科學(xué)推理 發(fā)展物理思維能力

楊 驥

(江蘇省南通田家炳中學(xué) 226007)

物理是一門十分注重邏輯思維并且十分需要科學(xué)推理的學(xué)科，只有通過(guò)科學(xué)邏輯的推理才能夠?qū)ξ锢砀拍钜约拔锢硪?guī)律有深刻直觀的理解，能夠清晰地把握各種自然現(xiàn)象背后所涉及的物理學(xué)規(guī)律，能夠在實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景聯(lián)系到物理方法.因此，教師應(yīng)該在教學(xué)過(guò)程中注重加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)，善于通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析、反向推理、等效替換等形式來(lái)提高學(xué)生的科學(xué)推理能力，進(jìn)而滲透物理核心素養(yǎng)，不斷提升高中物理課的教學(xué)質(zhì)量.

1 動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，形成知識(shí)表象

在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中最先接觸的就是各種各樣的現(xiàn)象，之后才會(huì)通過(guò)感知、知覺(jué)等得到的表象推理得出對(duì)應(yīng)物理知識(shí)概念，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象觀察正是科學(xué)推理的出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)也是物理學(xué)科的核心內(nèi)容之一.因此，教師應(yīng)該著重加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)同學(xué)們?cè)趧?dòng)手實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中感知所出現(xiàn)的現(xiàn)象，將這些現(xiàn)象在腦海中形成知識(shí)表象，完成物理知識(shí)概念的推理.

比如，在講解“光的偏振”這一小節(jié)時(shí)，為了加深同學(xué)們對(duì)于光的偏振原理的理解，把握這一概念形成的過(guò)程，在課堂上通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)展開教學(xué).在課堂上首先請(qǐng)同學(xué)們利用手中的兩片偏振片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察在轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)偏振片時(shí)所透過(guò)的光強(qiáng)度有什么變化.在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)中同學(xué)們發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)動(dòng)其中一片時(shí)，通過(guò)的光強(qiáng)會(huì)在某一點(diǎn)完全消失，而在與這一個(gè)角度相差九十度的地方會(huì)達(dá)到最強(qiáng)，此時(shí)完成了實(shí)驗(yàn)想象的感知.之后對(duì)自然光的波動(dòng)方向和偏振片的原理進(jìn)行講解，同學(xué)們這才恍然大悟，原來(lái)光通過(guò)第一片時(shí)由于只有一個(gè)震動(dòng)方向可以通過(guò)，因此全方向的自然光就變成了偏振光，而另一片在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)與第一片的偏振方向由重合到垂直不斷變化，所以就出現(xiàn)了最后光強(qiáng)由低到高又到低的變化趨勢(shì).在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生能更直觀地了解到振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性叫做偏振的物理概念，教學(xué)效果較好.

2 分析數(shù)據(jù)，探索隱性規(guī)律

數(shù)學(xué)與物理是具有較強(qiáng)聯(lián)系性的兩門學(xué)科.物理是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科，諸多物理規(guī)律都是通過(guò)公式數(shù)字的方式給出的，同樣的物理規(guī)律的探索也離不開對(duì)數(shù)字的分析.只有對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)深入分析，探索其中隱含的數(shù)字規(guī)律，學(xué)生才能更好地推理得出相應(yīng)的物理規(guī)律.因此，教師在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)深入分析，探索數(shù)字之間在某一特定條件下具有的相等、倍率等數(shù)學(xué)關(guān)系，從而推理得出物理結(jié)論.

數(shù)學(xué)是物理研究的工具和手段.物理現(xiàn)象中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)當(dāng)中隱含著現(xiàn)象背后所對(duì)應(yīng)的物理規(guī)律，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是直觀地探索現(xiàn)象背后隱含物理規(guī)律的有效方法，同時(shí)在分析數(shù)據(jù)的過(guò)程中還可以加強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力.同時(shí)，學(xué)生對(duì)于數(shù)據(jù)的分析還非常考驗(yàn)學(xué)生的數(shù)學(xué)計(jì)算能力及對(duì)數(shù)學(xué)公式與原理的應(yīng)用，有利于加強(qiáng)數(shù)學(xué)與物理學(xué)科的融合，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展.

