問題鏈引導下的推理能力的培養(yǎng)

摘?要：推理能力是批判性思維技能的一種能力.根據(jù)德爾菲報告，推理能力包含三種子技能：尋求證據(jù)、考慮多種可能性、概括結論.以機械能守恒定律的過程性習得為例，分析了通過問題鏈引導學生在高中物理學習中展開批判性思維、培養(yǎng)推理能力的實施策略.

關鍵詞：批判性思維;推理能力;問題鏈;歸納

文章編號：1008-4134（2020）07-0032中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

基金項目：上海市第四期“雙名工程”攻關計劃關偉物理基地市級課題“‘德爾菲批判性思維模型在中學物理教學中的實踐研究”.

作者簡介：丁麗娟（1981-），女，浙江湖州人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理教學實踐研究.

1?研究背景

1.1?推理能力是批判性思維的重要技能之一

“批判性思維”是近年來的一個全球教育熱點.美國全球教育協(xié)會所倡導的4C核心技能中就包含了批判性思維（Critical?Thinking），芬蘭《課程大綱》中也特別關注培養(yǎng)學生的批判性思維能力，并將它融入到各學科課程的培養(yǎng)目標中.

1987年至1989年，在圣克拉克大學人文和藝術學院彼得瘙 簚

范西昂（Peter?A.?Facione）教授的領導下，由46個專家組成委員會運用德爾菲法對批判性思維開展研究.該委員會于1990年發(fā)布了批判性思維專家共識（Delphi）報告，這份報告至今仍是批判性思維研究領域的一份重要文件.Delphi報告指出：“批判性思維是有目的的、自律性的判斷，通過這種判斷，得到針對它所依據(jù)的那些證據(jù)性、觀念性、方法性、標準性或情境性思考的闡釋、分析、評估、解釋……”專家們將批判性思維分為6種技能和19種傾向（包含了一般生活問題的12種傾向和面對具體專業(yè)問題時的7種傾向）.

我們常常把“質疑”和“批判”聯(lián)系在一起，甚至劃上等號，但其實批判性思維包含著更豐富的內涵.有目的的、自律性的判斷，不僅需要“大膽質疑”，更需要“謹慎斷言”.需要對研究的問題進行闡釋、分析、評估，運用新的方法來進行推理，最終形成自己的判斷和結論.因此，批判性思維不僅僅是質疑.正如杜威所說，如果對一個觀念沒有細致、深入、全面的合理思考和探究，就不要下判斷.說“不”并不難，難的是說得有道理.因此，批判性的思考必然包含了科學、合理的推理（見表1）.

1.2?推理能力是我國高中物理核心素養(yǎng)的重要組成部分

我國普通高中物理課程標準（2017?年版）中沒有顯性提及“批判性思維”，而是提出物理課程需要培養(yǎng)“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個方面的核心素養(yǎng).雖然表述不同，但深究其內涵，發(fā)現(xiàn)還是有共同內核的.“科學思維”包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新.可見，我國高中物理教學也把科學推理作為學生必備的一種能力來培養(yǎng).

但是，目前高中物理教學過程中普遍缺少對學生物理科學推理能力的培養(yǎng)，強調物理概念與規(guī)律的直接性獲得，缺少問題的提出與過程性產(chǎn)出[1].而物理概念和規(guī)律的得出過程，恰恰是運用推理能力的過程，也是培養(yǎng)推理能力的重要過程.

2?概念界定

關于科學推理，不同專家從不同的角度給出了多種解釋和定義.

皮亞杰在其認知發(fā)展理論中首次提出了科學推理（Scientific?Reasoning）的概念.他認為科學推理能力是兒童或成人的認知水平發(fā)展到形式運算階段之后具有的推理類型.Lederman將科學推理分為歸納思維和演繹推理，這一分類也是目前普遍被大家接受的.Stuessy認為科學推理是在科學探究過程中觀察事物之間關系、做出假設、驗證假設、預測結果、邏輯推斷、證據(jù)評估，最終證明特定結論合理所需要的內在邏輯思維形式.這一解釋中的推理類似于伽利略的科學研究方法.Klahr和?Dunbar則把科學推理視為問題解決.

