邏輯分析方法在科學課程教學設計中的應用

●陳 剛

邏輯分析方法在科學課程教學設計中的應用

●陳 剛

科學課程的概念和規律都是通過運用特定邏輯方法獲得的，邏輯分析方法可以揭示建立科學課程概念和規律所需的必要信息，從而能夠為教師合理地安排教學結構、選擇教學方法和教學實例提供一致性的標準，一定程度上避免科學課程教學設計的盲目性。

邏輯分析方法；科學課程；教學設計

現代教學設計理論認同學習存在不同的類型，不同類型的學習需要不同的內部過程和條件，教學只有匹配相應的學習過程，才能取得良好的效果；教學設計要求教師主動地依據學習和教學原理選擇教學材料、規劃教學事件，所以教學設計的核心工作是揭示與教學目標對應的、具體學習類型的內部過程及條件，這部分工作被稱為教學任務分析。

教學任務分析關注的重點是特定類型學習的內部過程及學習條件，“在教學前，預先對教學目標中規定、需要學生習得的能力或傾向的構成成分及層次關系、各層次學習需要的內部條件進行分析，目的是為學習順序的安排和教學條件的創設提供心理學依據”，[1]相關研究也提出一些用于教學任務分析的具體方法，如學習層級分析方法、信息加工分析方法等。不同學科學習的特點不同，因此需要不同任務分析方法。自然科學是研究自然界的物質形態、結構、性質和運動規律的科學，包含物理、化學、生物等基本學科，研究目的是把握自然界客觀對象之間存在的因果、本質的聯系。科學課程概念之間因果聯系的建立不是憑空的，而是通過運用特定邏輯方法實現的，因此，對科學課程概念和規律的學習可采用邏輯分析方法。

邏輯分析方法是指運用邏輯學的知識對科學課程概念和規律建立的過程進行分析，揭示其中邏輯層次的結構，以及各邏輯完成的必要前提，并給予清晰描述的方法。

一、科學課程教學設計中常用的邏輯分析方法

英國邏輯學家穆勒，提出了探索因果聯系的歸納方法—穆勒五法，在科學課程教學中主要常用如下的三種，而剩余法、求同求異法運用相對較少，在此不予贅述。

（一）求同法及結構

求同法是通過考察被研究現象出現的若干場合，確定在各個場合先行情況中是否只有另外一個情況是共同的，如果是，那么這個共同情況與被研究的現象之間有因果聯系。其結構如表1：

表1 求同法的邏輯結構

【案例】“列車出站時，由靜止開始運動，并且速度不斷增大，這是由于受到機車牽引力的作用。列車進站時，速度不斷減小，最后停下來，這是由于受到制動阻力的作用。射出的炮彈，運動速度的方向不斷發生變化，炮彈做曲線運動，這是由于炮彈受到重力的作用。總之，物體運動的速度的大小或方向發生變化時，都是由于受到了力的作用。物體運動狀態發生改變時，物體就有了加速度。所以說，力是使物體產生加速度的原因”。[2]

【案例分析】

1.本教學環節需要獲得的結論：力是物體產生加速度的原因。

2.獲得該結論的邏輯為求同法，結構如下：

表2 “力是物體產生加速度的原因”結論獲得的邏輯結構

科學課程中多數定義性概念，如物理中“力”、“液化”、“機械運動”、“彈性形變”， 化學中 “化合反應”、“懸濁液”等，生物中的“藻類、蕨類植物”、“真菌”、“生物體”等概念，均可通過運用求同法獲得的。

（二）差異法及結構

差異法是通過考察被研究的現象出現和不出現的兩個場合，確定在這兩個場合中是否只有另外一個情況不同，如果是，那么這個不同情況與被研究現象之間有因果聯系。其結構如表3：

表3 差異法的邏輯結構

【案例】生物課程中，在“光合作用吸收二氧化碳”教學時，安排如圖1所示兩個實驗[3]。

圖1 “光合作用需要吸收二氧化碳”實驗

【案例分析】

1.本教學環節需要獲得的結論是：光合作用需要吸收二氧化碳。

2.獲得該結論的邏輯為差異法，結構如下：

表4 “光合作用需要吸收二氧化碳”結論獲得的邏輯結構

如物理教學中 “二力平衡條件”、“曲線運動條件”，化學教學中“鐵生銹需要的條件”，“燃燒需要的條件”等規律均可使用差異法獲得。

（三）共變法及結構

共變法是通過考察被研究現象發生變化的若干場合中，確定是否只有一個情況發生相應變化，如果是，那么這個發生了相應變化的情況與被研究現象之間存在聯系。其結構如表5：

表5 共變法的邏輯結構

【案例】化學教學中，研究弱電解質電離程度的影響因素時，教學活動如下：

用0.01摩爾/升的醋酸溶液25毫升裝入燒杯，用測定溶液導電性裝置，做三次不同溫度時醋酸溶液導電性強弱的實驗。

【案例分析】

1.本教學環節需要獲得的結論是：溶液導電性與溶液溫度有關。

2.獲得該結論的邏輯為共變法，結構如下：

表6 “溶液導電性與溶液溫度有關”結論獲得的邏輯結構

化學學科中的“化學平衡的影響因素”，物理學科中 “蒸發快慢的影響因素”、“影響加速度的因素”“向心力大小的影響因素”等，生物學科中“探究植物的向光性、向水性”、“胃液消化蛋白質的條件”等規律均可采用共變法獲得。

