初中生物理歸納推理的認(rèn)知分析與指導(dǎo)策略

萬婷婷 于海波

摘 要：初中生的物理歸納推理整體上是動態(tài)、循環(huán)的非線性認(rèn)知過程，具體來說可分為信息抽取、歸納加工與識別、假設(shè)生成、調(diào)整修正四個環(huán)節(jié)，每一環(huán)節(jié)又包含幾個具體的認(rèn)知活動.后續(xù)物理教學(xué)可以從挖掘歸納推理素材、巧設(shè)梯度性問題、創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)性活動等方面出發(fā)顯化物理歸納推理教學(xué).

關(guān)鍵詞：初中生;物理歸納推理;認(rèn)知過程;指導(dǎo)策略

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）22-0023-04

基金項(xiàng)目：2019年度北京師范大學(xué)中國基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測協(xié)同創(chuàng)新中心自主課題“初中科學(xué)教師學(xué)科知識測評工具的開發(fā)與應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號：BJZK-2019A3-19010）.

作者簡介：萬婷婷（1995-），女，江西南昌人，碩士，中學(xué)高級教師，研究方向：物理課程與教學(xué)論研究;

于海波（1973-），男，黑龍江七臺河人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：物理課程與教學(xué)論、教師教育研究.

科學(xué)思維能力對于學(xué)生獨(dú)立思考和判斷、分析和解決實(shí)際問題能力的發(fā)展、提升創(chuàng)造力等具有重要作用，歸納推理能力作為科學(xué)推理能力的重要組成部分，也是衡量學(xué)生科學(xué)思維能力的重要指標(biāo).另外，歸納推理是物理教學(xué)中的重要方法[1]，在初中物理教學(xué)中許多概念的建立、規(guī)律的得出都涉及到歸納推理，培養(yǎng)學(xué)生的物理歸納推理能力不僅有助于加深學(xué)生對概念、規(guī)律等的理解，也能促進(jìn)學(xué)生掌握物理方法、形成物理思維.由此看來，分析初中生物理歸納推理的認(rèn)知過程，并提出針對性的指導(dǎo)策略，對于學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)以及物理教育質(zhì)量的提升均具有重要意義.

1 初中生物理歸納推理的認(rèn)知過程

初中生的物理歸納推理并沒有固定的模式，但是其整體上有一定的程序.Sternberg關(guān)于歸納推理的信息加工成分理論認(rèn)為，歸納推理包括編碼、推斷、映射、應(yīng)用、比較、驗(yàn)證和反應(yīng)七種信息加工成分[2].本文結(jié)合物理學(xué)和心理學(xué)相關(guān)理論，從信息加工的視角，提出初中生物理歸納推理的認(rèn)知過程為信息抽取、歸納加工與識別、假設(shè)生成和調(diào)整修正四個相互聯(lián)系的環(huán)節(jié)，如圖1所示.

1.1 信息抽取

物理事實(shí)包括在自然和生活中、物理實(shí)驗(yàn)中客觀出現(xiàn)的物理現(xiàn)象和物理過程等[3]，在信息抽取階段，學(xué)生需要對情境中的物理信息進(jìn)行過濾，剔除無關(guān)信息，識別出與歸納推理任務(wù)相關(guān)的信息，如物理事物的特征與屬性，物理現(xiàn)象、物理過程中蘊(yùn)涵的因果關(guān)系等聯(lián)系.接著將這些信息轉(zhuǎn)化到工作記憶中進(jìn)行編碼與表征，通過初步的分析與比較，提取出相關(guān)的物理特征.在信息抽取階段，學(xué)生若能產(chǎn)生頓悟式的聯(lián)想，就能迅速進(jìn)入假設(shè)生成階段;否則，進(jìn)入到歸納加工與識別階段.

1.2 歸納加工與識別

信息抽取起到初步的定向作用，接下來學(xué)生將物理情境中有關(guān)物理對象特征的信息與認(rèn)知結(jié)構(gòu)中有關(guān)物理對象屬性的信息進(jìn)行匹配，對這些信息做進(jìn)一步的分析和比較，識別其中的相似性與差異性.對于較復(fù)雜的物理情境，可借助分類等方法，構(gòu)建物理對象、特征、屬性之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)，通過分析這些關(guān)系結(jié)構(gòu)之間的相似性尋找規(guī)律.在歸納加工與識別階段，若能成功識別規(guī)律，則進(jìn)入到假設(shè)生成階段;若不能識別規(guī)律，則返回信息抽取階段.