在我國，廖伯琴老師認為，科學推理是科學思維的重要體現(xiàn)，不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類比推理，而且包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式，還包括控制變量、組合推理、概率推理、相關推理、因果推理等推理形式.科學推理的核心是將理論與實證相結合，即一個科學家能夠清晰地解釋他所支持的理論，并知道哪些證據(jù)可支持它，哪些可反駁它，同時能對那些與理論不相符的實證進行解釋，從而接受該理論而反對其他理論[2].這一解釋加入了類比推理、組合推理等推理形式，同時也擴大了“科學推理”的內涵：不僅包括邏輯推理還包括了在推理過程中運用的一系列思維方式，使得我們對“科學推理”有了比較清晰的理解.

Delphi報告指出，推理是指“找出并夯實得出合理結論所需的因素;形成猜測和假設;考慮相關的信息，從數(shù)據(jù)、陳述、原理、證據(jù)、判斷、信念、觀點、概念、描述、疑問或其他表達形式中推導出結論[1].”這一定義與Stuessy的定義有類似之處.專家們將“推理”前置到“猜測和假設”階段，基于尋求證據(jù)與推理的密切聯(lián)系，將尋求證據(jù)的過程也納入到“推理”范疇，提出“推理”包含尋求證據(jù)、考慮多種可能性、概括結論三種子技能（見表2）.

三種子技能分別對應了推理過程的三個階段，教師可以根據(jù)這一框架設計學習活動，幫助學生培養(yǎng)和提升推理能力.

3?案例及分析

“機械能守恒定律”是高中物理中的一個重要規(guī)律.“上科版”教材中，設計了學生通過DIS探究擺錘在擺動過程中的機械能，從而得出規(guī)律.基于培養(yǎng)學生推理能力的教學目標，可以將本節(jié)課分為定性體驗擺的機械能變化、定量探究擺的機械能變化、理論推導機械能守恒定律三個階段.整個學習過程，通過教師的問題鏈，不斷引導學生基于證據(jù)得結論，透過現(xiàn)象看本質，在推理中不斷發(fā)現(xiàn)、總結，并時刻反思自己推理的嚴密性和合理性.

3.1?階段一：機械能損失初體驗

情景1：蕩秋千（如圖1）.

問題1：同學們在蕩秋千時，如果沒有別人推，能否一直蕩？

學生：不能.會蕩得越來越低.

問題2：人能擺到的最大高度越來越低，從能量的角度思考，這意味著什么？

學生：他的機械能在減小.

情景2：用DIS探究蕩秋千實驗（如圖2）.

問題3：大家桌面上也有一個類似于蕩秋千的擺.請你從某一高度釋放擺錘，看看擺錘能不能一直維持在某一高度擺動？

學生（實驗后）：不能.

學生（實驗后）：能.

學生（實驗后）：幾乎可以.

問題4：居然出現(xiàn)了三種不同的答案，我們來看看為什么大家回答得不一樣呢？請同學們說一說，你是怎么做的，發(fā)現(xiàn)了什么，所以得出什么結論.

學生（回答“不能”的）：我發(fā)現(xiàn)擺錘從右邊釋放后，擺動很快，很難看到左邊不在同一高度，但是我發(fā)現(xiàn)擺回來后沒有被釋放器吸住，所以我認為擺錘會越擺越低.

學生（回答“幾乎可以”的）：我發(fā)現(xiàn)擺錘從右邊釋放后，到左邊差不多在同一高度，可能低一點點，但很小，幾乎可以忽略.

學生（回答“能”的）：我發(fā)現(xiàn)擺錘從右邊釋放后，回來又被吸住了，所以我認為可以回到原來高度.

問題5：你和第一位同學的觀察結果截然相反，能不能重復一下你的實驗給大家看一下？

學生（回答“能”的）：將擺錘從較低位置釋放，教室里聽到清晰的一聲“嗒”，擺錘擺回來后又被釋放器吸住了.

問題6：從較高的位置釋放，擺錘沒有回到原來的高度，為什么從較低的位置釋放擺錘能回到原來的高度呢？

學生：因為低處釋放的擺錘回來靠近釋放器時，釋放器的磁鐵對擺球有磁吸引力，擺錘被吸回來了.

追問：那么高處釋放的擺錘回來時，磁鐵不吸引它嗎？

學生：吸引，但離得遠，引力弱.

追問：那是不是從低處釋放的擺錘回來時更接近釋放時的位置？

學生：是的.

追問：為什么低處釋放的擺錘回來時更接近釋放時的位置呢？

學生：路程短，空氣阻力做功小.

問題7：所以我們猜想造成擺錘不能回到原來高度，也就是機械能減小的原因是什么？

學生：有空氣阻力.

