在科學探究中培養(yǎng)初中生科學推理能力的教學策略

摘?要：理想的科學課堂探究通過實驗活動與邏輯推理的交互來實現(xiàn)，讓學生像科學家一樣在做中學，在做中思。初中生處在抽象邏輯思維發(fā)展的關鍵期，在科學探究中培養(yǎng)初中生的科學推理能力意義重大，然而，我國卻存在初中生科學推理能力薄弱和推理教學策略缺失的問題。對此，本文梳理了科學推理和科學推理能力內(nèi)涵，從科學知識、推理機制、推理依據(jù)、推理任務四要素出發(fā)探討教學策略，提出通過建構知識經(jīng)驗框架、呈現(xiàn)邏輯推理案例、構建層次化問題鏈、注重模型與論證等策略，培養(yǎng)初中生科學推理能力，為科學教師在探究活動中進行推理教學提供參考。

關鍵詞：科學推理;教學策略;科學推理能力;推理機制

當今時代，科技更新和知識爆炸加劇了全球教育和學習危機，單純的知識積累已不能解決復雜問題，而能力才是人才競爭力和可持續(xù)發(fā)展的保證。21世紀以來，世界各國紛紛開展新一輪科學教育改革，希望培養(yǎng)掌握高階思維和問題解決能力的人才。美國《K12科學教育框架：實踐、交叉概念和核心概念》提出從科學工程實踐、跨學科概念、核心概念三維度重建中小學科學教育，培養(yǎng)學生科學思維和實踐能力。《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》指出，科學教育要培養(yǎng)尊重事實和證據(jù)，邏輯清晰，能運用科學的思維方式認知事物、解決問題的人才?？茖W推理是科學思維的核心，在探究性教學中培養(yǎng)學生的科學推理能力是正確認識科學探究教學、提升思維教學水平和促進學生推理能力發(fā)展的重要舉措。

自新課改以來，“自主、合作、探究”教學模式已成為中小學科學課堂教學的主要形式，為做中學提供了沃土，然而，初中科學探究教學并未取得預期的效果。研究表明，我國初中生的科學推理能力整體較薄弱，說明科學推理教學策略有缺失。究其原因，大部分初中科學教師雖認同“做中學”和科學推理教學的意義，但對于科學推理和科學推理能力內(nèi)涵缺乏系統(tǒng)認知，在實踐上欠缺培養(yǎng)策略。按照皮亞杰的認知發(fā)展階段論，初中生正在從“具體運算階段”向“形式運算階段”轉(zhuǎn)變的關鍵期，能進行抽象邏輯推理。怎樣設計推理任務和教學策略能有效提升初中生的科學推理能力，值得教育者重點思考。

一、 科學推理與科學推理能力

推理是由一個或幾個已知判斷推出新判斷的邏輯思維過程，是人認識世界、做出決策的重要思維手段，推理無處不在。日常生活中，公眾的日常推理遵循一定的原理，但推理結果卻并不總是科學可靠的。例如，人常根據(jù)空氣濕度判斷是否下雨，根據(jù)他人行為舉止推理其職業(yè)。在科學課堂中，學生在實驗探究的“收集證據(jù)、做出假設、設計實驗、得出結論”全過程、概念理解過程統(tǒng)統(tǒng)需要科學推理能力的支持。在科學世界中，科學家需要通過實驗和邏輯思辨探索未知，獲得并解釋科學發(fā)現(xiàn)，提出規(guī)律公理。以上三種情境中，推理的難度和邏輯成本依次增大。實際上，比起日常推理，科學推理更加關注前提與結論的科學性、推理邏輯的嚴謹性，以及對理性、實證精神的感悟。因此，科學推理能力的形成和進階是一個長期過程，需要抓住抽象邏輯思維的關鍵期，通過課堂教學來專門培養(yǎng)。

