基于科學推理的初中物理教學實踐策略

摘 要：初中物理是義務教育階段的自然科學基礎課程，具有演繹性、歸納性、類比性等特征，課程教學具有實踐性、綜合性等特點?？茖W推理，是科學思維素養(yǎng)的重要組成部分，是學生在嚴謹、邏輯完整的探究過程中所形成的一種推理能力。立足科學推理的內(nèi)涵，初步分析初中生科學推理能力的基本特征，圍繞演繹推理、歸納推理、類比推理等方法，在初中物理教學實踐層面引導學生學會推理，掌握推理方法，并能遷移應用物理知識解決實際問題。

關鍵詞：初中物理；物理教學；科學推理

《義務教育物理課程標準（2022年版）》指出，物理是一門以實驗為基礎的自然科學課程，具有基礎性、實踐性等特點，面向全體學生，培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)。在物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)中，科學思維非常關鍵，要求學生在物理學習中逐漸形成模型建構、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等關鍵能力。科學推理是科學思維的重要組成部分，在初中物理教學中引導學生經(jīng)歷科學推理與質(zhì)疑論證的過程，有助于學生發(fā)展抽象思維能力，有效達成課程教學目標。

一、科學推理的內(nèi)涵

科學推理，是指從已有的科學理論和實驗結果出發(fā)，通過比較、分析、推斷等方法，推導出新的科學結論或理論的過程?？茖W推理是自然科學研究領域的重要能力，涉及演繹邏輯、歸納邏輯、類比邏輯［1］。其中，演繹推理是從一般到特殊的推理方法，依賴于前提的準確性；歸納推理則是從特殊到一般的推理方法，具有不確定性；類比推理是將兩個相似的現(xiàn)象或事物進行對比，重點總結、歸納分析兩者的相似點和不同點。

二、初中生科學推理能力的特征

在初中物理教學中，學生的科學推理能力具有以下特征：第一，科學推理能力發(fā)展處于線性上升的階段；第二，具有較高科學推理能力水平的學生所占比例較小，存在較大提升空間；第三，學生科學推理能力的不同維度不均衡，比如，有的學生擅長運用守恒推理、比例推理方法，有的學生擅長控制變量推理、演繹推理方法?？茖W推理能力發(fā)展的均衡性、整體性，直接影響學生對抽象概念、實驗模型的深度學習［2］。

三、基于科學推理的初中物理教學實踐策略

（一）基于演繹推理，提升思維質(zhì)量

在初中物理教學中，教師要引導學生理解抽象的物理概念、公式和定理，并利用所學知識、概念進行演繹推理。演繹推理具有內(nèi)在的邏輯性與嚴密性，即在公理系統(tǒng)內(nèi)證明命題（定理）正確的過程，如果這個系統(tǒng)是有效的，那么從中推導出的定理也被認為是有效的［3］。培養(yǎng)學生良好的科學推理能力，有助于他們科學思維、科學探究等核心素養(yǎng)的發(fā)展和物理知識體系的構建。

1.三段演繹法

三段演繹法，指的是由一個共同概念聯(lián)系著的兩個性質(zhì)判斷作為前提，推出另一個性質(zhì)作為結論的推理方法。它包括大前提、小前提和結論，邏輯結構嚴謹、清晰。在初中物理教學中，三段演繹法多用于講解牛頓運動定律、動能定理、動量守恒等課程內(nèi)容［4］。教師需要從具體的物理現(xiàn)象和結論出發(fā)，逐步推導出一般性原理，使學生能夠深入理解物理概念的本質(zhì)，提高科學推理能力。

以北師大版物理八年級上冊的“物態(tài)及其變化”的教學為例，教師可運用三段演繹法，向?qū)W生闡述熔化與凝固、汽化與液化、升華與凝華三對物態(tài)變化現(xiàn)象的物理學原理。學生需要抓住物態(tài)變化的關鍵詞——溫度，將其作為演繹推理的核心概念。

示例：把0℃的冰放入0℃的水中，周圍氣溫為0℃。經(jīng)過一段時間后，冰和水的質(zhì)量都不會發(fā)生變化。

三段演繹法如下，（1）大前提：熱傳遞需要溫度差。（2）小前提：冰和水的溫度均為0℃，且周圍氣溫也是0℃。（3）結論：兩者之間不存在溫度差，不會發(fā)生熱傳遞，冰無法吸收熱量熔化，水也無法釋放熱量凝固，因此冰和水的質(zhì)量都不會發(fā)生變化。

在初中物理課堂上，教師可以引導學生運用三段演繹推理法，篩選示例中的大前提、小前提，并根據(jù)已有知識和經(jīng)驗推導出結論。在運用三段演繹法進行科學推理時，學生需要明確大前提和小前提之間的關系，確保推導出的結論符合一般性原則。

