科學(xué)思維視域下初中生物理推理能力的培養(yǎng)

黃海峰

科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分，而物理推理能力是學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中不可或缺的一種基礎(chǔ)能力。新時代背景下，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是物理教學(xué)的重要內(nèi)容。通過科學(xué)推理，學(xué)生能夠用科學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)物理問題，并通過探索和推理解決實際問題。本文探討了科學(xué)思維視域下初中生物理推理能力的培養(yǎng)策略，以供參考。

一、物理推理能力的類型

初中生的物理推理能力可以分為守恒推理、變量推理和演繹推理三類。

（一）守恒推理，概括抽象本質(zhì)

守恒推理要求學(xué)生認(rèn)清事物的本質(zhì)特征，在事物的某些物理狀態(tài)發(fā)生變化的情況下，從本質(zhì)特征出發(fā)，對其變化過程中的物理量變化特征進(jìn)行分析，概括抽象本質(zhì)，利用事物本質(zhì)守恒不變的特性進(jìn)行分析與推理。能量守恒是最常見的守恒屬性之一，結(jié)合能量變化的守恒特性，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的守恒推理能力。

（二）變量推理，分析特定影響

變量推理是指分析物理變化過程中某種變量的屬性，并且在該變化過程中與多個變量存在物理關(guān)系時，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，進(jìn)而科學(xué)推理物理規(guī)律?？刂谱兞糠椒ㄊ且环N重要的推理方法，在物理實驗探究和規(guī)律探索中有著至關(guān)重要的作用。在初中物理教學(xué)中，教師可以建立物理量變化受到單一變量影響的過程模型，指導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用控制變量的方法探究物理量的本質(zhì)變化特性。

（三）演繹推理，驗證假定推論

演繹推理本質(zhì)上是一種從假設(shè)到驗證的推理過程，這種推理方式需要學(xué)生根據(jù)一些特征信息提出假定推論，在此基礎(chǔ)上設(shè)計探究方案，對其進(jìn)行實踐驗證。這不僅可以充分鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)探究能力，還可以讓學(xué)生經(jīng)歷完整的演繹推理過程，培養(yǎng)學(xué)生的演繹推理能力。

二、培養(yǎng)初中生物理推理能力的策略

初中階段學(xué)生的心理思維特征正處于由具體運(yùn)算階段向形式運(yùn)算階段過渡的時期，這一心里思維特征對課堂教學(xué)中的科學(xué)推理能力滲透提出了新的要求。教師應(yīng)針對學(xué)生的心理思維特征，設(shè)計具有充足吸引力的學(xué)習(xí)活動，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展。

（一）設(shè)置生活情境，探索潛在規(guī)律

科學(xué)推理能力的培養(yǎng)離不開學(xué)生的自我驅(qū)動，教師應(yīng)通過創(chuàng)設(shè)生活情境，調(diào)動學(xué)生的生活經(jīng)驗，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，引導(dǎo)學(xué)生在自主探究活動中發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，提高科學(xué)推理能力。在課堂教學(xué)中，教師將生活問題和生活現(xiàn)象作為素材，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。

例如，在講解蘇科版初中物理八年級上冊第五章第四節(jié)“運(yùn)動的相對性”時，教師可以引入下面的生活情境：小明在商場與媽媽一起乘坐扶梯，在上升的過程中發(fā)現(xiàn)自己與媽媽的相對位置沒有變化，但是相對下一層的物體提升了一層的高度，發(fā)生了位置變化，請問在這個過程中小明是運(yùn)動的還是靜止的？乘坐商場的自動扶梯是學(xué)生非常熟悉的一種生活情境，通過問題聯(lián)系學(xué)生已有的生活經(jīng)驗，可以促使學(xué)生積極參與探究活動，直觀地體驗運(yùn)動的相對性，并通過分析得出結(jié)論，即物體的運(yùn)動與靜止必須在一個特定的參考系下才有實際意義。由此可見，以生活情境為課堂教學(xué)的切入點，可以充分調(diào)動學(xué)生的生活經(jīng)驗，為學(xué)生的深入探究和推理提供有力的抓手，從而有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力。

