培育科學推理能力的情境化物理課堂構建

劉瀚文　李燊　陳佳麗　呂立君

摘 要：科學推理是科學思維的重要組成部分，是中外研究者所關心的熱門話題。本文在界定科學推理概念和建構推理教學模型的基礎上，以人教版高中物理“自由落體運動”的教學為例，從培養學生科學推理能力出發，以教學活動為載體、情境為統領，對教學流程和方式進行優化設計，希望能為培養科學推理能力提供思路。

關鍵詞：情境；科學推理；物理教學；教學活動

中圖分類號：G642? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）02-0075-04

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）指出：高中物理課程要注重體現物理學科的本質，從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等方面體現物理學科育人價值，自此學科核心素養進入教育工作者的視野，貫徹落實核心素養的發展成了普通高中課程的培養目標[1]。科學思維作為物理學科核心素養的核心要素，由科學推理與模型建構、科學論證、質疑創新等共同構成。科學推理是科學思維的重要組成，科學推理能力的提升有助于學生的物理學習，有利于開展科學探究活動。2020年，《中國高考評價體系》（以下簡稱“高考評價體系”）提出“一核四層四翼”的整體架構，分別回答了“為什么考”“考什么”“怎么考”的問題[2]。“四層”是高考的考查內容，包含核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識等四個方面[3]。思維認知能力群是關鍵，推理能力作為思維認知能力群的組成要素是高考評價體系確定學科考查內容的重要依據。因此，在物理教學中培養學生的科學推理能力，促進科學思維的發展，對落實和發展學生物理學科核心素養有重要意義。

1 科學推理的內涵

科學推理是在推理的基礎上發展起來的，由皮亞杰教授最先在兒童認知發展理論中提出，認為科學推理是當個體思維發展到一定高度后所具有的推理類型。凱文（Kwen）和拉德曼（Lademan）將科學推理分為歸納推理和演繹推理，歸納推理是把所觀測到的自然現象中所具備的相同特點加以概括總結，是個體形成概念、規律的過程，而演繹推理是個體利用形成的概念、規律解釋具備同一特點的其他自然現象的過程[4]。克拉爾（Klahr）和敦達爾（Dundar）則將科學推理看作個體探索方法或證據解決問題的過程[5]。嚴文法與胡衛平主張科學推理應用于問題解決或假設檢驗過程中[6]。勞森（Lawson）在研究科學史案例中發現科學推理主要包括retroduction（溯因）、deduction（演繹）、induction（歸納）等推理類型，把科學推理解讀為是個體為所觀察到的令人費解的現象尋找科學解釋的過程[7]。科學史和物理學中許多重大的發現，似乎也體現了這個過程。如伽利略發現木星的衛星、牛頓對萬有引力的探索等，首先在對觀測或實驗中的某種現象做出假設，并以此為前提依據科學知識進行邏輯推理或實驗驗證，再結合觀測結果與實驗結果分析論證，從而評估假設的正確性得出科學結論。

本研究認為科學推理是當個體思維發展到一定高度后所具有的，貫穿于整個科學探究過程，是個體以已有科學知識為基礎，在情境中經歷發現問題、提出質疑、形成猜想與假設、依據科學證據設計實驗驗證、不斷修正評估證據從而得出新結論、新知識的思維過程。科學推理能力則是這一過程中個體所必備的心理特征或思維技能，包含守恒、相關、概率、控制變量、比例、假設演繹推理等能力維度。在物理概念、規律形成的探究過程或建構物理模型的抽象過程中，科學推理能力都蘊含其中。

2 高中物理科學推理能力學業質量標準

課程標準指出，高中階段的學生應能正確理解和應用科學思維方法，從定性和定量兩個方面進行科學推理，找出規律，形成結論，并能解釋自然現象和解決實際問題，將科學推理素養學業成就表現劃分為5個不同學業質量水平，不同水平之間循序漸進、逐級提升，如表1所示。

3 科學推理教學模型建構

課程標準指出創設情境進行教學，對培養學生物理學科核心素養、促進知識和方法遷移起關鍵作用。并給出了考查例題，讓學生在情境中（蹦極運動的下落過程）抓住主要因素（重力和彈力），忽略次要因素（空氣阻力），確定運動的模型，通過科學推理解決問題。因此在課程標準背景下，物理教學應根據具體的教學內容，創設有利于展開推理思維物理情境，引導學生在情境中提出物理問題、形成合理猜想、設計方案推理論證、建構物理模型，最后依據科學證據得出科學結論。科學推理教學應以問題為導向、以情境為統領、以科學知識為基礎，經歷實踐探索，尋求科學解釋或科學結論的過程，通過顯化科學思維方法等一系列教與學的行為來提升學生的科學推理能力，促進科學思維的發展。

