和簡單性。

　　4.科學假設能力的品質

　　科學假設能力的品質是在假設過程中形成和發展的,它反映了科學假設能力產品的質量,是衡量個體科學假設能力發展水平的重要指標。主要包括深刻性、靈活性、批判性、獨創性和敏捷性共5個因子。

　　5.科學假設能力的自我監控

　　科學假設的自我監控就是在提出、評價、選擇假設的過程中自我監督和控制。其表現為:明確解決問題方向,了解提出假設思維的過程;懂得假設產生常用的推理方法;能夠排除外界的干擾,使思維集中到問題的假設上;能夠不斷地調整思維的方法和方向,及時發現經驗現象和問題間的差異等。

　　(三)科學假設能力的結構模型

　　要建構科學假設能力的結構模型,應以科學哲學和青少年假設思維發展理論、系統科學原理、知識和方法與能力關系理論為依據。綜合上述論述,且能力必須在具體的活動中得以體現,我們認為,科學假設能力是以操作為核心要素,科學假設能力的內容、品質、監控、產品4個要素分別位于四個頂角,這5個要素所構成的相互聯系、相互作用的一個有機的整體。科學假設能力結構可用圖2表示。

　　該模型具有以下三個特點。第一,整體性。科學假設能力是一個多要素、多側面、多聯系的有機整體。其中,內容、操作和產品是科學假設能力的基本要素,操作又是基本要素的核心。品質和監控是在科學假設能力基本要素基礎上發展的。科學假設能力的內容、操作和產品這3個基本要素是科學假設能力的品質和監控發展的前提和基礎,同時,科學假設能力的品質和監控又使提出的假設更具科學性、多樣化、合理化。第二,層次性和動態性。由于學生的科學假設能力與年齡相關。皮亞杰認為,兒童要到形式運算期(11歲以上)才能形成對科學現象的假設檢驗能力,而勞森認為,形式運算期的兒童只能依據可感知的因果關系提出假設,要根據不可感知的理論成分創造出科學假設,必須到后形式運算期(約18歲以后)。因此,科學假設能力有一定的層次性。它又是動態的,將隨著學生年齡、科學知識和經驗、推理能力的增長而得到發展。同時,外在環境,如鼓勵創新的寬松教育環境有利于科學假設能力的發展。所以,它是層次性和動態性的統一體。第三,自調性。該結構模型內5個要素構成了科學假設能力的內核,年齡階段是科學假設能力的內在環境。在內外環境的共同作用下,這5個要素為達到平衡,能產生依靠其內部規律而進行的自我調節。

　　四、學生科學假設能力的培養

　　(一)以科學假設能力的內在環境為教學前提,同時創設良好的外在環境,使學生科學假設能力螺旋式發展

　　年齡階段是科學假設能力的內在環境,它使科學假設能力具有一定的層次性,是內因;教學環境和教學策略是科學假設能力培養的外在環境,是外因。皮亞杰、勞森等研究表明,很小的兒童就具有假設思維能力。前運算階段和具體運算期的兒童能使用表象和詞語來表征假設推理,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)兒童不僅能夠運用語言表達假設推理,而且能脫離直觀表象對假設進行因果論證,即這階段的兒童已經能夠控制變量,但只能依據可感知的因果關系提出假設。后形式運算期或理論期(大約18歲以后)的學生提出的假設將包括不可感知的理論成分。因此,教學設計必須根據上述分類,不斷創設“最近發展區”,同時營造民主寬松的環境,使學生科學假設能力螺旋式發展。針對學前和小學階段的學生,應引導他們在具體的實物操作中提出猜想,科學假設只涉及簡單的變量關系。初中學生也要以直觀的自然現象引發他們提出假設,引導他們用科學語言論證假設中的變量關系,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。高中及以上的學生可以涉及理論假設,除讓他們用可觀察到的經驗來解釋問題外,還必須引導他們用微觀、符號模型、科學理論來解釋宏觀自然現象。

　　(二)加強科學解釋教學,使學生形成結構化知識,增強提取知識的能力,從而完善科學假設能力的內容

　　談到科學假設能力的培養,人們首先想到的是應加強基礎知識的教學,因為基礎知識是科學假設產生的原材料。但學生不能提出合理的假設,往往并不是學生缺乏相應的基礎知識,而是不能準確地提取相關知識。[10]因此,筆者認為,科學假設能力的內容不僅包含基礎知識,還應包括學生對科學問題的理解及具有結構化知識。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。

　　形成結構化知識的方式是使不同知識間互相關聯。對科學問題的解釋是幫助學生形成結構化知識,完善科學假設能力內容的教學策略之一。學生要能對科學問題提出合理的解釋,一是必須理解科學問題;二是需把不同的知識與科學問題進行關聯;三是要準確提取相關知識。科學研究的實質是對科學問題的解釋活動,只不過有些科學解釋是成功的解釋,無須驗證,而有些科學解釋還有待證實,假設就是有待證實的科學解釋。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,半分鐘內褪為無色,為何?成功的科學解釋:酚酞變紅是因為生成了NaOH;有待驗證科學解釋(假設):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。這兩類科學解釋都有利于學生形成結構化知識,增強分析問題和提取知識的能力。

