国内学者文庆城、罗星凯等从科学假设的数量、质量、对所提出假设的解释等几个方面来探讨科学假设能力的结构及其培养。[1][2]国内其他学者认为应从“加强‘双基教学’、尊重学生所提出的假设、加强假设方法的教学”等方面来培养学生的假设能力。[3][4]国外学者奎因(Quinn)、劳森(Lawson)等[5][6]分别从假设质量的判断和假设论证方式来探讨学生科学假设能力的培养。这些研究或仅关注科学假设自身的含义和质量评价标准,未注意科学假设能力的其他维度;或属于自身的教学经验,理论基础薄弱。要完整了解科学假设能力结构,制定科学假设能力培养的合理策略,还必须从科学家提出假设的逻辑机制去探讨。
一、科学假设产生的逻辑机制
科学家究竟是如何提出科学假设的?经验主义者认为,科学发现是个归纳的过程,所谓的科学假设也就是由归纳而产生。现代科学哲学研究表明,我们不可能从事实归纳出任何假设,因为如果没有假设的指导,人们就不知收集哪些事实。换言之,即使是归纳也是以假设为前提。演绎也不能产生任何假设,因为演绎推理是从一般推知个别,如果前提为真,其结论也为真,即演绎推理并不会产生新的命题。因此,科学假设既不是通过归纳,也不是依靠演绎推理产生,而是科学家发明出来的。除直觉、顿悟等非理性因素外,科学假设的发明过程是否遵循一定的逻辑机制?目前科学哲学界的共识是,提出假设具有一定的逻辑模式,皮尔斯提出的溯因推理是产生科学假设的唯一逻辑操作。溯因推理是由结果推出原因的一种推理方式,它的触发条件是事实与预期不符,如新事实、异常事实的出现。溯因推理的目的就是要形成假设以解释这些事实。其逻辑形式可用如下模式表示:
一个令人吃惊的现象A被观察(推理的前提和诱因)。
找到一个假设H(省略了另外的前提——已有的知识和理论),它能作为A的原因并解释它,使A变成不吃惊。
因此有充足的理由去推敲H,使它成为可能的假设。[7]
其中,H与A之间在认知上存在着相似关系。由此可见,溯因推理的逻辑起点是已有的事实、知识和理论,结论具有或然性的逆向推理方式。皮尔斯认为,要从事实过渡到假设,溯因推理重要的认知特征是相似性。[8]其中,模型推理和类比推理在假设溯因中扮演了重要的角色。
二、科学家提出假设的具体思维过程
从有待解释的事实开始,分析它们,然后发明出科学假设,溯因推理产生科学假设的具体思维过程是什么呢?以下用卢瑟福发现原子结构模型来说明。
意外的现象被观察:卢瑟福和他的助手做粒子散射实验时发现,大多数粒子可以照直透过金箔,偏转很小的角度,但有小量粒子产生很大偏转,极少数粒子竟被反弹回来。这些现象可以概括为:原子里面大多数应该是空虚的,而中间有个体积很小,密度很大的原子核。
从已有的经验知识和理论中寻找相似的现象:太阳系中太阳的质量占99.87%,而体积却占太阳系的很少一部分,这些与原子结构相似。太阳与行星之间遵守万有引力定律,而原子核和电子之间的电吸引力遵循库仑定律,这两个定律的数学关系式也基本相似。
借相似现象的因果解释提出假设:原子的行星结构模型假设的提出。
根据上述案例,我们可以想象,卢瑟福在面临迷惑的问题时,必定在已有的认知结构中思考了多种相似经验现象,然后选择最合适的一种作为问题的假设提出。科学史上,类似的科学发现比比皆是,如麦克斯韦的光的电磁理论是把光与电磁波进行比较而做出的发现,伽利略发现木星的卫星过程也是不断地用所掌握的恒星和卫星的知识与观察到的证据做对比。由此可知,从意外现象到假设之间存在一条可以逾越的鸿沟,那就是从已有知识和理论中寻找相似的经验现象或理论,并借用其中的因果解释而提出假设。科学假设提出的整个溯因过程可用以下图形来描述:
其具体思维步骤为:(1)科学假设的产生过程从分析问题,探讨其中的因果关系开始;(2)推理者在已有的知识结构中寻找与当前问题情境相似的经验现象;(3)探讨各种相似经验现象的因果解释;(4)把各种经验现象与当前的问题情境进行比较;(5)借用经验现象的因果解释提出假设;(6)选择合理的科学假设。图中“”表示问题情境和经验现象间的对比。由此可见,假设产生的溯因推理程序看似简单,其实包含复杂的思维过程,如探索、比较、综合、选择等思维操作。由于人类任何新知识都是在原有知识基础上的创造,我们就不能把上述环节狭隘地理解为类比推理过程,如寻找相似经验这个环节,除类比推理外还包括利用已有知识创造性地想象出与问题情境相似的结构模型,如凯库勒的苯分子结构的发现。其中,非理性思维的灵感、直觉等也发挥重要的作用。
