科学探究与教学的启发艺术(1)(2)

2．科学猜想中的联想和想象

既然科学归纳具有建构性，并常常先以假设和猜想的形式出现，那么我们要继续追问的就是猜想是如何产生的，它是否有迹可寻，是否可以创造条件使之产生。科学家往往把自己的猜想归功于直觉，而实际上通过分析他们的思维过程，我们可以发现直觉并非完全神秘、不可捉摸，而是以潜隐的方式进行着合理的联想、想象等创造性思维活动。

具体说来，科学猜想有时以联想的方式进行，即先通过相似联想建立类比关系，随后进行类比推理来进行。类比推理是科学探究中被广泛运用的启发性思维方式，尽管很多时候科学家的联想处于不自觉、无意识的状态。科学哲学家夏佩尔阐明了几种科学发现的“推理模式”，这些模式表明科学发现是以由观察、理论、方法等有关知识所组成的信息域为基础的合理推断过程，同时也表明信息域不具有决定意义，它往往启发科学家将之与相似的信息域加以类比——将那些信息域里取得成功或有预见性的理论、方法、模型“移植”到自己的信息域中，从而帮助形成理论假设。

科学猜想有时又以想象的方式进行。首先，科学家通过科学想象来构想经验不可能达到的理想情境，从而发现隐藏在纷乱现象背后的简洁的普遍规律。比如，伽利略由理想实验推想出惯性定律，爱因斯坦由思维实验推理出“钟慢效应”、“尺缩效应”等时空相对现象和狭义相对论。其次，科学家还通过科学想象创造关于世界的实在图景，将可观察之物与不可观察之物联系起来以获得对世界的深入理解。以太、真空、电流体、磁流体、分子、原子、电子、场、波等概念，不管它们后来的命运如何——是被证实或证伪、保留或淘汰、修正或发展，原先都是观念构造物，是科学家想象的实体或实在。这些共同想象物构成特殊的研究传统，对科学研究产生深刻影响，“恰恰因为它们假设了某类实体和某些研究那些实体属性的方法，研究传统才能在特殊科学理论的建构中起至关重要的助发现作用”。总之，为了建立简单、和谐、能解释科学事实和解决科学问题的理论，科学家必须在基本不违背已有事实的前提下，最大限度地发挥创造性想象力，进行理想实验，建构理想模型和理论实体。正如贝费里奇所说：“科学家必须具备想象力，这样才能想象出肉眼观察不到的事物如何发生、如何作用，并构思出假说。”

三、探究学习的启发艺术

由于科学探究本质上是一种创造活动，它不遵循固定的思路、不依赖特定的方法，它不能被授予，而只能借助教学的启发艺术加以激发和引导。从课程的设计、编排到教学活动的动态生成，都指向一个目的，即给学生主动、自觉、自由的科学探究创造外部条件：知识、方法可以作为工具由教师提供，也可以作为结果由学生单独或合作发现，但都必须整合进完整、连续的探究过程；思路可以在教师点拨或同学启发下产生，但在本质上必须是学生自己理智的产物。启发学生进行自主、自由的科学探究不是为了复演一部简化的科学发现史，因为具体历史时期科学家面对的问题域、信息域和技术条件与学生的情况是很不相同的。科学家具体的探究路径既体现了科学探究共同的本质，又是特定历史条件与个人心理素质的产物，因此，教师引导学生经历的也应该是体现科学探究本质、同时结合学生具体条件的个性化的探究活动，而体现科学探究本质的心理机制就是建构性地进行科学归纳，借助联想和想象做出科学猜想。与此相应，启发性的科学探究教学可以从以下两个方面着手：

1．指导发现科学概念和科学原理

把观察、实验和归纳分割开来的探究教学，必然导致科学知识与科学探究的割裂：先把科学概念和科学原理(概念与概念之间的关系)明示或暗示给学生，然后让学生观察相关现象或者设计、操作实验，最后归纳总结观察、实验的结果(实际上是印证原先传授的知识)。鉴于此，我们应该把观察、实验和理论归纳有机融合起来，把科学知识的学习整合进探究过程之中，即指导学生发现科学概念和科学原理。

其一，引导学生利用观察和实验将非结构化的经验结构化。探索性观察和实验与验证性观察和实验的最大区别就在于：前者是结构化的过程，而后者面对的本来就是结构化的材料。没有确定无疑的解释框架，学生面对的是原初的纷繁复杂的现象。要关注哪些因素、排除哪些因素、操纵哪些因素、控制哪些因素，是学生根据先前的知识经验以及对普遍联系的直觉做出的猜测和尝试。经过不断的猜测和尝试，学生发现了将现象组织起来的结构——概念和定律。实践表明，在教师的帮助下，借助必要的测量仪器，学生可以发现大量的经验性概念和描述性定律，如速度、加速度的概念以及自由落体定律等等。当然，这里的“发现”是指从经验中抽象、提取概念的意义，而不是发明概念的名称。

