基于推理能力培養(yǎng)的課堂實(shí)踐與探索

摘" 要：物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有多維性?？茖W(xué)推理能力作為科學(xué)思維的重要要素之一，其發(fā)展?fàn)顩r很大程度上制約著學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。本文以2019年人教版必修第三冊的“電荷”教學(xué)為例，總結(jié)歸納出培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力的五種路徑，從而推動學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵詞：高中物理；科學(xué)思維；推理能力；五種路徑；實(shí)踐探索

基金項(xiàng)目：本文系江蘇省基礎(chǔ)教育前瞻性教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（一類）“高中物理推理能力結(jié)構(gòu)及有效培養(yǎng)策略的研究”及常州市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃備案課題“農(nóng)村中學(xué)物理教學(xué)中科學(xué)推理能力培養(yǎng)的實(shí)踐研究”（課題編號：2023czb-wj073）的階段性成果之一。

1" 科學(xué)推理能力的內(nèi)涵

科學(xué)推理概念的提出最早源于皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段理論。皮亞杰認(rèn)為，科學(xué)推理是認(rèn)知發(fā)展進(jìn)行到形式運(yùn)算階段之后的兒童或成人所能掌握的推理類型，個體能夠應(yīng)用科學(xué)推理進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)或問題解決。皮亞杰認(rèn)為科學(xué)推理是學(xué)生科學(xué)探究能力的重要組成部分，該觀點(diǎn)引起了國內(nèi)外科學(xué)教育研究者的關(guān)注。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）將物理學(xué)科的核心素養(yǎng)分為四個方面，即物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，其中科學(xué)思維包含模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新四種要素。［1］

科學(xué)推理能力是指個體能夠?qū)λ说目茖W(xué)觀點(diǎn)在理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行評價，能建構(gòu)自己的科學(xué)觀點(diǎn)，并能在實(shí)際情境中解決問題的能力。

2" 基于推理能力培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計

傳統(tǒng)課堂主要關(guān)注在解決物理問題的過程中進(jìn)行科學(xué)推理，很少對科學(xué)推理方法進(jìn)行顯性的教學(xué)，這使得學(xué)生在應(yīng)用科學(xué)推理方法解決實(shí)際問題時常常遇到困難。［2］學(xué)生的推理能力并非與生俱來，而是需要通過學(xué)習(xí)積累、探索訓(xùn)練以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、在此過程中不斷提升和發(fā)展的。本文以2019年人教版高中物理必修第三冊的“電荷”教學(xué)為例，通過讓學(xué)生經(jīng)歷運(yùn)用科學(xué)推理找出規(guī)律、形成結(jié)論的過程，使科學(xué)推理方法在教學(xué)過程中顯性化，從而培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，推動學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

2.1" 情境問題，激疑引趣

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理現(xiàn)象、物理概念、物理定律都建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上。物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生掌握基本理論和有關(guān)概念的常規(guī)方法，同樣也是學(xué)生進(jìn)行各項(xiàng)推理的支撐。［3］教師可以通過演示實(shí)驗(yàn)將生活現(xiàn)象進(jìn)行演示，進(jìn)而創(chuàng)設(shè)問題情境引發(fā)學(xué)生的思考，讓學(xué)生感受物理知識在生活中的具體運(yùn)用，這一過程對于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與課堂效率有積極作用。

教學(xué)設(shè)計1：創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

實(shí)驗(yàn)活動：趣味挑戰(zhàn)“隔空推罐”，給你一根吸管，在不接觸易拉罐的情況下，你能使易拉罐動起來嗎？

學(xué)生經(jīng)過思考、討論，提出方案：可以用毛皮摩擦塑料吸管，靠近易拉罐，使易拉罐運(yùn)動。接著，學(xué)生動手進(jìn)行實(shí)踐。

教師追問：這里面蘊(yùn)含了什么道理？

學(xué)生回答：摩擦可以使物體帶電，帶電物體能吸引輕小物體。

設(shè)計意圖：通過趣味挑戰(zhàn)引入新課，既能吸引學(xué)生注意力，又可以激發(fā)學(xué)生的好奇心，體現(xiàn)物理服務(wù)生活的理念。教師通過提問喚醒學(xué)生記憶，以便順利介紹電荷的發(fā)現(xiàn)史。

2.2" 構(gòu)建模型，析疑引模

在傳統(tǒng)教學(xué)中教師也很重視物理模型教學(xué)，但大多停留在物理模型的“教”與“用”階段，屬于對學(xué)生低階思維能力的培養(yǎng)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》指出，