1.3 假設(shè)生成

對于從個別物理事例中識別出的規(guī)律，學(xué)生可以通過聯(lián)想將該規(guī)律做相當(dāng)范圍的擴(kuò)大.聯(lián)想的過程并不是完全隨意、無依據(jù)的，對初中生而言，他們可能會根據(jù)物理特征的相似或物理事物的類屬關(guān)系等內(nèi)在制約關(guān)系，聯(lián)想到自己經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)的物理實(shí)例或者相關(guān)的物理概念或規(guī)律.但是，這一層次的聯(lián)想可能會幫助學(xué)生深入地抓住規(guī)律本質(zhì)，也可能致使學(xué)生混淆.例如，有的學(xué)生能夠以事物內(nèi)在的因果聯(lián)系、制約關(guān)系等為依據(jù)，進(jìn)行聯(lián)想擴(kuò)展，并對其是否能在該范圍上升為一種共性的結(jié)論作出分析、判斷;有的學(xué)生則只根據(jù)表面的相似性，聯(lián)想到一些無內(nèi)在關(guān)聯(lián)的事物，致使推廣的范圍過大甚至出現(xiàn)錯誤.

在聯(lián)想的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過抽象概括，可以建構(gòu)出一般性規(guī)律，提出假設(shè).對于缺乏舉證意識的學(xué)生，到這里便結(jié)束歸納推理;有些學(xué)生則并不滿足于此，而是進(jìn)一步對假設(shè)進(jìn)行調(diào)整修正.

1.4 調(diào)整修正

歸納推理的或然性決定歸納推理的結(jié)論具有可修正性，在調(diào)整修正階段，學(xué)生基于提出的假設(shè)作出預(yù)測，并將其應(yīng)用到新的物理對象上測試假設(shè).若結(jié)果與假設(shè)不符，則對假設(shè)進(jìn)行修改直至相符，提出猜想.假設(shè)修正的方式有兩種：一是對新的物理對象與原有物理對象做更深層次概括，將規(guī)律的適用范圍擴(kuò)大，稱為概括化;二是基于新的物理對象與原有物理對象之間的差異，將規(guī)律的適用范圍縮小，稱為特殊化.學(xué)生若無法修正假設(shè)，則需要回到假設(shè)生成或者歸納加工與識別階段，重新識別規(guī)律并生成新的假設(shè).

歸納推理的可修正性本質(zhì)決定著，在提出猜想后歸納推理仍未真正結(jié)束，而是繼續(xù)對猜想進(jìn)行積極主動的監(jiān)控，反例的發(fā)生不斷推動歸納猜想的調(diào)整和修正.這樣“提出假設(shè)—調(diào)整修正”的循環(huán)發(fā)展，使歸納推理的程度逐步加深，其猜想具有更強(qiáng)的效力.

初中生進(jìn)行物理歸納推理時，往往會按照“信息抽取—?dú)w納加工與識別—假設(shè)生成—調(diào)整修正”的順序進(jìn)行動態(tài)思考.但是元認(rèn)知監(jiān)控著每一階段，時刻調(diào)整歸納推理的方向，使得這四個階段來回往復(fù)、交替進(jìn)行，因此歸納推理是動態(tài)循環(huán)式的過程.這也意味著并非每一個階段都是必經(jīng)的，有時會發(fā)生跳躍，有時也可能從高層次折回低層次進(jìn)行再加工，每一次加工都將推動歸納推理的逐步深化.

2 初中物理歸納推理教學(xué)的指導(dǎo)策略

從學(xué)生思維發(fā)展的角度分析，歸納推理是學(xué)生有效學(xué)習(xí)的必備方法，對學(xué)生思維能力的提高具有促進(jìn)作用[4]，且歸納推理能力發(fā)展的關(guān)鍵期在中學(xué)[5]，因此培養(yǎng)初中生的歸納推理能力符合其思維發(fā)展的特點(diǎn).然而教師在教學(xué)中經(jīng)常忽略物理歸納推理的使用，或者僅僅將歸納推理隱含于概念或規(guī)律的教學(xué)中，而沒有明確地展示物理歸納推理的方法.由于顯性的物理歸納推理教學(xué)的缺乏，學(xué)生雖然也會用歸納推理解決一些問題，但大多是不自覺的、無意識的，沒有形成歸納推理的習(xí)慣[6]，對物理歸納推理通常只有模糊的認(rèn)識.因此，教師需要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，深化對歸納推理的認(rèn)識與理解，認(rèn)識到歸納推理對于學(xué)生理解知識的形成過程、體悟知識中所含思想與方法以及發(fā)展科學(xué)思維能力的重要性，顯化物理歸納推理的教學(xué).

