中學物理常用到的論證方法探析

鄒艷梅

【關鍵詞】 ?物理 論證 邏輯 歸納 演繹

【中圖分類號】 ?G633.7 ? ? ? ? ? ? 【文獻標識碼】 ?A ? 【文章編號】 ?1992-7711（2019）23-080-02

在2017年版普通高中物理課程標準中物理核心素養主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態度與責任”四個方面構成，其中的“科學思維”又包含“模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新”四項主要成分。“科學論證”首次被寫入課標中，可見“論證”作為科學學習和研究中邏輯思維能力和批判性思維的重要體現，其研究和培養已得到廣泛關注。那么，在物理學習中通常涉及到哪些論證方法呢？本文將從邏輯學角度梳理出一些在高中物理中應用較多的論證方法，結合物理實例進行闡述，以期拋磚引玉引起同行對物理論證方法的識別，并有意識引導學生在物理學習中實踐這些方法，以幫助學生提高物理論證能力。

1.論證方法在建構物理知識上的應用

論證是用某些理由去支持或反駁某個觀點的過程或語言形式，論證要使用推理，論據相當于推理的前提，論點相當于推理的結論，從論據導出論點的過程相當于推理的形式，即本文中的“論證方法”，物理科學是人類對自然界中存在的物質的基本結構、相互作用和運動規律的認識，這些知識來源于觀察和實驗，科學家在形成知識的過程中涉及到諸多論證方法，教材在呈現知識的時候也基本遵照它們被形成時的本來路徑給予了還原。

1.1類比論證

根據兩個或兩類事物在一系列屬性上的相似，從而推出它們在另一個或另一些屬性上也相似的推理。在物理中利用類比法對知識進行闡述和論證的典型例子很多，比如用引力場類比電場，這個類比出現在電勢能部分，其屬性的相似源于電場力和引力均為保守力，基于此可以組成一個類比鏈條，電荷及其守恒類比質量及其守恒;庫侖定律類比萬有引力定律;電場強度類比引力場強度;電場力做功與電勢能的關系類比引力做功和重力勢能變化的關系;帶電粒子在勻強電場中的運動類比平拋運動等。通過類比介紹新知識能夠在復習舊知識的同時幫助學生更好地理解新知識，通過歸納、比較、尋找知識間的內在聯系，也能夠提升學生對知識的遷移和創新能力。

1.2比喻論證（又叫喻證法）

用比喻者之理去論證被比喻者之理，理相同、類相異，類相異才能做比喻，理相同才能進行推理，才能起到論證的作用。比如，用水流比喻電流時水泵是產生水壓的裝置，就像電源是產生電壓的裝置一樣;再比如用水桶裝水比喻電容器儲存電荷，水桶的底面積比喻電容，水深則和電壓同理，若相同的水深對應的水量越多說明底面積越大、越粗，就好比相同的電壓電荷量越多則表示電容越大。又比如用跳臺階比喻光電效應，只有動能大于兩臺階之間人的重力勢能差值才能躍上上一級臺階一樣，只有光子能量大于逸出功才可能發生光電效應。比喻論證能夠使抽象的問題具體化、陌生的問題熟悉化，如果比喻恰當，論證時能起到事半功倍的說服效果。