2.連鎖推導法

連鎖推導法，也被稱為“連鎖三段論”，是復合推理的簡略形式，可分為前進的連鎖推理和后退的連鎖推理。前進的連鎖推理，其基本結構為“D是E，C是D，B是C，A是B，所以A是E”。在此形式中，省略了兩個中間結論“C是E”和“B是E”。后退的連鎖推理，其基本結構為“A是B，B是C，C是D，D是E，所以A是E”。在此形式中，“A是C”和“A是D”被省略。

連鎖推導法強調(diào)，上一個推理的結論是下一個推理的原因，從已推出的結論中還可以再推出新的結論。以北師大版物理八年級上冊的“機械運動”的教學為例，教師可運用連鎖推導法，強化學生對推理命題的因果關系的認知能力。

示例1：天舟二號貨運飛船與天和核心艙在對接時，天舟二號貨運飛船相對于天和核心艙是靜止的，而相對于地球是運動的，可見物體的運動和靜止是相對的。

示例2：在100米游泳比賽中，觀眾通過比較選手完成相同路程所用的時間來判斷速度快慢，若某運動員的成績?yōu)?分20秒，則該運動員的平均游泳速度為1.25 m/s，合4.5 km/h。

在對上述示例進行連鎖推導時，學生需要運用“參照物”和“運動和靜止的相對性”等核心概念，明確每個命題之間的因果關系。例如，在飛船和核心艙對接時，二者形成一個整體，因此它們之間是相對靜止的，而這個整體相對于地球則處于運動狀態(tài)。其中隱含的推理條件是：參照物不同，運動狀態(tài)也不同。無論是三段演繹法還是連鎖推導法，均有助于學生在物理學習中提升科學推理能力和科學思維水平。

（二）基于歸納推理，優(yōu)化思維品質(zhì)

在初中物理教學中，演繹推理、歸納推理與類比推理是常見的三種邏輯推理形式，三者具有明顯的區(qū)別［5］。與演繹推理不同，歸納推理要求學生具備一定的抽象、概括和提煉能力，因此有助于抽象邏輯思維能力的快速發(fā)展。歸納推理可以分為完全歸納推理和不完全歸納推理兩種情形，這主要取決于推理對象的覆蓋范圍和應用場景。學生在歸納推理時，需要注重驗證結論的嚴謹性、準確性和合理性，這對培養(yǎng)科學思維具有重要意義。在初中物理課堂上，物理實驗能夠為學生開展歸納推理提供良好的實踐平臺。

以北師大版物理八年級上冊的“聲現(xiàn)象”的教學為例，教師可借助以下三個物理實驗，訓練學生的歸納推理能力。

實驗一：探究聲音的產(chǎn)生條件。（1）音叉實驗：將乒乓球放置于音叉旁，當音叉振動時，乒乓球隨之彈起。該實驗運用轉(zhuǎn)換法，將音叉的微小振動轉(zhuǎn)化為乒乓球的可見彈跳，直觀展示聲音的產(chǎn)生條件。（2）鼓面實驗：將碎紙屑或玉米粒撒在鼓面上，輕輕敲擊鼓面，碎紙屑或玉米粒在鼓面上跳動，說明鼓面在振動。

歸納推理：聲音是由物體振動產(chǎn)生的，振動停止時，發(fā)聲也停止。

實驗二：探究聲音在真空中是否能傳播。將一個正在響鈴的鬧鐘放入玻璃鐘罩內(nèi)，逐漸抽出鐘罩內(nèi)的空氣，聽到的鈴聲明顯減小。隨后打開閥門，讓空氣重新進入鐘罩，鈴聲逐漸變大。

歸納推理：真空不能傳聲，聲音的傳播需要介質(zhì)。

實驗三：探究音調(diào)與物體振動快慢的關系。將鋼尺的一端緊緊壓在桌面上，另一端伸出桌面，撥動鋼尺使之振動，觀察振動的快慢，聽音調(diào)的高低。改變鋼尺伸出桌面的長度，保持振動幅度基本一致，繼續(xù)觀察振動快慢和音調(diào)變化。

歸納推理：鋼尺伸出桌面越長，振動的頻率越小，發(fā)聲的音調(diào)越低。

在上述三個實驗中，學生需要結合聲音產(chǎn)生的原理、聲音傳播的特點、聲音的特性等知識點，運用歸納推理方法，將觀察到的現(xiàn)象加以概括、提煉和抽象，從而得出科學結論。學生需要詳細記錄實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，進行完全歸納推理或者不完全歸納推理，以形成邏輯結構相對完整的結論。在物理課堂上，學生需要理解、掌握、運用歸納推理的一般形式和方法，將其作為思考、探究、解決復雜問題的工具。教師可以根據(jù)學生在歸納推理過程中的表現(xiàn)，評估其科學思維品質(zhì)。

（三）基于類比推理，完善思維樣態(tài)

