史宏凱

作者簡介：史宏凱，東莞市教育局教研室教研員。東莞市高中物理學(xué)科帶頭人，“教書育人”優(yōu)秀教師，東莞市青少年科技教育協(xié)會常務(wù)理事，東莞市中學(xué)物理教學(xué)研究會副會長。

摘? ?要：結(jié)合物理學(xué)科核心素養(yǎng)“科學(xué)思維”維度中對科學(xué)推理能力的要求，解釋了科學(xué)推理能力的三個認知過程：歸納推理、演繹推理、證據(jù)推理。簡要說明了三種推理過程的作用機制，并以自由落體運動規(guī)律的過程性習(xí)得，分析了物理學(xué)科科學(xué)推理能力在高中物理教學(xué)中滲透的實施途徑。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;科學(xué)推理;物理教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）4-0001-2

普通高中物理課程標準（2017年版）提出物理課程旨在落實立德樹人根本任務(wù)，不斷提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)[1]。其中，科學(xué)推理作為科學(xué)思維的主要表征形式，越來越受到物理教學(xué)研究工作者的重視。目前高中物理教學(xué)過程中普遍缺少對學(xué)生物理科學(xué)推理能力的培養(yǎng)，強調(diào)物理概念與規(guī)律的直接性獲得，缺少問題的提出與過程性產(chǎn)出。

1? ? 科學(xué)推理能力的內(nèi)涵

物理學(xué)是基于觀察和實驗發(fā)現(xiàn)并提出問題，通過不斷地假設(shè)、檢驗和修正理論模型，運用符號、數(shù)字等工具進行科學(xué)推理和論證，形成的系統(tǒng)的思想觀念、知識體系和研究方法[2]。科學(xué)推理最早出現(xiàn)在皮亞杰的認知發(fā)展理論中，是學(xué)生利用原有認知通過科學(xué)推理生成新知識的過程[3]。傳統(tǒng)意義上科學(xué)推理包括歸納推理與演繹推理，其中歸納推理是指由個別性的物理判斷推出一般性的物理判斷的過程[4]，而演繹推理則是以普適的物理概念、規(guī)律等為基礎(chǔ)，總結(jié)一個具體的、特殊的結(jié)論。

Klahr與Dunbar提出的SDDS模型中，認為個體是通過對假設(shè)空間與實驗空間的雙重檢索來完成科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動的目的[2]，并提出科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三個認知過程，即先前知識、實驗結(jié)果和證據(jù)評估。物理學(xué)科核心素養(yǎng)“科學(xué)思維”維度中對科學(xué)推理能力的要求是：“能從定性和定量兩個方面進行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論，具有使用科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力”[1]。所以，物理學(xué)科科學(xué)推理的內(nèi)涵除了歸納推理和演繹推理，還應(yīng)該包括證據(jù)推理，即通過證據(jù)結(jié)果對其推理過程進行合理性檢驗的過程。

2? ? 科學(xué)推理能力的機制

科學(xué)推理的過程是問題解決的過程，是運用歸納推理和演繹推理檢驗猜想和假設(shè)或解決問題的思維過程，一般包括三個階段，如圖1。

第一個階段是提出問題，包括問題的發(fā)現(xiàn)和利用已有知識對問題進行假設(shè)猜想;

第二個階段是實驗推理，包括設(shè)計實驗方案、評估實驗結(jié)果等論證過程;

第三個階段是證據(jù)檢驗，通過比較實驗結(jié)果和假設(shè)作出推理判斷，修改或接受先前假設(shè)并修正實驗方案的過程。

實驗一方面為結(jié)論的正確性提供保障，另一方面也為猜想的判斷提供檢驗依據(jù)。科學(xué)推理中的推理規(guī)則是動態(tài)的，其會隨著新證據(jù)的出現(xiàn)或者猜想假設(shè)的修改而發(fā)生動態(tài)變化[2]。

3? ? 例析

接下來我們以自由落體運動規(guī)律的習(xí)得過程為例，簡要探討一下物理學(xué)科科學(xué)推理能力在高中物理教學(xué)中有效滲透的實施路徑，以及三種推理方式相互作用的內(nèi)部機制。本節(jié)內(nèi)容是在明確了自由落體運動概念（物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動）的前提下，以重錘從某一高度靜止下落（近似看成自由落體運動）為視角，逐步推理探究自由落體運動的物理規(guī)律。