無論是物理知識的教學(xué)，還是物理問題的解決，教師都要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題。［4］這就需要教師更新觀念，培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)物理模型的意識，提高學(xué)生建構(gòu)物理模型的能力。

教學(xué)設(shè)計2：困惑促成模型建構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)活動：通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“帶負(fù)電的橡膠棒靠近自制驗(yàn)電器頂端時，頂端帶正電，鋁箔帶負(fù)電”。

學(xué)生經(jīng)過思考、討論，提出實(shí)驗(yàn)思路：根據(jù)電荷的累加性和中和性，使橡膠棒頂端與帶負(fù)電的靜電計接觸，觀察指針張角是否減??；將鋁箔片與帶負(fù)電的靜電計接觸，觀察鋁箔片張角是否增大（接下來學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)）。學(xué)生在該實(shí)驗(yàn)中會遇到諸如“移走帶負(fù)電的橡膠棒后鋁箔片閉合、驗(yàn)電器不帶電”等問題。

教師引導(dǎo)：從微觀角度看，移走橡膠棒，聚集在驗(yàn)電器鋁箔片上的自由電荷不再受作用力，將回歸初始狀態(tài)，所以驗(yàn)電器不帶電了。有沒有辦法使橡膠棒移走后，驗(yàn)電器的兩端都帶電？

學(xué)生經(jīng)過思考、討論，并提出解決方案：切斷自由電荷回歸的“路線”，即將鋁箔與鐵絲分開。

教師追問：這個方案可行嗎？你們是怎么想到的？有改進(jìn)措施嗎？

學(xué)生回答：將驗(yàn)電器換成兩個可以分開的導(dǎo)體。

教師：這個改進(jìn)是對真實(shí)情境的合理抽象。為了方便研究問題，可以選擇兩個完全相同的導(dǎo)體，將它們組合在一起替代真實(shí)的驗(yàn)電器（見圖1）。

設(shè)計意圖：該教學(xué)片段把教材上的演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計成探究的形式，沒有直接給出枕形導(dǎo)體模型，學(xué)生有很大的設(shè)計空間。在學(xué)生遇到困難的時候，教師可以通過梳理感應(yīng)起電的本質(zhì)和電荷分布的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生尋找解決問題的辦法，簡化、抽象出對應(yīng)的物理模型，完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3" 思維驅(qū)動，探疑引導(dǎo)

提問是課堂教學(xué)活動的重要組成部分。具有啟發(fā)性和反思性的高質(zhì)量問題不僅能驅(qū)動學(xué)生思維的發(fā)展，還可以引領(lǐng)學(xué)生的推理方向，推動學(xué)生的推理進(jìn)程。對于難度過大的問題，教師可以設(shè)計進(jìn)階式問題，通過進(jìn)階式提問，引導(dǎo)學(xué)生努力探索、認(rèn)真分析，逐步解決學(xué)生的疑惑。［5］

教學(xué)設(shè)計3：巧設(shè)問題鏈引導(dǎo)探究。

問題1：如何驗(yàn)證電荷相互作用的規(guī)律？

學(xué)生經(jīng)過思考、討論，提出方案：①用毛皮分別摩擦兩根橡膠棒，此時兩棒所帶電荷電性相同，相互靠近，觀察現(xiàn)象；②用毛皮摩擦橡膠棒，絲綢摩擦玻璃棒，此時兩棒所帶電荷電性相反，相互靠近，觀察現(xiàn)象。

教師追問：如何得到直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

學(xué)生經(jīng)過思考、討論，提出將橡膠棒用細(xì)繩系住中部懸掛起來實(shí)驗(yàn)，以便排除其他影響。

問題2：根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析電荷有幾種？

學(xué)生自主分析：根據(jù)電荷的相互作用規(guī)律可知，當(dāng)帶電物體發(fā)生排斥現(xiàn)象時，說明兩物體帶同種電荷；當(dāng)帶電物體發(fā)生吸引現(xiàn)象時，說明兩物體帶異種電荷。而電荷間的相互作用只有排斥和吸引兩種現(xiàn)象，所以電荷只有兩種。

問題3：怎么檢驗(yàn)物體是否帶電？

學(xué)生分析：利用電荷間的相互作用規(guī)律檢驗(yàn)。

教師提問：如果觀察到兩物體相互吸引，是否可以判定兩者一定帶異種電荷？

學(xué)生經(jīng)過思考提出：帶電體能吸引輕小的不帶電物體，因此不能判定兩者一定帶異種電荷。

得出檢驗(yàn)方法：利用同種電荷相互排斥檢驗(yàn)兩者是否帶電更為合理。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：請利用提供的材料，自制驗(yàn)電的儀器。

