科學(xué)創(chuàng)新視野下科學(xué)推理核心素養(yǎng)培養(yǎng)策略探索*

黃國(guó)龍

(寧波市鎮(zhèn)海中學(xué) 浙江 寧波 315200)

1 科學(xué)創(chuàng)新視野下科學(xué)推理特點(diǎn)和作用

科學(xué)創(chuàng)新需要通過對(duì)現(xiàn)象的分析來(lái)發(fā)現(xiàn)和提出問題、形成假設(shè)，并且設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(或運(yùn)用理論)驗(yàn)證(或論證)假說，然后得出結(jié)論并應(yīng)用規(guī)律，最后建立理論體系等[1]．科學(xué)創(chuàng)新活動(dòng)需要依靠科學(xué)推理，推理是科學(xué)思維的一種基本形式，指的是由一個(gè)或幾個(gè)已知的判斷(前提)推出新判斷(結(jié)論)的方法及過程．從邏輯角度分析，科學(xué)推理主要包括歸納推理、演繹推理和類比推理3種方式．在物理學(xué)探究過程中，物理學(xué)家運(yùn)用科學(xué)推理來(lái)實(shí)施物理創(chuàng)新活動(dòng)，取得了很多重大的創(chuàng)新成果．

1.1 運(yùn)用科學(xué)推理發(fā)現(xiàn)和提出科學(xué)問題

發(fā)現(xiàn)和提出問題是科學(xué)探究開端，物理學(xué)家常運(yùn)用演繹推理導(dǎo)致悖論來(lái)揭示原有物理理論隱含的矛盾，從而發(fā)現(xiàn)和提出探究問題．例如，普朗克運(yùn)用特殊化推理(頻率無(wú)限大)導(dǎo)出原有黑體輻射能量分布趨于無(wú)限大(與實(shí)驗(yàn)矛盾)，揭示了原有經(jīng)典理論隱含矛盾．

1.2 運(yùn)用科學(xué)推理提出科學(xué)猜想

科學(xué)猜想是一種理性思維過程，物理學(xué)家運(yùn)用科學(xué)推理來(lái)提出科學(xué)猜想．例如，盧瑟福運(yùn)用類比推理提出原子核式結(jié)構(gòu)猜想．麥克斯韋根據(jù)變化磁場(chǎng)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電場(chǎng)，進(jìn)行一般化推理，提出變化磁場(chǎng)在空間產(chǎn)生感生電場(chǎng)的猜想．

1.3 運(yùn)用科學(xué)推理驗(yàn)證(論證)科學(xué)猜想

物理家運(yùn)用歸納推理來(lái)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證科學(xué)猜想得出物理規(guī)律，運(yùn)用演繹推理論證科學(xué)猜想，揭示物理理論間自洽聯(lián)系．例如，開普勒在對(duì)第谷觀察行星運(yùn)動(dòng)半徑和周期相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，嘗試運(yùn)用歸納推理方法得出行星運(yùn)動(dòng)的第三定律．牛頓綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)和牛頓運(yùn)動(dòng)定律、開普勒三大定律進(jìn)行演繹推理論證行星做橢圓運(yùn)動(dòng)一般情形下引力平方反比猜想．

1.4 綜合多種科學(xué)推理 探究物理規(guī)律 建立理論體系

伽利略在研究落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，先運(yùn)用一般化推理探究得出斜面上物體勻變速規(guī)律，再運(yùn)用特殊化推理，回歸揭示自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律．麥克斯韋在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)律基礎(chǔ)上，推廣提出變化磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，創(chuàng)新提出位移電流概念，借助類比、演繹推理建立4個(gè)電磁場(chǎng)方程組，建立電磁理論體系．

2 培養(yǎng)要求和內(nèi)容分析

2.1 培養(yǎng)要求

從物理核心素養(yǎng)角度審視，科學(xué)推理是物理科學(xué)思維核心素養(yǎng)一重要組成部分[2]，鑒于科學(xué)推理在科學(xué)創(chuàng)新活動(dòng)中重要作用，現(xiàn)行物理教學(xué)中缺乏科學(xué)創(chuàng)新高階科學(xué)推理核心素養(yǎng)的研究與實(shí)踐．因而，很有必要探索科學(xué)創(chuàng)新視野下科學(xué)推理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的途徑和策略．

