科學(xué)推理能力和物理問(wèn)題解決能力的對(duì)比研究

李振華

（廣東理工學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東 肇慶 526100）

0 引言

科學(xué)推理和物理問(wèn)題解決是教育的兩個(gè)重要目標(biāo)，且都是理解科學(xué)概念，適應(yīng)現(xiàn)實(shí)生活和工作需要的關(guān)鍵能力。科學(xué)推理能力涵蓋了從數(shù)據(jù)和證據(jù)中獲取信息，生成和評(píng)價(jià)理論，形成科學(xué)論證等一系列過(guò)程。物理問(wèn)題解決能力則涉及運(yùn)用物理原理，分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力[1]。然而，盡管科學(xué)推理能力和物理問(wèn)題解決能力都被視為關(guān)鍵的學(xué)習(xí)能力，但二者之間的關(guān)聯(lián)性、相互影響的程度，以及各自在教育實(shí)踐中的具體作用，至今仍是一個(gè)有待深入研究的問(wèn)題。

科學(xué)推理能力和物理問(wèn)題解決能力被視為是科學(xué)素質(zhì)的重要組成部分。科學(xué)推理能力是對(duì)科學(xué)知識(shí)的深層理解，是在理解科學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用邏輯思維，對(duì)科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分析和解釋的能力。物理問(wèn)題解決能力不僅是對(duì)物理知識(shí)理解和應(yīng)用的體現(xiàn)，而且是對(duì)科學(xué)素質(zhì)的直接考核。科學(xué)推理能力和物理問(wèn)題解決能力的提高，對(duì)于培養(yǎng)具有科學(xué)素質(zhì)的人才具有重要的意義。然而，在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中，科學(xué)推理能力和物理問(wèn)題解決能力之間的關(guān)聯(lián)性和相互影響的程度并不清楚[2]。此外，如何通過(guò)教學(xué)和學(xué)習(xí)策略來(lái)提高這兩種能力，也是教育工作者關(guān)注的重點(diǎn)。因此，本研究從理論和實(shí)踐兩個(gè)層面進(jìn)行深入地探索，期望能為教育實(shí)踐提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 科學(xué)推理與物理問(wèn)題解決能力的定義

1.1 科學(xué)推理能力的定義與特征

科學(xué)推理能力是指?jìng)€(gè)體在面對(duì)科學(xué)問(wèn)題和現(xiàn)象時(shí)，運(yùn)用邏輯和批判思維進(jìn)行分析、解釋和預(yù)測(cè)的能力。它是一種基于證據(jù)和科學(xué)知識(shí)進(jìn)行思考和決策的能力，強(qiáng)調(diào)在證據(jù)的支持下形成和評(píng)估解釋，生成和測(cè)試預(yù)測(cè)，以及解決問(wèn)題和決策。

科學(xué)推理能力的主要特征包括：①基于證據(jù)的思考：科學(xué)推理的核心在于運(yùn)用證據(jù)進(jìn)行思考，在對(duì)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行解決時(shí)，科學(xué)推理不僅需要收集和理解相關(guān)的事實(shí)和數(shù)據(jù)，而且需要對(duì)這些證據(jù)進(jìn)行批判性的分析和解釋；②問(wèn)題解決和決策：科學(xué)推理能力不僅用于理解科學(xué)現(xiàn)象，也被廣泛應(yīng)用于日常生活和職業(yè)決策中，在面對(duì)問(wèn)題和決策時(shí)，科學(xué)推理能力可以幫助個(gè)體基于證據(jù)和科學(xué)知識(shí)來(lái)形成解決方案和決策；③批判思維：科學(xué)推理需要批判性的思維，這不僅包括對(duì)證據(jù)的批判性分析，也包括對(duì)自己的思考過(guò)程和結(jié)果的反思和審查；④邏輯性：科學(xué)推理注重邏輯性，在科學(xué)推理過(guò)程中，個(gè)體需要根據(jù)科學(xué)知識(shí)和證據(jù)，運(yùn)用邏輯規(guī)則進(jìn)行推理；⑤動(dòng)態(tài)性：科學(xué)推理是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，隨著證據(jù)的增加和科學(xué)知識(shí)的更新，科學(xué)推理的結(jié)果可能會(huì)發(fā)生改變。

