有效聯(lián)結(jié)：讓科學(xué)邏輯優(yōu)化科學(xué)探究過程

摘要：根據(jù)活動目的和要求的不同，學(xué)生科學(xué)活動可分為探究型活動和非探究型活動，辨析不同科學(xué)活動的差異，可以找到其中的關(guān)聯(lián)。科學(xué)邏輯可以讓科學(xué)發(fā)現(xiàn)合理化、科學(xué)探究模式化。科學(xué)探究活動又可分為概念型探究、原理型探究、驗證型探究，科學(xué)邏輯與不同科學(xué)探究活動的聯(lián)結(jié)樣態(tài)具有差異性。

關(guān)鍵詞：有效聯(lián)結(jié)；科學(xué)邏輯；科學(xué)探究

中圖分類號：G623.6 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-9094（2024）09-0112-05

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》倡導(dǎo)以探究和實踐為主的多樣化學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生主動參與、動手動腦、積極體驗，經(jīng)歷科學(xué)探究及技術(shù)工程實踐的過程[1]3?？茖W(xué)邏輯研究的對象是科學(xué)認識活動，主要研究科學(xué)活動的模式、程序、途徑、手段及其規(guī)則等，探討科學(xué)活動的合理性及其標(biāo)準(zhǔn)。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，學(xué)生親身經(jīng)歷的活動不一定是探究活動，科學(xué)探究活動與非探究活動的本質(zhì)區(qū)別在于是否蘊含科學(xué)邏輯。有效聯(lián)結(jié)科學(xué)邏輯和科學(xué)探究活動，可以使科學(xué)發(fā)現(xiàn)合理化、科學(xué)探究模式化，從而優(yōu)化科學(xué)探究過程。

一、辨析：科學(xué)探究蘊含科學(xué)邏輯

科學(xué)活動范圍極廣，然而并不是所有的學(xué)生活動都是探究活動，科學(xué)活動包括但不局限于科學(xué)探究活動。

（一）探究型活動的內(nèi)涵

“探”就是觀察和實驗，發(fā)現(xiàn)事物表象；“究”是比較、抽象思維，理解事物本質(zhì)[2]?？茖W(xué)探究是指人們通過一定的過程和方法，對客觀事物和現(xiàn)象進行探索、質(zhì)疑和研究?？茖W(xué)探究活動是為解決某一問題，設(shè)計特定活動或方案，從而探索客觀事物和現(xiàn)象間的規(guī)律，理解事物本質(zhì)。在探究型活動中，學(xué)生經(jīng)歷提出問題、思考并設(shè)計活動，從而解決問題、獲得新知、發(fā)展能力的過程。

例如，學(xué)生在觀察鐵釘生銹現(xiàn)象時，認識到鐵生銹帶來的不良后果后，自然而然地想知道怎樣才能讓鐵不生銹，由此提出問題：鐵生銹到底和什么因素有關(guān)系？為了解決這一問題，學(xué)生先進行假設(shè)，再設(shè)計不同實驗方案來驗證假設(shè)，在觀察實驗現(xiàn)象的過程中理解“鐵生銹”的本質(zhì)，從而尋找到使鐵不生銹的方法。在整個活動過程中，學(xué)生在觀察的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)問題，在實驗探究中探尋規(guī)律，在解決問題過程中獲得新知并發(fā)展能力。

（二）科學(xué)探究蘊含科學(xué)邏輯

科學(xué)的認識活動是依照怎樣的模式、程序、途徑、手段進行的呢？如何從事科學(xué)活動才是有效、正確、合理的呢？科學(xué)活動的合理性標(biāo)準(zhǔn)是什么？對這些問題作出回答就形成了經(jīng)驗科學(xué)的邏輯方法論，簡稱為“科學(xué)邏輯”[3]1-2，涉及發(fā)現(xiàn)的邏輯、檢驗的邏輯、發(fā)展的邏輯三個方面。?科學(xué)邏輯的本質(zhì)是科學(xué)思維，即用科學(xué)思維方法開展科學(xué)活動?？茖W(xué)思維是從科學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)及內(nèi)在規(guī)律的認識方式，包括比較與分類、歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括、批判性思維[1]4-5，是形成概念、建構(gòu)模型的重要思維，亦可稱之為科學(xué)邏輯方法。

探究型活動是以解決實際問題為目的，以理解事物本質(zhì)為要義的科學(xué)活動。除探究型活動外，科學(xué)活動還包括觀測型活動、體驗型活動、制作型活動。在非探究型活動中，活動目的單一，學(xué)生思維僅停留在認識事物表象上，未達到認識事物本質(zhì)屬性的深度。而探究型活動需要學(xué)生在觀測、實驗的基礎(chǔ)上，探究事物本質(zhì)及其內(nèi)在聯(lián)系。在探究活動中，需要綜合運用觀察分析、歸納、類比、實驗等邏輯方法，更注重獲得科學(xué)知識的過程與方法。學(xué)生經(jīng)歷了主動獲取知識的過程，體現(xiàn)了科學(xué)知識的發(fā)現(xiàn)、檢驗、發(fā)展的過程，符合學(xué)生認知規(guī)律，蘊含科學(xué)邏輯。