三、科学假设能力的含义及结构
(一)科学假设能力的含义
由科学假设产生的逻辑思维过程可知,要提出科学假设,推理者必须同时具备两个条件:一是具备丰富的经验性、陈述性知识;二是具有溯因推理能力。而要选出合理的科学假设,推理者还应知道假设质量的判断标准和具有一定的溯因论证能力。由此可见,科学假设能力是集科学事实知识、方法知识、溯因推理能力等因素为一体的一种综合能力。我们对科学假设能力界定为,面对令人迷惑的自然现象,推理者充分运用已有的知识经验,顺利提出符合质量标准的假设的个性心理特征。它具有以下四个特点。
1.科学假设能力是一种特殊的能力,是一般假设能力和科学学科的有机结合。它又随假设思维的发展而发展,是一般假设能力的发展和科学教育的结晶。
2.科学假设能力有显性的逻辑操作机制,是可以培养的。科学假设能力体现在其活动的各个环节中,并在活动中得到发展。
3.科学知识、已有经验是科学假设能力的前提,但缺乏溯因推理能力,不懂科学假设能力基本操作,科学假设能力也无从谈起。因此,科学假设能力是科学知识和溯因推理能力的有机结合。
4.科学假设过程也是科学思维不断地调整、监控、反思和评价的过程。
(二)科学假设能力的构成要素
吉尔福特认为,智力结构是由操作、内容、产品所构成的三维度空间结构。虽然该三维结构模型能较全面地反映智力的基本成分,但科学假设能力也有自身的特点,比如在假设过程中始终离不开思维的调整和监控以及思维品质的作用。这些都是在智力基本要素基础上发展起来的高级思维能力要素。因此,我们认为,科学假设能力的构成要素主要有以下五点。
1.科学假设能力的内容
科学假设能力的内容是指提出和评价假设所依据的科学知识、经验等,是假设产生的前提条件和原始动力。缺乏对问题本质的理解,没有足够的知识储备及不能准确提取相应知识,人们很难提出合理的科学假设。因此,科学假设能力的内容包括对科学问题的理解,科学常识、规律、概念的掌握和运用、生活经验等因子。
2.科学假设能力的操作
科学假设产生遵循一定的逻辑机制,也有具体的思维流程和方法。科学假设能力的内容、品质和监控等要素都要通过操作要素体现,因此,操作是科学假设能力的核心要素。此要素因子有5个,即分析问题本质、寻找与问题现象相似的经验知识、对比问题情境和各种经验现象、借用经验现象的科学解释提出假设、选择合理的假设。
3.科学假设能力的产品
产品是指科学假设能力的结果。其判断标准是科学假设的质量水平。波普尔、亨佩尔等从简单性、可以检验、强大的预见功能、经验和理论支持等方面来判断假设的质量。[9]据此,产品要素包含的因子为:基于经验、可以检验、预见性和简单性。
4.科学假设能力的品质
科学假设能力的品质是在假设过程中形成和发展的,它反映了科学假设能力产品的质量,是衡量个体科学假设能力发展水平的重要指标。主要包括深刻性、灵活性、批判性、独创性和敏捷性共5个因子。
5.科学假设能力的自我监控
科学假设的自我监控就是在提出、评价、选择假设的过程中自我监督和控制。其表现为:明确解决问题方向,了解提出假设思维的过程;懂得假设产生常用的推理方法;能够排除外界的干扰,使思维集中到问题的假设上;能够不断地调整思维的方法和方向,及时发现经验现象和问题间的差异等。
(三)科学假设能力的结构模型
要建构科学假设能力的结构模型,应以科学哲学和青少年假设思维发展理论、系统科学原理、知识和方法与能力关系理论为依据。综合上述论述,且能力必须在具体的活动中得以体现,我们认为,科学假设能力是以操作为核心要素,科学假设能力的内容、品质、监控、产品4个要素分别位于四个顶角,这5个要素所构成的相互联系、相互作用的一个有机的整体。科学假设能力结构可用图2表示。
