李寶銀

(海安市紫石中學(xué) 江蘇 南通 226600)

何為科學(xué)推理？目前學(xué)界的共識：科學(xué)推理是個體思維能力發(fā)展到一定程度之后具有的推理類型，個體進(jìn)行科學(xué)推理一般采用演繹推理和歸納推理，個體應(yīng)用科學(xué)推理進(jìn)行假設(shè)檢驗或問題解決.基于這樣的共識，筆者在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐，介紹科學(xué)推理的教學(xué).

1 注重科學(xué)推理教學(xué)的緣故

1.1 科學(xué)推理能力是物理的學(xué)科能力

文獻(xiàn)研究成果表明，科學(xué)推理是重要的學(xué)習(xí)理解能力，行為表現(xiàn)：在已有知識基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯推理，獲取新知識.科學(xué)推理又是重要的應(yīng)用實(shí)踐能力，行為表現(xiàn)：一是基于物理問題的描述與分析，依據(jù)已有知識，進(jìn)行合理推理，并得出結(jié)論；二是基于推論，結(jié)合具體物理問題情境，對事物或過程的發(fā)展做出合理的猜想與假設(shè)[1].《江蘇省義務(wù)教育學(xué)科核心素養(yǎng)·關(guān)鍵能力框架》(試行)中認(rèn)定，科學(xué)推理是學(xué)生在進(jìn)行物理知識學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)出來的能力，是初中物理的關(guān)鍵能力[2].

1.2 發(fā)展科學(xué)推理能力是物理的課程目標(biāo)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》界定的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，主要有“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面的內(nèi)容.“科學(xué)思維”涵蓋“模型建構(gòu)”“科學(xué)推理”“科學(xué)論證”和“質(zhì)疑創(chuàng)新”4個要素[3].對“科學(xué)推理”的要求是運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方面對相關(guān)問題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論.

《標(biāo)準(zhǔn)》對物理課程在高中的地位與作用的表述：高中物理是自然科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)課程，旨在落實(shí)“立德樹人”根本任務(wù)，進(jìn)一步提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)人類科學(xué)事業(yè)的傳承與社會的發(fā)展.

前面的闡述表明，高中物理和初中物理不是相互孤立的而是彼此銜接的，將要“出生”的“義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)”中注定有科學(xué)推理方面的教學(xué)要求，即發(fā)展科學(xué)推理能力也是初中物理的課程目標(biāo).

2 學(xué)生科學(xué)推理能力的特征

當(dāng)前學(xué)界主要采用LCTSR科學(xué)推理能力測試量表，從守恒推理、比例推理、控制變量推理、相關(guān)推理和假設(shè)演繹推理等維度對學(xué)生科學(xué)推理能力進(jìn)行測量.研究成果表明，當(dāng)前初中生科學(xué)推理的主要特征有以下幾個方面.

2.1 科學(xué)推理能力發(fā)展呈線性上升的階段

國內(nèi)外相關(guān)研究成果表明，個體生理發(fā)育對學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展具有顯著的影響[4].二年級到七年級學(xué)生的生理發(fā)育尚未達(dá)到科學(xué)推理相應(yīng)的認(rèn)知階段，此階段學(xué)生科學(xué)推理能力沒有顯著發(fā)展，不需要也不能對學(xué)生的科學(xué)推理提出過多過高的要求.七年級學(xué)生已經(jīng)漸漸具備科學(xué)推理發(fā)展所需要的生理基礎(chǔ)，學(xué)生的科學(xué)推理能力呈明顯上升趨勢，即初中階段應(yīng)該注意學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)，在物理課上必須有發(fā)展科學(xué)推理的教學(xué)目標(biāo).

2.2 科學(xué)推理能力高水平學(xué)生的比例很小

某地初三學(xué)生的測試成績統(tǒng)計：滿分24分的測試工具，測試的平均成績?yōu)?5.9分(得分率66%)，5～12分的學(xué)生數(shù)占17.8%，13～20分的學(xué)生數(shù)占69.6%，21～24分以上的學(xué)生數(shù)只有12.6%[5].

數(shù)據(jù)表明，初三學(xué)生的科學(xué)推理能力整體水平位于較高水平，大部分學(xué)生的科學(xué)推理能力位于中等水平，科學(xué)推理能力達(dá)到高水平的學(xué)生人數(shù)不多.不言而喻，初中學(xué)生在科學(xué)推理能力的發(fā)展方面尚有很大的空間，在概念、規(guī)律的教學(xué)中需要強(qiáng)化科學(xué)推理的訓(xùn)練.

