对猜想与假设的质疑是科学探究的“催化剂”——以探究“不听话”的小纸团为例

陈海深 刘剑锋

(1. 广西师范大学物理科学与技术学院,广西 桂林 541004； 2. 赣南师范大学物理与电子信息学院,江西 赣州 341000)

对猜想与假设的质疑是科学探究的“催化剂”
——以探究“不听话”的小纸团为例

陈海深1刘剑锋2

(1. 广西师范大学物理科学与技术学院,广西 桂林 541004； 2. 赣南师范大学物理与电子信息学院,江西 赣州 341000)

利用身边简易器材,在一个真实问题情境中以探究“不听话”的小纸团为案例,让学生经历提出猜想、质疑猜想、设计实验方案、验证猜想等科学探究核心环节,并通过对猜想的质疑与批判,实质性的“催化”和推动科学探究过程的不断发展和深入,真正意义上培养学生的科学质疑与批判精神,从而提高学生的科学素养．

高师本科教学改革； 职前科学教师培养； 猜想与假设; 质疑; 科学探究

1 引言

猜想与假设亦称科学假说,它是根据已知的科学知识和科学事实,对未知自然现象及其规律性所作的推测性解释和说明,是自然科学理论思维的一种重要形式．恩格斯曾说,只要自然科学在思维着,它的发展形式就是假说．猜想与假设是自然科学思维发展的表现形式．它是形成科学理论的先导,同时亦是科学观察、科学实验的先导,是发展科学理论的必由之路．科学假说和科学理论相互演进,推动了科学理论的不断发展完善,是人类在遇到问题、解决问题时的基本思维方法．

在知识的探索过程中,除了科学知识外,还应培养学生提出猜想与假设的能力,考察学生提出猜想的根据是否充分,证据是否确凿,方法是否规范．聚焦于猜想与假设的质疑与批判,不仅是科学探究过程推进的“催化剂”,而且能从真正意义上帮助学生重构新知识,使探究活动更好地体现科学的本质,更有利于提高学生的科学素养．因此,开发培养学生提出猜想与假设的能力以及培养批判与质疑精神的探究活动是很有必要的.

本文介绍一个在真实问题情境下利用简易器材开发的探究式教学案例,希望能够引发更多教师的关注和思考．

2 利用简易器材,创设问题情境

图1

教师:今天先请大家用一张纸揉成一个比瓶子口小的纸团,把一个瓶子(如塑料饮水瓶)水平放置,然后把纸团放在瓶口,再对着瓶口吹气,大家在做实验之前先猜一猜,纸团会进去吗?(该实验最早来源于科学小实验的书籍,是吹葡萄酒瓶塞,笔者为取材方便起见将其改成纸团)．

3 “催生”动手实验,猜想“五花八门”

一位学生说:“按常理会吹进去,但你这样问，我想肯定进不去了!”教师笑着说:“挺聪明的,不过最后可得由实验结果来说话．全班一下子活跃起来,很多学生发现纸团被吹出来,而且越用力吹,纸团往外跑得越快．学生们都被这个奇怪的现象吸引了．不少人还从不同的角度吹,用不同大小的纸团吹,很热闹．

接着学生以小组为单位围绕“是什么原因让纸团往外跑而不往瓶里跑?”开始讨论,教师提出要求:先提出你们觉得可能的猜想,然后各小组选一人做代表汇报．教师将大家的猜想逐一列出来．

猜想1:往瓶内吹气,气体通过纸团与瓶口间缝隙进入瓶内,使饮料瓶内气压增大许多,从而把纸团压出来.我们把持有这种观点的称为瓶内压强增大说．

猜想2:吹气时,进入瓶内的气流遇到瓶底后反弹(或在瓶口就反弹),气流返回,纸团就被向外推.我们把持有这种观点的称为气流反弹说．

猜想3:吹气时纸团外面流速大,压强小,里面流速小,压强大,形成由内向外的压强差,从而把纸团挤出来.我们把持有这种观点的称为伯努利原理说．

猜想4:向瓶内吹气后,瓶内气体充满了就向外溢,就把小纸团冲出来了．

猜想5:原来瓶内的气体是冷空气,从人口腔吹出的气体是热空气,进入瓶内后使气体发生膨胀,把纸团压出来．

还有其他无关猜想……

4 引发质疑批判,排除“无关”猜想

提了这么多猜想,到底哪个是对的呢?有些学生忍不住讨论起来,有些干脆又做起了实验．这时教师说话了:猜想对不对,应该设法去验证．但是真正的科学研究活动并不会马上去设计实验逐一检验各个猜想,而应该尝试把猜想归类,并考虑通过推理来排除某些猜想．