1.2 物理問(wèn)題解決能力的定義與特征

物理問(wèn)題解決能力是指?jìng)€(gè)體在面對(duì)涉及物理知識(shí)和原理的問(wèn)題時(shí)，能夠有效地應(yīng)用物理概念、定律和公式，通過(guò)分析、推理、計(jì)算等方式找出問(wèn)題的解決方案的能力[3]。這是一種特定領(lǐng)域的問(wèn)題解決能力，需要個(gè)體具備一定的物理知識(shí)和技能。

物理問(wèn)題解決能力的主要特征包括：①知識(shí)應(yīng)用：解決物理問(wèn)題需要運(yùn)用物理概念、定律和公式。這要求個(gè)體不僅需要掌握物理知識(shí)，還需要能夠根據(jù)問(wèn)題的特點(diǎn)選擇和應(yīng)用適當(dāng)?shù)闹R(shí)。②分析和推理：物理問(wèn)題解決經(jīng)常涉及復(fù)雜的分析和推理。例如，個(gè)體可能需要通過(guò)對(duì)問(wèn)題的分析來(lái)理解問(wèn)題的本質(zhì)，通過(guò)邏輯推理來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)果，或通過(guò)數(shù)學(xué)推理來(lái)進(jìn)行計(jì)算。③技能操作：解決物理問(wèn)題通常需要一定的操作技能，包括數(shù)學(xué)計(jì)算技能、實(shí)驗(yàn)技能等。例如，個(gè)體可能需要使用數(shù)學(xué)方法來(lái)解決物理問(wèn)題，或者需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果。④創(chuàng)新思維：在解決一些復(fù)雜或新穎的物理問(wèn)題時(shí)，可能需要個(gè)體展現(xiàn)出創(chuàng)新思維，如運(yùn)用不同的方法和思路，或結(jié)合其他領(lǐng)域的知識(shí)。⑤反饋和調(diào)整：物理問(wèn)題解決是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，個(gè)體需要不斷地獲取反饋，根據(jù)反饋結(jié)果調(diào)整解決策略或方法。

2 科學(xué)推理與物理問(wèn)題解決能力的重要性

2.1 科學(xué)推理能力的重要性

科學(xué)推理能力在科學(xué)教育和科學(xué)實(shí)踐中占據(jù)了核心地位。其重要性可以從兩個(gè)主要的角度進(jìn)行理解。一方面，科學(xué)推理能力是科學(xué)素養(yǎng)的核心組成部分，是進(jìn)行科學(xué)探究和理解科學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)科學(xué)推理，個(gè)體能夠理解科學(xué)概念，構(gòu)建和評(píng)估科學(xué)假設(shè)，解釋和預(yù)測(cè)科學(xué)現(xiàn)象?？茖W(xué)推理能力的提高可以增強(qiáng)個(gè)體的科學(xué)思維習(xí)慣，培養(yǎng)其批判性思維和解決問(wèn)題的能力，對(duì)于個(gè)體的終身學(xué)習(xí)和適應(yīng)社會(huì)發(fā)展有著重要的價(jià)值。另一方面，科學(xué)推理能力是科學(xué)研究和創(chuàng)新的關(guān)鍵能力。在科學(xué)研究中，科學(xué)推理能力是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、解釋結(jié)果、提出結(jié)論的必要條件。通過(guò)科學(xué)推理，科學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)規(guī)律，提出和驗(yàn)證新的科學(xué)理論，推動(dòng)科學(xué)知識(shí)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新[4]。科學(xué)推理能力的提高可以增強(qiáng)個(gè)體的科學(xué)研究能力和創(chuàng)新能力，對(duì)于推動(dòng)社會(huì)科技進(jìn)步和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用。