2.1 挖掘歸納推理素材，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識歸納推理

“歸納推理”本身比較抽象，教師必須遵循一定的程序幫助學(xué)生學(xué)習(xí)如何進(jìn)行歸納推理，使他們理解歸納推理的方法.在學(xué)生的生活中、物理教材中蘊(yùn)涵的歸納推理素材十分豐富，教師可以結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知水平，選取恰當(dāng)?shù)臍w納推理實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識和理解歸納推理.具體可以從以下兩個方面進(jìn)行嘗試.

2.1.1 以物理實(shí)例為“引”，使學(xué)生了解歸納推理的程序

初中生雖然沒有學(xué)習(xí)過歸納推理的一般性知識，但在生活中會經(jīng)常接觸到歸納推理.教師可以結(jié)合學(xué)生熟悉的例子，如，“冬至在月頭，大寒年夜交;冬至在月中，天寒也無霜;冬至在月尾，大寒正二月”等諺語，介紹歸納推理的基本形式.還可以結(jié)合具體的物理實(shí)例，做好示范，將全部歸納推理的流程呈現(xiàn)給學(xué)生，明確指出歸納推理的方法，揭示歸納推理的形式、特點(diǎn)和操作過程等，使學(xué)生有章可循，逐步掌握歸納推理的一般方法.

2.1.2 以物理學(xué)史為“導(dǎo)”，使學(xué)生感悟歸納推理的思想

物理學(xué)史能引導(dǎo)學(xué)生追尋科學(xué)家的研究歷程，體驗(yàn)知識的形成過程，讓學(xué)生在理解知識的同時，體會科學(xué)的思維方法.合理選取和組織史料，可以讓物理學(xué)史的背景成為物理歸納推理的情境.在教學(xué)中，教師可以通過創(chuàng)設(shè)歷史情境，使學(xué)生沿著歷史的線索追溯科學(xué)家的歸納推理過程.具體可以圍繞著這些問題展開：這些物理現(xiàn)象的共性是什么？科學(xué)家怎樣將它推廣到更大范圍？如何檢驗(yàn)假設(shè)？若出現(xiàn)反例，反例與假設(shè)的本質(zhì)矛盾是什么？如何調(diào)整修正假設(shè)？教師引導(dǎo)學(xué)生解決這些問題的過程也是讓學(xué)生體驗(yàn)歸納推理的過程.

2.2 巧設(shè)梯度性問題，激發(fā)學(xué)生的歸納推理思維

“學(xué)起于思，思起于疑”.受學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的制約，他們的歸納推理過程往往不太順暢，會出現(xiàn)各種各樣的錯誤，教師需要精心設(shè)計(jì)問題串，讓學(xué)生在問題中思考，在問題中深入探究，使師生的認(rèn)知與思想形成積極的互動.

2.2.1 通過比較型問題，引導(dǎo)學(xué)生識別規(guī)律

歸納推理情境中所呈現(xiàn)的信息一方面可能看似迥異，毫無關(guān)聯(lián)，需要我們從巨大差異中尋找共同本質(zhì).另一方面，可能看似相同，以至于掩蓋其中的區(qū)別，需要我們看清其內(nèi)在的本質(zhì)差異.教師需要引導(dǎo)學(xué)生對各物理事物的特征、屬性進(jìn)行分析、比較，引導(dǎo)學(xué)生識別規(guī)律.因此，教師在教學(xué)過程中可以設(shè)計(jì)一些比較型問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析比較：一是，對事物的形態(tài)、特征進(jìn)行比較，識別事物特征的相似性、差異性，把具有共性的物理對象歸為同一類.例如：“這些物理對象有哪些相似之處？從什么角度分析？是否還能從其他角度進(jìn)行分析？”多角度地找出相似之處.二是，對事物的屬性進(jìn)行比較，識別事物內(nèi)在的、本質(zhì)的聯(lián)系.例如：“這些物理對象都有哪些性質(zhì)？它們有哪些相同的性質(zhì)？”三是，對事物的特征、屬性以及事物與屬性間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行本質(zhì)性比較，使學(xué)生避開胡亂的猜想，“由表及里”地識別出規(guī)律.

2.2.2 通過反思型問題，培養(yǎng)學(xué)生的假設(shè)修正意識

學(xué)生的知識、能力、非智力因素等都可能導(dǎo)致歸納推理的結(jié)論存在例外或完全錯誤，因此，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生梳理思維過程，對假設(shè)進(jìn)行修正.可以圍繞以下問題向?qū)W生提問：提出的假設(shè)是否符合一般常識？它在什么范圍內(nèi)成立？在更大的范圍內(nèi)是否也成立？是否可以對假設(shè)進(jìn)行改進(jìn)？這個現(xiàn)象是否符合假設(shè)？若不符，如何調(diào)整修正假設(shè)？通過這些問題來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行積極的反思和自我監(jiān)控，直到這樣的提問成為學(xué)生的自覺行為.