“科學推理”最早由皮亞杰在認知發(fā)展理論中提出，認為人的認知水平發(fā)展到形式運算階段（12-15歲以后）才能進入到科學推理能力發(fā)展階段?？茖W推理的定義有很多說法，但核心一致。科學推理是對理論進行歸納、演繹，通過探究進行驗證，得出結論的過程。庫恩提出，科學推理可以廣義地定義為有意義的知識尋求和理論與證據(jù)的協(xié)調(diào)?？茖W推理按照思維方向可分三類，有合情推理（歸納推理、類比推理）和演繹推理。合情推理是由具體情境出發(fā)的創(chuàng)造性推理，結果不一定為真。其中，歸納推理是由特殊推理一般，用于概念獲得，有簡單枚舉法、不完全歸納法等形式;類比推理是由特殊推理特殊，找尋共同要素。演繹推理是由一般推理特殊的必然性推理，前提通常已蘊涵結論，應用于模型建構等過程，有三段論等形式。也就是說，科學推理的關鍵詞是證據(jù)、邏輯、知識尋求和問題解決。

科學推理能力是學生通過假設演繹等邏輯規(guī)則展開探究和社會性建構能力。國際科學推理能力量表通常將該能力分解為七大子能力，有守恒推理、比例推理、控制變量推理、高級控制變量推理、概率推理、相關性推理和演繹推理能力，對應類比、假說演繹等七種機制。推理機制是推理的核心和準繩，拋棄機制就是“主觀猜測”，不具有科學意義。科學定律的發(fā)現(xiàn)離不開科學家的科學推理。例如，法拉第根據(jù)不完全歸納推理法發(fā)現(xiàn)了電磁感應原理;孟德爾利用假說演繹推理法發(fā)現(xiàn)了兩大遺傳定律;薩頓利用類比推理法提出基因位于染色體上的假說。

科學探究課堂是培養(yǎng)推理能力的主要陣地，如何在探究教學中培養(yǎng)學生的科學推理能力？本論文主要參照王璐霞在《物理學科科學推理能力的模型建構及測量工具探討》中提出的科學推理能力構成模型，發(fā)現(xiàn)“推理任務、依據(jù)、機制、科學知識”會影響能力，且這四要素也相互作用。

二、 培養(yǎng)初中生科學推理能力的教學策略

（一）緊扣核心概念建構知識框架，引出并改造已有經(jīng)驗，提升科學推理的科學性

1. 緊扣學科核心概念，建構知識框架

知識是能力生成的本源，學生的科學推理能力應與科學知識建構、經(jīng)驗學習相統(tǒng)一。按照建構主義理論，知識并不是學習者依照課本復刻地記憶，而是通過厘清新舊概念關聯(lián)，將新知識添加到頭腦中已有的認知框架中而產(chǎn)生的。因此，建構知識框架，對于學生后續(xù)知識理解和做出決策意義重大。

初中科學課程涉及五大領域，有大量觀點、現(xiàn)象、概念，但學生的精力有限，不可能去理解、記憶每一個知識。因此，教師需要緊扣最有價值的核心內(nèi)容，忽略無意義的知識碎片，帶領學生建構一些整體性知識框架?！犊茖W教育的原則和大概念》一書中14個大概念和美國《K12科學教育框架：實踐、交叉概念和核心概念》提出的核心概念總結了科學核心知識，代表科學的核心思想方法。這些上位概念（例如力的相互作用、能量、生態(tài)系統(tǒng)）能細分出多個子概念，為知識框架提供根系，利于新知識的添加和辨析。例如，通過探究“各種形式力的相互作用”可以深化學生對力的理解和建構力學框架，指導“運動與力”推理實踐。

2. 引出并改造已有經(jīng)驗，科學化表達經(jīng)驗信念

學生對新經(jīng)驗的解釋依賴于原有經(jīng)驗信念，當兩者產(chǎn)生沖突時，學生進行改編整合，以尋求一致。而先入為主的舊經(jīng)驗通常根深蒂固，不易改變，若舊經(jīng)驗是不科學的，會干擾理解，造成認知誤區(qū)。初中生的生活和科學實踐經(jīng)驗是零散、感性、不嚴謹?shù)?，如果不加改造，可能會自相矛盾。例如，學生將質(zhì)量和重量兩概念混為一談，阻礙重力的學習;看到養(yǎng)花要澆水施肥，認為植物的能量來源于土壤，影響光合作用教學。

