在物理教学中渗透科学推理能力的培养

摘 要：科学推理是一种重要的科学思维形式，是认识客观世界的重要工具.高中阶段是发展学生“科学推理”能力的关键时期.在物理教学中加强对科学推理思维培养，有利于学生科学思维的全面发展，有助于实现知识的融会贯通.在实际教学中，可以通过知识的构建、情景问题解决以及科学家对重大问题发现时的各种推理思维的渗透，以加强对学生科学推理能力的培养.

关键词：推理能力;物理教学;培养途径

文章编号：1008-4134（2019）21-0025 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：刘成刚（1966-），男，河南淅川人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理学科教学.

1 科学推理概述

科学推理是根据一个科学判断或一些科学判断得出另一个判断的重要科学思维形式，是认识客观世界的重要工具，是进行模型建构、科学论证和科学探究的重要思维路径.可以说，科学推理能力是理解物理概念、研究物理过程不可或缺的重要能力.加强科学推理教学，有助于学生科学思维的全面发展，有助于实现物理知识的融会贯通、举一反三.

根据推理方式的不同，可将科学推理分为归纳推理、演绎推理和类比推理三种：归纳推理是由一些个别的、特殊的判断推出一般的判断的思维方式;演绎推理是由一般性的判断推出个别性的判断的推理，即从一般的原理、结论出发，导出新的结论的一种思维形式;类比推理是根据两个（或两类）对象在某些属性上相似而推出它们在另一个属性上也可能相似的一种推理形式[1].高中学生物理课中用得较多的是归纳推理、演绎推理.

2 发展科学推理能力的生理基础

根据皮亚杰的认知阶段发展理论，中学生正处在形式运算阶段，即已经具备了进行逻辑推理、归纳推理和演绎推理的生理心理基础，能够对命题做出富有创造性的反映.近几年，国内学者对我国不同年龄段的学生的推理能力进行了较多的实证研究，进一步证实了皮亚杰的认知阶段发展理论.例如，魏昕研究发现，从小学二年级到初中一年级，学生的推理能力无明显差别，但从初一到高三，则呈显著的上升趋势[2].因此，中学阶段是发展“科学推理”的关键时期，教学中要顺应这一思维发展的规律，加强物理学科推理思维教学，以利于学生科学思维能力的有效进阶.

3 在物理教学中对学生科学推理能力培养的途径

3.1 在知识的构建中渗透各种推理思维

在知识的构建中，渗透各种推理能力的融合培养，有利于学生对学科知识的理解和概念规律的建构.

例如，“牛顿第三定律”的建立，在传统的教学中，往往是通过几个定性事实和两个弹簧秤对拉的定量实验，就以偏概全地得出结论，这样做不利于对学生归纳能力的培养.教学中可以通过以下几个过程，提高学生的推理能力：（1）提出问题：通过若干个定性事实（如坐在椅子上用力推桌子，会感到桌子也在推我们等）和定量实验（如两个弹簧秤对拉），初步提出猜想：物体间的作用是相互的，作用力与反作用力大小相等，方向相反;（2）演绎：如果猜想是正确的，对不同物态、不同运动状态的相互作用力物体（如固体、液体和气体之间，物体在加速、减速运动的过程中）也应该遵循同样的规律;（3）实验验证：如对浸在液体中的固体，受到了液体对它的浮力，必须通过实验证明它反作用于液体的力的存在，并且定量验证它们之间的相互作用的力满足“大小相等，方向相反”;（4）理论分析：如对液体、对固体之间的相互作用力，还要通过理论分析它们是同种性质的力，以解决实验所不能解决的问题;（5）实践关联：如学习“牛顿第三定律”的過程中，学生常常提出这样的问题：“既然作用力与反作用力大小相等，方向相反，为什么马拉车时，是马把车向前拉，而不是车把马向后拉？”.教师必须通过对类似这样看似正确而实际错误的认知做出合理的解释，以保证归纳推理的可靠性.从而达到深化知识、培养推理能力的目的.

不难看出，物理学中概念和规律的建立多数都是运用了实验归纳和理性思维， 从中发现这些事物的共同特点，寻求其本质特征，得出结论.