3.1? ? 問題的提出

通過觀察重錘的自由下落，我們發(fā)現(xiàn)物體在下落過程中愈走愈快。那么，自由落體運動服從怎樣的物理規(guī)律呢？如何使用物理語言科學(xué)表述這一規(guī)律呢？

通過查閱相關(guān)資料，歷史上科學(xué)家主要有三種方式描述物體下落過程中的快慢。一種是物體下落的速度正比于其走過的距離;一種以物體運動的時間為標準，認為物體下落的速度正比于它運動的時間;第三種使用更加容易測定的物理量——時間間隔Δt和走過的距離Δs進行表示，認為自由落體運動的物體在連續(xù)相等時間間隔內(nèi)走過的距離正比于奇數(shù)序列，即Δs1：Δs2：Δs3……=1：3：5……

通過觀察與閱讀資料總結(jié)歸納，考慮到物理量測量的方便與誤差，提出問題與假設(shè)。利用連續(xù)相等時間間隔內(nèi)的距離比驗證自由落體運動的運動規(guī)律，并假設(shè)Δs1：Δs2：Δs3……=1：3：5……

3.2? ? 實驗推理與猜想檢驗

使用電火花打點計時器，記錄重錘的自由下落過程。選擇點跡清晰的紙帶作為研究對象，用刻度尺多次測量每兩點間的距離并記錄，每兩點間的時間間隔Δt=0.02 s，如圖2。

由表1粗略估算Δs1：Δs2：Δs3：Δs4：Δs5=1.02： 2.70 ： 4.94 ： 7.44 ： 8.84。

在誤差允許的范圍內(nèi)，近似地可以認為Δs1：Δs2：Δs3：Δs4：Δs5=1：3：5：7：9。

通過實驗證據(jù)驗證了用相等時間間隔內(nèi)物體下落的距離描述自由落體運動的可行性，并以實驗結(jié)果檢驗了問題與猜想。

3.3? ? 規(guī)律的數(shù)理演繹

通過歸納推理與證據(jù)推理得出結(jié)論：自由落體運動的物體在連續(xù)相等時間間隔內(nèi)走過的距離正比于奇數(shù)序列。接下來我們以這個結(jié)論為依據(jù)，使用數(shù)理演繹推理，推導(dǎo)自由落體運動的規(guī)律。

假設(shè)自由落體運動的物體，從0到t走過的距離為s（t），令每一相等時間間隔為T，則t=nT。

，即自由落體運動的物體下落的距離和時間的二次方成正比。

假設(shè)自由落體運動的物體t時間下落的距離為s（t），t+Δt時間下落的距離為s（t+Δt），t-（t+Δt）時間下落的距離為s（t+Δt）- s（t）

物體下落的平均速度

當Δt極為短暫，趨近于0時，平均速度可以看成該時刻物體下落的瞬時速度。

v（t）=2Ct∝t，即自由落體運動的物體下落的速度和時間成正比。

4? ? 結(jié)? 語

高中物理教學(xué)中我們往往把某項科學(xué)素養(yǎng)以專題的形式呈現(xiàn)，通過強化知識不斷加強學(xué)科能力培養(yǎng)，但是效果往往不夠明顯。物理學(xué)科科學(xué)推理等學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不能追求多快好省，我們應(yīng)該在物理教學(xué)過程中通過多角度、多手段的方式不斷滲透，在多維滲透中深化學(xué)科知識，提升學(xué)生的學(xué)科能力。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]王璐霞.物理學(xué)科科學(xué)推理能力的模型建構(gòu)及測量工具探討[D].上海：華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2018.

[3]肖展望，劉碧君.“基于問題的學(xué)習(xí)”的科學(xué)推理能力培養(yǎng)探討——以“動能和動能定理”的教學(xué)為例[J].物理之友，2017，33（10）：29-31，36.

[4]韓秀英.普通高中物理教學(xué)中學(xué)生科學(xué)推理能力培養(yǎng)的研究[D].濟南：山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2018.

（欄目編輯? ? 廖伯琴）