因此，教師應通過提問，引出學生經(jīng)驗認知，暴露認知沖突，促進學生對已有經(jīng)驗進行批判性思考。隨后，通過矛盾的對比和科學實驗檢驗知識，用科學語言、符號表示經(jīng)驗規(guī)則提升科學性。例如，發(fā)現(xiàn)“同樣環(huán)境下的鐵塊摸起來比木塊冰，說明鐵溫度更低”和“鐵塊和木頭溫度計測溫結果相同”的經(jīng)驗沖突，區(qū)分“熱量、溫度、導熱”概念，將“溫度”表述為“溫度計測得的冷熱程度，不能傳遞”，將熱量表述為“系統(tǒng)與外界的熱學相互作用，可傳遞”可解決困惑。

（二）關注機制的顯性教學和案例應用，識別機制選擇情境，提升科學推理的規(guī)范性

1. 關注機制的顯性教學和案例應用，積累經(jīng)典推理案例

推理機制蘊含著嚴謹?shù)倪壿媽W標準，能提供探究的邏輯起點和思路，應作為科學教學過程和方法目標來抓。但是，演繹三段論、不完全歸納法等機制在課本上并未系統(tǒng)介紹，機制學習依賴于教學。初中生思維簡單片面，缺乏規(guī)范，難以識別應用推理情境，推理邏輯混亂，不會方法遷移，與推理機制顯性教學的缺失有著密切聯(lián)系。

近年來，教師多開展隱性方法教學，潛移默化地滲透推理規(guī)則。顯性教學的缺失，導致學生對于如何嚴謹推理存在困惑，難以進行方法遷移，而顯性方法教學又顯得枯燥刻板。因此，教師應當改進教學方式，采取“隱性引導—顯性教學—多案例應用”方法，先隱形教學，讓學生直接感受推理思維的來龍去脈，增強推理動機和信心;再反思、總結推理機制的條件，簡化復雜問題，將邏輯步驟顯性化、可視化表達;最后，另舉他例對邏輯步驟進行多次遷移訓練，將推理機制穩(wěn)固地存儲在長時記憶里。

2. 識別機制選擇的知識和情境條件，熟練選擇推理機制

科學推理機制的選擇與具體的知識、情境有關。例如，在多變量實驗中探究影響因素的實驗需要控制變量推理，探究系統(tǒng)能量問題常采用守恒推理等。經(jīng)典推理案例儲存著問題解決的步驟和情境，可供借鑒，便于方法遷移和創(chuàng)造性推理。在日常教學中，教師通過引導學生總結建立經(jīng)典案例庫，并自如地提取、借鑒和添加案例，案例貴精不貴多。例如，初中生最初接觸控制變量推理是在探究“液體的擴散快慢與溫度的關系”，教師可引導學生歸納變量的相關關系，控制無關變量。當學生熟練掌握該原理后，后續(xù)的“液體蒸發(fā)快慢的影響因素”研究性實驗可以借鑒推理經(jīng)驗，實現(xiàn)推理機制的遷移。

（三）注重實驗現(xiàn)象、變量關系和模型可視化，開展口頭論證，提升科學推理的自主性

1. 注重實驗現(xiàn)象、變量關系，可視化建構科學模型

德理弗（Driver）認為，科學推理有基于現(xiàn)象的推理、基于關系的推理、基于模型的推理三個層級。在初中課堂中，基于現(xiàn)象的推理關注現(xiàn)象和解釋的合理性，培養(yǎng)問題和證據(jù)意識?；陉P系的推理關注實驗過程和變量關系，探究因果與相關關系，教師應幫助學生改變關鍵變量，控制無關因素，考查科學規(guī)律。

科學模型比現(xiàn)象關系更抽象、深入原理，基于模型的推理更具創(chuàng)造性?？茖W模型以一些科學系統(tǒng)、過程、實物或概念為原型，是進行抽象、類比獲得的簡化表達，是學生預言和解決問題的重要依據(jù)，按表達方式分為物理、概念、數(shù)學模型三類?？茖W教學離不開模型建構與應用。教師應利用實物、圖畫等物理模型，幫助學生創(chuàng)造概念圖等概念模型，促進科學探究和概念理解的意義建構;通過推導公式、繪制圖表、讀取圖像等，用符號化語言建立數(shù)學模型，并在科學練習中考查。教師應講授如何識別、應用、選擇、轉(zhuǎn)換以及建構模型。例如，在“氣壓”一課中通過與水壓類比，建立大氣壓的概念模型并應用模型解釋大氣壓的方向和大小;在“原子結構模型”一課中，通過與棗糕、西瓜、實心球、云類比，修正原子結構模型，逐漸接近微觀世界原貌。