2.2 物理問(wèn)題解決能力的重要性

物理問(wèn)題解決能力是物理學(xué)習(xí)和研究的核心能力，其重要性體現(xiàn)在多個(gè)層面。從個(gè)體角度看，物理問(wèn)題解決能力是掌握和運(yùn)用物理知識(shí)，理解和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)。通過(guò)解決物理問(wèn)題，個(gè)體能夠深化對(duì)物理概念的理解，提高運(yùn)用物理原理分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。此外，物理問(wèn)題解決過(guò)程也是個(gè)體發(fā)展邏輯思維，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)，提高創(chuàng)新能力的重要途徑。因此，物理問(wèn)題解決能力的提高對(duì)于個(gè)體的學(xué)習(xí)發(fā)展和職業(yè)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。

從社會(huì)角度看，物理問(wèn)題解決能力是推動(dòng)科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵能力。在科技研發(fā)中，物理問(wèn)題解決能力是進(jìn)行科學(xué)研究，開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新，解決科技問(wèn)題的重要工具。通過(guò)解決物理問(wèn)題，科研人員能夠發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律，開(kāi)發(fā)新的技術(shù)，提供新的解決方案，從而推動(dòng)科技進(jìn)步，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，提高社會(huì)成員的物理問(wèn)題解決能力，對(duì)于建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。

3 科學(xué)推理能力和物理問(wèn)題解決能力的對(duì)比分析

3.1 定性對(duì)比

科學(xué)推理能力與物理問(wèn)題解決能力之間的差異在許多方面都可以觀察到。以下兩個(gè)表格提供了定性的比較，以突顯兩者在培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)習(xí)過(guò)程、評(píng)估方式等方面的差異（見(jiàn)表1、表2）。

表1 培養(yǎng)目標(biāo)的對(duì)比

表2 學(xué)習(xí)過(guò)程的對(duì)比

通過(guò)定性對(duì)比，可以看出科學(xué)推理能力與物理問(wèn)題解決能力在目標(biāo)和過(guò)程上有明顯的區(qū)別。這種區(qū)別表明兩者的獨(dú)特性和重要性，但也意味著在實(shí)際的教學(xué)和學(xué)習(xí)中需要針對(duì)性的策略和方法。

3.2 定量對(duì)比

為了更好地了解科學(xué)推理能力與物理問(wèn)題解決能力的區(qū)別，本研究進(jìn)行了一次定量對(duì)比。為此，本文設(shè)計(jì)了一項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試對(duì)象為21 級(jí)本科機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生，測(cè)試人數(shù)為100 人，該測(cè)試包含兩部分：一部分是評(píng)估科學(xué)推理能力的題目，另一部分是評(píng)估物理問(wèn)題解決能力的題目。測(cè)試的結(jié)果如表3 所示。

表3 定量對(duì)比結(jié)果

從表3 中可以看出，雖然平均得分上科學(xué)推理能力高于物理問(wèn)題解決能力，但是物理問(wèn)題解決能力的標(biāo)準(zhǔn)差大于科學(xué)推理能力，說(shuō)明物理問(wèn)題解決能力的得分分布較廣，存在一部分學(xué)生在物理問(wèn)題解決能力上的表現(xiàn)較差。

接下來(lái)，對(duì)不同能力的高分群體（得分在80 分以上的學(xué)生）和低分群體（得分在60 分以下的學(xué)生）進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表4 所示：

表4 高分群體和低分群體的對(duì)比

從表4 中可以看出科學(xué)推理能力的高分群體比例高于物理問(wèn)題解決能力的高分群體比例，而在低分群體的比例上，物理問(wèn)題解決能力的比例高于科學(xué)推理能力。這進(jìn)一步印證了科學(xué)推理能力與物理問(wèn)題解決能力在學(xué)生群體中的分布情況存在顯著的差異。