學(xué)生學(xué)習(xí)物理過程和物理學(xué)家科學(xué)創(chuàng)新過程雖然在探究目標(biāo)上、探究難度上是不同的，但認(rèn)識(shí)過程和思維方式具有相似性．因而，可根據(jù)科學(xué)創(chuàng)新過程中科學(xué)推理的特點(diǎn)和作用，分析確定科學(xué)創(chuàng)新視野下物理教學(xué)中科學(xué)推理核心素養(yǎng)具體內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)推理來(lái)實(shí)施物理創(chuàng)新活動(dòng)，從而深度培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理核心素養(yǎng)．

2.2 內(nèi)容分析

鑒于對(duì)科學(xué)推理核心素養(yǎng)的上述分析思考，筆者針對(duì)表1中3種科學(xué)推理特點(diǎn)，分析給出基于科學(xué)創(chuàng)新要求的科學(xué)推理核心素養(yǎng)具體內(nèi)容，為科學(xué)創(chuàng)新視野下科學(xué)推理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)明確了目標(biāo)和方向．

表1 3種科學(xué)推理特點(diǎn)

3 途徑策略探索

3.1 在物理知識(shí)教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)推理核心素養(yǎng)

(1)創(chuàng)設(shè)猜想教學(xué)情境，運(yùn)用類比推理提出猜想

物理教材中包含了較多運(yùn)用類比推理提出科學(xué)猜想的教學(xué)內(nèi)容，在新知識(shí)教學(xué)中應(yīng)充分挖掘和利用這些課程資源，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用類比推理提出新的猜想，從而明確探究方向，揭示新舊知識(shí)聯(lián)系．

教學(xué)案例1——運(yùn)用類比推理提出電磁振蕩周期猜想．

探究問題：LC電磁振蕩周期與哪些因素有關(guān)？定量關(guān)系如何？

定性猜想：引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用原有知識(shí)提出周期T與自感L和電容C定性關(guān)系猜想，L和C越大，T越大．

類比猜想：彈簧振子與LC振蒎電路類比如表2所示.

1)向?qū)W生展示彈簧振子振動(dòng)過程和LC電磁振蕩過程相似情景；

2)引導(dǎo)學(xué)生理解“力學(xué)慣性”和自感中“電學(xué)慣性”的相似性，揭示兩種慣性表現(xiàn)物理量(速度和電流)和大小量度物理量(質(zhì)量m和自感L)相似性，揭示動(dòng)能和磁場(chǎng)能的相似性；

4)最后再引導(dǎo)學(xué)生對(duì)兩種振動(dòng)模型的周期進(jìn)行類比推理，根據(jù)振動(dòng)相關(guān)量相似性提出LC振蕩電路周期猜想

通過表2中類比推理，不僅揭示兩種模型中相關(guān)知識(shí)和物理過程聯(lián)系，還有效地培養(yǎng)了學(xué)生類比推理核心素養(yǎng)．

表2 類比推理

(2)構(gòu)建論證猜想物理情境，運(yùn)用演繹推理論證猜想

新知識(shí)教學(xué)中，在構(gòu)建論證猜想的物理情境基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有物理理論結(jié)合演繹推理來(lái)論證猜想，推出新的物理規(guī)律，揭示新舊物理規(guī)律間聯(lián)系，有效培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理核心素養(yǎng)

教學(xué)案例2——運(yùn)用演繹推理論證“機(jī)械能守恒猜想”．

高中物理必修2教材中在展示了小球動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出：“小球動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化是否守恒？”問題．針對(duì)學(xué)生提出“動(dòng)能和勢(shì)能總量保持不變”這一猜想，可以構(gòu)建自由落體運(yùn)動(dòng)、光滑斜面、光滑曲面(教材中)等物理情景，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用動(dòng)能定理和演繹推理來(lái)論證機(jī)械能守恒猜想．為了論證更一般情形下機(jī)械能守恒，揭示機(jī)械能守恒的條件，深度培養(yǎng)學(xué)生演繹推理核心素養(yǎng)，再構(gòu)建如下物理情景引導(dǎo)學(xué)生論證機(jī)械能守恒猜想．