通过分析，不难发现猜想1与猜想4应该是一样的,只不过猜想1是用物理语言来分析,猜想4是用生活化语言来分析．这很容易得到大家的一致赞同．猜想1与猜想3都认为是内外压强差造成的,是否也可以归为一类呢?仔细分析会发现,猜想1是瓶内压强增大后大于外界压强才形成了压强差,而猜想3其实是指外界压强由于气体流动而减小,因而瓶内压强大于瓶外压强,其实瓶内压强没有变,因而这两个猜想不能合并．对于猜想5,多数学生提出不大可能,因为体内呼出的气体到达瓶内时,温度比周围空气温度高不了多少,不可能产生这么大的压强差,特别是夏天进行探究时,周围空气温度甚至还高于体内呼出的气体温度．而且作验证也不难,只要用吹风机的冷风挡去吹就行了．因此，猜想5起码不应该是优先检验的猜想,可加以删去,我们可先重点讨论剩下的猜想1、2和猜想3．

5 竞相设计实验,检验“可能”的猜想

如何验证这些猜想呢?新一轮讨论又开始了,各组学生都在热烈地讨论着．教师本想让大家先讨论实验方案,可没想到学生们在讨论的同时就开始动手做起了实验,这时教师没有打断学生们的实验,而是加入到了解各组的实验方案中去了．

方案1:在瓶底开了小孔,然后再做实验．结果发现当孔较小时,纸团还是会被吹出来,如果孔开大一些,或干脆把瓶底剪掉,那么纸团会被吹进瓶里面去．

方案2:在瓶身侧面开孔,再进行实验．与方案1结果类似,当孔较小时,纸团会吹出来,孔大一些则会被吹进去．

方案3:不直接对着瓶口吹气,而是与瓶子垂直沿瓶口切线吹气．实验结果不稳定,有的能将纸团吹出,有的不能将纸团吹出．

方案4:将空签字笔杆(或吸管)伸入瓶内吹气,轻轻一吹就能将纸团吹出．

方案5:将空签字笔杆(或吸管)对准纸团吹气,轻轻吹就能将纸团吹进瓶内．或将嘴唇抿起来并对准小球中心,集中气流吹,也能将纸团吹进瓶内．

经过刚才深入各组了解情况,教师发现大部分学生的检验方案往往是围绕猜想3展开．有些是想寻找支持猜想3的证据,而有些则想寻找否定猜想3的依据．

6 聚焦“可能”猜想,缺乏“确凿”证据

那么，方案3的实验结果为什么不稳定呢?学生经过仔细讨论会发现,其实人吹气时气流是向四周扩散开的,虽然看起来是垂直瓶口吹气,其实气流还是有向瓶内流动的可能．还有就是有时纸团所放的位置靠外,部分露在瓶口之外,气流会直接作用在它上面,使它出来．因此,为严格地控制变量,有的实验组学生建议应该利用吸管等办法来吹气,以便约束气流的方向,故纸团不能露出瓶口．根据改进后的实验方案进行检验,结果发现纸团几乎静静地呆在瓶口不动．