3.2 在情境问题的解决中渗透科学推理思维

在情境问题的解决中加强科学推理渗透，有助于强化物理知识与实践情景的关联，有助于物理观念的形成和模型的建构.

例如，2018年全国Ⅰ卷第18题就是一道注重逻辑推理的好题，有助于功和能关系观念的形成.问题情境如图1所示，abc是竖直平面内的光滑固定轨道，ab水平，长度为2R;bc是半径为R的四分之一圆弧，与ab相切于b点.一质量为m的小球，始终受到与重力大小相等的水平外力的作用，自a点处从静止开始向右运动.重力加速度大小为g.小球从a点开始运动到其轨迹最高点，机械能的增量为

A.2mgR B.4mgR C.5mgR D.6mgR

解决本题的关键是对两个运动过程的逻辑推理，一是小球脱离轨道末端c到最高点这一过程：此过程可看成是水平方向的初速度为零加速度大小为g的匀加速运动和竖直方向的竖直上抛运动的合运动，根据分运动的等时性和竖直上抛运动的对称性及加速度大小都为g的特点，小球自c点上升到最高点的过程中，竖直分位移大小与水平分位移大小相等，最高点时，水平速度的大小（也即最高点的速度大小）等于脱离轨道末端c处瞬间速度的大小.二是小球在bc段运动过程：这一过程中根据水平外力大小与重力大小相等，由动能定理可知，小球在b点和c点的动能相等.即b点速度大小与c速度大小相同.最后对比小球在ab段的运动特点和小球脱离轨道后到最高点过程中的水平分运动特点，不难发现，它们具有完全相同的运动（初速度为零，加速度大小为g，末速度相同），因此脱离轨道末端c到最高点时的水平位移和a点到b点的位移相同，即为2R，从而研究出a点到轨迹最高点的水平距离为5R，水平外力做的功为5mgR，根据功能关系，小球机械能的增量5mgR，答案为C[3].

不难看出，推理的每一步都是以理论为依据，同时伴随着逻辑思维的发生.在情境问题的解决中渗透科学推理思维，有助于实现物理知识的融会贯通、举一反三.

3.3 渗透科学家对重大问题发现的推理过程

几乎每一个物理定律背后，都蕴含着对科学研究的思辨和推理过程.

例如，伽利略质疑亚里士多德的落体学说和建立落体运动的规律就是一个演绎推理的很好范例.他按照亚里士多德的 “重的物体比轻的物体下落快”的观点，演绎出两个互相矛盾的结论，从而确立了“重物与轻物落得一样快”的论断.他又从“落体运动应该是简单的”认识出发提出假设：速度应该是均匀变化的，通过数学推导演绎出x与t2成正比，解决了当时测量速度的困难.他又从斜面上的小球运动规律合理外推到竖直下落，建立了落体运动的规律.显示了他令人敬佩的演绎天赋.

又如，在研究电荷间的相互作用力时，库仑利用其丰富的想象跟万有引力进行类比，做出了平方反比关系的猜想，再通过实验验证，确认了静电力与距离的平方的反比关系，最终正确地建立了伟大的库仑定律.

在物理教学时，经常寻着物理规律发展历程，把科学家提出问题、质疑、思辨推理的过程呈现给学生，有助于学生在模仿中创新，在感悟中升华，有利于有效培养学生的科学推理能力.

科学推理是一种重要的科学思维形式，是认识客观事物和表达思想的重要工具，是学习物理、研究物理过程不可或缺的一种重要能力，是科学思维全面发展的基础.在教学中要重视渗透科学推理过程，重视通过科学家的科学推理思维的熏陶，重视渗透凸显科学推理的问题情景，以加强学生的科学推理能力，使学生真正理解物理知识和规律.

参考文献：

[1] 胡卫平.科学思维培育学[M].北京：科学出版社，2004：39-40.

[2]魏昕，郭玉英，徐燕.中小学生科学推理能力发展现状研究[J].北京师范大学学报（自然科学版），2011，47（5）：463.

[3]苏明义.2018年高考理综物理试题特点及对物理教学的启示[J].中学物理，2018，36（8）：22.

（收稿日期：2019-06-25）