拓展論證1：論證動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化情形下機(jī)械能守恒猜想．

【構(gòu)建論證情境1】如圖1所示，質(zhì)量為m小球懸掛于勁度系數(shù)為k的輕質(zhì)彈簧下端，空氣阻力不計(jì)．在彈力和重力作用下振動(dòng)．

圖1 構(gòu)建論證情境1

【演繹推理，論證猜想】運(yùn)用功能關(guān)系和動(dòng)能定理進(jìn)行演繹推理：小球在某一過程中動(dòng)能增量滿足

W合=WG+W彈=ΔEk

結(jié)合

WG=-ΔEG

W彈=-ΔE彈

得

-ΔEG-ΔE彈=ΔEk

即

ΔE機(jī)=ΔEG+ΔE彈+ΔEk=0

即小球與彈簧組成系統(tǒng)機(jī)械能守恒．

拓展論證2：揭示機(jī)械能守恒的條件．

【構(gòu)建論證情景2】質(zhì)量為m小球在傾角為θ斜面上由靜止沿斜面向下運(yùn)動(dòng)，受到阻力恒為f．

【演繹推理，揭示守恒條件】運(yùn)用動(dòng)能定理等知識(shí)進(jìn)行演繹推理：物體向下運(yùn)動(dòng)s過程中動(dòng)能增量為

W合=ΔEk=(mgsinθ-f)s

重力勢(shì)能增量為

ΔEp=-mgssinθ

ΔE機(jī)=ΔEk+ΔEp=-fs

物體下滑過程中機(jī)械能減小，不守恒．綜合正面論證和反面證偽，提出一般情形機(jī)械能守恒定律，揭示適用的條件，不僅加深了對(duì)機(jī)械能守恒定律認(rèn)識(shí)，而且有效地培養(yǎng)學(xué)生演繹推理核心素養(yǎng)．

3.2 在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)推理核心素養(yǎng)

科學(xué)推理在設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出規(guī)律、間接測(cè)量極端條件物理量等環(huán)節(jié)中起著十分重要的作用，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)科學(xué)推理核心素養(yǎng)重要領(lǐng)域．要精選物理實(shí)驗(yàn)課程資源，加強(qiáng)在物理實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)中進(jìn)行科學(xué)推理策略的教學(xué)，通過運(yùn)用多種科學(xué)推理來(lái)解決實(shí)驗(yàn)問題，有效培養(yǎng)科學(xué)推理核心素養(yǎng)．

(1)運(yùn)用特殊化推理處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，間接求解特殊物理量

當(dāng)某兩個(gè)物理量間存在線性關(guān)系時(shí)，可以通過測(cè)量常規(guī)條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出線性圖線，進(jìn)行特殊化推理，間接測(cè)量某些較難測(cè)量的物理量．

教學(xué)案例3——運(yùn)用特殊化推理處理“探究加速度與外力關(guān)系”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

【實(shí)驗(yàn)問題1】如圖2所示，水平木板與小車間動(dòng)摩擦系數(shù)較小，以質(zhì)量為M的小車為研究對(duì)象，探究小車加速度a與重物重力F=mg關(guān)系．測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示．

圖2 實(shí)驗(yàn)問題1情境圖

表3 F與a的實(shí)驗(yàn)裝置

請(qǐng)作出a-F圖線，由a-F圖線求出小車受到的阻力．

【特殊化推理，求解特殊物理量】教師運(yùn)用Excel軟件作出如圖3所示a-F圖線，并把圖線進(jìn)行外推，與F軸相交，圖線在F軸的截距就是小車受到阻力，即f≈0.10 N．

圖3 a-F圖像

(2)運(yùn)用歸納推理處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出物理規(guī)律

歸納推理結(jié)合線性化方法是處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證(或證偽)猜想的有效方法，通過歸納推理不僅加深對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)，而且有效地培養(yǎng)學(xué)生歸納推理核心素養(yǎng)．運(yùn)用歸納推理處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)常用的方式有線性化比值歸納法和線性化圖像擬合法．