有意思的是,持不同观点的学生对实验证据的认可度并不一样．认为是瓶内压强增大或气体在瓶内反弹的学生认为方案1、2和5的实验现象完全可以推翻猜想3,其理由是如果是因为流速大压强小的原因,那么这3个方案中纸团在瓶外侧的气流速度一直是大于纸团瓶口内侧的速度,因此,实验现象应该与最初的现象一样,纸团应该被吹出瓶外;方案3改进后的实验结果更加否定了猜想3,至于方案5则从另一个角度支持了猜想1或2．而支持猜想3的学生则不同,有些在证据面前改变了自己的观点,转而支持其他猜想．但仍有一些学生坚持猜想3,他们认为方案1和方案2改变了实验环境,就像将纸团放在桌子上一吹就会飞出去一样,不足为据;而方案4则是因为吸管对准纸团中间吹气,气流作用面积太小,流速太大,可能会造成气流的冲击力太大,才造成纸团进入瓶内的； 方案5则说明气流进去能使纸团出来,并不能否定猜想3； 至于方案3是另一种情况,但还是无法否定猜想3．

7 从“定性”伯努利,导航“定量”伯努利

图2

为最终否定猜想3,教师提示可以通过计算求出气流对纸团冲击力及由于内外流速差造成的压力差．由于无论纸团是什么形状,其实验现象都相同．因此,为计算方便,可以将纸团设想成一个小立方块,其表面积为S,当密度为ρ的气流以速度v垂直其表面撞击时,如果假设撞击后气流速度变为0,则由动量定理可计算出气流的撞击力F撞为ρSv2,如果有气流反弹的话则这个撞击力会更大,但反弹速度不可能超过v,撞击力也就不可能超过2ρSv2．当人体呼气时,肺部气体压强p肺内应大于大气压强p0,且可近似看作肺内气体流速为0,由气体伯努利方程p+ρv2/2=常量=p肺内，可估算出纸团受气流冲击处压强为p=p肺内-ρv2/2,则由于前后表面压强差造成纸团受到的向瓶外的压强差Δp=p0-p=p0-p肺内+ρv2/2<ρv2/2,压力差ΔF<ρSv2/2.由此可见,气流撞击力近似为由于流速造成的压力差的2倍还多,因此猜想3被否定(学生仅在初中定性学习过伯努利原理,教师在此处补充或让学生通过查找资料掌握其定量关系)．

8 猜想质疑“再发酵”,实验设计“再探究”

图3

有学生由此会有新的疑问产生:既然吹气时气流的撞击力大于流速原因产生的压力差,那么为什么往漏斗里吹气时,乒乓球能被吸住呢?有的学生提出由于漏斗吹气口处的截面积很小,虽然气流对乒乓球直接撞击的压强较大,但撞击的面积较小,其撞击力并不大,一旦气流进入喇叭口内,气流将沿乒乓球表面流动,流动方向近似为其沿其表面的切线方向,因此对其表面的直接撞击作用就很小了,此时由于乒乓球上下表面流速差造成的压强差虽然相对较小,但其作用面积却远大于漏斗吹气口处气流的直接撞击面积,因此其产生的向上压力差反而大于漏斗口气流的撞击力与乒乓球重力之和,于是乒乓球就能被“吸”在漏斗口(如图3所示)．因此,如果没有喇叭口而只有一个与乒乓球一样大的吹气口,则乒乓球不可能被吸住,于是有学生立即想到用喝奶茶的吸管吹乒乓球,结果乒乓球没能被“吸”住．

在排除了猜想3后,如何判断猜想1、2的正确性呢?大家经讨论后认为,这两种猜想都有道理．首先,吹气时,肯定会有气流进入瓶内,造成瓶内气体增多,但瓶子容积几乎不变(即使用玻璃酒瓶也是一样的实验现象),因此瓶内气体压强必然会增大．至于反弹说，部分小组认为也有道理,因为吹气时能明显感觉到一股气流往外冲,故纸团被吹出瓶口是瓶内气体压强增大与气流反弹共同的作用效果．但到底是在瓶底部反弹还是瓶口反弹呢?部分组学生对此设计了两个检验方案．一个方案是在瓶侧身切两个口,分别伸入轻柔的餐巾纸条,吹气后观察纸条晃动情况,结果发现两纸条均会晃动．另一个方案是吸一口烟,再向瓶口吹气,利用烟雾在瓶内的分布情况来判断,结果瓶内烟雾非常淡,现象并不明显,改往瓶内放入大量的轻小碎纸屑,发现纸屑运动也没有什么规律可言．此外,还有学生考虑加长饮料瓶身长度或换用大瓶(如大可乐瓶,甚至是饮水机上装矿泉水的大瓶),结果纸团仍会出来．结合这些实验现象,有部分学生猜想是:气流不大可能有明确的流动轨迹,很可能随吹入气流的角度不同而不同,气流进入瓶内后会受到瓶身、瓶底等的多次冲击作用,其反射气流应该非常紊乱．此外,瓶内原有气体受排挤后也会流动形成气流,但最终会汇成一股气流冲向瓶口,并将纸团带出．