【分析】

這一階段的學習活動，目的是讓學生得出“機械能存在損失”“機械能損失的可能因素是存在阻力”這兩個結論.得出結論的證據(jù)是“擺的振幅越來越小”.原本是一個比較簡單的推理過程，但是實驗過程中出現(xiàn)了三種不同的結果，教師敏銳地捕捉到了學生實驗中的“不同聲音”，從而豐富了這一推理過程.教師沒有忽略學生的不同意見，或者用“誤差”一言以蔽之，而是及時要求學生重復實驗并向其他學生證明自己的結論.通過一連串問題鏈引發(fā)學生比較實驗條件，分析引起不同結果的原因，并最終把機械能減小歸結到空氣阻力這一因素上來，為后面的研究做好鋪墊.讓學生真正經(jīng)歷了“尋求證據(jù)”的過程.

以往的一些教學中，“尋求證據(jù)”常常被簡單化.學生所做的實驗往往直接指向結論，很少存在與期望相反的實驗結果.證據(jù)之間缺乏矛盾沖突，一方面，會削弱論證的強度，另一方面，長此以往也會讓學生以為科學研究就是這樣一帆風順的，不利于科學精神的培養(yǎng).在上述活動中，通過對三種截然相反的現(xiàn)象深入分析，發(fā)現(xiàn)引起不同結果的原因是實驗條件，而它們遵循的規(guī)律是一樣的.看似矛盾的“證據(jù)”指向相同的結論，學生經(jīng)歷了沖突和順應，更加鍛煉了基于實驗事實的“尋求證據(jù)”能力，更好地學會思辨，抓住問題的本質.

3.2?階段二：機械能變化定量探究

情景1：用DIS探究機械能守恒定律.

學生實驗：用DIS定量測定擺錘在A、B、C、D四個不同位置的機械能，如圖3所示.

實驗數(shù)據(jù)表明：從A到B機械能逐漸略有減小，相對誤差小于5%.

問題1：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，我們能得出什么結論？

學生：擺錘的機械能略有減小，不過這種減小可以忽略.

情景2：用DIS探究鐵質擺錘和塑料擺錘實驗.

演示實驗：將鐵質擺錘換成同樣大小的塑料擺錘，重復實驗，發(fā)現(xiàn)機械能減小較多.

問題2：對比鐵質擺錘和塑料擺錘兩組實驗數(shù)據(jù)，我們又有什么發(fā)現(xiàn)？

學生：塑料擺錘機械能減小較多.

問題3：你覺得是什么原因呢？

學生：塑料擺錘較輕，空氣阻力影響較大.

問題4：那么我們進一步推理，如果忽略空氣阻力，擺錘在擺動過程中的機械能變化會有什么樣的特點？

學生：機械能總量保持不變.

總結：我們就把這種重力勢能和動能互相轉化，但機械能總量保持不變的現(xiàn)象，叫做機械能守恒.

【分析】

這一階段的學習活動，目的是讓學生得出“重力勢能和動能相互轉化，但機械能總量保持不變”這一結論.得出結論的證據(jù)是實驗數(shù)據(jù).面對空氣阻力造成的實驗誤差，教師并沒有急于讓學生得出“機械能守恒”這一結論，而是肯定了學生“機械能略有減小”的說法.隨即通過塑料擺錘的對比實驗，“放大”空氣阻力的影響，幫助學生運用極限思想推斷：在忽略空氣阻力的情況下，擺錘擺動過程中機械能守恒.這樣的處理方法，使得結論更加有說服力.

實驗事實和數(shù)據(jù)是物理學習中的重要“證據(jù)”.但很多物理規(guī)律是有條件的，甚至條件是理想化的，于是在實驗事實和數(shù)據(jù)與結論之間必然存在著差距.如果我們忽視這種差距，或者簡單把這種差距歸結為誤差，久而久之，學生就會失去尋求證據(jù)的興趣.相反，如果我們正視這種差距，并想辦法幫助學生理解造成差距的原因，則既培養(yǎng)了學生的科學態(tài)度，又鍛煉了學生分析和評估證據(jù)的能力.

3.3?階段三：機械能守恒的理論推導

問題1：我們發(fā)現(xiàn)忽略空氣阻力的擺，機械能守恒，空氣阻力不能忽略的情況下，擺的機械能不守恒，顯然機械能守恒是一種特殊情況.那么在其他一些運動中，是否可能機械能守恒呢？如果是，它發(fā)生的條件是什么呢？

學生：忽略空氣阻力.

情景：理論推導自由落體運動過程中滿足機械能守恒（如圖4）.