2.3 科學(xué)推理能力不同維度的發(fā)展不平衡

科學(xué)推理能力中各個維度的發(fā)展不平衡，控制變量推理、相關(guān)推理、假設(shè)演繹推理的水平落后于科學(xué)推理的整體水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后守恒推理和比例推理的水平.究其原因，近十幾年來考試的壓力導(dǎo)致“先學(xué)后教”“導(dǎo)學(xué)案”等課堂教學(xué)改革的泛濫，很多教師無視這些改革的適用范圍，將其當(dāng)作制勝的法寶,在教學(xué)中盲目而大量地運(yùn)用.

例如，“導(dǎo)學(xué)案”引領(lǐng)的課堂，學(xué)生往往是根據(jù)“導(dǎo)學(xué)案”從教材中尋找概念和規(guī)律，然后通過反復(fù)的訓(xùn)練與強(qiáng)調(diào)達(dá)到掌握的目的.

守恒推理、比例推理具有相對穩(wěn)定的計算形式或推理范式，在這樣的反復(fù)訓(xùn)練和強(qiáng)調(diào)之中,即使學(xué)生生理發(fā)育尚未達(dá)到相應(yīng)的層次,其能力水平也會獲得順利的提升.

控制變量推理和相關(guān)推理能力是在建構(gòu)概念和探究規(guī)律的過程中生成的能力，這些教學(xué)行為省略了學(xué)生歸納概念、總結(jié)規(guī)律的思維過程，控制變量推理、相關(guān)推理因缺乏相關(guān)的體驗和感悟，沒有獲得應(yīng)有的發(fā)展，導(dǎo)致其水平層次不高.

2.4 控制變量推理能力的發(fā)展不完善

對此結(jié)合“2018年江蘇省基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測”兩道測試題及其相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行說明.

【第1題】在“探究敲擊銅管發(fā)聲的頻率與管子長度、直徑關(guān)系”的實(shí)驗中，小明選取管壁厚度相同，長度和直徑不同的3根銅管，將它們用細(xì)線懸掛，敲擊后，測出各自發(fā)出聲音的頻率，數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 3根銅管發(fā)出聲音的頻率

根據(jù)小明的實(shí)驗數(shù)據(jù)( )

A.只能得出頻率隨長度增加而減小的結(jié)論

B.只能得出頻率隨直徑增加而減小的結(jié)論

C.選項A和B的結(jié)論都能得出

D.選項A和B的結(jié)論都不能得出

【第2題】如圖1所示，柱形容器中裝有油和水兩種液體，P點(diǎn)位于油和水的分界面上，Q點(diǎn)位于容器底部.已知柱形容器中液體對容器底部的壓力等于容器中液體的總重.若將容器中的油和水均勻混合，且混合后的總體積保持不變.則混合后( )

圖1 題2情境圖

A.P點(diǎn)的壓強(qiáng)變小 B.P點(diǎn)的壓強(qiáng)變大

C.Q點(diǎn)的壓強(qiáng)變小 D.Q點(diǎn)的壓強(qiáng)變大

兩道題的相同點(diǎn)，推理情境都是基于多因素變量，采用的都是控制變量推理，推理情境中涉及到變量的數(shù)目相同.第1題涉及到頻率、長度和直徑3個變量.第2題的難點(diǎn)是判斷P點(diǎn)壓強(qiáng)的變化情況，由于初中物理中沒有涉及到液體壓強(qiáng)公式，對P點(diǎn)壓強(qiáng)變化情況，實(shí)際是控制深度不變，判斷壓強(qiáng)隨密度的變化情況，涉及壓強(qiáng)、深度和液體密度3個變量.

兩道題的相異點(diǎn)，主要反映在推理情境的設(shè)置上，呈現(xiàn)出不同的推理思路，第1題是通過表格和文字點(diǎn)明，需要控制的變量顯而易見，這種思路是學(xué)生較為熟悉的控制變量推理.第2題是針對實(shí)際問題通過觀察思考，判斷容器中液體密度和P點(diǎn)深度的變化情況，變量之間的關(guān)系較為隱藏，推理情境較為復(fù)雜，具有實(shí)際物理問題的特征.

對兩道題進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全省范圍內(nèi)依據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理從被測對象的總體基數(shù)中分層隨機(jī)抽出47 000多名學(xué)生，測試于進(jìn)入初三當(dāng)年的10月份進(jìn)行，測試結(jié)果如表2所示.