2.3 創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)性活動，促進(jìn)學(xué)生深度參與歸納推理

歸納推理是一種基于“事實(shí)”的推理，物理實(shí)例、物理現(xiàn)象是歸納推理的根源，需要學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)和親身體驗(yàn).歸納推理能力是一種在潛移默化中形成的能力，不是教師“教”出來的，而是學(xué)生在參與物理活動的過程中“做”出來、“悟”出來的[7].在物理教材中，重要的概念、規(guī)律總是要展示其得出過程，這個過程常常包含歸納推理方法，因此，教師需要深入挖掘并選取教材中蘊(yùn)涵歸納推理的內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的興趣、已有的生活經(jīng)驗(yàn)和思維特點(diǎn)，將物理概念、規(guī)律的學(xué)習(xí)和歸納推理的運(yùn)用融為一體，為學(xué)生深度參與歸納推理創(chuàng)造機(jī)會.

2.3.1 通過物理概念的建立過程，培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)聯(lián)性思維

物理概念是人們對物理世界中的客觀事物、現(xiàn)象、過程的物理共性和本質(zhì)特征的客觀反映和主動建構(gòu)的結(jié)果.其中，通過觀察與實(shí)踐，在豐富的感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，經(jīng)過分析、比較、概括、抽象等思維過程，得出物理概念的過程，即基于感性認(rèn)識的“歸納式”途徑，是建立物理概念的重要途徑[8].因此，教師可以精選物理概念，如“密度”“壓強(qiáng)”“彈力”等作為歸納推理教學(xué)的有效素材.為了能夠及時對學(xué)生出現(xiàn)的問題進(jìn)行針對性矯正，教師可使學(xué)生的推理過程可視化，引導(dǎo)學(xué)生在進(jìn)行歸納推理時，用思維導(dǎo)圖或概念圖將相關(guān)的物理特征、屬性列出來，再按從屬關(guān)系排列，進(jìn)行聯(lián)結(jié)，使之結(jié)構(gòu)化、條理化，從而尋找物理現(xiàn)象及其特征、屬性間的規(guī)律.

2.3.2 通過物理規(guī)律的探究過程，強(qiáng)化歸納推理的應(yīng)用

在初中物理中許多規(guī)律的得出蘊(yùn)涵歸納推理的方法，如“凸透鏡成像的規(guī)律”“決定浮力大小的因素”“研究影響摩擦力大小的因素”等，這是培養(yǎng)初中生物理歸納推理能力的重要渠道.但是，在實(shí)際的物理規(guī)律教學(xué)中，許多教師習(xí)慣在做實(shí)驗(yàn)之前把實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)流程、注意事項(xiàng)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表等事先準(zhǔn)備好發(fā)給學(xué)生，學(xué)生按照教師預(yù)先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)流程一步一步地完成實(shí)驗(yàn)就可以得到規(guī)律[9].久而久之，學(xué)生習(xí)慣于在預(yù)設(shè)好的、缺少探索空間的情境中亦步亦趨，在這樣只管動手、不管動腦的模式中，學(xué)生難以進(jìn)行深層次的歸納推理活動.

歸納推理要經(jīng)過觀察、實(shí)驗(yàn)，得到物理對象的特征與屬性;通過分析、比較事物的相似性與差異性，識別出共性或規(guī)律;再進(jìn)行抽象概括，生成假設(shè);最后對假設(shè)進(jìn)行調(diào)整修正，獲得一般性結(jié)論.因此，教師在教學(xué)中需要把握這四個層次，引導(dǎo)學(xué)生按照“實(shí)驗(yàn)—觀察—識別規(guī)律—提出假設(shè)—調(diào)整修正”的順序進(jìn)行規(guī)律的探究.在探究的過程中，學(xué)生通過對物理現(xiàn)象的觀察、分析，提取出物理對象的特征與屬性等關(guān)鍵特征;通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，尋找數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，并自主進(jìn)行分析、比較，識別出共性或規(guī)律;接著通過抽象概括，生成假設(shè)，并進(jìn)一步思考假設(shè)的適用范圍，思考若出現(xiàn)反例，該如何修正假設(shè)等.在探究物理規(guī)律的過程中使學(xué)生的物理歸納推理活化.

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（收稿日期：2021-07-17）