9 “两类猜想”均可能,“波粒二性”终统一

探究到这里,那么猜想1与猜想2到底哪个更好呢?看来要想否定其中的一个猜想还得有更充分的证据．课堂的气氛僵持不下,谁也不能说服谁,这时教师示意大家安静下来.当探究进行到已知和未知问题的边界处时,我们已经常常习惯于一个所谓的“标准答案”的判决,但在真实的科学探究过程中,科学家由于证据不够,只好让这些猜想并存,只有等到收集到更多证据的时候才可能进一步去排除某些猜想,甚至最后发现两种猜想其实本质上是一样的.例如大家熟悉的光的波动说和粒子说最后被爱因斯坦统一为光子说,所以教师希望学生们继续去寻找证据．

10 文献研究“很重要”,水锤效应“再导航”

就在大家面对两类猜想“黔驴技穷”时,教师及时介绍到:我在进行相关文献查阅时发现了一种与本实验类似的水锤效应．水流在正常流动的过程中,如果由于某种原因,水管突然被堵住(如人为地迅速关上阀门),流动的水猛地撞击阀门,从而产生一个极大的冲击力,并产生一个反弹的压力波向四周传递,造成水管所受压力急剧增大,我们把这种效应称为“水锤效应”．理论计算表明，从大约6.3m/s的水流在被阻碍瞬间能产生约8.8MPa的压强,在生产实践中,2m的落差可以产生接近90m的升高压力．因此,在缺电的边远山区,人们常常利用水锤效应生产的水锤泵,把水运到高处供人、畜饮水或灌溉用．

根据文献[2]中提供的公式Δp=cρv(其中c为压力波在空气中传播的速度,即声速,ρ为流体密度)，还可估算出由于气流反弹而产生的类似水锤效应附加的压强．如果从这个方面来理解,气流反弹说更科学．

当然,真正的探究就是在即将结束的时候已经解决了一部分原有的问题,但同时还会留下继续探索新问题的空间．例如根据公式Δp=cρv实际估算出由于气流反弹而产生的类似水锤效应附加的压强大小,或者寻找到新的有力证据推翻气流反弹说．

11 结语

科学探究通过猜想与假设的质疑与批判和设计实验方案,互相“推波助澜”,不断地“催化”和“发酵”，推动科学探究过程的不断发展和深入，这样“曲折探索”的过程既使学生感受到“山穷水 尽疑无路”时的茫然，又有互相启迪时“柳暗花明 又一村的”的希望，真正意义上培养学生的科学 质疑与批判精神、猜想与假设的能力以及设计实 验方案的能力等，从而有效地提高学生的科学素 养．而这些靠单纯的讲授往往是较难培养的．令 笔者印象最深的一幕是一位女学生，当面对证据 不得不放弃她自己深信不疑而一直坚持的猜想时，竟然难过得流下了眼泪，这种强烈的科学情 感体验也是在其他教学方式中很难出现的．

1 陈海深．横看成侧影竖看影无踪[J]．物理教师， 2016，(4)：47-49．

2 王国平，张泽京．液压水锤泵原理及其应用[J]．水利 水电快报，2003，24(5)：22-25．

3 李富林等．气量增加段塞流场中压力波传播特性分析 [J]．油气地质与采收率，2004，11(5)：78-82．

2017-02-12)

本文为广西高等教育本科教学改革工程项目重点课题“探索理科师范生探究教学能力发展的培养体系构建”(批准号:2016JGZ113)和江西省教育科学“十二五”规划立项课题“不同学习方式对职前科学教师探究教学能力培养的影响研究”(批准文号:15ZD3LYB003)的阶段性成果．