基于核心素養的推理論證題的解答

何德強

(北京市第八十中學 北京 100102)

論證說明題是近年來物理新高考熱衷的題型，需要考生運用證據對所研究的問題進行描述、解釋和預測，并建立證據與解釋之間的關系，是培養科學思維能力的重要題型.學生對這類看似明知故問的題型大多還不太適應，在此筆者基于高中物理核心素養的要求，并結合近年來高考中的這類題目進行特點分析，總結解答此類題的思路和方法.

1 基于核心素養的要求探究推理論證的要素

教育部考試中心的程力和李勇在《中國考試》(2019年第12期)發表文章“基于高考評價體系的物理科考試內容改革實施路徑”中對物理科等級考試提出理解能力、推理論證能力、模型建構能力、實驗探究能力、創新能力5種新的關鍵能力.5種關鍵能力既是對《普通高中物理課程標準》中關鍵能力的具體化，也是對以前物理科考試大綱中提出的物理能力的繼承與發展.理解能力、推理論證能力、實驗探究能力分別是對以前考試大綱中的理解能力、推理能力、實驗能力的整合和升華，模型建構能力和創新能力則是根據物理教學實際和時代發展要求提出的新的能力，原考試大綱中提出的分析綜合能力和應用數學處理物理問題能力的相關要求已經融入新的關鍵能力表述中[1].可以看出推理論證能力是高考的主要方向.

1.1 推理論證能力是核心素養與物理考核的關鍵能力

《普通高中物理課程標準》(2017年版)對物理核心素養作了全面細致闡述，在科學思維與科學探究中都對“推理論證”進行了重點闡述.科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格.“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.“科學探究”主要包括問題、證據、解釋、交流等要素.

科學論證是指“運用證據對所研究的問題進行描述、解釋和預測，以及建立證據與解釋之間的關系”[2].推理論證不僅是核心素養的要素，而且也是物理關鍵能力的重要組成部分.

1.2 解答推理論證題的要素與要求

物理科學的發展可以說就是建立在推理論證的基礎上的，科學家不僅要明確所觀察到的現象(證據)，提出自身的觀點(結論)，更是要找出能夠把現象和觀點相互聯系起來的科學原理(推理過程)，以便形成合乎邏輯的科學解釋，使其在科學家共同體中進行交流和接受檢驗.基于某個問題的推理論證有點像寫議論文，需要明確“論點、論據和論證”這3個要素，所以解答物理論述說明題需要落實以下3個要點：

(1)論點(觀點)要鮮明.首先要有明確的結論，不能含混不清，觀點不明，如果出現拿不準的時候，可以這樣說明“其中合理的是……其中不合理的是……”

(2)論據要充分.在清楚前提和條件的基礎上，看所論證的事件是否符合常識、原理和規律，有時還要利用數學圖像、推導、實驗等已有的結論作為證據.

(3)論述要得法.首先要看清題目的線索及要求，不是將你所知道的相關知識都寫上去，最好是先循著題目的要求發現其漏洞攻其要害(或找其突破)，接著要說清論證的因果關系(或邏輯聯系)，還要注意規范恰當的表述，比如對誰，在什么條件下，哪個過程，有何問題，得出什么結論，都需要條理清晰地表述出來.

2 例析解答推理論證題的思路和方法

推理論證就是在自己已有知識儲備的基礎上提出自己的主張，基于證據進行實質性的推理，并利用反駁或者證明等方式向他人主張自己觀點的合理性和科學性.根據上述推理論證的要素可得出如下解答這類題目的思維流程圖,如圖1所示.

圖1 解答推理論證題的思維流程圖

為了簡捷，可以將解答論證說明題的過程簡化為三段論：一是弄清題目意圖,二是尋找邏輯聯系,三是注意表述要點.現略舉幾例，以茲說明.

【例1】[2018年高考北京理綜第21(5)題]早在16世紀末，伽利略就猜想落體運動的速度應該是均勻變化的.當時只能靠滴水計時，為此他設計了如圖2所示的“斜面實驗”，反復做了上百次，驗證了他的猜想.請你結合勻變速直線運動的知識，分析說明如何利用伽利略“斜面實驗”檢驗小球的速度是隨時間均勻變化的.

圖2 例1題圖

【點撥分析】

(1)題目意圖：首先，該題要求從實驗測量角度來說明，就需要弄清哪些是可測的，哪些是不可測的，由題意知時間t，位移x當時都是可以測的.其次，目的是什么呢？是檢驗“小球的速度是隨時間均勻變化的”這個猜想，但又不能直接測速度.

(2)邏輯聯系：要通過實驗找到速度與時間的關系，主要有兩個困難：一是速度v不能直接測出來，所以需要找v，x，t三者的關聯，且必須從可測的量入手，題中所提示的時間顯然是聯系二者的橋梁；二是要檢驗“二者均勻變化”，意味著v與t須是一次函數關系，而x與平均速度也是一次函數關系，那怎么就能說明v與t是一次函數關系呢？

(3)表述要點：考慮可以做實驗且便于測量只能從初速度為零開始(因為有初速度當時也根本不可能測出來)，所以答題中一定要出現“從靜止釋放”這個條件，而且由于初速度為零，上述一次函數就變為正比例函數了.尤其要注意，題中的“請你結合勻變速直線運動的知識”并不是讓你寫出一堆勻變速直線運動的公式，這只是給你提供思路和線索，因為當時并不確切知道勻變速直線運動的規律，連伽利略也只是猜想，他反復做了上百次實驗才驗證了他的猜想，如果你寫出公式來，恰恰說明你沒有真正理解題目中預設的條件和環境.