綜上所述，科學推理教學應以有意義的、真實的情境為統領，將教與學的行為都預置于情境中，學生在真實的情境脈絡中，經歷科學推理式教學活動，完成意義學習和知識與方法的遷移，形成科學地看待問題的方式和解決問題的能力，如圖1所示。

4 科學推理素養導向的情境化課堂構建

在真實情境中解決物理問題的過程是培養學生科學推理素養的著力點，物理課堂則是實現科學推理能力提升的有效途徑。本研究以“自由落體運動”為例，闡述如何以教學活動為載體、情境為統領設計科學推理教學。“自由落體運動”是勻變速直線運動的特例，是勻變速直線運動一般規律知識的運用。質點、勻變速直線運動理想模型的建立為學生描述物體下落建立自由落體理想模型提供了科學的思想和方法，為學生認識自由落體運動規律打下基礎。教材首先設置問題，欄目創設問題情境，提出具體問題引發學生思考；其次介紹物理學史上對落體運動的爭論，使學生體會伽利略在研究自由落體運動時所表現出的質疑創新精神和運用的科學研究方法；再次通過實驗探究自由落體運動規律，讓學生清晰、系統地理解自由落體運動規律，并能運用規律解決實際問題。自由落體運動規律的研究，既是對前面知識的鞏固，又為今后復雜運動的研究奠定了基礎。

課程標準要求“通過實驗，認識自由落體運動規律。結合物理學史的相關內容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用。”因此，本教學過程將學生置于一系列具體的情境中，讓學生知道科學研究方法對科學研究的重要性，經歷自由落體運動概念的建立及規律的形成過程，而概念、規律的形成過程，包含了大量的科學家運用科學推理方法進行綜合分析的過程，有助于提升學生的科學推理能力，引發學生思考，認識到實驗研究對科學發展和人類進步的重大意義，體會科學研究的方法，養成科學思維習慣。

4.1 創設情境，展開推理

情境決定認知過程的本質，是一切認知活動的基礎，是個體教與學時所處的環境，是教師為滿足物理教學需要創設的一種蘊含教學內容且能引起學生感性認知的教學工具，是課堂的重要組成部分。教師創設的情境，既要充分展示相關物理現象，使學生獲得探索物理規律所必需的感性認識，又要能激發學生的探究興趣和問題意識，助力推理思維順利展開。

（1）實際生活情境。教師根據教學內容、教學目標、學生認知水平等創設實際生活情境。如我國女子鉛球運動員鞏立姣在東京奧運會的奪冠一擲，學校操場林間小道上金黃的楓葉緩緩落下，歡樂谷里體驗蹦極的游客快速下落，雨后樹葉上殘留的水珠從搖搖欲墜到脫離葉片奔向地面的場景，跳傘運動員在空中滑翔的場景等實際生活情境，提問哪個物體適合作落體運動的研究？如何選擇研究對象？按照什么標準對上述場景分類？從實際情境到建立落體模型，中間需要一定的邏輯層次。引導學生從運動復雜程度、運動軌跡、是否人為參與和受力情況等進行分類，從類別的不同之處來選擇研究對象，并將分類歸納的形式、步驟傳授給學生，引導學生思考分類的標準，從而得出落體運動的特點，理解生活中的落體運動，建立落體運動模型，確定研究對象引入課題。對生活常見場景分類歸納，經歷分類歸納的過程，體會分類歸納的必要性，提升學生的歸納推理能力；同時顯化科學方法的教學，加深對科學方法的理解和認識，有效提升學生的科學推理能力。