该模型具有以下三个特点。第一,整体性。科学假设能力是一个多要素、多侧面、多联系的有机整体。其中,内容、操作和产品是科学假设能力的基本要素,操作又是基本要素的核心。品质和监控是在科学假设能力基本要素基础上发展的。科学假设能力的内容、操作和产品这3个基本要素是科学假设能力的品质和监控发展的前提和基础,同时,科学假设能力的品质和监控又使提出的假设更具科学性、多样化、合理化。第二,层次性和动态性。由于学生的科学假设能力与年龄相关。皮亚杰认为,儿童要到形式运算期(11岁以上)才能形成对科学现象的假设检验能力,而劳森认为,形式运算期的儿童只能依据可感知的因果关系提出假设,要根据不可感知的理论成分创造出科学假设,必须到后形式运算期(约18岁以后)。因此,科学假设能力有一定的层次性。它又是动态的,将随着学生年龄、科学知识和经验、推理能力的增长而得到发展。同时,外在环境,如鼓励创新的宽松教育环境有利于科学假设能力的发展。所以,它是层次性和动态性的统一体。第三,自调性。该结构模型内5个要素构成了科学假设能力的内核,年龄阶段是科学假设能力的内在环境。在内外环境的共同作用下,这5个要素为达到平衡,能产生依靠其内部规律而进行的自我调节。
四、学生科学假设能力的培养
(一)以科学假设能力的内在环境为教学前提,同时创设良好的外在环境,使学生科学假设能力螺旋式发展
年龄阶段是科学假设能力的内在环境,它使科学假设能力具有一定的层次性,是内因;教学环境和教学策略是科学假设能力培养的外在环境,是外因。皮亚杰、劳森等研究表明,很小的儿童就具有假设思维能力。前运算阶段和具体运算期的儿童能使用表象和词语来表征假设推理,但他们的词语或其他象征符号还不能代表抽象的概念,只能在不脱离实物和实际情景的场合应用。形式操作期或因果阶段(大约11至12岁以后)儿童不仅能够运用语言表达假设推理,而且能脱离直观表象对假设进行因果论证,即这阶段的儿童已经能够控制变量,但只能依据可感知的因果关系提出假设。后形式运算期或理论期(大约18岁以后)的学生提出的假设将包括不可感知的理论成分。因此,教学设计必须根据上述分类,不断创设“最近发展区”,同时营造民主宽松的环境,使学生科学假设能力螺旋式发展。针对学前和小学阶段的学生,应引导他们在具体的实物操作中提出猜想,科学假设只涉及简单的变量关系。初中学生也要以直观的自然现象引发他们提出假设,引导他们用科学语言论证假设中的变量关系,针对不可观察的因素尽量用可观察的实物来比喻,如用水流、水压来比喻电流和电压。高中及以上的学生可以涉及理论假设,除让他们用可观察到的经验来解释问题外,还必须引导他们用微观、符号模型、科学理论来解释宏观自然现象。
(二)加强科学解释教学,使学生形成结构化知识,增强提取知识的能力,从而完善科学假设能力的内容
谈到科学假设能力的培养,人们首先想到的是应加强基础知识的教学,因为基础知识是科学假设产生的原材料。但学生不能提出合理的假设,往往并不是学生缺乏相应的基础知识,而是不能准确地提取相关知识。[10]因此,笔者认为,科学假设能力的内容不仅包含基础知识,还应包括学生对科学问题的理解及具有结构化知识。也就是说,知识在头脑中杂乱无章地堆积是不能被提取的重要原因。
形成结构化知识的方式是使不同知识间互相关联。对科学问题的解释是帮助学生形成结构化知识,完善科学假设能力内容的教学策略之一。学生要能对科学问题提出合理的解释,一是必须理解科学问题;二是需把不同的知识与科学问题进行关联;三是要准确提取相关知识。科学研究的实质是对科学问题的解释活动,只不过有些科学解释是成功的解释,无须验证,而有些科学解释还有待证实,假设就是有待证实的科学解释。如将水加入盛有固体的试管中,待形成溶液,滴加少量酚酞试液,溶液先变红,半分钟内褪为无色,为何?成功的科学解释:酚酞变红是因为生成了NaOH;有待验证科学解释(假设):酚酞褪色可能是生成的的作用,也可能是溶液中NaOH浓度过大。这两类科学解释都有利于学生形成结构化知识,增强分析问题和提取知识的能力。
(三)加强科学假设思维过程训练,掌握科学假设能力的操作,是培养学生科学假设能力的关键
