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1、论科学假设能力的结构与培养的创新路径科学假设指人们根据已有的科学理论、科学知识对新的科学事实和未知的规律所做的假定性阐释与说明。培养学生的科学假设能力是理科教育的重要目标。然而,当前教学实践表明,人们只重视假设的检验,如设计实验、数据处理等,而对学生假设能力的培养并不关注。因为部分人认为提出假设依靠的是灵感和直觉,是不能被教的。这是由于人们还未发现科学假设产生的逻辑机制以致设计不出有效的教学模式和策略。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
2、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
3、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
4、。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
5、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
6、.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
7、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
8、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