3 反向歸謬，改變已有條件

物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，許多的物理結(jié)論和規(guī)律都是在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上歸納得出的，應(yīng)用反向歸謬的思維方式，不斷的改變已有的實(shí)驗(yàn)條件去驗(yàn)證自己的猜想正是物理學(xué)科的獨(dú)特魅力.因此，教師在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)條件及對(duì)應(yīng)現(xiàn)象，并進(jìn)行反向歸謬針對(duì)自己的猜想改變以有條件進(jìn)行驗(yàn)證，切實(shí)地幫助學(xué)生掌握這一物理思維方式，提高其科學(xué)推理能力.

在物理教學(xué)中單一的知識(shí)點(diǎn)講解很難引起學(xué)生的共鳴，更有效地方法是引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中自己探究得出結(jié)論.因此，教師應(yīng)該結(jié)合教學(xué)內(nèi)容不斷改進(jìn)創(chuàng)新與優(yōu)化教學(xué)方式，充分地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)同學(xué)們不斷地對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和條件進(jìn)行反向歸謬，歸納總結(jié)不同條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推理得出對(duì)應(yīng)的結(jié)論.

4 類比應(yīng)用，獲得具體方法

類比應(yīng)用是物理學(xué)科當(dāng)中經(jīng)典的推理方法之一，它是指根據(jù)兩個(gè)或兩類對(duì)象有部分屬性相同，從而推出它們的其他屬性也相同的推理，這種推理方法也是解決問(wèn)題過(guò)程中開拓思路的一種主要途徑.

比如，在講解“電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系”這一小節(jié)時(shí)，在課前為了幫助同學(xué)們更清晰地感受到電勢(shì)與電場(chǎng)力做功的關(guān)系，首先讓同學(xué)們回憶在學(xué)重力勢(shì)能相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)重力勢(shì)能和重力做功之間的關(guān)系，之后類比到電場(chǎng)當(dāng)中去.同學(xué)們首先想到在重力場(chǎng)中兩個(gè)不同高度位置處的重力勢(shì)能差就等于從高處下落到低處時(shí)重力所做的功，也就是說(shuō)重力勢(shì)能Ep=mgh，其中h為兩點(diǎn)之間的高度差.將這一結(jié)論與電場(chǎng)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行類比，同學(xué)們會(huì)由此進(jìn)行聯(lián)想并推導(dǎo)得出結(jié)論，在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差等于電荷在兩點(diǎn)之間移動(dòng)時(shí)電場(chǎng)力所做的功，公式表達(dá)為W=FL=qEd，其中q為電荷帶電量，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，d表示兩點(diǎn)之間的距離.通過(guò)這樣的方式，學(xué)生不僅通過(guò)類比推理得出了電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，還回顧了重力勢(shì)能的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，加深了知識(shí)印象，教學(xué)效果較好.

通過(guò)類比的方法可以將已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)遷移到與之類似的新知識(shí)當(dāng)中，這樣不僅可以加快新知識(shí)教學(xué)中的基本原理導(dǎo)入，還能夠使學(xué)生在類比探究得出結(jié)論的過(guò)程中獲得更滿足的學(xué)習(xí)體驗(yàn).

5 得出結(jié)論，建立認(rèn)知模型

模型建構(gòu)是物理科學(xué)推理思維的另一種不可或缺的方法，通過(guò)建構(gòu)模型可以實(shí)現(xiàn)各部分知識(shí)點(diǎn)的歸納，將問(wèn)題條件進(jìn)行抽象得到一種統(tǒng)一的模型表達(dá)，之后學(xué)生就可以借助模型對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)知識(shí)點(diǎn)獲得更加全面的認(rèn)知.因此，教師在教學(xué)過(guò)程中不能局限于單一知識(shí)的講解，而應(yīng)該抽象得出結(jié)論，建立認(rèn)知模型，培養(yǎng)學(xué)生利用模型進(jìn)行推導(dǎo)分析的能力.