實(shí)驗(yàn)材料：橡膠棒（毛皮）、鋁箔、細(xì)鐵線、一次性透明水杯。

學(xué)生思考、交流、設(shè)計，教師展示學(xué)生制作的驗(yàn)電儀器（見圖2）并評價。

教師：介紹幾種常用的驗(yàn)電器、靜電計。

教師追問：靜電計除了檢驗(yàn)物體是否帶電，還有其他功能嗎？怎么驗(yàn)證？

學(xué)生經(jīng)過思考、討論，提出：可以檢驗(yàn)物體帶電的多少和所帶的電荷種類。

實(shí)驗(yàn)方案：①用與毛皮摩擦過的橡膠棒接觸靜電計，觀察指針張角的大?。虎诮又门c絲綢摩擦過的玻璃棒接觸靜電計，觀察指針張角的變化；③再用與毛皮摩擦過的橡膠棒接觸靜電計，觀察指針張角變化。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：異種電荷接觸，指針張角變小，意味著靜電計所帶電量變少；同種電荷接觸，指針張角變大，意味著靜電計所帶電量變多。

問題4：電荷有兩種，你們是如何命名的？

學(xué)生經(jīng)過思考、討論，提出：電荷可以命名為正電荷與負(fù)電荷。

追問：為什么要這樣命名，而不是其他說法呢？

學(xué)生：異種電荷連續(xù)接觸靜電計時，指針張角減小，類似于數(shù)學(xué)中的正數(shù)與負(fù)數(shù)相加；同種電荷連續(xù)接觸靜電計時，指針張角增大，類似于數(shù)學(xué)中的正數(shù)與正數(shù)相加或負(fù)數(shù)與負(fù)數(shù)相加。

問題5：摩擦起電過程中的電荷從哪里來？

學(xué)生：是由于電子的轉(zhuǎn)移。

教師引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)入手，解釋摩擦起電的原因。

設(shè)計意圖：基于適切的情境設(shè)計問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生逐步分析、推理出自然界的電荷只有兩種，命名為正電荷和負(fù)電荷。經(jīng)歷了這樣層層遞進(jìn)的邏輯推理，學(xué)生既能深入認(rèn)識電荷、了解摩擦起電的本質(zhì)，還能感受科學(xué)推理是分析和揭示未知世界的重要方法和手段，同時形成了嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是、敢于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度。

2.4" 推導(dǎo)論證，釋疑引學(xué)

推導(dǎo)論證教學(xué)指的是在物理探究教學(xué)中融入科學(xué)推理的教學(xué)方式，這一教學(xué)過程圍繞證據(jù)與推理、觀點(diǎn)與主張、原理與規(guī)則、概念與理論進(jìn)行。教師利用思維結(jié)構(gòu)圖將推導(dǎo)論證的內(nèi)容和過程直接呈現(xiàn)給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)推理的思維過程，促進(jìn)學(xué)生內(nèi)化科學(xué)推理方法并進(jìn)行實(shí)踐運(yùn)用。教師在教學(xué)實(shí)踐中選用顯性化的處理方式傳授科學(xué)推理方法時，不能一味地進(jìn)行方法教育，要以具體的知識為基礎(chǔ)，避免引起學(xué)生的思維僵化。

教學(xué)設(shè)計4：思維結(jié)構(gòu)圖顯化推理論證。

教學(xué)環(huán)節(jié)1：問題2中教師要求學(xué)生分析電荷有幾種，學(xué)生提出電荷有兩種。

教師提問：你的依據(jù)是什么？

學(xué)生：由驗(yàn)證電荷相互作用規(guī)律的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，電荷間的作用只有兩種情況，排斥和吸引，所以電荷只有兩種。

教師追問：我們只用了橡膠棒和玻璃棒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證據(jù)并不充分，如何彌補(bǔ)？

學(xué)生：采用更多的材料來摩擦。由此得到了思維結(jié)構(gòu)圖一如圖3所示。

教學(xué)環(huán)節(jié)2：問題4中討論電荷如何命名的問題，學(xué)生提出正電荷和負(fù)電荷。

教師追問：這樣命名有依據(jù)嗎？為什么不稱它們?yōu)锳電荷、B電荷呢？

學(xué)生：依據(jù)是用靜電計檢驗(yàn)電荷的種類時呈現(xiàn)出的電荷的累加性和中和性。由此得到了思維結(jié)構(gòu)圖二如圖4所示。

教學(xué)環(huán)節(jié)3：研究帶負(fù)電的橡膠棒靠近驗(yàn)電器頂端時驗(yàn)電器帶何種電？學(xué)生認(rèn)為驗(yàn)電器頂端帶正電，鋁箔帶負(fù)電，即“近異遠(yuǎn)同”。