二、邏輯分析方法在科學課程教學設計中的應用

（一）邏輯分析方法有助于教師確定教學結構

建立科學課程概念和規律使用的歸納法不同，其教學過程亦不同，因此教師應依據教學中具體使用的歸納法來安排相應的教學過程。以下以差異法的教學為例對此做出說明。

1.差異法的教學結構

依據差異法的邏輯結構，教師在教學中必然應包含如下教學環節：

第一、幫助學生從教學實例中識別出其中一個場合中存在被研究現象（結果），而另一個場合中結果不出現；

第二、幫助學生從教師提供的教學實例中，在結果出現的場合中識別出一個因素，而該因素在結果不出現的場合中也不存在；

第三、幫助學生形成結論。

2.教學案例及評析

【教學案例】

（1）教學內容：光合作用需要吸收二氧化碳

（2）教學結論獲得的邏輯過程：教學結論是通過差異法獲得的，邏輯過程見表4。

（3）教學過程

教學方式一

①師：這節課，我們需要研究的是植物進行光合作用需要的條件。下面請同學首先回答，我們如何來判斷綠色植物進行光合作用？

生：植物進行光合作用會生成淀粉，而淀粉遇到碘液會變成蘭色。可以用此方法來判斷。

②師：為了學習本節課知識，老師作了一些準備，教室外窗臺上的兩套實驗裝置，老師已經放置了一段時間，現在我們將它們取回，看看可以分析得出什么結論？

教師呈現實驗裝置

③師：兩個鐘罩中是大小差異不大的天竺葵，這兩盆天竺葵在黑暗處放置了一晝夜，然后今天在陽光下放置了2～3個小時。

接下來我們來研究一下，這兩盆天竺葵是否都進行光合作用？

教師清晰陳述實驗步驟，并完成實驗。

④師：為了檢驗兩盆植物在這樣條件下是否進行光合作用，老師從兩盆植物中各剪下一片葉子，將葉子分別放入兩個培養皿中，并在上面滴上幾滴碘液，請同學仔細觀察，現象有何不同？

