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【摘 要】 青岛市初中物理学科“用中国古代科学家方法进行物理探究建模”的课题研究是教育部“十一五”子课题。将中国古代科学家在创造发明和发现中所运用的充满睿智的科学方法作为理论基础，本着费耶阿本德“怎么都行”的方法论，通过演绎法，就可以建构出许多思维过程不同的探究模式。本篇旨在介绍其中运用张衡“假说——模型”方法所建构的“假说——模型探究模式”，从而为物理教师的探究教学和学生的探究学习提供一种新的思维过程和探究工具。
【关键词】 物理探究教学 中国古代科学家 张衡 科学方法 假说——模型探究模式
中国古代科学家在科学技术方面取得的巨大成就，离不开他们超凡的科学思想和科学方法。张衡就是这样一位出色的科学技术大师和科学方法大师，他的科学思想和方法对于我们今天的物理探究教学仍然有着重要的启发作用。
１ 张衡与浑天仪
张衡（78～139）是东汉时期杰出的天文学家、机械发明家、文学家和画家。郭沫若曾经这样评价张衡：“如此全面发展之人物，在世界史中亦所罕见。万祀千龄，令人景仰。”
张衡一生所著的天文学著作，以《灵宪》最为著名。在这本书中，他运用赤道、黄道、南极、北极等名词，阐述了天地日月星辰生成和它们运动的规律，并记录了2500颗恒星，绘制出我国第一张完备的星图——灵宪图。在前人的基础上，张衡系统地发展和总结了“浑天说”。在《浑天仪图注》中，他写道：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。”
为了形象地说明浑天说的内容并验证其科学性，张衡利用他所绘制的灵宪图，根据他的浑天说，制造了世界上第一架自动的天文仪器——漏水转浑天仪。
这架仪器于117年制成。主体是一个直径为4尺的空心铜球，球上缀满了星星，其位置和排列与天上的实际情形完全相同，只是方向相反（因为我们看星星是从里向外看，而铜球上的星星是从外向里看）。下面有复杂的齿轮传动机构，靠漏壶匀速水流的力量，带动铜球慢慢转动，其速度和方向与真实天穹的东升西落完全一样。从而，自动地、近似正确地演示天象。这是现代“假天仪”的原始鼻祖。
根据历史记载，这个浑天仪做得非常巧妙：人坐在屋子里看浑天仪，就可以知道哪颗星正从东方升起，哪颗星已经到了中天，哪颗星就要落下西方去。跑出屋子一看，天空中的实际情况，正好与浑天仪表示的完全一样。据说，著名学者蔡邕（132～192）参观了这个仪器之后，感叹道：“我真想一辈子都躺在浑天仪里！”
２ 方法的启示
张衡发明浑天仪的故事，基本过程如下：提出浑天说——制造浑天仪——演示浑天仪进行预测——实际天象观测——比较观测和预测是否一致——检验浑天说的科学性。也就是说，当提出一种科学假说时，为了让人们了解和认可该假说，可以将文字性的假说变成看得见的形象化的模型，通过模型演示情况与实际情况的符合程度，来说明和检验假说科学性。这一思维过程如下：提出假说——建构模型——模型预测——实验观测——比较观测与预测——检验假说的正确性。张衡的这种科学方法，我们可以称之为“假说——模型”方法。
３ 假说——模型探究模式
将上述“假说——模型”方法运用到我们现在的物理探究教学中，就形成了“假说——模型探究模式”。
3．1 假说——模型探究模式的思维程序：问题——假说——模型——预测——实验——比较——结论。
3．2 对上述思维程序的有关说明：①问题：提出要研究问题。②假说：针对研究问题，根据日常经验或类比等方法，提出假说。③模型：将文字化的假说变成实物或图像化的模型。④预测：运用模型进行演示或推演，预测实际可能发生的现象。⑤实验：进行实际实验，观察和记录实验情况。⑥比较：比较“实验”现象和“预测”是否一致。⑦结论：通过比较，检验假说的正确性，得出结论、总结规律。