1.3科學歸納法

歸納推理是指從一般性原理到個別性論斷，或者是從一般性原理到另一個一般性原理的推理，歸納時所選擇的樣本數量決定了歸納結論與真理的距離，但許多時候我們不可能也沒有必要在窮盡全部的可能之后才給出結論，我們需要跳出純觀察取樣的藩籬，結合實驗和思考，找到共性和規律，大膽給出結論，這就是“科學歸納法”的特點。歸納能夠產生新的知識，這一點區別于演繹。物理學中的許多結論都來源于科學歸納法，從自然科學之父伽利略開創“實驗加推理”的“理想實驗”以來，科學家們都開始拋棄亞里士多德機械唯物主義進入到實驗室開始做實驗，啟動演算、推理，發現規律，尋找共性，得出結論。比如自然界中的電荷有兩種，一種是正電荷，由絲綢摩擦過的玻璃棒所帶，另一種是負電荷，由毛皮摩擦過的橡膠棒所帶。要窮盡一切帶電體所帶的電荷性質之后再下結論是不經濟也不現實的，人們研究了一些帶電體之后，發現凡是和絲綢摩擦過的玻璃棒相互吸引的就會和毛皮摩擦過的橡膠棒相互排斥，反之亦然，結合天地、陰陽、對稱、中和等等線索，給出結論：自然界僅存在兩種電荷，一正一負。

1.4排除歸納法

排除歸納法中的剩余法在物理中應用比較典型，如果已知某一復雜現象是另一復雜現象的原因，同時又知前一現象中的某一部分是后一現象中某一部分的原因，那么，前一現象的其余部分與后一現象的其余部分有因果聯系。比如海王星的發現，天王星被發現之后，科學家依據萬有引力理論計算的數據和觀測數據不一致，1845年年輕學者勒維烈（Leverier）預測，在天王星周圍的某個地方存在一個干擾它運動的行星，并于1846年完成了他的計算，之后委托柏林的迦勒（Galle）開始尋找，在不到一個小時的時間里就找到了一個物體，即“海王星”，這是應用剩余法成功的典型例子。再比如居里夫人發現鐳，已知純鈾的射線強度，一定量的瀝青所含的純鈾量已知，但該瀝青釋放的射線卻高于理論值，說明其中一定有其他釋放射線的物質，經提煉，發現了鐳，并因此獲得諾貝爾化學獎。還比如中子的發現，盧瑟福發現質子之后意識到原子核中若只有質子的話其質量僅為實際質量的一半左右，所以其中一定有一種不帶電但有質量的東西，盧瑟福的學生查德威克基于老師的預測發現了中子，并由此獲得了諾貝爾物理學獎。

1.5演繹法

演繹推理是指從一般性原理到個別性論斷，或者是從一般性原理到另一個一般性原理的推理。演繹推理被認為不能產生新的知識，但如果結合實驗和進行引申，能夠說明新的知識，還能夠借演繹呈現知識間的聯系，也能在清晰推理鏈條的時候提升學生的個人推理能力。物理中比較多新結論、新工具，都借用了演繹法實現從舊知識往新知識過渡。比如從牛頓第二定律和速度平方公式推出動能定理;從牛頓第三定律和動量定理推出系統動量守恒定律;由動能定理推出機械能守恒定律等。演繹過程中如果要形成新的理論，需要有新的支撐和標注前提，但如果只是解答問題就只需要確保前提準確，邏輯合理。

2.物理習題設置指向的論證方法

論證從大的方面來說分成兩類，演繹和歸納，要么就是證偽（反駁），而證偽需要我們明白謬誤的種類。不同的物理問題需要用到不同的論證方法，當然，許多時候要交叉使用。

2.1概念辨析對應的謬誤種類

概念辨析通常出現在選擇題中，四個選項有對有錯，錯誤總會有錯誤的方向，常見的有：歧義性謬誤、假設性謬誤和關聯性謬誤。歧義性謬誤又有多種表現形式，要么概念混淆、要么指代不明、要么把整體屬性無條件遷移至個體或者個體屬性無條件遷移至整體。比如，只要物體受力的同時又發生了位移，則一定有力對物體做了功;電場中電勢降低的方向就是電場方向;由于安培力是洛倫茲力的宏觀表現，所以洛倫茲力也可能做功等，都是出現了歧義性謬誤，這類謬誤的產生沒有注意結論成立的條件和語境，做了盲目遷移。假設性謬誤是指在論證或推理過程中暗中利用了某些不當的假定、預設，只有依賴它們才能得出錯誤的結論，比如，因為力是改變物體運動狀態的原因，摩托車轉彎時速度過大就會向外發生滑動，這是摩托車受沿轉彎半徑向外的離心力作用的結果。關聯性謬誤指從語言、心理上有關，但在邏輯上無關的前提出發推理，以至前提與結論的推出不相干。比如，線圈中的電流越大，自感系數也越大;線圈在磁場中轉動過程中穿過線圈的磁通量最大時產生的感應電動勢也最大等，都是出現了關聯性性謬誤，這類謬誤發生時論證者雖然知道相關知識，但因為籠統或片面以致不能辨別現象發生的實質原因。

