例析科學(xué)推理在高中物理教學(xué)中的有效滲透

史宏凱

作者簡介：史宏凱，東莞市教育局教研室教研員。東莞市高中物理學(xué)科帶頭人，“教書育人”優(yōu)秀教師，東莞市青少年科技教育協(xié)會(huì)常務(wù)理事，東莞市中學(xué)物理教學(xué)研究會(huì)副會(huì)長。

摘? ?要：結(jié)合物理學(xué)科核心素養(yǎng)“科學(xué)思維”維度中對(duì)科學(xué)推理能力的要求，解釋了科學(xué)推理能力的三個(gè)認(rèn)知過程：歸納推理、演繹推理、證據(jù)推理。簡要說明了三種推理過程的作用機(jī)制，并以自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程性習(xí)得，分析了物理學(xué)科科學(xué)推理能力在高中物理教學(xué)中滲透的實(shí)施途徑。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;科學(xué)推理;物理教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）4-0001-2

普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）提出物理課程旨在落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，不斷提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)[1]。其中，科學(xué)推理作為科學(xué)思維的主要表征形式，越來越受到物理教學(xué)研究工作者的重視。目前高中物理教學(xué)過程中普遍缺少對(duì)學(xué)生物理科學(xué)推理能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)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? ? 科學(xué)推理能力的內(nèi)涵

物理學(xué)是基于觀察和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并提出問題，通過不斷地假設(shè)、檢驗(yàn)和修正理論模型，運(yùn)用符號(hào)、數(shù)字等工具進(jìn)行科學(xué)推理和論證，形成的系統(tǒng)的思想觀念、知識(shí)體系和研究方法[2]?？茖W(xué)推理最早出現(xiàn)在皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論中，是學(xué)生利用原有認(rèn)知通過科學(xué)推理生成新知識(shí)的過程[3]。傳統(tǒng)意義上科學(xué)推理包括歸納推理與演繹推理，其中歸納推理是指由個(gè)別性的物理判斷推出一般性的物理判斷的過程[4]，而演繹推理則是以普適的物理概念、規(guī)律等為基礎(chǔ)，總結(jié)一個(gè)具體的、特殊的結(jié)論。

Klahr與Dunbar提出的SDDS模型中，認(rèn)為個(gè)體是通過對(duì)假設(shè)空間與實(shí)驗(yàn)空間的雙重檢索來完成科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動(dòng)的目的[2]，并提出科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三個(gè)認(rèn)知過程，即先前知識(shí)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和證據(jù)評(píng)估。物理學(xué)科核心素養(yǎng)“科學(xué)思維”維度中對(duì)科學(xué)推理能力的要求是：“能從定性和定量兩個(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論，具有使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和評(píng)估科學(xué)證據(jù)的能力”[1]。所以，物理學(xué)科科學(xué)推理的內(nèi)涵除了歸納推理和演繹推理，還應(yīng)該包括證據(jù)推理，即通過證據(jù)結(jié)果對(duì)其推理過程進(jìn)行合理性檢驗(yàn)的過程。

2? ? 科學(xué)推理能力的機(jī)制

科學(xué)推理的過程是問題解決的過程，是運(yùn)用歸納推理和演繹推理檢驗(yàn)猜想和假設(shè)或解決問題的思維過程，一般包括三個(gè)階段，如圖1。

第一個(gè)階段是提出問題，包括問題的發(fā)現(xiàn)和利用已有知識(shí)對(duì)問題進(jìn)行假設(shè)猜想;

第二個(gè)階段是實(shí)驗(yàn)推理，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果等論證過程;

第三個(gè)階段是證據(jù)檢驗(yàn)，通過比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果和假設(shè)作出推理判斷，修改或接受先前假設(shè)并修正實(shí)驗(yàn)方案的過程。

實(shí)驗(yàn)一方面為結(jié)論的正確性提供保障，另一方面也為猜想的判斷提供檢驗(yàn)依據(jù)?？茖W(xué)推理中的推理規(guī)則是動(dòng)態(tài)的，其會(huì)隨著新證據(jù)的出現(xiàn)或者猜想假設(shè)的修改而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化[2]。

3? ? 例析

接下來我們以自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的習(xí)得過程為例，簡要探討一下物理學(xué)科科學(xué)推理能力在高中物理教學(xué)中有效滲透的實(shí)施路徑，以及三種推理方式相互作用的內(nèi)部機(jī)制。本節(jié)內(nèi)容是在明確了自由落體運(yùn)動(dòng)概念（物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)）的前提下，以重錘從某一高度靜止下落（近似看成自由落體運(yùn)動(dòng)）為視角，逐步推理探究自由落體運(yùn)動(dòng)的物理規(guī)律。

