基于核心素養(yǎng)的推理論證題的解答

何德強

(北京市第八十中學(xué) 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(jù)對所研究的問題進行描述、解釋和預(yù)測，并建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系，是培養(yǎng)科學(xué)思維能力的重要題型.學(xué)生對這類看似明知故問的題型大多還不太適應(yīng)，在此筆者基于高中物理核心素養(yǎng)的要求，并結(jié)合近年來高考中的這類題目進行特點分析，總結(jié)解答此類題的思路和方法.

1 基于核心素養(yǎng)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(fā)表文章“基于高考評價體系的物理科考試內(nèi)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(gòu)能力、實驗探究能力、創(chuàng)新能力5種新的關(guān)鍵能力.5種關(guān)鍵能力既是對《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)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(fā)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?zāi)芰Φ恼虾蜕A，模型建構(gòu)能力和創(chuàng)新能力則是根據(jù)物理教學(xué)實際和時代發(fā)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(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題能力的相關(guān)要求已經(jīng)融入新的關(guān)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(yǎng)與物理考核的關(guān)鍵能力

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)對物理核心素養(yǎng)作了全面細致闡述，在科學(xué)思維與科學(xué)探究中都對“推理論證”進行了重點闡述.科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式；是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)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(xué)領(lǐng)域的具體運用；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格.“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.科學(xué)探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力.“科學(xué)探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素.

科學(xué)論證是指“運用證據(jù)對所研究的問題進行描述、解釋和預(yù)測，以及建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系”[2].推理論證不僅是核心素養(yǎng)的要素，而且也是物理關(guān)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(xué)的發(fā)展可以說就是建立在推理論證的基礎(chǔ)上的，科學(xué)家不僅要明確所觀察到的現(xiàn)象(證據(jù))，提出自身的觀點(結(jié)論)，更是要找出能夠把現(xiàn)象和觀點相互聯(lián)系起來的科學(xué)原理(推理過程)，以便形成合乎邏輯的科學(xué)解釋，使其在科學(xué)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(jù)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(jié)論，不能含混不清，觀點不明，如果出現(xiàn)拿不準(zhǔn)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(jù)要充分.在清楚前提和條件的基礎(chǔ)上，看所論證的事件是否符合常識、原理和規(guī)律，有時還要利用數(shù)學(xué)圖像、推導(dǎo)、實驗等已有的結(jié)論作為證據(jù).

(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(guān)知識都寫上去，最好是先循著題目的要求發(fā)現(xiàn)其漏洞攻其要害(或找其突破)，接著要說清論證的因果關(guān)系(或邏輯聯(lián)系)，還要注意規(guī)范恰當(dāng)?shù)谋硎?，比如對誰，在什么條件下，哪個過程，有何問題，得出什么結(jié)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(chǔ)上提出自己的主張，基于證據(jù)進行實質(zhì)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(xué)性.根據(jù)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(lián)系,三是注意表述要點.現(xiàn)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(jì)末，伽利略就猜想落體運動的速度應(yīng)該是均勻變化的.當(dāng)時只能靠滴水計時，為此他設(shè)計了如圖2所示的“斜面實驗”，反復(fù)做了上百次，驗證了他的猜想.請你結(jié)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(dāng)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(lián)系：要通過實驗找到速度與時間的關(guān)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(guān)聯(lián)，且必須從可測的量入手，題中所提示的時間顯然是聯(lián)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(shù)關(guān)系，而x與平均速度也是一次函數(shù)關(guān)系，那怎么就能說明v與t是一次函數(shù)關(guān)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(dāng)時也根本不可能測出來)，所以答題中一定要出現(xiàn)“從靜止釋放”這個條件，而且由于初速度為零，上述一次函數(shù)就變?yōu)檎壤瘮?shù)了.尤其要注意，題中的“請你結(jié)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(dāng)時并不確切知道勻變速直線運動的規(guī)律，連伽利略也只是猜想，他反復(fù)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(yù)設(shè)的條件和環(huán)境.

【高考閱卷參考答案】

如果小球的初速度為零，假設(shè)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(shè)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(wèi)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?yōu)樽鰣A周運動，請分析原因.

【點撥分析】

(1)題目意圖：這個題的關(guān)鍵是一系列相關(guān)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(wèi)星)，漸變的原因及其對應(yīng)關(guān)系是什么呢？需要考生去揭示它們之間的邏輯聯(lián)系或者因果關(guān)系.

(2)邏輯聯(lián)系：題中出現(xiàn)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(tài)的條件，即物體所滿足的初狀態(tài)及其受力方程；二是根據(jù)運動規(guī)律求解相關(guān)物理量，亦即運動方程).不難看出本題的關(guān)鍵是“揭示運動狀態(tài)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(nèi)在的邏輯聯(lián)系呢？這就是我們要論述的關(guān)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(yīng)呢，由于物體在地球表面某個小范圍內(nèi)重力幾乎不變，且與初速度垂直，當(dāng)然可以滿足做平拋運動的條件.人造衛(wèi)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(yīng)呢？即使你說的不那么準(zhǔn)確，但只要在推理論證中明確揭示出這種對應(yīng)的邏輯聯(lián)系(因果關(guān)系)，也可以得到可觀的分數(shù).

【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(dāng)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(wèi)星.

【例3】回旋加速器模型，如圖3所示，根據(jù)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(yīng)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(fā)現(xiàn)：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(yīng)開始顯現(xiàn)，粒子的質(zhì)量隨著速度的增加而增大.結(jié)合這一現(xiàn)象，分析在粒子獲得較高能量后，為何加速器不能繼續(xù)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(lián)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(xù)使粒子加速？可能是原來能持續(xù)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(fā)生變化了.

2)邏輯聯(lián)系：回旋加速器能周而復(fù)始得以持續(xù)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(shè)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(zhì)量)的變化引起二者不匹配，從而破壞了周而復(fù)始、持續(xù)加速的條件.

【閱卷參考答案】

可得

從該周期公式發(fā)現(xiàn)，速度增加，粒子的質(zhì)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(dǎo)致無法持續(xù)加速.

3 結(jié)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(jié)論我們是清楚的，關(guān)鍵是要根據(jù)題目條件找到各物理量的邏輯聯(lián)系并用恰當(dāng)規(guī)范的語言嚴(yán)謹?shù)乇硎龀鰜?

推理論證不僅是科學(xué)本身的有機組成部分，而且通過推理論證過程能夠幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用所學(xué)的科學(xué)知識，推理論證提供了一條能夠?qū)?nèi)隱思維策略外顯化的有效途徑，這樣可以促進學(xué)生更高層次思維能力的發(fā)展.推理論證還能幫助學(xué)生對周圍環(huán)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(chǔ)[3].