（2）認知沖突情境。利用學生的前概念與物理規律的沖突和新舊知識的聯系創設情境。教師引導學生設置差異性實驗來產生認知沖突，引發學生對問題的思考，推動推理思維開啟。如展示質量不同的石頭與羽毛、相同大小紙片與金屬片的下落情況，學生從生活經驗出發進行推理，得出“重的物體下落得快”的論斷，暴露出學生錯誤的前概念，認知處于平衡狀態。接著展示相同質量的紙團與紙片的下落情況，由于“重的物體下落得快”這一錯誤的前概念存在于大多數同學的頭腦中，而觀察的現象不是重的物體下落得快，學生在認知上形成了強烈沖突，打破原有認知平衡，激起了學生探究的濃烈興趣。在此基礎上教師提問“到底是輕的物體還是重的物體下落得快？”引發學生思考，為猜想假設埋下伏筆。

（3）物理學史情境。結合物理概念、規律的發現過程和歷史背景創設情境，助力科學推理教學。利用伽利略對自由落體運動的研究創設物理學史情境，引發學生思考。在潛移默化中培養學生依據事實基礎對自己的觀點進行論證的意識，認識到只看現象表面會影響歸納總結的正確性。為“實驗+推理”創造條件，發展學生的科學推理素養。

（4）物理實驗情境。利用演示實驗和借助信息技術創設物理實驗情境，促進推理技能提升。教師利用創設實驗情境，引導學生在分析實驗現象的過程中學會推理，逐漸養成推理思維習慣。如“自由落體運動”教學中，學生觀察牛頓管和高真空環境中物體下落情況，依據發現空氣阻力越小，物體的下落快慢越趨近于相同的實驗現象，合理外推出若徹底去除阻力的影響，物體下落快慢相同，從而建立自由落體運動理想模型，感受實驗對科學研究的重要性。

（5）問題解決情境。通過解決實際問題創設問題解決情境，鞏固推理思維。學生分析實際物體下落的過程，感受真實運動和理想模型之間的關系，并運用科學論證方法表達觀點，能區別觀點和證據。比較空氣中鐵球受到的阻力與雨滴受到的阻力，分析歸納在實際情境中建立自由落體運動理想模型的條件，感受推理和建構模型在解決實際問題中的重要作用。

4.2 科學推理式教學活動

在物理概念、規律形成的探究過程和建構物理模型的抽象過程中，從產生認知沖突、提出物理問題到形成猜想和假設、基于假設設計方案分析論證，最后依據科學證據得出科學結論，科學推理都貫穿其中。科學探究的過程也是教師進行科學推理教學的主要途徑，教學活動的動態性和靈活性恰好能夠使學生經歷全新的科學推理過程，從而培養學生的科學推理能力。

（1）分析問題，猜想假設。創設適切情境，提出有邏輯層次的問題，引導學生猜想的方向，促進學生假設演繹推理能力的提升。學生在問題的引領下，通過對問題深入分析、綜合與抽象概括，抓住問題的本質和關鍵，根據已有的知識、經驗和直覺思維，通過觀察、分析、比較的過程，對情境中研究對象的產生原因、結果運用歸納法、類比法等進行猜想，并在猜想的基礎上根據已有知識和經驗對探究的可行性和探究可能出現的結果進行推測和假定，從而將猜想轉換為假設。在“自由落體運動”教學中，教師利用創設的實際生活情境，以“是否需要人為參與？”系列具有邏輯層次的問題引出亞里士多德對自然界中落體運動的解釋，即“越重的物體下落得越快”，用“自相矛盾”的故事過渡到伽利略質疑亞里士多德對自然現象的解釋，引導學生利用伽利略研究自由落體運動的實驗和邏輯推理方法，否定“重物比輕物下落快”的論斷，從而引出伽利略的觀點“物體下落過程的運動快慢與物體輕重無關”，引導學生提出“影響物體下落快慢的因素可能是重力和空氣阻力”的猜想與假設。

（2）交流討論，設計實驗。猜想假設是知識與情境聯系的結果，提出的猜想假設是否正確，需要設計實驗來進一步檢驗。這一環節，教師組織學生分組討論，給予學生自主探究的空間，鼓勵學生自主選擇探究方法、制定實驗方案、設計實驗流程、選擇實驗器材等，在學習的關鍵時刻為學生提供指導或搭建“腳手架”。通過師生間、生生間的交流與合作，共同解決問題，驗證所提出的猜想假設，學生對知識的積極建構，激發學習的內在動機，推動推理思維開啟。交流與合作的過程讓每一個學生的優勢和特長都能得到發揮，同時也培養學生的合作精神和問題解決能力。在“自由落體運動”教學中，在得出影響物體下落快慢的因素是重力或空氣阻力的假設后，教師可以提出問題“當有兩個因素（重力、阻力）影響下落快慢時應用什么科學研究方法？”“思考如何探究影響下落的因素？”讓學生以小組為單位設計實驗，嘗試得出結論。在學生探索的過程中，教師也要給予必要的指導，鼓勵學生利用紙片、紙團、兩個小球等貼近生活的實物來設計實驗方案、說出設計思路和展示實驗結果，教師及時評價不同實驗小組的方法、實驗結果，引導各實驗小組分析實驗方案的優缺點，提出改進措施。