3.3 對(duì)比結(jié)果分析

根據(jù)上述對(duì)比結(jié)果，可以看出：

平均得分差異：從表3 中，科學(xué)推理能力的平均得分高于物理問(wèn)題解決能力的平均得分。這說(shuō)明，在樣本中，學(xué)生的科學(xué)推理能力相對(duì)較強(qiáng)。這可能是因?yàn)榭茖W(xué)推理能力是通過(guò)學(xué)生在各類科學(xué)學(xué)習(xí)中的積累，而物理問(wèn)題解決能力則較為依賴于對(duì)物理知識(shí)的掌握和運(yùn)用，因此在平均得分上表現(xiàn)較低。

得分分布差異：從標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，物理問(wèn)題解決能力的得分分布較廣，標(biāo)準(zhǔn)差大于科學(xué)推理能力的標(biāo)準(zhǔn)差。這表明在物理問(wèn)題解決能力上，學(xué)生之間的差異較大。這可能與個(gè)體的物理學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)方法以及對(duì)物理知識(shí)的理解深度等因素有關(guān)。

高分群體和低分群體的比例差異：從表4 可以看出，科學(xué)推理能力的高分群體比例高于物理問(wèn)題解決能力的高分群體比例，而在低分群體的比例上，物理問(wèn)題解決能力的比例高于科學(xué)推理能力。這一結(jié)果說(shuō)明，在樣本中，物理問(wèn)題解決能力的優(yōu)秀人才儲(chǔ)備相對(duì)較少，但同時(shí)，也存在一部分學(xué)生在物理問(wèn)題解決能力上的表現(xiàn)較差。

通過(guò)對(duì)比分析（見(jiàn)表5），發(fā)現(xiàn)雖然科學(xué)推理能力與物理問(wèn)題解決能力都是學(xué)生的重要能力，但是在具體的表現(xiàn)上，存在顯著的差異。這為后續(xù)探討兩者的關(guān)聯(lián)性，以及如何提升這兩種能力提供了基礎(chǔ)。

表5 對(duì)比結(jié)果分析

4 科學(xué)推理能力和物理問(wèn)題解決能力的關(guān)聯(lián)性研究

4.1 科學(xué)推理對(duì)物理問(wèn)題解決能力的影響

科學(xué)推理能力對(duì)物理問(wèn)題解決能力的影響十分顯著?？茖W(xué)推理能力在一定程度上可以被視為解決物理問(wèn)題的基礎(chǔ)。理由在于，科學(xué)推理能力可以幫助學(xué)生理解物理概念，分析和解釋物理現(xiàn)象，從而更好地解決物理問(wèn)題。首先，科學(xué)推理能力可以提供一種框架，幫助學(xué)生更好地理解和解釋物理概念和原理。這個(gè)框架能幫助學(xué)生理解物理概念的基礎(chǔ)，并將其應(yīng)用于具體問(wèn)題的解決。在面對(duì)物理問(wèn)題時(shí)，學(xué)生能夠運(yùn)用科學(xué)推理的方法，如演繹推理、歸納推理和假設(shè)演繹法，去思考問(wèn)題，理解問(wèn)題，從而更好地解決問(wèn)題。其次，科學(xué)推理能力可以提高學(xué)生解決物理問(wèn)題的效率。具備科學(xué)推理能力的學(xué)生在面對(duì)物理問(wèn)題時(shí)，可以更快地識(shí)別問(wèn)題的關(guān)鍵信息，更準(zhǔn)確地建立問(wèn)題模型，從而更高效地解決問(wèn)題。此外，科學(xué)推理能力也能夠幫助學(xué)生更好地理解問(wèn)題的解決過(guò)程，從而提高他們?cè)诮鉀Q類似問(wèn)題時(shí)的效率。因此，提高科學(xué)推理能力對(duì)提高學(xué)生的物理問(wèn)題解決能力具有重要意義。在物理教學(xué)中，教師不僅需要關(guān)注學(xué)生物理知識(shí)的掌握，更應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力。

