科學(xué)思維素養(yǎng)視域下培養(yǎng)學(xué)生物理推理能力的實踐研究

黃海峰

【摘要】科學(xué)思維素養(yǎng)要求培養(yǎng)學(xué)生的推理能力，使學(xué)生能夠通過科學(xué)的方法探究物理知識，解決物理問題?；诖?，初中物理教師要設(shè)計符合學(xué)生實際情況的物理教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生自主推理，得出物理結(jié)論，從而發(fā)展物理推理能力。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)思維；推理能力；物理

科學(xué)思維素養(yǎng)是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提出的物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，要求學(xué)生具備一定的推理能力，能夠從物理學(xué)角度運用分析綜合、推理論證等方法對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系進(jìn)行探究，得出物理結(jié)論。本文提出教師應(yīng)基于學(xué)生的認(rèn)知思維、遵循學(xué)生的心理特點、結(jié)合實驗探究活動三個方面開展教學(xué)，從而培養(yǎng)學(xué)生的物理推理能力。

一、基于認(rèn)知思維開展教學(xué)

初中階段的學(xué)生開始從具體思維向抽象思維轉(zhuǎn)變，能進(jìn)行一定的邏輯推理。教師要利用初中生的這一認(rèn)知思維特點引導(dǎo)學(xué)生掌握基本的物理推理方法，如守恒推理、變量推理及演繹推理等，幫助學(xué)生初步發(fā)展推理能力。

（一）守恒推理，理解抽象本質(zhì)

守恒推理要求學(xué)生在事物的某些物理狀態(tài)發(fā)生變化的情況下能夠分析事物變化特征，概括事物抽象本質(zhì)，掌握事物能量守恒不變的特性。

比如，在教學(xué)“彈性勢能”的知識時，教師需要引導(dǎo)學(xué)生分析彈簧伸縮過程中其彈性勢能的變化以及彈性勢能大小與拉力做功的關(guān)系。在進(jìn)行探究之前，教師給學(xué)生講解能量的守恒特性，即事物在物理變化過程中其能量只會在不同形式之間相互轉(zhuǎn)化，而不會憑空消失和出現(xiàn)。學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)，彈簧壓縮時，會有彈力阻礙彈簧的形變發(fā)生，此時彈簧做負(fù)功，相應(yīng)地，其彈性勢能增加……在上述推理中，學(xué)生分析了事物在物理變化過程中其能量與做功之間的相互關(guān)系，從而了解了抽象的物理知識，逐漸掌握了守恒推理方法。

（二）變量推理，分析特定影響

變量推理是指在分析事物的物理變化過程中，通過控制變量的方法分析某種變量對物理現(xiàn)象的特定影響，并通過控制不同的變量實現(xiàn)物理規(guī)律的科學(xué)推理。

比如，在教學(xué)“影響浮力大小的因素”的知識時，教師需要引導(dǎo)學(xué)生分析與浮力大小有關(guān)的物理變量。教師首先讓學(xué)生聯(lián)系一些生活中的現(xiàn)象，如大船的承載量比小船的多，木塊在水中可以漂浮而與木塊相同大小的鐵塊在水中卻會下沉，人在死海中可以漂浮等，并思考浮力大小與物體體積、物體質(zhì)量、物體形狀、液體密度等哪種因素有關(guān)系。接著教師讓學(xué)生進(jìn)行探究，引導(dǎo)學(xué)生使用變量控制法，即在探究某一物理量的關(guān)系式時逐一控制會影響結(jié)果的變量，從而分析在某一種特定變量影響下的物理變化。最后，學(xué)生通過探究確定物體在水中受到的浮力大小只與液體的密度以及物體排開液體的體積有關(guān)。在上述推理中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)控制變量在探究物理量的變化規(guī)律時起到重要的作用，并通過探究發(fā)現(xiàn)物理量的本質(zhì)變化特性，從而發(fā)展了變量推理能力。