教學(xué)案例4——運(yùn)用歸納推理處理“探究加速度與外力關(guān)系”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出a與F定量關(guān)系．

【實(shí)驗(yàn)問題2】請(qǐng)?zhí)幚韺?shí)驗(yàn)問題1中數(shù)據(jù)，得出加速度a與合力F定量關(guān)系．

【歸納推理，得出規(guī)律】通過圖線外推間接測(cè)量小車受到阻力后，修正小車5次受到合力分別為F0與相對(duì)應(yīng)加速度a如表4所示．引導(dǎo)學(xué)生分別運(yùn)用如下2種歸納推理處理數(shù)據(jù)得出a與F0關(guān)系．

表4 修正后的F0與a

圖像歸納擬合法．教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用Excel軟件作出如圖4所示a-F0圖線，得出擬合關(guān)系式為a=2.03F0，得出加速度與合力成正比．

圖4 a-F0圖像

3.3 在習(xí)題教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)推理核心素養(yǎng)

在物理習(xí)題教學(xué)中，精選和創(chuàng)設(shè)包含多種科學(xué)推理的物理問題，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用歸納和演繹、歸納和類比、演繹和類比以及不同數(shù)學(xué)工具組合等進(jìn)行推理來(lái)創(chuàng)新解答復(fù)雜、疑難物理問題，簡(jiǎn)化解題過程，深度培養(yǎng)高階科學(xué)推理核心素養(yǎng)．

教學(xué)案例5——組合歸納推理和演繹推理嚴(yán)密完整解答物理問題．

【物理問題】如圖5所示，材料表面上方矩形區(qū)域PP′N′N充滿豎直向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)，寬為d；矩形區(qū)域NN′M′M充滿垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，長(zhǎng)為3s，寬為s；NN′為磁場(chǎng)與電場(chǎng)之間的薄隔離層．一個(gè)電荷量為e，質(zhì)量為m，初速為零的電子，從P點(diǎn)開始被電場(chǎng)加速經(jīng)隔離層垂直進(jìn)入磁場(chǎng)，電子每次穿越隔離層，運(yùn)動(dòng)方向不變，其動(dòng)能損失是每次穿越前動(dòng)能的10%，不計(jì)電子所受重力．A是M′N′的中點(diǎn)，若要使電子在A和M′間垂直于AM′飛出，求電子在磁場(chǎng)區(qū)域中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間．

圖5 教學(xué)案例5物理問題情境圖

【分析】解答這個(gè)問題時(shí)，首先需要運(yùn)用歸納推理求出電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑一般通項(xiàng)，然后運(yùn)用演繹推理求解在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)位移，再運(yùn)用不等式演繹推理求出整數(shù)n．有些學(xué)生缺乏歸納推理未能寫出半徑通項(xiàng)，有些學(xué)生缺乏不等式演繹推理未能揭示整數(shù)n的具體取值，導(dǎo)致解題失敗或錯(cuò)誤．

【歸納推理】電子第1次進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)運(yùn)動(dòng)半徑滿足

(1)

(2)

第2次運(yùn)動(dòng)半徑滿足

(3)

(4)

第n次運(yùn)動(dòng)半徑滿足

(5)

(6)

令電子第n次經(jīng)四分之一圓周垂直打到M′N′上，水平方向總位移為x滿足

x=2r1+2r2+…+2rn-1+rn=

2r1[1+k+k2+…+k(n-2)]+r1k(n-1)

(7)

【演繹推理】

推理1：對(duì)式(7)運(yùn)用等比數(shù)列求和得

(8)

推理2：要使電子在A與M′間垂直飛出，要求

(9)

由式(6)、(8)化簡(jiǎn)得

[20-19kn-1]r1=3s

(10)

由式(6)、(8)、(9)推得

(11)

解得n=2,3．

推理3：要求滿足

(12)

解得n=3．

推理4：運(yùn)動(dòng)時(shí)間滿足

(13)

(14)

解得

通過上述1次歸納推理和4次演繹推理，不僅正確、完整、嚴(yán)密地解答這個(gè)復(fù)雜疑難問題，而且深度培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用歸納和演繹推理解答物理問題的核心素養(yǎng)．