其二，引导学生有意识地追问、寻求统一的因果性解释。不管是经验性的规律，还是通过逻辑推理获得的数学定律，都有待人们进一步理解其意义，做出统一的因果性解释。教师要让学生在了解“是什么”的基础上进一步探求“为什么”，由“为什么”再引申出更隐秘的“是什么”，由此，经验和理性相互碰撞，不断深化对自然的理解。解释性的科学概念和科学原理就可以通过这种方式来引导发现。比如，要求学生思考自由落体、月球绕地等现象的原因，启发学生将这些现象和日常生活中物体受力运动的现象联系起来，学生完全能够发现重力、万有引力的概念，猜测物体运动的定量关系。在此基础上，继续引导学生追问重力、万有引力是什么，又可以导向“引力场”、“弯曲时空”等概念的发现和质量、能量等概念的重建。

指导学生发现科学概念和科学原理最需要避免的一个错误就是固守学科的逻辑，而不能遵循探究的心理“逻辑”。固守学科的逻辑就是将探究活动点缀在系统知识之中，每一次探究都是由掌握知识的需要发动，并终止于某一知识点的获得；而遵循探究的心理“逻辑”意味着围绕探究的经验组织知识，因为探究活动是连续的——一个问题的暂时解决常常导致一连串相关问题的提出，知识就不能以点状、线性的方式来组织，而应该是网状、弥散性、开放性的结构。因为探究活动是动态生成的，是富有个性和创造性的过程，知识的组织就应该具有弹性和灵活性：不是把固定知识点按统一步调分配给所有的学生，而是根据学生探究的需要灵活的引入相关知识。

2．激发相似联想和科学想象

因为科学猜想往往借助相似联想(包括随后的类比推理)及科学想象进行，所以教学应该在启发学生进行相似联想和科学想象上下工夫，而不是将固定的探究思路直接告知学生。

尽管类比的结论具有或然性，需要进一步检验，但相似联想和随后的类比推理绝对是打开人们视域，产生新观点的有效方法。为此，教师可以提示学生科学史上著名的利用类比产生新观点、新理论的事例，如近代引力观念(类比了磁力)、光的波动说(类比了声波)、麦克斯韦电磁波假说(类比了沿法拉第力线方向的管子中运动的不可压缩的流体场)、卢瑟福的原子模型(类比了太阳系)、卡诺的理想热机(类比了水车)等等，激发学生的相似联想。然后教师可以让学生在联想的基础上进行类比推理，以生成观点、建立假说，即利用类象与本象的相似性，推断类象的隐含属性、结构、关系。最后教师可以启发学生对自己经历和体验到的相似联想和类比推理加以反思，发现自己思维过程中的合理性和局限性。此外，教师还可以鼓励、启发学生建立自己的启发性的相似联想——在自己的“经验库”中找到与眼前现象存在相似点的事例，通过进一步的类比推理，可以获得对新的事物、事件的特性或关系更深刻的洞见。比如在探究平抛运动规律时，教师可以启发学生将二次函数曲线与平抛运动轨迹加以比较，或将平抛运动与自由落体运动、惯性运动加以比较，然后做出自己的猜想，而不是将书本上固定的探究过程直接教授给学生。

引导学生进行相似联想和类比推理不仅能够帮助学生产生新观点、提出科学假设，而且有利于提高学生基本的科学素养。这种素养就是对事物之间和谐、对称、巧妙平衡、内在秩序的超乎寻常的敏锐感受或执著信念。彭加勒强调直觉——一种数学的“雅致感”在数学创造中的关键作用，“雅致”“向我们揭示出以前没有辨认出的亲缘关系”，“从而我们就有更多的机会推测可能的概括”。爱因斯坦则认为“如果不相信我们世界的内在和谐性，那就不会有任何科学”。通过相似联想和类比推理，人们可以直观到世界的普遍联系和内在和谐性；反过来，这种直觉或信仰又有利于人们冲破纯逻辑思维的桎梏，产生更多、更广泛的独特而又具有启发性和建设性的相似联想。

为了激发学生的想象力，实现科学想象的助发现作用，教师必须帮助学生化抽象为形象，建立能够反映事物或事件本质属性和普遍联系的直观形象。具体说来，教师可以先将科学理论所假设的实体或实在图景以通俗易懂、整体大略的方式传递给学生，使学生获得研究对象的整体、直观的印象。这些实体或实在图景反映了事物或事件的本质属性和普遍联系，具有强大的解释力，如原子结构和导体中自由运动的动态图景可以很好地解释电热现象和电流规律，电场和磁场的图景可以形象地说明电磁现象和电磁规律。利用这些直观形象，学生可以进一步展开科学想象，明确、扩展事物或事件的本质属性和普遍联系。比如，电学单元的传统教学采用的是由现象到定律再到原理、由概念到实体的路径：学生先通过定义以抽象的方式学习电流、电压、电阻、电功等概念，然后通过观察各种电现象归纳描述性的定律，最后接触包括电磁场理论、量子力学在内的解释性的理论，获得对电现象的深人直观的理解。而启发学生进行科学探究的教学则可以这样展开：先将电磁场理论、量子力学的基本思想传递给学生，使学生获得关于电场、电流的直观图景，然后借助各种现象启发学生想象这幅图景的具体细节和各种情况下可能的变化。由于有了理论实体的支持，学生的想象获得了依托而得以展开，从而能够自主地建构概念、建立假说、设计实验，并最终归纳出定律、定理。此外，教师还可以引导学生抓住本质特征和必然联系，舍弃次要特征和偶然联系，发挥想象，进行理想实验，建立理想模型。

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