（三）演繹推理，驗證假定推論

演繹推理本質(zhì)上是一種假設(shè)—驗證推理過程。這種推理方式需要學(xué)生根據(jù)事物在某種物理變化過程中表現(xiàn)出的特征提出假定推論，在此基礎(chǔ)上設(shè)計探究方案，對假定推論進(jìn)行實驗驗證［1］。

比如，在教學(xué)“牛頓第一定律”的知識時，教師需要讓學(xué)生掌握力與運動的關(guān)系。教師提出問題：“運動物體如果不受其他物體的作用會一直運動嗎？請基于生活經(jīng)驗給出答案?！睂W(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗提出猜想，認(rèn)為物體在光滑的表面上可以運動一段時間，而在粗糙的表面上運動時則很快就會停下來。教師鼓勵學(xué)生在此猜想的基礎(chǔ)上自主進(jìn)行驗證。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，在相同高度的斜面上，同一輛小車在不同的物體如毛巾、玻璃及木板等表面上自由下滑，滑行距離不同，在越是粗糙的物體表面上下滑，小車滑行的距離越短。這就說明粗糙物體表面的阻力更大，其阻礙小車?yán)^續(xù)滑動的效果更明顯。在上述演繹推理中，學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗提出假設(shè)再進(jìn)行驗證，經(jīng)歷了完整的演繹推理過程，發(fā)展了自主演繹推理能力。

二、遵循心理特點開展教學(xué)

初中生往往比較喜歡新奇有趣的東西，難以對枯燥乏味的理論知識保持長久的注意力?？梢姡囵B(yǎng)學(xué)生的物理推理能力，教師就要基于學(xué)生的心理特點設(shè)計具有吸引力的教學(xué)活動，提高學(xué)生參與推理的積極性，增強學(xué)生學(xué)習(xí)物理的內(nèi)驅(qū)力［2］。

（一）創(chuàng)設(shè)生活情境，探索潛在規(guī)律

在物理教學(xué)中創(chuàng)設(shè)生活情境，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，促使學(xué)生充分調(diào)動已有的生活經(jīng)驗進(jìn)行自主探究，從而發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，提升推理能力。

比如，在教學(xué)“運動的相對性”的知識時，教師可以這樣創(chuàng)設(shè)生活情境：“小明與媽媽在商場一起乘坐扶梯上二樓，在上升的過程中發(fā)現(xiàn)自己和媽媽的相對位置沒有變化，但是相對一樓的物體，他們的位置變高了。在這個過程中，小明和媽媽是運動的還是靜止的？”學(xué)生對于乘坐商場扶梯這樣的事例很熟悉，因此能夠結(jié)合平時的生活經(jīng)驗進(jìn)行討論分析。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，不僅是乘坐扶梯會有這樣的現(xiàn)象，平時乘坐汽車也會看到這種現(xiàn)象。在學(xué)生充分討論后，教師告訴學(xué)生物體的運動與靜止必須在一個特定的參考系下才有實際意義，從而引出“運動的相對性”的內(nèi)容。在上述案例中，教師以生活情境作為課堂教學(xué)的切入點，充分地調(diào)動了學(xué)生的生活經(jīng)驗，激發(fā)了學(xué)生的探究熱情，促使學(xué)生深入探究，從而有效地培養(yǎng)了學(xué)生的物理推理能力。

（二）滲透物理故事，增添物理趣味

在物理教學(xué)中，有的教師僅給學(xué)生講授物理原理的內(nèi)容，讓學(xué)生學(xué)會運用物理原理，長期如此容易使學(xué)生出現(xiàn)記憶疲勞。其實，很多物理原理的背后都有生動的小故事。教師可以借助這些故事對學(xué)生開展教育，從而增強物理課堂的趣味性，讓學(xué)生更有興趣學(xué)習(xí)物理，能夠以科學(xué)家為榜樣主動探究物理知識，從而發(fā)展物理推理能力。