科学假设能力必须在假设活动中进行培养。学生不能提出合理的假设,关键原因是学生不知怎么做、从何着手,即不理解科学假设能力的基本操作。这归咎于当前的探究教学存在简单化、程序化的弊病,忽视了学生假设形成的思维过程及围绕假设进行的系列论证活动。假设是学生表达观点、交流和自由创造的活动,忽视了学生的假设活动就等于扭曲了真实的科学探究。建构主义认为,学习是学习者在原有的经验基础上主动建构知识的过程。教师的作用是提供适宜的问题情境引导学生提出观点,鉴定学生的观点,让学生探讨自己观点的合理性,提供刺激使学生发展、修正或改变自己的观点。我们可以把建构主义理论与科学假设产生的逻辑机制结合起来进行教学设计。
[案例1]“质量守恒定律”探究教学设计。
教师引入一些化学反应图片来创设问题情境,同时提出“我们是否可以像拉瓦锡一样从量的角度来探讨化学反应”的问题。
引导学生提出核心问题:反应后生成的物质质量总和与参加化学反应的物质质量总和存在什么关系。
引导学生用头脑风暴法寻找经验现象:如蜡烛燃烧、铁生锈、铁与硫酸铜溶液反应等。
要求学生对经验现象作出科学解释。如蜡烛燃烧质量减少,原因是生成了水和二氧化碳等物质排放在空气中;铁生锈质量增加是因为铁吸收了空气中的氧气和水。如学生的解释不正确,教师可以引导学生用所学的知识、实验等各种方法纠正。
把经验现象和核心问题进行比较。如蜡烛燃烧参与化学反应的物质是蜡烛和氧气,生成的物质是水和二氧化碳。铁生锈参与化学反应的物质是铁、水和氧气,生成的物质是铁锈。
借用经验现象的因果解释提出假设,选择合理的假设。学生可能提出“质量增加、减少、不变”三种假设。选择合理科学假设的标准是这个假设既要包含核心问题所指示的变量关系,又要符合经验现象的科学解释。通过对经验现象和核心问题的比较分析,师生可以发现前2种假设不符合这个标准。以铁生锈为例,“质量增加”的假设就没有考虑参加化学反应的物质还有氧气和水这2个变量,因此,“质量不变”的假设最符合此标准,即参加化学反应的三种物质质量总和很可能等于生成铁锈的质量。我们选择“质量不变”作为最合理的假设。
最后,师生共同设计白磷燃烧、铁与硫酸铜溶液反应的实验进行验证。
大家可以发现,我们常见探究教学设计与上述案例有重大区别。常见探究教学设计也要求学生提出“质量增加、减少和不变”三种假设,但这些假设只是摆设,教师在这个环节并没有认真去追究学生为何提出这些假设,如何纠正学生不合理的假设和存在的模糊观念,而是放在实验设计环节中去探讨这些问题。换言之,当前的探究教学设计忽视了学生产生假设的环节。因此,必须把科学假设思维过程融入到探究教学中,使学生掌握科学假设能力的操作,从而体现探究的真实性。
(四)提高监控意识,学会评价科学假设能力产品的合理性
科学假设的提出是一个伴随着思维不断地监控、调整、评价和选择的过程,这个过程使学生克服了思维的盲目性,保证了假设结果的科学性和合理性。引导学生对所提出的假设进行评价是提高监控意识的途径。通过评价,学生可以发现假设思维过程中的缺陷,从而在不断反思中提高自己的科学假设能力。评价主体可以采用个人自评和集体评价相结合。评价内容为:假设与问题相关性,证据和理论的符合程度,提出的假设是否与已有的知识经验相冲突,是否可以检验,假设的预见度如何。
溯因论证是评价假设合理性的重要方式。它是一种弱的假设检验方式,用于至少保证所提的假设能解释令人迷惑的现象及由此得出推论的可检验性。这种论证方式的基本操作程序:如果这个假设合理,而且也观察到证据,并且这些证据与已有的知识经验相符合(如不符合,则该假设直接被否认),然后,由此假设可以得到一些可以检验的推论,因此,该假设是合理的。
[案例2]:教师提供“把点燃的蜡烛用一个倒扣的玻璃杯罩住,然后压入水中。蜡烛熄灭之后,为何杯子里的水面上升?”问题情境,要求学生对所提出的假设进行溯因论证。某生的假设:玻璃杯中的氧气被消耗。溯因论证如下:如果是“玻璃杯中的氧气被消耗”的假设,且观察到玻璃杯中气体减少的证据,已有理论是气体减少导致压强变小而水面上升。然后,由此假设可以推测,即使在玻璃杯中放两根、三根或更多点燃的蜡烛,玻璃杯中水上升的高度应一致,该推论可以检验,所以此假设是合理的。
最后,还必须加强学生科学假设能力品质的培养,并把它作为科学假设能力培养的突破口,前文已经对品质的培养有所论述,这里就不再一一探讨