2. 圍繞模型展開口頭論證，讓學生表達推理的邏輯

人的視覺抓取的是圖像化的整體表達，而人的語言是線性的邏輯表達，學生能夠用概念圖、實物模型等表征科學原理，也并不代表他們掌握了科學模型所代表的全部意義。圍繞模型開展口頭論證，需要注意以下三點：首先，圍繞模型開展口頭論證，要求學生用線性邏輯重新表述模型中的要素關系，幫助心理圖式與科學模型進行互動，學生不僅要在頭腦中重新理解模型，更要深入挖掘模型隱含的推論，做出修正改進。第二，口頭論證提供了個體間知識辯護機會，將課堂互動由師生問答轉(zhuǎn)向同伴提問，學生需要從正反角度考量，自信地立論并設法反駁對方論點，有利于自信心和合作精神的培養(yǎng)。第三，教師應以教練的角色規(guī)定論證交流的時間和范圍，對學生模型論證的能力進行綜合評價。例如，在“用粒子模型描述物質(zhì)的三態(tài)”一課中，學生已構建了固體、氣體、液體物質(zhì)的粒子模型，能直觀地看到氣態(tài)水的微粒間距最大，最容易被壓縮。隨后，教師可以引導學生論證“水的三態(tài)轉(zhuǎn)化中，微粒的個數(shù)和大小改變了嗎”，或是“溫度與粒子間距之間的關系”，以促進學生對于動態(tài)相變原理的認知，使學生的心理圖式更加完善。

（四）設置問題鏈引導深入推理，開放探究促進多元探索，提升科學推理的層次性

1. 根據(jù)推理教學重點和認知規(guī)律，設置問題鏈引導思維層層深入

問題鏈是圍繞教學目標，基于教學重難點和學生認知順序，由教師在課前精心設計的有中心、有順序、相互獨立又相互關聯(lián)的一組問題。在推理任務中設置問題鏈，注重每一問的質(zhì)量，是新手教師提升教學能力的法寶。首先，教師要將完整的探究活動分解為一個個階段性任務，引領學生開展條理性的推理探究。第二，問題鏈的設計為核心概念和方法學習服務，各問題的深度、角度需要有層次性，不僅暴露學生的前概念和思維困境，激發(fā)推理動機，還要注重對證據(jù)的質(zhì)疑過程、推理結論的邏輯、選擇策略的原理。第三，問題鏈的表述要盡量簡明有趣、生活化，多反問設問。例如，《物質(zhì)的溶解》一課中，可設計“白糖為什么不能繼續(xù)溶解了？飽和溶液一定不能繼續(xù)溶解溶質(zhì)嗎？不飽和溶液如何轉(zhuǎn)化成飽和溶液呢？飽和溶液一定是濃溶液嗎？”四個問題層次，讓學生感悟科學的思維美。

2. 增強問題的開放性，給學生自主探究空間

科學推理學習本質(zhì)上是由學生主動提出、思辨、解決問題。若學生只是配合老師解題，推理能力難以發(fā)展，與學生生活相關的問題能讓課堂教育更生動、自主。開放的問題設計能釋放自主推理空間，幫助學生認識到思維局限性，讓學生發(fā)現(xiàn)自己的困惑，不要求全班統(tǒng)一的回答，重要的是師生雙方圍繞問題，進行多元的、多角度的、多層次的探索發(fā)現(xiàn)。同時，教師需要傾聽、思考，積極反饋學生的認知發(fā)展。

在科學探究教學中關注推理思維的培養(yǎng)，通過推理任務問題化、推理依據(jù)模型化、推理機制顯性化、科學知識框架化等策略改進課堂教學，有利于中學生的實踐能力和科學思維相互促進，實證精神和邏輯思維共同發(fā)展。學生科學推理能力的發(fā)展不是一蹴而就的，應從中小學思維發(fā)展關鍵期抓起，讓“做中學”理念落到實處。需注意的是，科學思辨邏輯結構的一致性并不一定能保證結果的準確性，教師應告知學生推理結果存在局限和例外，科學理論還是要在實驗和實踐中進行驗證。

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作者簡介：喬丹璇，上海市，華東師范大學教師教育學院。