教師追問：你的推理依據(jù)是什么？

學(xué)生：電荷間的相互作用規(guī)律。由此得到了思維結(jié)構(gòu)圖三如圖5所示。

設(shè)計意圖：思維結(jié)構(gòu)圖的運(yùn)用，可以清晰直觀地展示分析方向，給出思考脈絡(luò)，引導(dǎo)學(xué)生收集論據(jù)、建構(gòu)理由、提出主張。學(xué)生經(jīng)歷了推導(dǎo)論證的過程，有利于學(xué)生突破原有觀點(diǎn)，發(fā)展創(chuàng)新思維，促使學(xué)生向更高認(rèn)知水平的高階思維和高階能力發(fā)展。

2.5" 總結(jié)反思，解疑引思

學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆。學(xué)習(xí)與思維融合是促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的有效策略。審視當(dāng)下的物理課堂，可以發(fā)現(xiàn)，物理課堂仍然存在著情感缺乏、結(jié)構(gòu)化的思考不足、主動性質(zhì)疑不夠等問題。在教學(xué)過程中，教師開展有邏輯、有層次、有結(jié)構(gòu)的總結(jié)和反思，更有利于學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識的內(nèi)化和思維的發(fā)展。

教學(xué)設(shè)計5：總結(jié)反思，推動思維走向深刻。

探究實(shí)驗(yàn)：①橡膠棒靠近驗(yàn)電器小球，鋁箔片會張開，移走橡膠棒，鋁箔片閉合；②橡膠棒靠近的時候，用手短觸驗(yàn)電器，再移走橡膠棒，鋁箔會張開。

學(xué)生需要思考的問題如下。

問題一：如何解釋當(dāng)帶電橡膠棒靠近驗(yàn)電器時下端的鋁箔會張開，移走時會閉合的現(xiàn)象？

學(xué)生經(jīng)過思考、討論，嘗試從微觀角度解釋電荷之間的相互作用。

問題二：為什么手接觸一下驗(yàn)電器的頂端，再移走帶電橡膠棒時驗(yàn)電器的鋁箔會張開？

教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)感應(yīng)起電的原理解釋。

問題三：此時驗(yàn)電器會帶何種電荷？如何通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證你的猜想？

學(xué)生思考、討論、交流。

驗(yàn)證方法：根據(jù)電荷的累加性和中和性，將帶負(fù)電的橡膠棒與驗(yàn)電器接觸，觀察指針張角的變化。

問題四：對于感應(yīng)起電現(xiàn)象，你還想研究什么問題呢？

學(xué)生思考、討論：驗(yàn)電器近端和遠(yuǎn)端的電荷數(shù)量有何關(guān)系呢？

教師追問：怎么研究電荷數(shù)量的關(guān)系呢？

學(xué)生經(jīng)過思考、討論，提出方案：借助枕形導(dǎo)體模型，將帶負(fù)電的橡膠棒靠近枕形導(dǎo)體一端，分開枕形導(dǎo)體的兩部分，先后將兩個導(dǎo)體與靜電計接觸，觀察到指針先張開后閉合，證明兩者所帶電荷的數(shù)量相等，種類相反。

設(shè)計意圖：總結(jié)反思是對教學(xué)內(nèi)容的拓展和提升。在分組實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生完成了感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn)，但是只用眼睛看并不足以讓他們理解其中的原理，教師還需組織學(xué)生圍繞實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象繼續(xù)思考、討論、猜想和驗(yàn)證。在這一環(huán)節(jié)中，通過總結(jié)反思、分析比較、抽象概括，學(xué)生加深了對感應(yīng)起電的理解，經(jīng)歷了思維的加工過程，提升了自身的探究能力。

3" 結(jié)語

科學(xué)推理能力是學(xué)習(xí)、研究物理的過程中不可缺少的一種重要能力，是科學(xué)思維全面發(fā)展的基礎(chǔ)。在教學(xué)中，教師要善于把握問題情境，點(diǎn)燃思維火花；構(gòu)建物理模型，滲透思維方法；讓學(xué)生經(jīng)歷推理過程，鍛煉思維能力；融合學(xué)習(xí)和思考，提升學(xué)生的思維品質(zhì)；外化認(rèn)知過程，豐富學(xué)生的思維成果。

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