科學推理視角下高中物理教材習題分析

周雨婷

【摘要】新課程標準的提出對教師的教學提出了新的要求，教師要充分發(fā)揮習題促進學生科學推理能力方面的功能.因此本文基于科學推理的視角，對人教版高中物理教材必修1的習題進行統(tǒng)計與分析，為一線教師對教材習題的解讀提供參考思路，以促進學生科學推理能力的發(fā)展.

【關鍵詞】科學推理;物理教材;習題分析

1 科學推理分析框架

推理是人們將收集到的信息進行整合從而得到結論的思維過程.皮亞杰在其認知發(fā)展理論中首次提出了科學推理的概念（scientific reasoning）.在皮亞杰看來，科學推理是認知發(fā)展進行到形式操作階段之后兒童或成人具有的推理類型.本文依據勞森構建的科學推理體系和物理學科，對科學推理的六個維度給出說明.

1.1 物理學科中的科學推理

勞森以皮亞杰的認知發(fā)展理論進行建構，把科學推理分為守恒推理、比例推理、概率推理、相關推理、假設演繹推理、控制變量推理六個維度.

（1）守恒推理.守恒是個體的認知不受事物外部特征的影響，能夠意識到事物本質的不變性.進行守恒推理的關鍵是要找到事物之間的不變量或不變的關系.物理學科上的守恒推理一方面體現(xiàn)在條件改變但事物本質不變的特點中，另一方面體現(xiàn)在能量守恒、動量守恒等守恒規(guī)律中.

（2）比例推理.在物理中，比例推理是指運用數學工具解決物理問題，根據已知信息推斷各物理量之間的比例關系，并運用公式、定理等方式將結果正確表示出來.比如物理學中采用比值定義法來定義加速度、電場強度等概念就屬于比例推理.

（3）概率推理.概率推理是指一個特定的過程或者一個特定的結果，在相同的環(huán)境因素下重復出現(xiàn)的次數占總次數的比例.概率推理在高中物理中涉及較少.

（4）相關推理.相關推理是個體對于變量之間關系的判斷.物理中的相關推理要聯(lián)系兩個物理量的關系，從一個物理量的變化得到與之相關物理量的變化.

（5）控制變量推理.控制變量推理是把多變量問題轉化成單變量問題.如高中物理中采用控制變量法來探究加速度與力、質量的關系.

（6）假設演繹推理.假設演繹推理是指個體對事物的因果關系能做出合理的解釋，為了探究一個物理問題，首先要進行猜想，再做出合理的假設，最后驗證假設與結論的一致性.

1.2 習題中科學推理考查的界定

習題中科學推理要素的考查界定如表1所示.

2 考查科學推理的教材習題統(tǒng)計

根據科學推理的六個維度，對人教版教材“練習與應用”和“復習與提高”兩個欄目中涉及科學推理的習題進行統(tǒng)計，以最小編號題目為單位，整理出科學推理習題占比，結果見表2.

2.1 考查科學推理的習題統(tǒng)計結果

以橫坐標表示科學推理的各個維度，縱坐標表示題目數量，以章節(jié)為單位點進行分析，結果如圖1.

2.2 考查科學推理的習題分析

下面以教材習題為例，具體分析題目對科學推理要素的考查.

例1 第四章復習與提高B組第6題

如圖2，A、B兩個物體相互接觸，但并不黏合，放置在水平面上，水平面與物體間的摩擦力可忽略，兩物體的質量mA為4kg，mB為6kg.從t=0開始，推理FA、FB隨時間的變化規(guī)律為FA=（8-2t）（N），F(xiàn)B=（2+2t）（N），問：8秒內物體B運動的加速度如何變化？

分析 此題考察知識點是對整體法和隔離法的應用.外力隨著時間變化，所以學生可能會認為t=1.5s時加速度相同，這是學生對受力和運動狀態(tài)的分析出現(xiàn)了錯誤判斷.此題要抓住物體相互作用的彈力為0時，A、B恰好分離，此時兩物體的加速度仍相同，這是解題的關鍵.需要學生將受力與運動狀態(tài)建立聯(lián)系，此處考察相關推理（b）;然后通過加速度相等的關系，建立等式FAmA=FBmB，計算得出兩物塊分離的時間t，此處考查了比例推理（b）、（c）;最后對B物體采用隔離法計算加速度.