【高考閱卷參考答案】

如果小球的初速度為零，假設其速度v∝t(這是猜想)，那么它通過的位移x∝t2.因此，只要測量小球通過不同位移所用的時間，就可以檢驗小球的速度是否隨時間均勻變化.

【例2】[2019年高考北京第21(5)題]牛頓設想，把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點就一次比一次遠，如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運動，成為人造地球衛星.同樣是受地球引力，隨著拋出速度增大，物體會從做平拋運動逐漸變為做圓周運動，請分析原因.

【點撥分析】

(1)題目意圖：這個題的關鍵是一系列相關物理量的“漸變”(落地點就一次比一次遠，速度足夠大，就成為人造衛星)，漸變的原因及其對應關系是什么呢？需要考生去揭示它們之間的邏輯聯系或者因果關系.

(2)邏輯聯系：題中出現了兩種運動模型，平時我們對每個運動模型都要挖掘兩個方面(一是該運動狀態的條件，即物體所滿足的初狀態及其受力方程；二是根據運動規律求解相關物理量，亦即運動方程).不難看出本題的關鍵是“揭示運動狀態及其變化的條件”，拋出速度的漸變(一次比一次大)與空間范圍的漸變(落地點就一次比一次遠)和運動模型的漸變(從平拋到圓周)，它們有什么內在的邏輯聯系呢？這就是我們要論述的關鍵.

(3)表述要點：平拋運動的條件是“恒力與初速度垂直”，怎樣與題中提示的“速度小、范圍小”相對應呢，由于物體在地球表面某個小范圍內重力幾乎不變，且與初速度垂直，當然可以滿足做平拋運動的條件.人造衛星的勻速圓周運動需要的條件是合力與速度時刻垂直，這就需要引力是個變力了，怎么把這個變力與“速度大、范圍廣”相對應呢？即使你說的不那么準確，但只要在推理論證中明確揭示出這種對應的邏輯聯系(因果關系)，也可以得到可觀的分數.

【高考閱卷參考答案】

物體初速度較小時，運動范圍很小，引力可以看作恒力——重力，做平拋運動；隨著物體初速度增大，運動范圍變大，引力不能再看作恒力；當物體初速度達到第一宇宙速度時，做圓周運動而成為地球衛星.

【例3】回旋加速器模型，如圖3所示，根據回旋加速器的工作原理，請通過計算對以下兩個問題進行分析.

圖3 例3題圖

(1)在上述不考慮相對論效應和重力影響的情況下，計算粒子在回旋加速器中運動的時間時，為何常常忽略粒子通過兩盒間狹縫的時間，而只考慮粒子在磁場中做圓周運動的時間；

(2)實驗發現：通過該回旋加速器，加速的帶電粒子能量達到25～30MeV后，就很難再加速了.這是由于速度足夠大時，相對論效應開始顯現，粒子的質量隨著速度的增加而增大.結合這一現象，分析在粒子獲得較高能量后，為何加速器不能繼續使粒子加速了.

【點撥分析】(1)

1)題目意圖：第(1)問意圖比較明顯，為何常常忽略粒子通過兩盒間狹縫的時間，就是這個電場中的加速時間在總時間中可忽略不計.

2)邏輯聯系：近似簡化這是物理中抓大放小的模型化思想，要求粒子在電場中的總加速時間必須遠小于粒子在磁場中做圓周運動的時間才可以忽略不計.

3)表述要點：分別求出粒子在電場中的加速時間和粒子在磁場中做圓周運動的時間，看是否滿足可以忽略的條件.

【點撥分析】(2)

1)題目意圖：第(2)問的意圖沒有上一問那么明顯，為何加速器不能繼續使粒子加速？可能是原來能持續加速的條件不滿足了，怎么不滿足了呢？有可能是某些物理量發生變化了.

2)邏輯聯系：回旋加速器能周而復始得以持續加速的條件是什么呢？這正是教材中所討論的“回旋加速器的精妙設計”，即交變加速電場的周期等于粒子在磁場中做圓周運動的周期.什么原因影響了這個條件呢？需要研究周期的決定因素.

3)表述要點：交變電場周期不變，這就需要求出粒子在磁場中做圓周運動的周期，然后再看是哪些因素(速率、能量、質量)的變化引起二者不匹配，從而破壞了周而復始、持續加速的條件.

【閱卷參考答案】

可得

從該周期公式發現，速度增加，粒子的質量會增加，其圓周運動周期會變大，但加速電場周期不變，這樣使得加速電場的變化周期與粒子的運動周期不匹配，從而導致無法持續加速.

3 結束語

只要掌握了論證說明題的特點和分析思路，是容易有效得分的，因為很多的論述說明題都是明知故問，其結論我們是清楚的，關鍵是要根據題目條件找到各物理量的邏輯聯系并用恰當規范的語言嚴謹地表述出來.

推理論證不僅是科學本身的有機組成部分，而且通過推理論證過程能夠幫助學生更好地理解和應用所學的科學知識，推理論證提供了一條能夠將內隱思維策略外顯化的有效途徑，這樣可以促進學生更高層次思維能力的發展.推理論證還能幫助學生對周圍環境中的紛繁信息和觀點形成自己的獨立認識，為將來更加理性地參與社會生活奠定良好基礎[3].