初中物理科學推理教學的研究*

李寶銀

(海安市紫石中學 江蘇 南通 226600)

何為科學推理？目前學界的共識：科學推理是個體思維能力發展到一定程度之后具有的推理類型，個體進行科學推理一般采用演繹推理和歸納推理，個體應用科學推理進行假設檢驗或問題解決.基于這樣的共識，筆者在文獻研究的基礎上，結合自身的教學實踐，介紹科學推理的教學.

1 注重科學推理教學的緣故

1.1 科學推理能力是物理的學科能力

文獻研究成果表明，科學推理是重要的學習理解能力，行為表現：在已有知識基礎上進行邏輯推理，獲取新知識.科學推理又是重要的應用實踐能力，行為表現：一是基于物理問題的描述與分析，依據已有知識，進行合理推理，并得出結論；二是基于推論，結合具體物理問題情境，對事物或過程的發展做出合理的猜想與假設[1].《江蘇省義務教育學科核心素養·關鍵能力框架》(試行)中認定，科學推理是學生在進行物理知識學習過程中表現出來的能力，是初中物理的關鍵能力[2].

1.2 發展科學推理能力是物理的課程目標

《普通高中物理課程標準(2017年版)》界定的物理學科核心素養，主要有“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態度與責任”4個方面的內容.“科學思維”涵蓋“模型建構”“科學推理”“科學論證”和“質疑創新”4個要素[3].對“科學推理”的要求是運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面對相關問題進行科學推理、找出規律、形成結論.

《標準》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領域的基礎課程，旨在落實“立德樹人”根本任務，進一步提升學生的物理核心素養，為學生的終身發展奠定基礎，促進人類科學事業的傳承與社會的發展.

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“義務教育物理課程標準”中注定有科學推理方面的教學要求，即發展科學推理能力也是初中物理的課程目標.

2 學生科學推理能力的特征

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

2.1 科學推理能力發展呈線性上升的階段

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

2.2 科學推理能力高水平學生的比例很小

某地初三學生的測試成績統計：滿分24分的測試工具，測試的平均成績為15.9分(得分率66%)，5～12分的學生數占17.8%，13～20分的學生數占69.6%，21～24分以上的學生數只有12.6%[5].

數據表明，初三學生的科學推理能力整體水平位于較高水平，大部分學生的科學推理能力位于中等水平，科學推理能力達到高水平的學生人數不多.不言而喻，初中學生在科學推理能力的發展方面尚有很大的空間，在概念、規律的教學中需要強化科學推理的訓練.

2.3 科學推理能力不同維度的發展不平衡

科學推理能力中各個維度的發展不平衡，控制變量推理、相關推理、假設演繹推理的水平落后于科學推理的整體水平，遠遠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致“先學后教”“導學案”等課堂教學改革的泛濫，很多教師無視這些改革的適用范圍，將其當作制勝的法寶,在教學中盲目而大量地運用.

例如，“導學案”引領的課堂，學生往往是根據“導學案”從教材中尋找概念和規律，然后通過反復的訓練與強調達到掌握的目的.

守恒推理、比例推理具有相對穩定的計算形式或推理范式，在這樣的反復訓練和強調之中,即使學生生理發育尚未達到相應的層次,其能力水平也會獲得順利的提升.

控制變量推理和相關推理能力是在建構概念和探究規律的過程中生成的能力，這些教學行為省略了學生歸納概念、總結規律的思維過程，控制變量推理、相關推理因缺乏相關的體驗和感悟，沒有獲得應有的發展，導致其水平層次不高.

2.4 控制變量推理能力的發展不完善

對此結合“2018年江蘇省基礎教育質量監測”兩道測試題及其相關的數據進行說明.

【第1題】在“探究敲擊銅管發聲的頻率與管子長度、直徑關系”的實驗中，小明選取管壁厚度相同，長度和直徑不同的3根銅管，將它們用細線懸掛，敲擊后，測出各自發出聲音的頻率，數據如表1所示.

表1 3根銅管發出聲音的頻率

根據小明的實驗數據( )

A.只能得出頻率隨長度增加而減小的結論

B.只能得出頻率隨直徑增加而減小的結論

C.選項A和B的結論都能得出

D.選項A和B的結論都不能得出

【第2題】如圖1所示，柱形容器中裝有油和水兩種液體，P點位于油和水的分界面上，Q點位于容器底部.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點的壓強變小 B.P點的壓強變大

C.Q點的壓強變小 D.Q點的壓強變大

兩道題的相同點，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題的難點是判斷P點壓強的變化情況，由于初中物理中沒有涉及到液體壓強公式，對P點壓強變化情況，實際是控制深度不變，判斷壓強隨密度的變化情況，涉及壓強、深度和液體密度3個變量.

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

對兩道題進行數據統計，全省范圍內依據統計學原理從被測對象的總體基數中分層隨機抽出47 000多名學生，測試于進入初三當年的10月份進行，測試結果如表2所示.

表2 測試結果

兩道題的區分度較高，實際測試的難度都低于命題組預設的難度，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，大部分學生能較好地運用控制變量推理解決問題；相對復雜的推理情境，很多學生就不能很好地運用控制變量推理解決問題.