表2 測試結(jié)果

兩道題的區(qū)分度較高，實(shí)際測試的難度都低于命題組預(yù)設(shè)的難度，尤其是第2 題兩個難度有著顯著性的差異.相對簡單的推理情境，大部分學(xué)生能較好地運(yùn)用控制變量推理解決問題；相對復(fù)雜的推理情境，很多學(xué)生就不能很好地運(yùn)用控制變量推理解決問題.

可見，通過初二的學(xué)習(xí)，學(xué)生控制變量推理的水平?jīng)]有達(dá)到課程目標(biāo)的要求，推理思維的深度、廣度還不夠，控制變量推理能力的發(fā)展不完善.

3 發(fā)展科學(xué)推理能力的思路

根據(jù)初中學(xué)生科學(xué)推理能力的特征，科學(xué)推理教學(xué)的重心應(yīng)該落實(shí)在假設(shè)演繹推理、控制變量推理和相關(guān)推理3個維度上.對控制變量不僅要運(yùn)用其歸納概念、總結(jié)規(guī)律，而且要運(yùn)用其分析實(shí)際問題，并依據(jù)物理知識或經(jīng)驗推理其結(jié)論.為此，教學(xué)過程中應(yīng)該注意下列幾點(diǎn).

3.1 精選教學(xué)策略

精選體現(xiàn)在根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目的選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和思路.

例如，筆者對教材中重點(diǎn)的探究，采用“探究在前，教材在后”的教學(xué)思路[6]：探究在前的核心就是探究活動提前到學(xué)生閱讀教材之前，精心創(chuàng)設(shè)有利于探究學(xué)習(xí)的情境，把握時機(jī)進(jìn)行適度、適時的引導(dǎo)、點(diǎn)撥，讓學(xué)生在沒有教材的前提下，開展探究性學(xué)習(xí)；教材在后的內(nèi)涵就是閱讀教材延遲到探究活動結(jié)束之后，運(yùn)用適當(dāng)?shù)膯栴}帶領(lǐng)學(xué)生，結(jié)合教材對知識進(jìn)行梳理、內(nèi)化，完善其知識結(jié)構(gòu).

沒有教材的暗示和引領(lǐng)后，學(xué)生只有針對情境進(jìn)行推測才能提出合理的猜想與假設(shè)；只有基于實(shí)驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)才可能推理出可靠的實(shí)驗結(jié)論；才有機(jī)會基于探究方案預(yù)測可能的實(shí)驗現(xiàn)象或數(shù)據(jù)；……顯然，“探究在前、教材在后”的思路，有益于控制變量、假設(shè)演繹和相關(guān)等維度的科學(xué)推理能力發(fā)展.

3.2 重視因果推理

概念、規(guī)律教學(xué)時，教師把握學(xué)生的特點(diǎn)，多些追問的細(xì)節(jié)，抓住學(xué)生的思維點(diǎn)，從表面深入到本質(zhì)，從具體上升到抽象，幫助學(xué)生在物理事實(shí)和結(jié)論之間架橋.

例如，因教材的暗示，針對圖2所示的實(shí)驗，學(xué)生一般都能回答液化時氣體會放熱，然而很多學(xué)生往往不知道“放熱”的結(jié)論從何而來.這時教師不妨問，你們是根據(jù)什么現(xiàn)象總結(jié)“氣體液化要放熱”的？引發(fā)學(xué)生道出“瓶口附近沒有出現(xiàn)白氣，只有瓶口上方靠近溫度較低的金屬盤的地方才出現(xiàn)白氣”.

圖2 氣體液化實(shí)驗

再如，在探究平面鏡成像的規(guī)律時，學(xué)生根據(jù)玻璃板后面的蠟燭和玻璃板前面蠟燭的像重合，容易回答結(jié)論“像和物體大小相等”.事實(shí)上，學(xué)生往往沒有顧及到為什么？這時教師就需要適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)，讓學(xué)生知道玻璃板后面的蠟燭和前面蠟燭的像重合，表明蠟燭的像和后面的蠟燭大小相等，再考慮到前后兩個蠟燭相同，推理出“平面鏡所成的像和物體大小相等”.

因果推理使學(xué)生理清了物理現(xiàn)象與物理結(jié)論的關(guān)聯(lián)，真正達(dá)到了知其然，也知其所以然，如果經(jīng)常這樣教學(xué)，學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行推理的能力肯定會有長足的發(fā)展.

3.3 用活控制變量

不容置疑初中物理對“控制變量”的教學(xué)非常重視，然而某些不當(dāng)?shù)慕虒W(xué)行為導(dǎo)致很多學(xué)生沒有理解和掌握控制變量推理的內(nèi)涵，而在僵硬地運(yùn)用控制變量.

