首页 -> 2009年第1期
浅议物理学发展过程中假设的价值
作者：董 燕
[关键词]假设 科学发展 物理学
一、假设在科学研究中的作用
一般认为，假设是以已有的事实和经验为依据对未知世界进行推测后产生的论断，是科学研究的有效方法。人们对客观世界物体和客观规律的认识，会受到各种条件的限制。首先是人们掌握的客观事实和经验材料往往不够；其次是科技发展尚未达到相应水平。只有通过科学假设进行试探，才能逐步接近对研究对象的真理性认识。在这种情况下，假设的提出会为研究工作指出一个方向，即验证假设。
物理学发展过程更是如此。如麦克斯韦为了解决安培环路定律在传导电流不连续时所遇到的困难，提出了位移电流的假设；为了解释在变化磁场中导体回路上所产生的感应电流现象，提出了感生电场的假设；最后又综合两者提出电磁波的假设。于是在电磁波的假设引导下，就有了赫兹通过实验验证电磁波，最终提出了经典电磁理论。没有麦克斯韦电磁波的假设，就很难有赫兹的实验，也不会有无线电技术的快速发展。恩格斯说：“如果人们要等待建立起定律的材料纯粹化起来，那么这就是在此以前要把运用思维的研究停顿下来，而定律也就因此永远不会出现。”同时又说，“教育只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”物理学和其他科学一样，通过不断地提出假设，检验假设，沿着假设—检验—理论—新假设的发展途径，循环往复螺旋式发展。如量子力学的建立就是科学假设不断发展和深入的结果。20世纪初，德国物理学家普朗克（1858～1947）提出能量子假设，在理论上完美地解决了黑体辐射实验问题。数年之后，爱因斯坦把普朗克的量子概念应用于光学领域，提出了光量子假设，成功地解释了光电效应。1913年丹麦物理学家玻尔把卢瑟福的原子模型与普朗克的量子论结合起来，提出了量子化原子模型假设，把普朗克提出的量子论推广到原子结构和电子运动之中。1924年，法国物理学家德布罗意受爱因斯坦光量子假设的启发，进一步提出了物质波的假设，且不久就为电子衍射实验所证实。到了1926年，奥地利物理学家薛定愕在以上假设的基础上，创立了量子力学。由此可见，假设对于处于20世纪初风起云涌社会中的物理学的发展起到了极大的促进作用。
二、假设对于今后物理学科发展的教育价值
1.科学的假设能更好地理解物理学科的本质。对待科学的传统认识，主要是掌握学科知识，将科学的发展等同于学科发展，学科的发展等同于科学知识的教学，其结果是学生头脑中所理解的科学就是由一系列概念、定律、定理所组成的知识体系。新的教育理念要求全面地理解物理科学，即作为认识结果的科学和作为认识过程的科学。重视假设教育，才能使这两个方面的理解具有正确的可能。
传统教学中把科学概念和规律作为成熟的真理来传授，隐蔽了其假设的性质和价值。学生对“假设”的体会是不够的，在他们看来，科学知识就是在大量事实的基础上总结出来的客观规律，是对自然界自在行为的认识，而把人的认识能动性排除在认识过程之外。
事实上，科学理论在本质上都是假设。科学知识的试探性、科学知识有赖于人对现象的观察和想象、科学知识对世界的反映的不全面性、科学知识与社会历史和文化进程的相关性，等等，这些都使得科学知识具有假设的特征。即便是获得了辉煌的成就、曾经被奉为宇宙真理至今仍然发挥巨大作用的牛顿力学亦是这样，正如本世纪著名哲学家波普所说，“多亏爱因斯坦，我们现在才把牛顿理论看作一个假说——也许是科学史上最壮观、最重要的假说，当然也是对真理最惊人的接近。”因为爱因斯坦的广义相对论给出了一个比牛顿理论更加完善、更加科学的引力理论。
2.假设教育帮助学生更好地体验科学探究的过程。恩格斯说：“一个新的事实被观察到了，它使得直到现在对和它同类的事实的说明方式成为不可能的了。从这一瞬间起，就需要新的说明方式——它最初仅仅以有限数量的事实和观察为基础。进一步的观察材料会使这些假说纯化，取消一个，修正另一个，直到最后纯粹地建立起定律。”在新课程的理念中，科学探究占有重要的地位，实际上就是一个不断提出假设、否定假设、修正假设的过程。因此，在探究式的教学中，假设是当然的核心要素。离开了假设的探究式教学，“探究”的形式是具备了，但探究过程最精彩的实质过程——假设的过程却没有放出应有的光彩，使得整个探究活动像是走过场，不可能让学生真正体验到科学探究的真谛。