雖然我們在帶領學生分析謬誤的時候多借用已有的正確理論去反駁，但教師自己心里要清楚某一種謬誤發生的原因。因為教師的職業特征是“傳道、授業、解惑”，學生之“惑”有時候源于未知，有時候源于謬誤。當學生做了錯誤論證時，我們要能從論證的角度識別出謬誤的種類，然后予以糾正，這里就涉及到論證的反駁，一個正確的論證必須保證兩點，首先前提為真，其次推理過程合乎邏輯、推理形式有效。當發現學生做了錯誤論證時，教師的反駁角度一般有兩個，一是從結論反駁，只需舉出一個反例即可，二是從正確理論出發進行一個有效的推理得出正確結論。比如，學生說“速度發生變化的運動一定是曲線運動?！苯處熆梢耘e例光滑水平面上的彈簧振子，也可以從運動分類出發，羅列出各種運動在速度和加速度上的特征，學生通過比對就能意識到自己錯誤的根源。

2.2計算題多用到演繹

中學階段需要學生解答的物理問題大多數可以由演繹來完成，教師主要傳授一些真理性的結論，比如公式、定理、定律和生活常識。這些就成為了諸多一般性原理，而問題則是具有個體性的情景，這時候，學生是否能迅速從儲備庫中提取出對應的一般性原理，應用正確有效的推理形式對問題作出論證，這基本上就決定了一個學生解決物理問題的能力高低。這種能力的高低又取決于學生對諸多一般性原理的熟悉程度，對問題情境的識別能力，以及在情境和原理之間搭建邏輯通道的能力，以上三種能力在教學目標中即“基礎知識、基本技能”，在核心素養中表現為“物理觀念、建模能力和推理論證能力?！?/p>

2.3實驗題涉及歸納，學習策略也涉及到歸納

在有一些問題的解答中需要先對問題進行分類，用演繹得到結論，之后再歸納最終結果。比如2019年全國一卷理綜物理部分的15題，我們可以先對P、Q兩個帶電體的帶電情形做分類，“正正”“負負”“正負”“負正”四種，帶入題設條件作出推理，歸納結果，吻合為真，沖突為假。較多創新性實驗要求學生領會實驗原理，對關鍵點作出推算，對實驗結論做陳述，也就是歸納實驗現象和數據給出結論。對于文科生，歸納能力比較多體現在學科本身上，而對于理科生，歸納能力則較多體現在學法上。一個部分學習完畢，學生要能對知識網路做整理歸納，找到知識間的聯系，鞏固對知識的理解;一個階段學習完畢，學生要能對自己前期的學習節奏、學習方法做出歸納，找到積極有效的做法，修正消極低效的做法，為后一階段的學習做出指導。

3.小結

即便新的課程標準不提“論證”，論證在中學物理各個環節的滲透也不容被忽視。無論是在學科知識介紹中，還是在輔導學生學習中，教師都需要對論證有比較清晰的認識，最好能比較嫻熟地使用各種論證方法來指導教學的各個環節，一方面提升教學效果，另一方面落實新課程標準精神。

本文系廣東省教育科學規劃項目“以論證教學培養內地新疆高中班預科學生論證能力的研究”（批準號：2016YQJK003）階段成果之一。

[ 參 ?考 ?文 ?獻 ]

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