（3）實驗探究，得出規律。在此環節，采用教師演示，學生總結的形式，突出學生的主體地位。通過質量不同的物體在低真空環境—牛頓管演示實驗到高真空環境以及真空環境—大衛·斯科特（David Randolph Scott）在月球演示的下落情況，發現空氣阻力越小，物體的下落快慢越趨近于相同，引導學生分析空氣阻力對物體下落的影響。利用實驗探究、觀察和推理來引導學生建立自由落體運動理想模型，即物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動。學生在物理實驗情境中觀察實驗現象，運用已有知識進行科學推理，得出實驗結論。發現去除阻力因素后，物體的下落規律完全相同。合理外推若徹底去除阻力的影響，物體下落快慢相同，從而建立自由落體運動理想模型。

（4）變式遷移，運用規律。通過實驗探究得出物理規律之后，教師還需要引導學生對所得出的物理規律的邏輯推理過程、物理意義、適用條件和范圍等進行深入的分析和理解，在此基礎上，教師可以針對學生在物理規律學習中的難點，設置符合學生認知發展的變式，探索物理規律所揭示的物理現象或過程中本質的、基本的聯系，幫助學生厘清物理規律、物理方法、物理概念之間的關系，加深學生對規律全面、系統的理解，掌握研究物理規律的方法，培養學生解決實際能力，促進知識有效的遷移，鞏固學生的推理思維。在“自由落體運動”教學中，創設水滴下落過程的實際情境，引導學生分解復雜問題，能對情境中的信息進行歸納推理，把雨滴下落分解為剛開始近似的自由落體運動和后階段近似的勻速直線運動。通過分析實際物體下落的過程，感受真實運動和理想模型之間的關系，并運用科學論證方法表達觀點，分析在實際情境中建立自由落體運動理想模型的條件，讓學生在解決實際問題中對自由落體運動規律的理解更深刻、全面和系統。

4.3 評估與反思

評估與反思是檢測學生對物理概念、規律的掌握程度，了解教學效果的重要環節。教師利用情境化問題，使學生通過對問題的思考，鞏固深化對物理概念、規律的理解與運用。在學習某一部分物理內容后，教師鼓勵學生積極主動分析、解決物理問題，讓學生逐漸掌握解決問題的思路，形成良好的思維習慣，鞏固學生推理能力。在“自由落體運動”教學中，教師選取典型的情境化試題，學生結合生活情境提煉物理知識，能將自由落體運動規律運用于物理問題解決中，掌握分析綜合、基于證據和邏輯質疑創新的推理論證方法。

5 結束語

本文緊扣課程標準和高考評價體系的要求，以“自由落體運動”為例，設計教學培養學生的科學推理能力。教師首先創設有利于展開推理思維的物理情境，引導學生在情境中運用分類、歸納等科學方法來展開推理，同時顯化科學方法的教育，加深對科學方法的理解和認識，提升推理能力。其次回顧物理學史上對落體運動的爭論，結合演示實驗，引導學生進行演繹推理，鞏固學生的科學推理能力。最后經歷問題解決、運用科學思想方法掌握規律、形成結論的過程，建立自由落體運動理想模型，讓學生感受科學家運用科學推理方法進行綜合分析形成物理規律的過程，體會科學研究方法對科學研究的重要性，讓推理思維更加深化，促進科學思維進階，落實物理學科核心素養的發展。

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參考文獻：

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〔7〕Lawson A.E. Basic inferences of scientiic reasoning， argumentation， and discovery[J]. Science Education， 2010（02）：336-364.

收稿日期：2022-09-19

通訊作者：呂立君（1963-），女，內蒙古赤峰市人，教授，碩士生導師。研究方向：基礎物理教育。

基金項目：2021年內蒙古自治區教育科學規劃課題（NGJGH2021378）；2021年內蒙古自治區研究生科研創新項目（S20210294Z）