問題2：通過上述推導，我們發(fā)現(xiàn)，自由落體運動也是機械能守恒的，而且這種運動也是忽略了空氣阻力.那么，是不是忽略空氣阻力的運動都滿足機械能守恒呢？

學生：好像不是.比如說，我坐著電梯勻速上升，空氣阻力幾乎可以忽略，動能不變，重力勢能增加，機械能增加.

問題3：那么，你覺得是什么原因造成了你的機械能增加？

學生：因為電梯有動力.

問題4：所以你覺得機械能守恒的條件是什么？

學生：不受其他力，只受重力.

問題5：考慮一個沿著光滑斜面下滑的小球，請大家模仿之前自由落體運動的例子，自己推導一下初末狀態(tài)的機械能是否守恒（如圖5）.

我們發(fā)現(xiàn)小球機械能是守恒的，它是不是只受重力呢？

學生：不是.還受彈力.

問題6：所以若要機械能守恒，可不可以受到重力之外的其他力？

學生：可以.

問題7：若要機械能守恒，對這個“其他力”有什么要求？

學生：不做功.

問題8：綜上所述，機械能守恒的條件究竟是什么呢？

學生：只有重力做功.

【分析】這一階段的學習活動，目的是讓學生得出“質點機械能守恒的條件是只有重力做功”這一結論.得出結論的證據(jù)是實驗和理論分析.教師在前面實驗研究擺的機械能的基礎上，提出了有沒有其他運動中機械能也守恒的問題，拓展學生“尋找多種可能”.高中階段學習的第一個典型的運動便是自由落體運動，這是一種比較簡單的勻加速運動，大多數(shù)情況下，學生能自然地想到這個例子.通過對自由落體運動的理論分析，發(fā)現(xiàn)的確機械能是守恒的.通過擺的實驗和自由落體運動的理論分析，大部分學生會歸納結論：機械能守恒的條件是忽略空氣阻力.錯誤地推理出該結論的主要原因是，學生沒有“尋找多種可能”.這時候教師又拋出問題，啟發(fā)學生繼續(xù)尋找例子.學生在電梯問題中發(fā)現(xiàn)，即使忽略空氣阻力也會出現(xiàn)機械能不守恒.教師進一步通過斜面問題追問，最終得到了機械能守恒的條件.

在這個過程中，教師通過多個例子，讓學生在比較中學會正確地歸納推理，最終得出正確的結論.學生通過這樣的學習，認識到歸納推理需要很多例子，如果只有少數(shù)例子，很容易做出錯誤的歸納.

4?結束語

4.1?給教師的一些建議

推理的本質功能是推出新結論、生成新知識，因此，它對于物理和物理學習極其重要.可以說，沒有推理，就沒有今天的物理學.同樣也可以說，沒有推理，就沒有真正的物理學習.推理也是人們學習和生活中經(jīng)常使用的思維方式.因此推理能力的發(fā)展應貫穿于整個物理學習的過程中.

教師可以通過問題引導學生尋求證據(jù)，尤其要尋求多種可能，并最終運用合理的方法得出結論.同時幫助學生反思自己的結論和認知過程，促使學生在建構知識的過程中提升推理能力.在推理過程中，教師可以提出這樣一些問題：

你的證據(jù)是什么？

你是怎么做的？你觀察到了什么？能展示給我們看嗎？

有沒有不同的發(fā)現(xiàn)？有沒有更多的證據(jù)？

造成這個結果的可能原因是什么？還有別的解釋嗎？

我們能不能就此得出結論？為什么？

剛才我們用了什么推理方法？

4.2?不足和展望

推理能力作為批判性思維能力的一個子技能，在各國課程目標中的頻繁出現(xiàn)，證明了它對學生發(fā)展的重要性.在高中物理的學習過程中，歸納推理是一種非常重要的學習能力.許多物理規(guī)律都是學生在實驗的基礎上通過歸納推理得出的.因此，探索如何培養(yǎng)學生的歸納推理能力是一個非常有價值的問題.推理能力包含歸納推理、演繹推理、類比推理、因果推理等多種形式.鑒于篇幅和教學內容所限，本文主要討論了教學中如何通過問題鏈培養(yǎng)學生的歸納推理能力，其他一些推理能力的具體培養(yǎng)策略，還需要進一步研究.可以根據(jù)其他推理能力的內涵設計有針對性的問題鏈，進行更多的實踐研究.

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（收稿日期：2020-02-10）