二、溯因：科學(xué)邏輯對科學(xué)探究的意義

科學(xué)邏輯能夠反映人類邏輯思維的普遍規(guī)律，探討科學(xué)認識活動的模式，能讓科學(xué)探究活動更合理。

（一）科學(xué)邏輯讓科學(xué)發(fā)現(xiàn)合理化

科學(xué)探究活動的內(nèi)涵是讓學(xué)生像科學(xué)家那樣工作，經(jīng)歷知識的發(fā)現(xiàn)、檢驗、發(fā)展的過程。然而學(xué)生的科學(xué)探究過程和科學(xué)家的科學(xué)探究過程卻又是不同的，科學(xué)家的科學(xué)探究活動的對象是人類未知的，方法既規(guī)范嚴謹又有創(chuàng)新；學(xué)生科學(xué)探究活動的對象通常是學(xué)生自己未知的，但在科學(xué)界卻是已經(jīng)經(jīng)過驗證的知識。在探究過程中，教師需要把已知的知識當(dāng)作未知的知識，用合理的方式讓學(xué)生經(jīng)歷知識的發(fā)現(xiàn)過程，這也是科學(xué)邏輯在小學(xué)科學(xué)探究活動中的意義。

例如，在“認識昆蟲”的過程中，教師帶領(lǐng)學(xué)生觀察螞蟻、蝴蝶等小動物，在觀察比較中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)它們身體結(jié)構(gòu)的特征，再尋找更多類似的小動物，歸納出它們的共同特征，從而認識“昆蟲”這類動物，最后用演繹法認識特殊的昆蟲——甲蟲。學(xué)生經(jīng)歷的是一個從“未知”到“已知”的過程，這樣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程是合理的。但是如果先告訴學(xué)生螞蟻就是昆蟲，然后帶領(lǐng)學(xué)生觀察螞蟻的身體結(jié)構(gòu)，認識昆蟲的共同特征，經(jīng)歷的是從“先知”到“辨知”的過程，在科學(xué)上不僅容易犯以偏概全的錯誤，也不符合科學(xué)發(fā)現(xiàn)的邏輯。所以，科學(xué)邏輯其實是讓學(xué)生明白，要用科學(xué)的方法、合理的論證去認識科學(xué)，合理使用科學(xué)邏輯進行探究活動。

（二）科學(xué)邏輯讓探究過程模式化

科學(xué)認識的過程是從未知出發(fā)，在觀察中發(fā)現(xiàn)問題，經(jīng)過探究、論證，作出合理解釋（科學(xué)理論），并不斷發(fā)展理論的過程，是從感性的經(jīng)驗認識上升到理性的理論認識，并用理論指導(dǎo)實踐的邏輯進程。因此，科學(xué)理論的發(fā)展有一定的模式可遵循，對科學(xué)知識的認識及深化過程可以遵循以下探究模式（如圖1）。

例如，在認識“絕大多數(shù)液體會熱脹冷縮”這一科學(xué)知識時，可以在觀察生活現(xiàn)象后提出問題：一杯熱水倒進杯子中，蓋上杯蓋，當(dāng)水變冷后，體積會變少，這是為什么呢？經(jīng)過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，水在受熱后體積膨脹，受冷后體積縮小，同時，酒精、煤油、白醋均是如此。由此，可歸納出“液體會熱脹冷縮”。有沒有反例呢？有，4℃以下的水會熱縮冷脹。因此，修正后的表述是“絕大多數(shù)液體會熱脹冷縮”。在探究過程中涉及發(fā)現(xiàn)的邏輯、檢驗的邏輯、發(fā)展的邏輯，綜合運用比較、實驗、歸納、演繹等科學(xué)邏輯方法，符合科學(xué)知識認識深化的一般模式。

當(dāng)然，在學(xué)生的實際科學(xué)探究中，根據(jù)教學(xué)重點和教學(xué)任務(wù)的需求，有時會省略修正和淘汰的環(huán)節(jié)，這是因為科學(xué)知識都是經(jīng)過科學(xué)家們反復(fù)檢驗的，無需學(xué)生修正。但科學(xué)家的探究活動卻需要完整過程，在科學(xué)理論的發(fā)展過程中，可能需要很長時間才能找到反例，需要幾代科學(xué)家不停地努力。