　　(三)加強科學假設思維過程訓練,掌握科學假設能力的操作,是培養學生科學假設能力的關鍵

　　科學假設能力必須在假設活動中進行培養。學生不能提出合理的假設,關鍵原因是學生不知怎么做、從何著手,即不理解科學假設能力的基本操作。這歸咎于當前的探究教學存在簡單化、程序化的弊病,忽視了學生假設形成的思維過程及圍繞假設進行的系列論證活動。假設是學生表達觀點、交流和自由創造的活動,忽視了學生的假設活動就等于扭曲了真實的科學探究。建構主義認為,學習是學習者在原有的經驗基礎上主動建構知識的過程。教師的作用是提供適宜的問題情境引導學生提出觀點,鑒定學生的觀點,讓學生探討自己觀點的合理性,提供刺激使學生發展、修正或改變自己的觀點。我們可以把建構主義理論與科學假設產生的邏輯機制結合起來進行教學設計。

　　[案例1]“質量守恒定律”探究教學設計。

　　教師引入一些化學反應圖片來創設問題情境,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反應”的問題。

　　引導學生提出核心問題:反應后生成的物質質量總和與參加化學反應的物質質量總和存在什么關系。

　　引導學生用頭腦風暴法尋找經驗現象:如蠟燭燃燒、鐵生銹、鐵與硫酸銅溶液反應等。

　　要求學生對經驗現象作出科學解釋。如蠟燭燃燒質量減少,原因是生成了水和二氧化碳等物質排放在空氣中;鐵生銹質量增加是因為鐵吸收了空氣中的氧氣和水。如學生的解釋不正確,教師可以引導學生用所學的知識、實驗等各種方法糾正。

　　把經驗現象和核心問題進行比較。如蠟燭燃燒參與化學反應的物質是蠟燭和氧氣,生成的物質是水和二氧化碳。鐵生銹參與化學反應的物質是鐵、水和氧氣,生成的物質是鐵銹。

　　借用經驗現象的因果解釋提出假設,選擇合理的假設。學生可能提出“質量增加、減少、不變”三種假設。選擇合理科學假設的標準是這個假設既要包含核心問題所指示的變量關系,又要符合經驗現象的科學解釋。通過對經驗現象和核心問題的比較分析,師生可以發現前2種假設不符合這個標準。以鐵生銹為例,“質量增加”的假設就沒有考慮參加化學反應的物質還有氧氣和水這2個變量,因此,“質量不變”的假設最符合此標準,即參加化學反應的三種物質質量總和很可能等于生成鐵銹的質量。我們選擇“質量不變”作為最合理的假設。

　　最后,師生共同設計白磷燃燒、鐵與硫酸銅溶液反應的實驗進行驗證。

　　大家可以發現,我們常見探究教學設計與上述案例有重大區別。常見探究教學設計也要求學生提出“質量增加、減少和不變”三種假設,但這些假設只是擺設,教師在這個環節并沒有認真去追究學生為何提出這些假設,如何糾正學生不合理的假設和存在的模糊觀念,而是放在實驗設計環節中去探討這些問題。換言之,當前的探究教學設計忽視了學生產生假設的環節。因此,必須把科學假設思維過程融入到探究教學中,使學生掌握科學假設能力的操作,從而體現探究的真實性。

　　(四)提高監控意識,學會評價科學假設能力產品的合理性

　　科學假設的提出是一個伴隨著思維不斷地監控、調整、評價和選擇的過程,這個過程使學生克服了思維的盲目性,保證了假設結果的科學性和合理性。引導學生對所提出的假設進行評價是提高監控意識的途徑。通過評價,學生可以發現假設思維過程中的缺陷,從而在不斷反思中提高自己的科學假設能力。評價主體可以采用個人自評和集體評價相結合。評價內容為:假設與問題相關性,證據和理論的符合程度,提出的假設是否與已有的知識經驗相沖突,是否可以檢驗,假設的預見度如何。

　　溯因論證是評價假設合理性的重要方式。它是一種弱的假設檢驗方式,用于至少保證所提的假設能解釋令人迷惑的現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:如果這個假設合理,而且也觀察到證據,并且這些證據與已有的知識經驗相符合(如不符合,則該假設直接被否認),然后,由此假設可以得到一些可以檢驗的推論,因此,該假設是合理的。

　　[案例2]:教師提供“把點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,要求學生對所提出的假設進行溯因論證。某生的假設: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,且觀察到玻璃杯中氣體減少的證據,已有理論是氣體減少導致壓強變小而水面上升。然后,由此假設可以推測,即使在玻璃杯中放兩根、三根或更多點燃的蠟燭,玻璃杯中水上升的高度應一致,該推論可以檢驗,所以此假設是合理的。

　　最后,還必須加強學生科學假設能力品質的培養,并把它作為科學假設能力培養的突破口,前文已經對品質的培養有所論述,這里就不再一一探討

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