比如，在講解“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”這一小節(jié)時(shí)，由于學(xué)生在生活中經(jīng)常聽(tīng)到“振動(dòng)”這個(gè)詞匯，這樣的運(yùn)動(dòng)形式在生活中非常常見(jiàn).在探究的過(guò)程中同學(xué)們發(fā)現(xiàn)無(wú)論是鐘擺還是彈簧運(yùn)動(dòng)中都具有以下三個(gè)特征：物體只受到一個(gè)力的作用；物體的運(yùn)動(dòng)具有周期性；運(yùn)動(dòng)存在一個(gè)中心點(diǎn)，在遠(yuǎn)離中心點(diǎn)時(shí)物體受到阻礙運(yùn)動(dòng)的力.結(jié)合以上三點(diǎn)結(jié)論引導(dǎo)學(xué)生建立簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物理認(rèn)知模型，在遇到相似問(wèn)題是就可以依據(jù)模型依次對(duì)照問(wèn)題條件是否滿足模型當(dāng)中的幾個(gè)結(jié)論，從而快速地對(duì)問(wèn)題進(jìn)行定性認(rèn)知分析.

可見(jiàn)，對(duì)多個(gè)案例進(jìn)行分析總結(jié)得出其中含有的共同結(jié)論，從而實(shí)現(xiàn)認(rèn)知模型的構(gòu)建是一種行之有效地科學(xué)推理方法，不僅可以是學(xué)生對(duì)相關(guān)結(jié)論有更深刻地理解，還能助力同學(xué)們掌握一種快速求解問(wèn)題的方法，提升自己的物理推理思維能力.因此，教師要善于將案例分析與模型建構(gòu)的教學(xué)方法結(jié)合起來(lái)，幫助學(xué)生提升物理學(xué)習(xí)能力與解題能力.

6 等效替換，尋找最優(yōu)途徑

等效替換法在力的合成與分解、運(yùn)動(dòng)的合成與分解、等效場(chǎng)、等效電源等知識(shí)點(diǎn)及物理題目中的應(yīng)用比較廣泛，它指的是學(xué)生可以在保證在保證效果、特性或關(guān)系相同的前提下，把陌生、復(fù)雜的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單、熟悉的物理現(xiàn)象，這往往可以起到優(yōu)化解題的作用效果.

例如，物理題目是這樣的：由消防水龍帶的噴嘴噴出水的流量是0.28 m3/min，水離開噴口時(shí)的速度大小為16 m/s，方向與水平面夾角為60°，在最高處正好到達(dá)著火位置，忽略空氣阻力，則空中水柱的高度和水量分別是(重力加速度g取10 m/s2)( ).

A.28.8 m；1.12×10-2m3B.28.8 m；0.672 m3

C.38.4 m；1.29×10-2m3D.38.4 m；0.776 m3

要想解答這道題目，關(guān)鍵點(diǎn)在于學(xué)生如何理解與轉(zhuǎn)化消防水龍帶的噴嘴噴出水柱這一生活現(xiàn)象，對(duì)于傾斜向上的水柱，學(xué)生可以等效替換為平拋運(yùn)動(dòng)，正確答案為A選項(xiàng).

也就是說(shuō)，等效替換法的核心是“等效”，基本思路是用已知的、簡(jiǎn)單的物理效果來(lái)替代另一個(gè)未知的、較難的、復(fù)雜的物理效果，以此來(lái)達(dá)到化難為易的作用效果.學(xué)生在學(xué)習(xí)很多物理概念與原理時(shí)需要用到物理模型，在基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)與理解更復(fù)雜的物理知識(shí)，這其實(shí)體現(xiàn)的也是等效變換的思想.因此，教師要幫助學(xué)生從龐雜的高中物理知識(shí)體系中歸納、篩選出可變換的物理模型，讓學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用等效替換法來(lái)降低問(wèn)題的難度，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)推理能力與發(fā)散性思維能力的良好發(fā)展.

綜上所述，科學(xué)推理能力是物理學(xué)科重要的核心素養(yǎng)之一，在教學(xué)過(guò)程中滲透與強(qiáng)化科學(xué)推理能力是培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力，提高課堂教學(xué)效率的有效手段.因此，教師在教學(xué)過(guò)程中要有針對(duì)性地開展科學(xué)推理能力的指導(dǎo)，幫助學(xué)生掌握模型建構(gòu)、歸納總結(jié)、類比分析等推理方法，以此來(lái)發(fā)展學(xué)生的物理思維能力，并為培養(yǎng)與提升學(xué)生的高中物理核心素養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).