例如，針對如圖3所示的情境，學(xué)生往往認(rèn)為因深度不相同，而不能得出“深度相同時，液體的密度越大，壓強(qiáng)越大”的結(jié)論.事實(shí)上，如果已經(jīng)有“液體壓強(qiáng)隨深度增加而增大”的結(jié)論，由圖示情境可以得出結(jié)論——深度相同時，液體的密度越大，壓強(qiáng)越大.因為，如圖所示的情境，壓強(qiáng)計在鹽水中的深度小于在酒精中的深度，而鹽水產(chǎn)生的壓強(qiáng)已經(jīng)大于酒精產(chǎn)生的壓強(qiáng)，假設(shè)壓強(qiáng)計在鹽水中的深度和酒精中深度相同，則鹽水產(chǎn)生的壓強(qiáng)會更大.

圖3 探究液體壓強(qiáng)與深度關(guān)系

探究教學(xué)中，教師要注意運(yùn)用這類拓展性的情境來訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)推理，使其真正把握控制變量的精髓，同時發(fā)展假設(shè)演繹推理的能力.

目前初中物理教學(xué)中使用的訓(xùn)練材料以習(xí)題為主，已經(jīng)把實(shí)際問題的一些次要細(xì)節(jié)、非本質(zhì)的聯(lián)系舍去，沒有物理現(xiàn)象或事實(shí)作為背景，甚至完全脫離于物理現(xiàn)象，習(xí)題訓(xùn)練起來的科學(xué)推理能力，往往不容易遷移到實(shí)際問題之中.

例如，如圖4所示，將等體積的熱湯，分別倒在一個陶瓷湯盆和一個單層的不銹鋼碗里，將它們放在室內(nèi)同一處.你認(rèn)為是盆還是碗里的湯會涼得快些？請說明你的理由.

圖4 判斷熱湯變涼快慢

這道題最初出現(xiàn)在江蘇省基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測試卷中，當(dāng)年只有0.8%的學(xué)生根據(jù)蒸發(fā)、熱傳導(dǎo)的知識，運(yùn)用控制變量進(jìn)行推理，給出“無法判斷”的結(jié)論，且理由基本合理；68.3%的學(xué)生根據(jù)蒸發(fā)(或熱傳導(dǎo))的知識，給出“盆(或碗)里的湯會涼得快些”的結(jié)論.近年，兩次將其放在招聘教師的試卷中，能從蒸發(fā)、熱傳導(dǎo)兩方面考慮的教師都不到10%.

顯然，物理教學(xué)過程中，注意運(yùn)用這樣的實(shí)際物理問題來訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用控制變量推理的能力也就顯得十分重要.

3.4 指點(diǎn)方法技巧

毫無疑問，科學(xué)推理不是盲目的瞎想，而是有章可循的，這里“章”就是方法和技巧.前面針對圖3所示情境的討論，是假設(shè)深度相同基礎(chǔ)上的科學(xué)推理，如果離開“假設(shè)”學(xué)生很難將其表述明白，這里“假設(shè)”就是科學(xué)推理的技巧.

根據(jù)多個變量總結(jié)規(guī)律時，如果根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)證明某個變量對結(jié)論沒有影響，后續(xù)的討論就不在此變量上糾纏，這也是科學(xué)推理的技巧.

例如，探究影響浮力大小的因素時，從實(shí)驗現(xiàn)象中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)浮力大小與物體浸入的深度無關(guān)，總結(jié)浮力與密度的關(guān)系時，不需要考慮物體所在的深度.實(shí)驗結(jié)論應(yīng)該表述“排開液體的體積相同時，液體的密度越大，所受的浮力越大”，若在結(jié)論中出現(xiàn)“深度相同”的內(nèi)容就是畫蛇添足.

由實(shí)驗數(shù)據(jù)總結(jié)規(guī)律時，什么時候需要畫坐標(biāo)圖像？探究滑動摩擦力和壓力的關(guān)系時，畫出的坐標(biāo)圖像是過原點(diǎn)的直線，表明滑動摩擦力與壓力間有什么關(guān)系？……這些推理用到的“方法”對教師而言簡單又簡單，對學(xué)生而言難上加難，離開教師的適時、適當(dāng)指點(diǎn)，學(xué)生很難意識到.

最后的提醒，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力應(yīng)循序漸進(jìn)，要求不能太高，速度不能過快，注重習(xí)得與養(yǎng)成，不拔苗助長，學(xué)生能做到的當(dāng)然由他們來.