长期以来，经验主义认为科学知识总是从经验开始，通过逻辑思维的加工，然后过渡到规律或者理论。从经验事实到规律或者理论包含着一种认识上的飞跃。但是规律或者理论并不是前面作为出发点的经验事实的简单相加，而是一种本质上完全与感性知识不同的、反映事物本质及规律性的普遍性知识。因而在物理科学的教学当中，基本上是以经验归纳的模式来组织教学的。如关于阿基米德定律或者浮力定律的教学：在讨论了“形状规则的正方体浸没在水中受到的浮力等于它的上下表面受到的水的压力差”后，就有了“任意形状的物体受到的浮力有多大”的问题，怎么来研究呢？引出问题后进行实验演示，在弹簧的下端挂一个筒，筒下面吊一个金属块，记下弹簧伸长的位置，另取一只溢水杯，杯里的水装到溢水管口，使水刚好不流出，把金属块缓缓地全部浸入水面下，金属块受到水的浮力，弹簧缩短，被金属块排开的水全部从溢水管流入小杯，然后把小杯里的水倒入弹簧下面的金属筒中，弹簧又伸长到原来的位置，说明金属块在水中受到的浮力与被金属块排开的水的重量相等，然后再举其他液体（如酒精）为例仍有相同结论，归纳上升至阿基米德定律。而有的所谓“创新”的教学把演示实验改成学生实验探究，提示学生“把小杯里的水倒入弹簧下面的金属筒中”，比较结果得出结论，只不过多了学生动手，过程的实质没变。这种模式的缺点是没有引导学生探究实验的原因。所以，即便以学生实验来组织探究教学，学生可能体会了实验操作过程和结果，但是缺少了对关键因素和整个过程的体会。
如果使用假设教育模式，就可以这样来设计阿基米德定律的教学：先阐述相关实验的背景，在原有知识和事实的基础上引导学生提出一个合理假设，再通过实验验证。原有知识是前面已学过的计算液体内部压强的知识，并且已经讨论过了“形状规则的正方体浸没在水中受到的浮力是由于它的上下表面受到的水的压力差造成的”，利用它可计算出正方体在水中的浮力，F浮=ρ水gv排=G水排，然后提出假设“对于不规则的物体也有这样的结论”，最后用实验来验证是否和实验得出的数据相近或者一致，这个物理实验的任务就是比较一下物体所受的浮力大小与物体排开液体的重量是否也与规则物体情况所计算的那样存在相等的关系。这一过程可以让学生体会到科学研究中常用的一种方法，即以规则、均匀、对称等简单的理论为基础，提出关于相对比较复杂情况的假设，然后通过实验来验证，最后得出结论。
3.假设教育让学生体会科学思想对科学探究的影响。科学家的头脑在假设过程中的影响作用是任何其他过程都不能比拟的，因为假设的产生不是一个严密的逻辑过程。德布罗意提出物质波的假设，正是源于关于自然界的一种对称性的思想，电磁波具有粒子性，那么实物粒子为什么不可以具有波动性呢？没有这样的思想，后面的工作就无从谈起，因为在当时关于物质粒子和辐射波所组成的概念根深蒂固，实际上戴维逊在了解德布罗意的假设之前就已经观察到电子的衍射现象，却没有能导致他提出物质波的概念，自从他在玻尔的一次学术报告中了解到德布罗意的思想后，其电子散射实验才发生了根本的变化。如果说早期的散射实验没有一个确定的方向的话，那么在这以后的实验目的就变得非常明确了：戴维逊一心一意想得到足以证实电子波理论的结果。就这样，他运用多种物理学研究方法朝着这个方向努力，终于成功地证实了电子波的存在。
4.假设教育有利于发展学生在物理学科中的创新能力。传统的物理学科教育偏重于对学生逻辑思维的培养。假设虽然与逻辑思维并非全无联系，但它更大程度上是依赖于直觉思维、发散思维等创新思维。爱因斯坦多次谈到直觉的重要作用，他说：“要通向这些定律，并没有逻辑的道路；只有通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉，才能得到这些定律。”只有摆脱严格推理的束缚，发挥想象和直觉的才能，才能取得突破。发散思维不强调严密的逻辑性，不追求答案的唯一性；直觉思维是不依靠确切的逻辑推理，而是凭着人的直观知觉对事物和现象做出推断的。这种思维与假设的产生相适应，因为假设最初仅以有限数量的事实和观察为基础，所以不可能有严密的逻辑和唯一的答案。这类思维也只有在教学中鼓励学生大胆猜想和假设才能得到发展。
通过大量的实例，我们总结出在科学思想指导下所提出的假设对于科学探究的重要指导意义。在物理学科教学中贯彻这种科学思想，不仅对于目前培养学生的创新和拓展思维有重要的意义，而且对于物理科学的发展也有着积极的影响。
参考文献：
[1]恩格斯.自然辩证法[M].北京:人民出版社,1984.
[2]徐炎章.科学的假说[M].北京:科学出版社,1981.