類比推理是一種直觀、形象、具體的推理方式，常用于引導學生挖掘知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，即“相似性”。根據(jù)兩個物理對象在某些方面的相同或者相似屬性，學生能夠推導出在其他屬性方面的相似性特征。與演繹推理、歸納推理不同，類比推理更側重于從特殊到特殊的思維過程，所以教師需要引導學生借助觀察、比較等方法，運用完全類推或者不完全類推的方式得出結論。

以北師大版物理八年級上冊的“光現(xiàn)象”的教學為例，教師在引領學生研究光的傳播規(guī)律時，可以引導學生類比日全食、月全食兩種天文現(xiàn)象。

示例1：北京時間2024年4月9日凌晨，全球唯一一次日全食在北美洲上演。當我們位于圖1中的什么區(qū)域內(nèi)，就能看到日全食現(xiàn)象？

圖1 日全食

示例2：北京時間2024年1月20日，發(fā)生月全食現(xiàn)象。月全食是一種自然現(xiàn)象，其本質(zhì)是地球遮擋了太陽射向月球的光線，使得月球部分或完全處于地球的影子中。月全食是理解天體運動規(guī)律、分析地球大氣層特性的重要媒介。當我們位于圖2中的什么區(qū)域內(nèi)，就能看到月全食現(xiàn)象？

圖2 月全食

通過類比日全食、月全食現(xiàn)象，學生能夠深入理解“光沿著直線傳播”這一物理規(guī)律。學生運用類比推理，能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)問題之后，專注于尋找兩種現(xiàn)象或概念之間的相似之處，逐步提升分析能力與解決問題的能力。

（四）活用控制變量，鞏固推理能力

在初中物理課堂上，控制變量法是學生掌握科學推理能力的主要標志之一。作為一種物理實驗中常用的推理方法，控制變量法在學生建構概念、探究規(guī)律時起著重要作用。通過活用控制變量法，學生可以在物理學習中鞏固推理能力，建構全面的物理學知識體系。

以北師大版物理八年級下冊的“運動和力”的教學為例。牛頓第一定理，也被稱為慣性定律，揭示了物體的運動狀態(tài)與外力之間的關系，即如果不受外力作用，物體將保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)。教師可以組織學生開展牛頓第一定律的驗證實驗，幫助學生理解控制變量法。在實驗中，每次都將小車從相同高度釋放，以確保小車到達水平面時的初速度相同，減少變量干擾。在實驗過程中，教師可提出以下問題引導學生深度思考：

正在彎道勻速滑行的滑冰運動員，其運動狀態(tài)是否發(fā)生了改變？

靜止在水平地面上的大石塊被小石塊水平撞擊后，小石塊反彈，大石塊開始運動，然后逐漸停下來。大石塊最終停下來的原因是什么？

豎直向上拋出的小球達到最高點時是否處于平衡狀態(tài)？若小球達到最高點時所受外力全部消失，其運動狀態(tài)會如何變化？斜向上拋出的小球在最高點是否處于平衡狀態(tài)？若小球達到最高點時所受外力全部消失，其運動狀態(tài)又會如何變化？

在驗證牛頓第一定律的過程中，學生不僅需要運用控制變量法，還需要運用理想實驗法和轉(zhuǎn)換法。上述拓展性問題，能引發(fā)學生的深度思考，有利于他們把握控制變量法的本質(zhì)與精髓，發(fā)展假設演繹推理能力。教師在教學過程中需引導學生尋找影響實驗結果的核心變量，如初始速度、摩擦阻力等，讓他們在實踐中探究力學規(guī)律，熟練掌握控制變量法，鞏固科學推理能力。

結語

綜上所述，科學推理是物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，與科學思維、科學探究等素養(yǎng)密切相關。針對初中生在科學推理方面的特點，教師應著力彌補學生在推理方法應用上的不足。通過演示三段演繹法、連鎖推導法等演繹推理方法，教師可以有效提升學生的思維質(zhì)量。同時，歸納推理的運用能夠優(yōu)化學生的思維模式，培養(yǎng)其批判性思維。教師可利用類比推理，引領學生在完善思維樣態(tài)的基礎上，提高概念建構和規(guī)律應用能力。此外，控制變量法的靈活應用有助于鞏固學生的科學推理能力，進一步推動他們在物理學科中的全面發(fā)展。

［參考文獻］

吳思怡.核心素養(yǎng)視角下的初中物理科學思維培養(yǎng)策略［J］.數(shù)理化解題研究，2023（32）：101-103.

王晶瑩，姜春明，田雪葳，等.基于2022年版課標的初中物理科學推理能力測評研究與教學建議［J］.福建基礎教育研究，2023（5）：89-94.

劉云.初中物理歸納推理的認知分析與指導策略［J］.數(shù)理化學習（教研版），2023（2）：6-7.

張麗蓉.初中生物理推理能力的培養(yǎng)［J］.中學課程輔導，2022（34）：126-128.

孫龍周.指向?qū)W生科學思維的初中物理教學［J］.物理教師，2023，44（5）：45-47.