例2 第二章復習與提高A組第6題

已知一物體做初速度為0、加速度為a的勻加速直線運動.該物體在前1s內、前2s內、前3s內……的位移分別是x1，x2，x3……在第1s內、第2s內、第3s內……的位移分別是xⅠ，xⅡ，xⅢ……在各個連續(xù)相等時間T內的位移分別是s1，s2，s3……sn，證明：

x1：x2：x3……=1：4：9;……

xⅠ：xⅡ：xⅢ：……=1：3：5;……

Δs=s2-s1=s3-s2=sn-sn-1=aT2.

分析 此題考查的知識點是勻加速直線運動的規(guī)律，考查假設演繹推理（a）、（b）.此題要求學生熟悉勻變速直線運動的公式，核心解題思維是假設物體做勻變速直線運動的加速度a，分別列出相對應時間的位移公式，再通過比例約去相同項從而得出比值.此題也是勻變速直線運動公式的推論，很多學生可能會對結論死記硬背，這與核心素養(yǎng)是相違背的，因此教師習題教學時，要注重教授學生推理思想和方法.

例3 第三章復習與提高A組第4題

如圖3，兩人用同樣大小的力共提一桶水，兩人手臂間的夾角大些省力，還是小些省力？請通過推導得出你的結論.

分析 此題以生活中的現(xiàn)象為情境，考查了合力與分力的關系.解題的核心思路是分析題目中的恒定關系即兩人拉力的合力等于桶的重力，根據重力不變，兩個拉力的夾角變化可以判定其中一個拉力的大小，考查了守恒推理（b）.根據思路列出物理比例式，由角度的變化推理出分力的變化，此處考查學生的比例推理（c）.

3 在習題中培養(yǎng)科學推理能力的建議

3.1 考慮習題分層，注重因材施教

教師在習題教學時，不能將習題全部拋給學生，要關注到每個學生的認知水平，因材施教.比如教材習題的第一層次是練習與應用，第二層次是復習與提高A組，第三層次是復習與提高B組，三個層次的習題具有不同的水平結構.

練習與應用幫助學生鞏固本節(jié)知識，初步構建物理觀念.復習與提高串聯(lián)整個章節(jié)知識，提升學生的思維水平.在答題過程中，教師要根據人教版教材習題的不同層次，布置不同的習題，讓每一位學生都能在原有的基礎上得到提高.

3.2 構建邏輯思維，培養(yǎng)科學推理

習題教學不是簡單的“對答案”，而是教師在這個過程中對學生思想和方法的滲透.在習題教學中，教師要注重問題解決過程中的核心思維和推理步驟，引導學生思考“為什么”和“怎么做”，習題中科學推理和邏輯思維的培養(yǎng)不是靠“題海戰(zhàn)術”的堆積，而是思維的訓練和推理方法的掌握.

面對復雜情境的物理問題，教師要鼓勵學生思考，理清學生的答題思路，幫助學生構建邏輯思維，整合知識，正確進行推理.在習題完成后，教師還要引導學生積極反思和回顧推理的過程，幫助學生強化認知，逐步形成科學推理能力.

3.3 挖掘習題資源，提升綜合能力

習題是課內知識的延伸，也是學生提升核心素養(yǎng)和綜合能力的途徑.因此，教師應該充分挖掘習題資源，以習題中某一視角對學生進行拓展，適時要求學生對習題進行舉一反三，使習題的功能最大化，培養(yǎng)學生的綜合推理能力.此外，教師要積極發(fā)掘多維度科學推理習題，對習題資源進行整合，避免習題考察的單一化，讓學生的推理能力得到均衡發(fā)展.

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