生：罩在鐘罩A中的葉片，遇到碘液沒有變藍；罩在鐘罩B中的葉片，遇到碘液變藍；

⑤師：這一現象說明什么？

生：鐘罩A中的天竹葵沒有進行光合作用；而鐘罩B中的天竹葵進行了光合作用。

⑥師：那么為什么鐘罩A中的天竹葵沒有進行光合作用，而鐘罩B中的天竹葵進行光合作用呢？換句話說，植物進行光合作用，需要什么樣條件？

請同學們仔細閱讀課本內容，分析在實驗中有什么條件相同？有哪些條件不同？

學生閱讀，討論

⑦師：請一位同學回答一下，兩次實驗中有何不同？

生：鐘罩A中放置了一杯氫氧化鈉，在鐘罩B中放置了一杯清水。

⑧師：這樣放置對兩組實驗裝置產生何種不同影響？

生：氫氧化鈉可以與空氣中的二氧化碳反應，而清水在正常狀態下不與二氧化碳反應。所以在兩組實驗裝置中，有一個條件不同，即在鐘罩A中二氧化碳比鐘罩B中少。

⑨師：同學們分析的很好，依據上述分析，同學們認為，植物進行光合作用需要何種條件？

生：需要吸收二氧化碳。

【教學案例分析】

教學中，

步驟①：引導學生分析獲得：判斷植物進行光合作用的方法。為學生分析出差異的結果做必要準備。

教師引導學生分析并獲得條件中的變化情況

步驟②～③：教師陳述實驗步驟，以及兩組實驗中不變條件。

步驟⑥～⑧：教師引導學生分析兩組實驗中的差異條件，由學生自己觀察分析得出差異條件；

教師引導學生分析并獲得結果的變化情況

步驟④～⑤：引導學生分析結果的情況，由學生自己分析出結果的不同；

在這些正確運用差異法的條件學生分析獲得以后，教師引導學生得出結論

步驟⑨：在學生分析獲得差異結果、差異條件及不變條件的情況下，教師引導學生自己完成推理獲得結論。

以上教學中，教師的教學過程遵循了差異法的邏輯結構，結論獲得的前因后果交代的清楚，體現為教學層次分明，有助于學生習得這一規律。

（二）邏輯分析方法有助于教師選擇有效信息在師生間的傳遞方式

教師運用邏輯分析方法，可以揭示學生習得特定結論所必須識別的信息（即有效信息）以及學生加工信息的機制。有效信息在師生間傳遞方式的不同，體現出不同教學方法的要求。

同（一）中教學內容，可采用另外一種教學方式，如下：

教學方式二：

①師：這節課，我們需要研究的是植物進行光合作用需要的條件。由于植物進行光合作用會生成淀粉，而淀粉遇到碘液會變成蘭色，因此可以用此方法來判斷植物是否進行光合作用。

②師：為了學習本節課知識，老師作了一些準備，將兩盆差異不大的天竺葵在黑暗處放置了一晝夜，然后分別扣在鐘罩中，在鐘罩A中放置一杯氫氧化鈉，在鐘罩B中放置一杯清水，密封后放置在陽光下幾個小時，現在我們來研究這兩株天竺葵是否進行兩光合作用；

教師呈現實驗裝置，并從兩盆植物中各剪下一片葉子，將葉子分別放入兩個培養皿中，并在上面滴上幾滴碘液。

③師：老師在兩片葉子上分別滴上幾滴碘液，發現罩在鐘罩A中的葉片，遇到碘液沒有變藍；罩在鐘罩B中的葉片，遇到碘液變藍；

這一現象說明：鐘罩A中的天竹葵沒有進行光合作用；而鐘罩B中的天竹葵進行了光合作用。

④師：那么為什么鐘罩A中的天竹葵沒有進行光合作用？前面提到，在鐘罩A中放置了一杯氫氧化鈉，而我們知道氫氧化鈉可以與空氣中的二氧化碳反應，清水是不會與二氧化碳反應，這樣在兩組實驗裝置中，有一個條件不同，即在鐘罩A中二氧化碳比鐘罩B中少。

⑤師：罩A中二氧化碳少，罩B中二氧化碳多，罩A中的天竺葵沒有進行光合作用，罩B中的天竺葵進行了光合作用，所以我們可以得出：植物進行光合作用需要吸收二氧化碳。

教學方式二中，教師自己分析兩次實驗中差異的結果，分析兩次實驗中相同的條件、差異的條件，并最終獲得結論。顯然教師的教學也遵循差異法的邏輯結構；

1．兩種教學方式中，教學過程有相同的方面：

教學活動的過程都遵循了差異法的邏輯過程，這樣就體現出教學的邏輯性。

也就是說，教學的邏輯性來自教師教學行為符合所要學習結論獲得的邏輯結構和過程。邏輯性強，教師對結論獲得的前因后果交代的清楚，學生都可以合理地得出相應的結論，如果教學中教師沒有遵循獲得結論的邏輯過程，學生就不能合理地得出結論，因而就可能會對結論進行機械記憶，這樣的教學往往就是“注入式”的教學。

2.兩種教學方式中，教學過程有不同的方面，即教學中有效信息在師生中傳遞方式不同。

方式一中，有效信息是學生在教師引導下，由學生自己從實驗情景中識別出，并在教師引導下對有效信息進行加工習得新的結論，也就是說，有效信息在師生間是雙向的傳遞，這種教學方式符合“啟發式教學”——教師引導學生積極開展思維活動，學生主動獲得知識的這一要求，因而體現出一定的“啟發性”。

方式二中，有效信息是教師單向地、以符合加工機制的方式傳遞給學生，體現出精煉高效的傳授式教學要求。和方式一相比，盡管學生最后結論獲得方面差異不大，但學生少了對“研究現象”相關因素的辨別和分析過程，因此，學習過程經歷的不甚完整，學習相對較為被動，建議只在課時比較緊張時采用。

因此，運用邏輯方法確定學生習得結論所必需的有效信息后，教師可以通過選擇信息在師生間傳送的不同方式，從而體現出不同教學方法的特征和要求。合理規劃教學事件是教學有效性的基本保證，傳統教學理論對此方面工作一般是提出一些原則性的要求，但因為缺乏一致性的判斷標準，因而教師在實際運用時往往憑借個人的感覺和積累教學素材的多寡來完成，表現出一定的盲目性。邏輯分析方法可以揭示習得特定概念和規律所需的必要信息及結構，因而能夠幫助教師有明確依據地規劃教學結構、選擇教學方法，從而提高教學設計的有效性。

[1]皮連生.智育心理學[M].北京：人民教育出版社，2009：307.

[2]吳孟明主編.高級中學課本 物理 一年級[M].上海：上海教育出版社，1996：118.

[3]袁運開主編.科學 初中二年級上[M].上海：華東師范大學出版社，2002：159.

（責任編輯：劉君玲）

陳 剛/華東師范大學物理系副教授、博士，主要從事科學課程學習心理及教學理論研究