４ 假说——模型探究模式应用案例
下面通过两个案例，体会这种模式的运用：
4．1 案例一：探究“光的反射定律”。①问题：引导学生提出问题：光在反射中遵循什么规律？也即反射光线、入射光线有什么位置上的关系？②假说：引导学生分组讨论，形成反射光线、入射光线位置关系的各种假说。③模型：引导学生根据上述文字性假说，运用橡皮泥、电线等器材建构出各自的实物模型。④预测：根据各自的实物模型，让每一组学生预测不同入射角情况下，反射光线的走向。⑤实验：各组进行分组实验，并记录不同入射角情况下的反射光线走向及反射角的度数。⑥比较：比较运用模型预测的情况和通过实验看到和测量的情况。⑦结论：通过比较，选择正确的模型，同时得出光的反射定律：反射光线、入射光线、法线在同一平面内，反射光线、入射光线分居法线两侧，反射角等于入射角。
4．2 案例二：探究“欧姆定律”。①问题：引导学生提出问题：电路中的电流与电压、电阻有何关系？②假说：通过设计灯泡亮暗实验，引导学生讨论，形成假说：电流可能与导体两端的电压成正比、与导体电阻成反比。③模型：根据上述假说，引导学生建立数学模型：I=UR。④预测：根据上述数学模型，预测不同电压、不同电阻情况下的电流值。⑤实验：设计并进行实验，实际测量不同电压、不同电阻情况下的电流值。⑥比较：将实验值和预测值进行对照。⑦结论：通过对照，发现实验值和预测值吻合，从而证明了数学模型的正确，也证明了假说的正确，由此得出欧姆定律。
5 问题讨论
通过上述案例我们可以看出，从现代思维科学以及科学哲学角度来看，假说——模型探究模式有如下特色：
5．1 该模式的基本过程是：由实际问题形成假说、再由假说变成模型、再运用模型得到推论预测，最后再通过实际实验检验预测。实际——假说——模型——推论——实际。环环相扣，完成一个封闭的思维循环和问题解决过程。
5．2 从假说变成模型的过程，是一个把问题由文字形式变成图像、公式或实物形式的过程，这是一个等价变换的过程，也是一个将抽象概念变成具体形象的思维过程。体现了创造学技法“等价信息变换法”和“抽象——具体”思维方法的有机结合。
5．3 牛顿（Isaac Newton，1642～1727）著名的科学研究方法“假说——演绎法”的基本思维过程是：实验事实——概括归纳——提出假说——理论推断——实验检验推断。而张衡的“假说——模型法”不仅涵盖了牛顿方法的主要内容，而且增加了从假说变成模型的思维过程，从而使思维过程更加丰富。
5．4 探究的一般过程，首先是针对问题提出假说，然后通过实验检验假说。在这种探究模式中，把对假说的检验，先转换成对模型的检验，再转换成对预测现象的检验。经历了三个问题之间的两次问题转换，体现了精致证伪主义科学哲学家拉卡托斯（Imre Lakatos，1922～1974）科学研究纲领“问题转换”的科学认识论过程。
5．5 从问题到提出假说，这是一个非逻辑思维的过程；而从假说到模型再到预测现象，这是基本是逻辑推理的过程；从预测现象到实验现象比较，这又是一个非逻辑的过程。因此，整个探究过程是一个非逻辑——逻辑——非逻辑的过程，体现了爱因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）的“探索性演绎法”。
由此可见，早在一千九百年以前，张衡的科学思想和方法就已经是非常丰富多彩的了。我们由此借鉴而形成的“假说——模型探究模式”，完全可以从多个思维角度培养学生各个方面的能力，从而为提高学生的科学素养起到十分积极的作用。
参考文献