比如，在教學(xué)“阿基米德原理”的知識時，教師可以給學(xué)生介紹阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力計算原理的小故事。據(jù)說，阿基米德想要測量王冠的體積，以鑒定王冠是不是由純金打造的，但想了很久都沒想出測量的辦法。有一天，他在浴缸洗澡時看到浴缸的水溢出來，突然就產(chǎn)生了靈感—物體浸在液體中的體積，正是物體排開液體的體積。阿基米德在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實驗，最終測量出了王冠的體積。這個小故事深深吸引了學(xué)生，教師趁機讓學(xué)生學(xué)習(xí)阿基米德原理，探究不同物體在水中排開的液體體積。學(xué)生將相同大小但材質(zhì)不同的物體分別放到盛滿水的量筒中，等物體靜止后取出物體，觀察量筒中的讀數(shù)，得到物體排出液體的體積，由此計算物體受到的浮力大小。在這個案例中，教師通過物理小故事的滲透，讓學(xué)生在感興趣的前提下模擬科學(xué)家的推理過程，自主推理出物理原理，從而感受到物理的魅力。

（三）設(shè)計分層項目，降低學(xué)習(xí)難度

有的初中生在面臨比較復(fù)雜的物理問題時容易出現(xiàn)畏難情緒，從而無法進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理知識。針對此問題，教師要注意分解物理知識，降低知識難度。教師可以設(shè)計分層項目活動，將復(fù)雜的物理問題拆分為多個學(xué)習(xí)項目，引導(dǎo)學(xué)生逐個解決問題，循序漸進(jìn)，從而實現(xiàn)物理推理能力的發(fā)展。

比如，在教學(xué)“滑輪 滑輪組”的知識時，教師需要讓學(xué)生掌握滑輪的特點，了解滑輪的工作原理，并且能夠通過滑輪的靈活組合實現(xiàn)不同的功能，從而解決實際問題。針對這樣復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)，教師可以將其劃分為不同的學(xué)習(xí)項目，避免學(xué)生出現(xiàn)畏難心理，從而降低學(xué)習(xí)主動性。教師先提出難度較低的項目任務(wù)：“探究定、動兩種滑輪的結(jié)構(gòu)，從是否省力和能否改變力的方向兩個角度分析兩種滑輪結(jié)構(gòu)的作用?！苯又處熢偬岢鲭y度更高的項目任務(wù)：“在建設(shè)高樓的過程中，若想將材料運到高處應(yīng)采用什么樣的滑輪組合才能起到省力的作用？”這樣，學(xué)生就能在解決項目的過程中實現(xiàn)由易到難，由淺入深地學(xué)習(xí)，從而增強物理推理的信心，更好地發(fā)展物理推理能力。

三、結(jié)合實驗探究開展教學(xué)

實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分。教師要想更好地培養(yǎng)學(xué)生的物理推理能力，就要讓學(xué)生通過實驗探究活動運用物理原理，使學(xué)生在實踐應(yīng)用中獲得物理推理能力的提升。

（一）調(diào)動感官，發(fā)現(xiàn)實驗細(xì)節(jié)

實驗探究需要學(xué)生認(rèn)真看，仔細(xì)聽，甚至認(rèn)真觸摸感受，從而發(fā)現(xiàn)實驗細(xì)節(jié)。教師在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗操作的時候要注意提醒學(xué)生調(diào)動感官，發(fā)現(xiàn)實驗細(xì)節(jié)，進(jìn)行更加準(zhǔn)確的推理。

比如，在教學(xué)“聲音”的知識時，教師設(shè)計實驗教學(xué)，讓學(xué)生了解聲音的產(chǎn)生和傳播原理。教師引導(dǎo)學(xué)生在一個振膜表面放一些碎紙片，當(dāng)振膜發(fā)聲時觀察紙片的運動細(xì)節(jié)。接著，教師讓學(xué)生分別用固體、液體以及氣體進(jìn)行實驗，感受聲音的傳播特性，通過聽到的聲音的大小推斷不同材料的聲傳播性能。最后，教師通過多媒體設(shè)備播放打雷的視頻，讓學(xué)生觀察閃電出現(xiàn)和聽到雷聲的時間差異，將聲音轉(zhuǎn)化為可通過視覺和聽覺體驗的形式，從而加深學(xué)生對聲音震動傳播本質(zhì)的理解。在上述案例中，教師通過實驗設(shè)計將抽象的實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為直觀可見的內(nèi)容，能夠讓學(xué)生觀察和分析實驗細(xì)節(jié)，從而推理出相應(yīng)的物理規(guī)律。