可見，通過初二的學習，學生控制變量推理的水平沒有達到課程目標的要求，推理思維的深度、廣度還不夠，控制變量推理能力的發展不完善.

3 發展科學推理能力的思路

根據初中學生科學推理能力的特征，科學推理教學的重心應該落實在假設演繹推理、控制變量推理和相關推理3個維度上.對控制變量不僅要運用其歸納概念、總結規律，而且要運用其分析實際問題，并依據物理知識或經驗推理其結論.為此，教學過程中應該注意下列幾點.

3.1 精選教學策略

精選體現在根據教學內容和教學目的選擇恰當的教學方法和思路.

例如，筆者對教材中重點的探究，采用“探究在前，教材在后”的教學思路[6]：探究在前的核心就是探究活動提前到學生閱讀教材之前，精心創設有利于探究學習的情境，把握時機進行適度、適時的引導、點撥，讓學生在沒有教材的前提下，開展探究性學習；教材在后的內涵就是閱讀教材延遲到探究活動結束之后，運用適當的問題帶領學生，結合教材對知識進行梳理、內化，完善其知識結構.

沒有教材的暗示和引領后，學生只有針對情境進行推測才能提出合理的猜想與假設；只有基于實驗現象和數據才可能推理出可靠的實驗結論；才有機會基于探究方案預測可能的實驗現象或數據；……顯然，“探究在前、教材在后”的思路，有益于控制變量、假設演繹和相關等維度的科學推理能力發展.

3.2 重視因果推理

概念、規律教學時，教師把握學生的特點，多些追問的細節，抓住學生的思維點，從表面深入到本質，從具體上升到抽象，幫助學生在物理事實和結論之間架橋.

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

圖2 氣體液化實驗

再如，在探究平面鏡成像的規律時，學生根據玻璃板后面的蠟燭和玻璃板前面蠟燭的像重合，容易回答結論“像和物體大小相等”.事實上，學生往往沒有顧及到為什么？這時教師就需要適當的誘導，讓學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”.

因果推理使學生理清了物理現象與物理結論的關聯，真正達到了知其然，也知其所以然，如果經常這樣教學，學生基于證據進行推理的能力肯定會有長足的發展.

3.3 用活控制變量

不容置疑初中物理對“控制變量”的教學非常重視，然而某些不當的教學行為導致很多學生沒有理解和掌握控制變量推理的內涵，而在僵硬地運用控制變量.

例如，針對如圖3所示的情境，學生往往認為因深度不相同，而不能得出“深度相同時，液體的密度越大，壓強越大”的結論.事實上，如果已經有“液體壓強隨深度增加而增大”的結論，由圖示情境可以得出結論——深度相同時，液體的密度越大，壓強越大.因為，如圖所示的情境，壓強計在鹽水中的深度小于在酒精中的深度，而鹽水產生的壓強已經大于酒精產生的壓強，假設壓強計在鹽水中的深度和酒精中深度相同，則鹽水產生的壓強會更大.

圖3 探究液體壓強與深度關系

探究教學中，教師要注意運用這類拓展性的情境來訓練學生的科學推理，使其真正把握控制變量的精髓，同時發展假設演繹推理的能力.

目前初中物理教學中使用的訓練材料以習題為主，已經把實際問題的一些次要細節、非本質的聯系舍去，沒有物理現象或事實作為背景，甚至完全脫離于物理現象，習題訓練起來的科學推理能力，往往不容易遷移到實際問題之中.

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，將它們放在室內同一處.你認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

這道題最初出現在江蘇省基礎教育質量監測試卷中，當年只有0.8%的學生根據蒸發、熱傳導的知識，運用控制變量進行推理，給出“無法判斷”的結論，且理由基本合理；68.3%的學生根據蒸發(或熱傳導)的知識，給出“盆(或碗)里的湯會涼得快些”的結論.近年，兩次將其放在招聘教師的試卷中，能從蒸發、熱傳導兩方面考慮的教師都不到10%.

顯然，物理教學過程中，注意運用這樣的實際物理問題來訓練學生運用控制變量推理的能力也就顯得十分重要.

3.4 指點方法技巧

毫無疑問，科學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，是假設深度相同基礎上的科學推理，如果離開“假設”學生很難將其表述明白，這里“假設”就是科學推理的技巧.

根據多個變量總結規律時，如果根據實驗數據證明某個變量對結論沒有影響，后續的討論就不在此變量上糾纏，這也是科學推理的技巧.

例如，探究影響浮力大小的因素時，從實驗現象中已經發現浮力大小與物體浸入的深度無關，總結浮力與密度的關系時，不需要考慮物體所在的深度.實驗結論應該表述“排開液體的體積相同時，液體的密度越大，所受的浮力越大”，若在結論中出現“深度相同”的內容就是畫蛇添足.

由實驗數據總結規律時，什么時候需要畫坐標圖像？探究滑動摩擦力和壓力的關系時，畫出的坐標圖像是過原點的直線，表明滑動摩擦力與壓力間有什么關系？……這些推理用到的“方法”對教師而言簡單又簡單，對學生而言難上加難，離開教師的適時、適當指點，學生很難意識到.

最后的提醒，培養學生的科學推理能力應循序漸進，要求不能太高，速度不能過快，注重習得與養成，不拔苗助長，學生能做到的當然由他們來.