談在物理教學中培養學生科學猜測能力

摘 要：本文揭示了科學猜測對物理學發展的重要意義，并對科學猜測的思維方法進行了簡約的剖析，對如何培養學生的猜測能力進行了一定的嘗試。

關鍵詞：創新；科學猜測；思維方法

中圖分類號：G427 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2012）20-066-1

猜測就是猜想和推測。具體說來，猜測是對研究的對象或問題作出符合一定的經驗與事實的推測性想像的思維方法。它幾乎完全不符合邏輯思維，更多地具有直覺思維的迅捷性、直接性、本能意識等特征。

布魯納曾指出：“在自然科學和普遍生活中，我們常常被迫根據不完全的知識去行動，我們不得不去猜想”。從這個意義上說，猜測是新思想的“火花”、“閃光點”，是某種新的科學理論的“萌芽”和“前奏曲”，直覺的猜測并不總是可靠的，僅憑猜測遠不能構建出神圣科學的殿堂。

一、產生科學猜測的思維方法

1.數學方法。

物理學的研究從伽利略開始，逐步地從定性描述向定量研究推進，后來牛頓在對物理問題進行定量分析和計算的過程中發明了微積分，更促使了物理學沿著精密、定量的方向迅速發展。物理學上不少重大的科學猜測，都是有關的理論跟數學方法結合才作出的。例如，洛倫茲的坐標變換公式客觀上有助于狹義相對論的建立；愛因斯坦在狹義相對論中用數學方法獲得的質能方程預示了巨大原子能的釋放的可能性；廣義相對論猜測了譜線紅移，光線彎曲；狄拉克從描述自由電子的運動方程中求得了正、負兩種能量解，預言了正電子的存在。狄拉克說：“理論物理學家把對數學美的要求，看成是一種信仰。比如，相對論之所以能夠得到普遍的承認，就是因為它具有數學的美。”

2.科學推理。

人們根據萬有引力定律普適于所有行星的運動的理論，而天王星是一顆行星，于是便認為天王星的運動應遵守萬有引力定律。可是通過觀察，發現它的軌道總與根據萬有引力定律計算的結果不符。于是英國學者亞當斯和法國學者勒威耶各自根據經典力學進行演繹推理，并經過艱辛的計算，預示了天王星外有一顆行星影響著它的運動。后來德國天文臺終于在1846年發現了這顆行星——海王星。物理理論可以猜測物理系統各個層次的運動、變化和發展將要出現的物理現象和過程，也可以猜測人類尚未認識的新物理現象和過程。

3.物理假說。

恩格斯在《自然辯證法》中明確指出：“只要自然科學在思維著，它的發展形式就是假說。”麥克斯韋提出了“位移電流”的假說，建立了電磁場方程，預言了電磁波的存在，并計算出了電磁波在真空中的傳播速度，并由此可推導出電磁波在兩介質交界面上折射和反射的規律等。在麥克斯韋方程中，電和磁具有對稱性，而自然界中已知的帶電粒子都是單極性的，即只能攜帶兩種相反電荷中的一種。1931年，英國物理學家狄拉克由此類推而預言，自然界中也有“磁單極”的存在，并根據這一點推導出磁荷以倍數出現的必然性。

4.審美預構。

科學家在科學資料、實驗設備缺乏的情況下，受到相關領域中事物的美學特性的啟發，以美引真，提出科學理論。真的科學理論必然是美的。科學現象表面雜亂無章，可現象的相互聯系和相互作用中必具有和諧性和秩序性，必具有簡單、對稱等美學特性。

二、如何提高學生猜測的能力

1.通過類比和聯想有效地引導學生猜測。

在物理學發展過程中，類比和聯想對猜測明顯地起著啟示、探索、開路和創新的作用，許多新概念、新規律、新理論的創建借助于類比和聯想。如類比水波、聲波來研究光波；盧瑟福將原子結構與太陽系模型類比提出原子的核式結構模型；德布羅意將實物粒子與光類比，提出實物粒子具有波粒二象性的假說等等，所以說，在物理教學中，教師可以通過類比和聯想有效地引導學生猜測。

2.通過介紹物理學家的思維方法讓學生感受猜測。

科學上不少重要規律的發現既包含了前輩科學家的無限艱辛，更閃耀著科學家們非凡巧妙的思維方法，如在講授電磁感應定律時，教師介紹法拉第是由于偶然發現電流表指針偏轉，從而猜測這個過程可能是個暫態過程，在演示單縫衍射實驗時，逐漸減小單縫寬度，當縫寬減小到出現明顯衍射現象之前，暫停實驗，而由學生預測可能出現的圖像，再通過實驗驗證。此類問題往往給學生大腦以強烈刺激，也更能引起學生的求知欲望。

3.為發展學生的猜測能力提供豐富的感性材料。

注意引導學生掌握好物理學科的基本知識結構，學懂弄通基本概念、基本原理、基本方法以及它們之間的邏輯聯系和理論框架，鼓勵學生在課外廣泛地涉獵相關學科的知識，并進行各種有益的旨在增進學生動腦、動手能力的課外活動，重視理論聯系實際，加強現代科學技術和近代物理學知識的滲透，將科技最新思想和科技發展動態引入教學之中，這樣豐富的知識和表象儲備，為發展學生的猜測能力，提供豐富的感性材料，從而激發學生進行猜測的興趣。

4.在習題教學中訓練學生的猜測能力。

通過物理習題的求解和分析訓練學生的猜測能力，如在解決暫態過程的問題時不要急于對學生容易遺漏的過程進行全面的分析，而是給學生充分猜測的時間；在分析非單調變化的物理量時，引導學生首先進行猜測性的判斷；在具有多解的習題中給學生以充分思考的時間，讓學生大膽地進行猜測，最后再進行適當的討論。

5.創造一個寬松的、探索式的教學環境。

一是要充分發揚民主，建立融洽的師生關系，在課堂教學和課外答疑時注意尊重學生，以師生平等的地位討論式地分析和解答，否則易扼殺學生的創造靈感。二是要提倡學生間互相切磋討論，鼓勵學生大膽猜測，即使是錯誤的，畢竟也是一種創造性火花的閃現。三是教師要在教學、答疑、作業批改等過程中注意發現學生的獨特思維。合理的猜測要及時鼓勵，讓學生在實踐中不斷發展自己的猜測能力。