（二）分析數(shù)據(jù)，量化實驗變化

數(shù)據(jù)分析是總結(jié)實驗結(jié)果、推理現(xiàn)象規(guī)律的重要步驟，對于發(fā)展學(xué)生的物理推理能力有著至關(guān)重要的作用。因此，教師應(yīng)有意識地引導(dǎo)學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)對實驗過程中的現(xiàn)象變化進(jìn)行量化表示，揭示物理現(xiàn)象變化的本質(zhì)。

比如，在教學(xué)“探究重力大小與質(zhì)量的關(guān)系”的知識時，教師設(shè)計實驗引導(dǎo)學(xué)生利用測力計對不同質(zhì)量、不同形狀的測量物展開實驗，探究重力大小與物體的質(zhì)量、形狀和位置的關(guān)系。在實驗過程中，對于每一次測量教師都引導(dǎo)學(xué)生繪制表格，從而展示在不同變量條件下的結(jié)果數(shù)據(jù)。通過分析實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物體質(zhì)量變化時，重力也隨之變化，而不同形狀或者不同材質(zhì)的物體以及物體位置的變化卻不會引起測力計讀數(shù)的改變。最終學(xué)生得出結(jié)論，物體的重力大小只與物體的質(zhì)量有關(guān)。在上述案例中，學(xué)生通過對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，可以明確物理現(xiàn)象背后的數(shù)量關(guān)系，從而快速地推理出相應(yīng)的物理規(guī)律。

（三）對比預(yù)設(shè)，得出實驗結(jié)論

對比預(yù)設(shè)是演繹推理的常見方法，該方法具體為根據(jù)已有的知識基礎(chǔ)，在實驗設(shè)計時設(shè)立不同的對照組，通過對比分析對照組的不同實驗條件和相應(yīng)的實驗現(xiàn)象，演繹推理得出實驗結(jié)論。在此過程中，教師可以培養(yǎng)學(xué)生的推理能力。

比如，在教學(xué)“探究凸透鏡成像的規(guī)律”的知識時，教師根據(jù)放大鏡、望遠(yuǎn)鏡、投影儀等凸透鏡在不同工具中呈現(xiàn)的不同成像效果，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)上述工具差異設(shè)計對照實驗，探究凸透鏡成像的一般規(guī)律。教師設(shè)置了5組不同的對照實驗，其中實驗條件分別為u＞2f、u=2f、2f＞u＞f、u=f、u＜f，要求學(xué)生在實驗中保持其他條件的一致性，探究不同物距和像距組合中的成像顯性，記錄實驗結(jié)果，將實驗結(jié)果與自己的假設(shè)進(jìn)行對比驗證，從而獲得推理結(jié)論。在對比預(yù)設(shè)的實驗中，學(xué)生發(fā)揮自己的認(rèn)知推理能力，根據(jù)不同的條件推理實驗結(jié)果，再自主設(shè)計實驗，驗證自己的猜想。在這個過程中，學(xué)生的推理和探究能力得到了有效地鍛煉。

結(jié)語

綜上所述，在科學(xué)思維素養(yǎng)視域下培養(yǎng)學(xué)生的物理推理能力，要求教師把握學(xué)生的認(rèn)知思維特征和心理特征，并結(jié)合實驗探究引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)活動，讓學(xué)生經(jīng)歷自主推理的過程，從而切實培養(yǎng)學(xué)生的物理推理能力，落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

［1］朱艾剛.注重科學(xué)探究 引導(dǎo)學(xué)生參與：談初中物理課堂如何引導(dǎo)學(xué)生參與［J］.試題與研究，2019（16）：101.

［2］陳麗娟.“雙減”教育政策下初中物理分層布置作業(yè)［J］.學(xué)苑教育，2023（10）：92-93，96.