三、聯(lián)結(jié)：科學(xué)邏輯優(yōu)化科學(xué)探究過程

科學(xué)探究活動對學(xué)生的邏輯思維有較高要求，體現(xiàn)了“具體—抽象—具體”的邏輯思維過程，科學(xué)邏輯能給學(xué)生科學(xué)探究提供合理化、模式化的支撐。根據(jù)探究目的和探究過程的不同，學(xué)生探究型活動可分為：概念型探究活動、原理型探究活動、驗證型探究活動。合理聯(lián)結(jié)科學(xué)邏輯和各類科學(xué)探究活動，可以優(yōu)化科學(xué)探究過程。

探究型活動主要包括三類：概念型探究的目的是整理事實，建構(gòu)科學(xué)概念，解決“是什么”的問題，學(xué)生在探究的過程中掌握某些特定的科學(xué)知識，如“物體會熱脹冷縮”“認識昆蟲”等。 原理型探究的目的是尋求因果、探索原理、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，解決“為什么”的問題，如“地下水的成因”“仙人掌儲水的秘密”“溫度變化對巖石的影響”等。驗證型探究的目的是辨別是非、檢驗猜測、驗證結(jié)果，解決“怎么樣”的問題，如“鐵釘生銹與什么有關(guān)”“影響鹽在水中溶解快慢的因素”“種子萌發(fā)的條件”等。在梳理分類這些探究活動過程后，可以發(fā)現(xiàn)不同探究活動適用的科學(xué)邏輯方法是不同的。在概念型探究活動中，較多地運用了“觀察”“歸納”“比較”等邏輯方法；在原理型探究活動中，較多地運用了“模擬”“類比”等邏輯方法；在驗證型探究活動中，較多地運用了“對比”“比較”等邏輯方法。

（一）“觀察—歸納”邏輯方法與概念型探究活動的聯(lián)結(jié)

觀察是人們有目的、有計劃地利用感官去認識自然界各種現(xiàn)象的活動，是一種感性的認識活動[3]135。和觀測型活動中的觀察不同，探究型活動中觀察的目的是收集信息，用于比較、歸納、演繹，觀察的對象是某類事物中的個體。

歸納以觀察事實的陳述為前提，以理論的陳述為結(jié)論，是一種從個體到整體，從個別到一般的推理方法。如在“制造音調(diào)不同的聲音”活動中，用耳朵聽敲擊水量不等的瓶子的聲音、敲擊長短不同的管的聲音、敲鋁片琴的聲音，這里的觀察活動是“聽”，比較這些聲音的不同，從而歸納出“長、粗的物體發(fā)出的聲音音調(diào)低，短、細的物體發(fā)出的聲音音調(diào)高”這一科學(xué)概念。小學(xué)科學(xué)探究中的歸納一般為簡單枚舉歸納、因果歸納，其一般探究過程如下：

1.簡單枚舉歸納

先觀察個體事體具有的特征，再在小范圍內(nèi)尋找具有相同特征的其他個體，在此基礎(chǔ)上進行經(jīng)驗概括，將范圍擴大。簡單枚舉歸納是一種不完全歸納，其概括結(jié)論的正確性受個體數(shù)量的影響，因此還需要對概括的結(jié)論尋找反例。如果找到反例，說明概括的結(jié)論是不正確的，則淘汰該理論；如果沒有找到反例，說明概括的結(jié)論是正確的，可以確定理論。必要時，還可以檢驗理論，再次確認理論的正確性（如圖2）。

2.因果歸納

與簡單枚舉歸納不一樣的是，因果歸納的概括是在尋找事物內(nèi)在規(guī)律的基礎(chǔ)上進行的，這就意味著，概括的結(jié)論必然是正確的，因此可以直接確定理論。如果有反例則修正理論，讓理論表述更嚴謹（如圖3）。

（二）“模擬—類比”邏輯方法與原理型探究活動的聯(lián)結(jié)

在科學(xué)探究過程中，有些問題單憑觀察難以得出結(jié)論，有些研究對象不能或不允許進行試驗，為了取得對研究對象的認識，根據(jù)已知的事實、經(jīng)驗和一定的科學(xué)理論，設(shè)計和構(gòu)想出研究對象的替代物，通過對替代物的實驗，獲取研究對象的信息和資料，這種實驗方法就是模擬實驗[4]。它對了解事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運動變化過程，有非常重要的作用。