（二）滲透物理學(xué)史，生成責(zé)任意識

縱觀物理學(xué)發(fā)展史，每一種物理規(guī)律的提出都是科學(xué)家們在不斷探索的過程中通過科學(xué)推理得出的結(jié)論，這一過程蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)推理觀念和社會責(zé)任意識。在初中物理教學(xué)實踐中，教師巧用物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)背景知識，不僅能夠提升學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)，還能夠在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力的同時增強(qiáng)學(xué)生的責(zé)任意識，強(qiáng)化學(xué)生對物理推理過程的感受。

以蘇科版初中物理八年級下冊第十章“壓強(qiáng)和浮力”相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)為例，教師在講解阿基米德原理時，可以結(jié)合阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力計算原理的科學(xué)推理過程，引導(dǎo)學(xué)生通過情景再現(xiàn)的方式，用測量浮力的方法判斷某種物體質(zhì)地是否純凈，并參照物理學(xué)史中的規(guī)律探索過程，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計以下實驗：用大小相同材質(zhì)不同的物體做漂浮試驗，將不同的物體分別放到盛滿水的量筒中，當(dāng)物體靜止后取出，觀察量筒中的讀數(shù)，得到排出液體的體積，并嘗試計算此時物體受到的浮力大小。通過這次實驗探究，學(xué)生推理得出不同的物體在液體中漂浮時排開的液體重力恰好與其受到的浮力大小相等，并利用該原理檢測了物體的質(zhì)地是否純凈。通過物理學(xué)史的滲透，學(xué)生可以在真實情境中經(jīng)歷科學(xué)家的推理過程，直觀地感受科學(xué)推理的巨大作用及物理探索對社會發(fā)展的重大意義。

（三）融合項目學(xué)習(xí)，解決具體問題

初中階段學(xué)生的心智發(fā)展不成熟，他們在面臨比較復(fù)雜的物理問題時往往會出現(xiàn)畏難情緒。針對這一問題，教師應(yīng)當(dāng)設(shè)計項目式學(xué)習(xí)活動，將復(fù)雜的物理問題作為一個項目拆分為多個環(huán)節(jié)，在多環(huán)節(jié)逐漸推進(jìn)的過程中促進(jìn)學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展。

以蘇科版初中物理九年級上冊第十一章第二節(jié)“滑輪”一課為例，在講解相關(guān)內(nèi)容時，教師需要讓學(xué)生掌握滑輪的概念，理解不同滑輪對做功帶來的變化，并且能夠通過滑輪組的靈活組合實現(xiàn)不同的功能，從而解決實際問題。針對這一復(fù)雜的學(xué)習(xí)要求，教師可以根據(jù)項目式學(xué)習(xí)理念將其劃分為不同的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，避免學(xué)生由于畏難心理等降低學(xué)習(xí)主動性。首先，教師通過多媒體設(shè)備展示相關(guān)圖片和視頻，讓學(xué)生建立滑輪的物理概念，認(rèn)識定、動兩種滑輪的結(jié)構(gòu)。其次，教師通過受力分析，引導(dǎo)學(xué)生理解兩種滑輪的物理作用，即分別能夠起到改變力的方向和省力的作用。最后，教師結(jié)合實際問題引導(dǎo)學(xué)生分析滑輪組，計算滑輪組帶來的省力效果及移動距離的改變。在項目式學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過逐個環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)探索，可以很快達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，從而解決具體問題。

（四）立足實驗教學(xué)，培養(yǎng)應(yīng)用能力

實驗教學(xué)是物理學(xué)科的基礎(chǔ)，是物理推理能力應(yīng)用的基本場景，因此，科學(xué)思維視域下的物理推理能力培養(yǎng)應(yīng)注重實驗教學(xué)的實踐運(yùn)用。教師要立足實驗教學(xué)，鼓勵學(xué)生在實踐應(yīng)用中獲得物理科學(xué)推理的直觀體驗，從而提高學(xué)生的物理推理能力。