3.1? ? 問題的提出

通過觀察重錘的自由下落，我們發(fā)現(xiàn)物體在下落過程中愈走愈快。那么，自由落體運(yùn)動(dòng)服從怎樣的物理規(guī)律呢？如何使用物理語言科學(xué)表述這一規(guī)律呢？

通過查閱相關(guān)資料，歷史上科學(xué)家主要有三種方式描述物體下落過程中的快慢。一種是物體下落的速度正比于其走過的距離;一種以物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為物體下落的速度正比于它運(yùn)動(dòng)的時(shí)間;第三種使用更加容易測定的物理量——時(shí)間間隔Δt和走過的距離Δs進(jìn)行表示，認(rèn)為自由落體運(yùn)動(dòng)的物體在連續(xù)相等時(shí)間間隔內(nèi)走過的距離正比于奇數(shù)序列，即Δs1：Δs2：Δs3……=1：3：5……

通過觀察與閱讀資料總結(jié)歸納，考慮到物理量測量的方便與誤差，提出問題與假設(shè)。利用連續(xù)相等時(shí)間間隔內(nèi)的距離比驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并假設(shè)Δs1：Δs2：Δs3……=1：3：5……

3.2? ? 實(shí)驗(yàn)推理與猜想檢驗(yàn)

使用電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，記錄重錘的自由下落過程。選擇點(diǎn)跡清晰的紙帶作為研究對(duì)象，用刻度尺多次測量每兩點(diǎn)間的距離并記錄，每兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔Δt=0.02 s，如圖2。

由表1粗略估算Δs1：Δs2：Δs3：Δs4：Δs5=1.02： 2.70 ： 4.94 ： 7.44 ： 8.84。

在誤差允許的范圍內(nèi)，近似地可以認(rèn)為Δs1：Δs2：Δs3：Δs4：Δs5=1：3：5：7：9。

通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)驗(yàn)證了用相等時(shí)間間隔內(nèi)物體下落的距離描述自由落體運(yùn)動(dòng)的可行性，并以實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)了問題與猜想。

3.3? ? 規(guī)律的數(shù)理演繹

通過歸納推理與證據(jù)推理得出結(jié)論：自由落體運(yùn)動(dòng)的物體在連續(xù)相等時(shí)間間隔內(nèi)走過的距離正比于奇數(shù)序列。接下來我們以這個(gè)結(jié)論為依據(jù)，使用數(shù)理演繹推理，推導(dǎo)自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

假設(shè)自由落體運(yùn)動(dòng)的物體，從0到t走過的距離為s（t），令每一相等時(shí)間間隔為T，則t=nT。

，即自由落體運(yùn)動(dòng)的物體下落的距離和時(shí)間的二次方成正比。

假設(shè)自由落體運(yùn)動(dòng)的物體t時(shí)間下落的距離為s（t），t+Δt時(shí)間下落的距離為s（t+Δt），t-（t+Δt）時(shí)間下落的距離為s（t+Δt）- s（t）

物體下落的平均速度

當(dāng)Δt極為短暫，趨近于0時(shí)，平均速度可以看成該時(shí)刻物體下落的瞬時(shí)速度。

v（t）=2Ct∝t，即自由落體運(yùn)動(dòng)的物體下落的速度和時(shí)間成正比。

4? ? 結(jié)? 語

高中物理教學(xué)中我們往往把某項(xiàng)科學(xué)素養(yǎng)以專題的形式呈現(xiàn)，通過強(qiáng)化知識(shí)不斷加強(qiáng)學(xué)科能力培養(yǎng)，但是效果往往不夠明顯。物理學(xué)科科學(xué)推理等學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不能追求多快好省，我們應(yīng)該在物理教學(xué)過程中通過多角度、多手段的方式不斷滲透，在多維滲透中深化學(xué)科知識(shí)，提升學(xué)生的學(xué)科能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]王璐霞.物理學(xué)科科學(xué)推理能力的模型建構(gòu)及測量工具探討[D].上海：華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2018.

[3]肖展望，劉碧君.“基于問題的學(xué)習(xí)”的科學(xué)推理能力培養(yǎng)探討——以“動(dòng)能和動(dòng)能定理”的教學(xué)為例[J].物理之友，2017，33（10）：29-31，36.

[4]韓秀英.普通高中物理教學(xué)中學(xué)生科學(xué)推理能力培養(yǎng)的研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2018.

（欄目編輯? ? 廖伯琴）