例如，在探究“耳朵是怎樣聽到聲音的”，我們不能觀察到人耳聽到聲音的過程，但可以制作一個與人耳類似的結(jié)構(gòu)：紙屏上吊著小球。通過敲小鼓，觀察到小球的振動現(xiàn)象，遷移到人耳結(jié)構(gòu)中，類比推理人耳聽到聲音的過程。這里紙屏類比耳膜，小球類比聽小骨，小鼓和紙屏之間的距離類比外耳道，因?qū)嶒灲Y(jié)構(gòu)與人耳結(jié)構(gòu)高度相似，推出聲音在人耳中的傳播過程也應(yīng)該高度相似。模擬實驗的原理是相似性原理，用模型來代替研究對象，從科學(xué)邏輯的角度來看，模擬其實就是類比。其一般探究過程為：先觀察生活現(xiàn)象提出研究問題，再通過類比找到研究對象的替代物，制作模型，最后通過模擬事物運行的過程并遷移到現(xiàn)實問題，揭示事物運行的規(guī)律（如圖4）。

（三）“比較—對比”邏輯方法與驗證型探究活動的聯(lián)結(jié)

比較，是認識對象間的相同點或相異點的邏輯方法，能夠分析對錯、發(fā)現(xiàn)差異、確證猜測?？梢越柚杏X器官觀察比較物體間性質(zhì)、特點的差異，也借助工具進一步觀察比較，設(shè)計實驗進行深層次的比較?？梢员容^兩個不同物體的差異，也可以比較同一物體不同狀態(tài)的差異。例如，在“比較棉線和腈綸線的異同”活動中，通過“看一看”發(fā)現(xiàn)兩種線在外觀上幾乎差不多，通過“摸一摸”發(fā)現(xiàn)它們光滑度上的不同，通過“浸一浸”發(fā)現(xiàn)吸水性上的差異，通過“燒一燒”發(fā)現(xiàn)它們?nèi)紵F(xiàn)象的不同，利用感官和實驗來比較兩種不同物體，使學(xué)生感受天然材料與人造材料的區(qū)別。

對比，嚴格意義上來說是一種實驗探究方法，隸屬于科學(xué)實驗邏輯方法。與比較不同的是，對比實驗需要嚴格控制實驗變量，保證實驗的公平性和結(jié)果的公正性。對比實驗的實驗過程比較符合科學(xué)探究的一般過程：提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計實驗及驗證、得出結(jié)論。在對比實驗中，最重要的是保證實驗的公平性，即控制實驗變量。如在探究“影響電磁鐵磁力大小的因素”，需要把所有有可能影響電磁鐵磁力大小的因素都考慮周全，如線圈匝數(shù)、電池電量、鐵釘粗細，這些就是實驗變量。每次實驗只能研究其中一個變量（需要改變的條件）的影響，而其他變量都要保持不變（保持不變的條件）。其一般探究過程為：學(xué)生在觀察實驗（生活）現(xiàn)象的基礎(chǔ)上提出研究的問題，并針對問題作出假設(shè)。為了驗證假設(shè)是否合理，設(shè)計有效實驗，在實驗過程中收集實驗數(shù)據(jù)（現(xiàn)象），通過分析實驗數(shù)據(jù)（現(xiàn)象）得出結(jié)論。最后，通過交流與討論，確定結(jié)論的正確性（如圖5）。

當(dāng)然，以上所談科學(xué)邏輯與探究模式所聯(lián)結(jié)的探究活動，適用于大多數(shù)情況，并不是絕對的。例如在概念型探究活動中，除“觀察、歸納”外，也可以采用“類比、演繹”等邏輯方法，根據(jù)實際教學(xué)需要，選擇合適的科學(xué)邏輯方法。

當(dāng)科學(xué)探究活動在結(jié)論形成過程存在邏輯缺陷時，探究本身就失去了存在的意義，探究活動就沒有“法理”基礎(chǔ)。沒有科學(xué)邏輯的科學(xué)探究活動將毫無科學(xué)性，會使科學(xué)發(fā)展走入歧途。合理聯(lián)結(jié)科學(xué)邏輯和科學(xué)探究，能有效優(yōu)化科學(xué)探究過程，使科學(xué)發(fā)現(xiàn)合理化，更具邏輯性。

參考文獻：

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[2]楊春華.小學(xué)科學(xué)探究活動中科學(xué)概念建構(gòu)的實踐與思考[J].小學(xué)科學(xué)（教師版），2018（12）：19.

[3]張巨青.科學(xué)邏輯[M].長春：吉林人民出版社，1984.

[4]吳娟.“模擬實驗法”在遺傳教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗教學(xué)與儀器，2014（5）：22-23.

責(zé)任編輯：趙赟

*本文系江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十四期立項課題“基于科學(xué)邏輯優(yōu)化小學(xué)科學(xué)探究教學(xué)的實踐研究”（2021 JY14-L109）的研究成果。

收稿日期：2024-07-05

作者簡介：王學(xué)秀，常州市武進區(qū)星韻學(xué)校，高級教師，常州市骨干教師，主要研究方向為小學(xué)科學(xué)教學(xué)。