1.調(diào)動感官，觀察實驗細(xì)節(jié)。實驗教學(xué)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在可以調(diào)動多重感官，通過實驗探究，學(xué)生的物理學(xué)習(xí)不再是局限于課本中枯燥的描述，而是直觀可見、可操作的多種感官經(jīng)驗。因此，教師應(yīng)注重實驗操作設(shè)計，強(qiáng)化學(xué)生的體驗，通過對細(xì)節(jié)的感受提高學(xué)生應(yīng)用科學(xué)推理的能力。教師可以合理地設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，使學(xué)生實現(xiàn)多種感官之間的相互轉(zhuǎn)換，在吸引學(xué)生注意力的同時放大實驗細(xì)節(jié)，助力學(xué)生對推理細(xì)節(jié)的把握。例如，在教授蘇科版初中物理八年級上冊第一單元“聲現(xiàn)象”相關(guān)內(nèi)容時，教師可以設(shè)計實驗教學(xué)，讓學(xué)生感受聲音的產(chǎn)生和傳播原理，深化學(xué)生對聲音的本質(zhì)認(rèn)知。在設(shè)計實驗時，教師可以先在一個振膜表面放一些碎紙片，當(dāng)振膜發(fā)聲時，讓學(xué)生觀察紙片的狀態(tài)，然后分別用固體、液體和氣體感受聲音的傳播特性，最后通過多媒體設(shè)備播放打雷的視頻，讓學(xué)生觀察看到閃電和聽到雷聲的時間差，從而將不可見的聲音轉(zhuǎn)化為可通過視覺、聽覺和觸覺直觀體驗的實驗細(xì)節(jié)，加深學(xué)生對聲音震動傳播本質(zhì)的理解。教師通過實驗設(shè)計，將抽象的實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為直觀可見的內(nèi)容，有助于學(xué)生分析實驗細(xì)節(jié)，通過細(xì)節(jié)分析推理得出對應(yīng)的物理規(guī)律。

2.辨識數(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，對于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析和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)生辨識實驗結(jié)果數(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，揭示物理變化的本質(zhì)。學(xué)生通過辨識實驗數(shù)據(jù)結(jié)果中的變化關(guān)系，可以掌握變量守恒或控制變量的推理思路。比如，在教授蘇科版物理八年級下冊第八章第二節(jié)“重力 力的示意圖”時，教師可以設(shè)計相關(guān)實驗，引導(dǎo)學(xué)生利用測力計及不同質(zhì)量和不同形狀的測量物，探究重力大小與質(zhì)量、形狀和位置的關(guān)系。在實驗進(jìn)程中，教師要指導(dǎo)學(xué)生將每一次的測量結(jié)果繪制成表格，形成不同變量條件下的結(jié)果圖。通過觀察重力大小在三種單一變量下的結(jié)果，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)量變化時，重力也隨之變化，而不同形狀、不同材質(zhì)的物體及物體位置的變化不會引起測力計讀數(shù)的改變，由此得出“物體的重力大小只與質(zhì)量有關(guān)”的結(jié)論。教師還可以指導(dǎo)學(xué)生將記錄結(jié)果繪制為圖形，進(jìn)一步對物體質(zhì)量和重力之間的關(guān)系進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)兩者是線性關(guān)系，可以表示為G=mg，其中g(shù)是重力常數(shù)。通過對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，學(xué)生可以了解物理現(xiàn)象背后的數(shù)量關(guān)系，從而推理出相應(yīng)的物理規(guī)律。

3.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，該方法具體體現(xiàn)為，教師根據(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，在對比預(yù)設(shè)的過程中達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生推理能力的目的。對比預(yù)設(shè)實驗方式可以應(yīng)用于物理實驗中。例如，在講解蘇科版初中物理八年級上冊第四章第三節(jié)“凸透鏡成像的規(guī)律”時，教師可以根據(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，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)上述工具差異設(shè)計對照實驗，探究其成像的一般規(guī)律。按照物距與焦距的關(guān)系，教師可以指導(dǎo)學(xué)生設(shè)置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，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，然后根據(jù)現(xiàn)象假設(shè)不同條件下的結(jié)果，進(jìn)而記錄實驗結(jié)果，將實驗結(jié)果與假設(shè)進(jìn)行對比驗證，從而獲取最直接的推理經(jīng)驗。在對比預(yù)設(shè)的實驗過程中，學(xué)生既需要發(fā)揮自己的認(rèn)知推理能力，根據(jù)不同條件推理實驗結(jié)果，又需要自主設(shè)計實驗來驗證自己的猜想。在這個過程中，學(xué)生的推理能力和探究能力均能得到有效鍛煉。

結(jié)語

科學(xué)思維視域下培養(yǎng)初中生的物理推理能力，需要教師重視學(xué)生的心理思維特征和認(rèn)知能力的發(fā)展，發(fā)揮實驗環(huán)節(jié)在科學(xué)推理能力滲透中的作用，切實培養(yǎng)學(xué)生的物理推理能力，落實初中物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需求。

（作者單位：江蘇省南通市啟秀中學(xué)）