4.2 物理問(wèn)題解決能力對(duì)科學(xué)推理的影響

物理問(wèn)題解決能力對(duì)科學(xué)推理也產(chǎn)生重要影響。物理問(wèn)題解決能力涉及對(duì)物理規(guī)律和原理的應(yīng)用，提供了一個(gè)具體的場(chǎng)景，使得科學(xué)推理能力得以實(shí)踐和鍛煉。而物理問(wèn)題解決過(guò)程中需要運(yùn)用到的思維技巧和方法，例如問(wèn)題的分析、建模、解決方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施，以及解決結(jié)果的評(píng)估和修正，這些都是科學(xué)推理過(guò)程的關(guān)鍵組成部分。通過(guò)解決物理問(wèn)題，學(xué)生們可以在實(shí)踐中運(yùn)用和提升這些科學(xué)推理技巧。此外，物理問(wèn)題解決能力也有助于科學(xué)推理的深化和發(fā)展。物理問(wèn)題通常具有高度的結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)，這就需要學(xué)生們以批判性和創(chuàng)新性的思維方式來(lái)應(yīng)對(duì)，這正是科學(xué)推理的重要特征。在物理問(wèn)題的解決過(guò)程中，學(xué)生們能夠通過(guò)具體的實(shí)踐，感受和理解到科學(xué)推理的邏輯性和嚴(yán)謹(jǐn)性。總的來(lái)說(shuō)，物理問(wèn)題解決能力對(duì)科學(xué)推理的影響是雙向的。一方面，良好的科學(xué)推理能力可以提高解決物理問(wèn)題的效率和效果；另一方面，物理問(wèn)題解決的過(guò)程又提供了鍛煉和提升科學(xué)推理能力的機(jī)會(huì)。這種相互影響和促進(jìn)，對(duì)于學(xué)生的整體學(xué)習(xí)發(fā)展極為重要。

4.3 提升科學(xué)推理能力和物理問(wèn)題解決能力的策略

在提升科學(xué)推理能力和物理問(wèn)題解決能力的策略上，首要任務(wù)是理解這兩種能力之間的相互關(guān)聯(lián)性，以便在培養(yǎng)一種能力時(shí)同時(shí)加強(qiáng)另一種能力。

教學(xué)方面，教師可以設(shè)計(jì)一些結(jié)構(gòu)化的教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作和實(shí)踐，熟悉和掌握科學(xué)推理的基本過(guò)程和技巧。這些活動(dòng)可以包括問(wèn)題解決、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等，這些都是科學(xué)推理和物理問(wèn)題解決的重要環(huán)節(jié)。在課程設(shè)計(jì)上，教師可以整合科學(xué)推理和物理問(wèn)題解決的教學(xué)內(nèi)容，使二者的關(guān)聯(lián)性得到強(qiáng)調(diào)和突出。

對(duì)于學(xué)習(xí)策略，學(xué)生可以通過(guò)自我調(diào)整和反思，不斷提升自己的科學(xué)推理能力和物理問(wèn)題解決能力。在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí)，學(xué)生應(yīng)關(guān)注自己的思維過(guò)程，嘗試?yán)斫夂驼莆湛茖W(xué)推理的原則和方法。在解決物理問(wèn)題時(shí)，學(xué)生應(yīng)運(yùn)用科學(xué)推理，同時(shí)注意反思和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，這樣才能更有效地提升自身的問(wèn)題解決能力。

總體上，教學(xué)策略和學(xué)習(xí)策略都應(yīng)注重科學(xué)推理和物理問(wèn)題解決能力的整合和互動(dòng)，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的這兩種關(guān)鍵能力。

5 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)推理和物理問(wèn)題解決能力是推動(dòng)科學(xué)探索和理解的重要?jiǎng)恿Γ鼈冊(cè)趯W(xué)術(shù)界和教育領(lǐng)域中的作用不容忽視。在日常生活中，人們經(jīng)常需要運(yùn)用科學(xué)推理和物理問(wèn)題解決能力來(lái)處理各種問(wèn)題和挑戰(zhàn)。進(jìn)一步了解和掌握這兩種能力，以及了解它們之間的相互關(guān)系，可以有效地推動(dòng)科學(xué)教育和實(shí)踐，為社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。