1 中共中央宣传部宣传教育局.教育部基础教育司.科技部政策法
规与体制改革司组织编写.中国古代100位科学家故事.北京：人
民教育出版社、学习出版社联合出版发行，2006
2 查有梁.教育模式.北京：教育科学出版社，1999
3 张之沧.科学哲学导论.北京：人们出版社，2004
【关键词】 物理探究教学 中国古代科学家 张衡 科学方法 假说——模型探究模式
中国古代科学家在科学技术方面取得的巨大成就，离不开他们超凡的科学思想和科学方法。张衡就是这样一位出色的科学技术大师和科学方法大师，他的科学思想和方法对于我们今天的物理探究教学仍然有着重要的启发作用。
１ 张衡与浑天仪
张衡（78～139）是东汉时期杰出的天文学家、机械发明家、文学家和画家。郭沫若曾经这样评价张衡：“如此全面发展之人物，在世界史中亦所罕见。万祀千龄，令人景仰。”
张衡一生所著的天文学著作，以《灵宪》最为著名。在这本书中，他运用赤道、黄道、南极、北极等名词，阐述了天地日月星辰生成和它们运动的规律，并记录了2500颗恒星，绘制出我国第一张完备的星图——灵宪图。在前人的基础上，张衡系统地发展和总结了“浑天说”。在《浑天仪图注》中，他写道：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。”
为了形象地说明浑天说的内容并验证其科学性，张衡利用他所绘制的灵宪图，根据他的浑天说，制造了世界上第一架自动的天文仪器——漏水转浑天仪。
这架仪器于117年制成。主体是一个直径为4尺的空心铜球，球上缀满了星星，其位置和排列与天上的实际情形完全相同，只是方向相反（因为我们看星星是从里向外看，而铜球上的星星是从外向里看）。下面有复杂的齿轮传动机构，靠漏壶匀速水流的力量，带动铜球慢慢转动，其速度和方向与真实天穹的东升西落完全一样。从而，自动地、近似正确地演示天象。这是现代“假天仪”的原始鼻祖。
根据历史记载，这个浑天仪做得非常巧妙：人坐在屋子里看浑天仪，就可以知道哪颗星正从东方升起，哪颗星已经到了中天，哪颗星就要落下西方去。跑出屋子一看，天空中的实际情况，正好与浑天仪表示的完全一样。据说，著名学者蔡邕（132～192）参观了这个仪器之后，感叹道：“我真想一辈子都躺在浑天仪里！”
２ 方法的启示
张衡发明浑天仪的故事，基本过程如下：提出浑天说——制造浑天仪——演示浑天仪进行预测——实际天象观测——比较观测和预测是否一致——检验浑天说的科学性。也就是说，当提出一种科学假说时，为了让人们了解和认可该假说，可以将文字性的假说变成看得见的形象化的模型，通过模型演示情况与实际情况的符合程度，来说明和检验假说科学性。这一思维过程如下：提出假说——建构模型——模型预测——实验观测——比较观测与预测——检验假说的正确性。张衡的这种科学方法，我们可以称之为“假说——模型”方法。
３ 假说——模型探究模式
将上述“假说——模型”方法运用到我们现在的物理探究教学中，就形成了“假说——模型探究模式”。
3．1 假说——模型探究模式的思维程序：问题——假说——模型——预测——实验——比较——结论。
3．2 对上述思维程序的有关说明：①问题：提出要研究问题。②假说：针对研究问题，根据日常经验或类比等方法，提出假说。③模型：将文字化的假说变成实物或图像化的模型。④预测：运用模型进行演示或推演，预测实际可能发生的现象。⑤实验：进行实际实验，观察和记录实验情况。⑥比较：比较“实验”现象和“预测”是否一致。⑦结论：通过比较，检验假说的正确性，得出结论、总结规律。
４ 假说——模型探究模式应用案例
下面通过两个案例，体会这种模式的运用：
4．1 案例一：探究“光的反射定律”。①问题：引导学生提出问题：光在反射中遵循什么规律？也即反射光线、入射光线有什么位置上的关系？②假说：引导学生分组讨论，形成反射光线、入射光线位置关系的各种假说。③模型：引导学生根据上述文字性假说，运用橡皮泥、电线等器材建构出各自的实物模型。④预测：根据各自的实物模型，让每一组学生预测不同入射角情况下，反射光线的走向。⑤实验：各组进行分组实验，并记录不同入射角情况下的反射光线走向及反射角的度数。⑥比较：比较运用模型预测的情况和通过实验看到和测量的情况。⑦结论：通过比较，选择正确的模型，同时得出光的反射定律：反射光线、入射光线、法线在同一平面内，反射光线、入射光线分居法线两侧，反射角等于入射角。
4．2 案例二：探究“欧姆定律”。①问题：引导学生提出问题：电路中的电流与电压、电阻有何关系？②假说：通过设计灯泡亮暗实验，引导学生讨论，形成假说：电流可能与导体两端的电压成正比、与导体电阻成反比。③模型：根据上述假说，引导学生建立数学模型：I=UR。④预测：根据上述数学模型，预测不同电压、不同电阻情况下的电流值。⑤实验：设计并进行实验，实际测量不同电压、不同电阻情况下的电流值。⑥比较：将实验值和预测值进行对照。⑦结论：通过对照，发现实验值和预测值吻合，从而证明了数学模型的正确，也证明了假说的正确，由此得出欧姆定律。
5 问题讨论
通过上述案例我们可以看出，从现代思维科学以及科学哲学角度来看，假说——模型探究模式有如下特色：
5．1 该模式的基本过程是：由实际问题形成假说、再由假说变成模型、再运用模型得到推论预测，最后再通过实际实验检验预测。实际——假说——模型——推论——实际。环环相扣，完成一个封闭的思维循环和问题解决过程。
5．2 从假说变成模型的过程，是一个把问题由文字形式变成图像、公式或实物形式的过程，这是一个等价变换的过程，也是一个将抽象概念变成具体形象的思维过程。体现了创造学技法“等价信息变换法”和“抽象——具体”思维方法的有机结合。
5．3 牛顿（Isaac Newton，1642～1727）著名的科学研究方法“假说——演绎法”的基本思维过程是：实验事实——概括归纳——提出假说——理论推断——实验检验推断。而张衡的“假说——模型法”不仅涵盖了牛顿方法的主要内容，而且增加了从假说变成模型的思维过程，从而使思维过程更加丰富。
5．4 探究的一般过程，首先是针对问题提出假说，然后通过实验检验假说。在这种探究模式中，把对假说的检验，先转换成对模型的检验，再转换成对预测现象的检验。经历了三个问题之间的两次问题转换，体现了精致证伪主义科学哲学家拉卡托斯（Imre Lakatos，1922～1974）科学研究纲领“问题转换”的科学认识论过程。
5．5 从问题到提出假说，这是一个非逻辑思维的过程；而从假说到模型再到预测现象，这是基本是逻辑推理的过程；从预测现象到实验现象比较，这又是一个非逻辑的过程。因此，整个探究过程是一个非逻辑——逻辑——非逻辑的过程，体现了爱因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）的“探索性演绎法”。
由此可见，早在一千九百年以前，张衡的科学思想和方法就已经是非常丰富多彩的了。我们由此借鉴而形成的“假说——模型探究模式”，完全可以从多个思维角度培养学生各个方面的能力，从而为提高学生的科学素养起到十分积极的作用。
参考文献
1 中共中央宣传部宣传教育局.教育部基础教育司.科技部政策法
规与体制改革司组织编写.中国古代100位科学家故事.北京：人
民教育出版社、学习出版社联合出版发行，2006
2 查有梁.教育模式.北京：教育科学出版社，1999
3 张之沧.科学哲学导论.北京：人们出版社，2004