高中物理学科中设计问题链培养学生的科学推理能力

◎ 沈 兰

教育部颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《2020修订版课标》）明确了物理核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。［1］“物理观念”“科学探究”“科学态度与责任”素养的培养，均离不开“科学思维”。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。模型建构、科学论证、质疑创新的过程，均离不开科学推理。因此，培养学生的科学推理能力尤为重要。

一、科学推理的内涵理解

科学推理一般指：根据一个判断得出另一个判断的思维形式。［2］《2020修订版课标》解读中，对“科学推理”做了进一步的分析：科学教育研究和实践中所提出的科学推理，不仅包括逻辑上的归纳推理、演绎推理和类比推理，而且包括分析与综合、抽象与概括、比较与分类等思维方式，还包括控制变量、组合推理、概率推理、因果推理等推理形式。高中阶段的学生应能正确理解和应用上述科学思维方法，从定性和定量两个方面进行科学推理，找出规律，形成结论，并能解释自然现象和解决实际问题。［3］

二、科学推理的关键问题分析

（一）科学推理教学与传统教学的区别

《普通高中物理课程标准（2003年版）》的过程与方法部分，有关科学推理的表述，主要关注的是在解决相关物理问题过程中进行科学推理，也就是应用科学推理方法解决物理问题。以往的课堂中，我们很少进行显性的科学推理方法的教学，所以当学生需要应用科学推理方法解决问题的时候，就会遇到困难。

《2020修订版课标》解读中明确指出，我们还要关注应用科学思维方法形成概念、规律的过程。因此，在新课标背景下，我们需要对科学推理方法进行一定的显性教学，并让学生经历运用科学推理找出规律、形成结论的过程。

以沪科版《高中物理》必修一第二章“匀变速直线运动”的第一节“伽利略对落体运动的研究”教学为例，传统教学中，教师会直接给出“什么是自由落体运动”“自由落体运动有什么样的规律”，接着“应用自由落体运动的规律分析解决问题”。而科学推理教学中，教师可以先展示几张运动的图片，如图1所示，从问题“自然界那么多的运动，为什么选择从落体运动开始研究”开始，进行三个环节的分析：①为什么要进行分类归纳？（why）②怎么样进行分类归纳？（how）③你按照什么标准、分类归纳的结果如何？结合具体的内容，进行分类归纳。这一科学推理方法的显性教学，让学生在真实情境中体会分类归纳的必要性、理解分类归纳的方法、经历分类归纳的过程。

图1 对运动进行分类归纳

以往的学习，打个比方，就像跟团旅游，学生是从中间某个点（自由落体运动模型）上车的。而现在这样的教学，学生几乎是从起点（自然界纷繁复杂的运动）上车的，这样做的优点是：①能让学生感受到“物理源于生活”；②学生亲身经历了分类归纳的科学推理过程，而这往往是我们研究“众多现象中蕴含物理规律”的第一步。

（二）科学推理能力的培养不会增加教学负担

传统教学中比较关注物理概念、规律 “是什么”，然后应用概念、规律去解决问题，在解决问题的过程中进一步去理解概念、规律。

新课标背景下的教学，更关注物理知识的形成过程，基于观察到的“现象（或情境）”，通过科学思维、科学探究等方法形成物理概念、规律，即关注概念、规律是怎么来的，然后再应用概念、规律去解决问题，如图2所示。

图2 新课标背景下的教学

以往更多的是通过解决问题来进一步理解概念、规律，而现在更多的是通过经历概念、规律的形成过程来理解概念、规律。而概念、规律的形成过程本身，就包含了大量的科学家运用科学推理方法进行综合分析的过程。因此，建立物理学知识和培养科学推理能力，是同一学习过程产生的两种结果，教师并不需要额外的课堂时空进行单独的科学推理教学。

（三）问题链有助于科学推理能力的培养

通过前面的分析可知，关于概念、规律的教学，也就是我们通常所说的新授课，是培养学生科学推理能力非常重要的载体。而物理概念、规律的建立，通常基于生活现象或实验现象，因此在教学中，首先需要创设适切的情境。如果仅仅有情境，而缺乏问题引导的话，容易造成情境流于形式。因此，还要基于情境设计问题。以往，我们通常一个情境设计一个问题，问题的答案就是概念或者规律本身，所以不能够引导学生进行一步一步地分析推理，因此需要在问题的下位，再设计一连串有中心、有序列、相互关联的小问题，称之为问题链。

问题链，一般首先包括预设问题，在预设的问题里面，对于其中具有挑战性的问题，为了引导学生进一步分析推理，有时会设计更下位的问题来铺垫引导，如图3所示。这些问题，有时是预设的，有时是根据学生的现场反馈临时生成的，根据学生的现场反馈临时生成的问题称为生成问题。

图3 问题链的构成

问题链的问题之间具有较紧密的逻辑关联，因此在引导学生进行科学推理方面有较突出的优势。

三、设计问题链培养科学推理能力的路径与教学示例

（一）根据科学推理的逻辑环节设计问题链

以观察到的现象为起点，最终建立物理概念，得出物理规律，这中间需要经历科学推理的逻辑环节。科学推理是一个思维过程，如何将其显性体现呢？通过把现象梳理、转化成需研究的问题，继而对一个个问题展开研究，逐步得出现象背后的物理规律。问题链的设计，如图4所示，就可以根据从起点“现象”到目标“物理规律”间的科学推理逻辑环节来进行，从而引导学生开展从现象到规律的推理、探索。根据科学推理的逻辑环节，设计问题链，将思维可视化，是培养学生的科学推理能力的一种途径。

图4 问题链设计的路径

需要说明的是，培养学生的科学推理能力并不是只有问题链引导这一种有效途径。此外，问题链也不仅仅可以引导培养学生的科学推理能力，在培养其他核心素养方面都有较好的教学效果。

（二）设计问题链培养科学推理能力的教学示例

以“布朗运动反映了液体分子在做无规则运动”的教学片段为例，来看看如何预设问题，以及对于挑战性问题如何生成铺垫引导的小问题。

1.基于适切的情境预设问题链

观察到的现象是“固体颗粒的运动”，所反映的是“液体分子的运动”。根据科学推理的逻辑环节，教师预设了以下3个问题（示意如图5所示），引导学生根据宏观现象推理微观原因。

图5 预设的问题链

问题1：谁在动 ？学生根据显微镜下的视频，可以观察到现象——固体小颗粒在运动。

问题2：怎样动？教师借助Tracker软件追踪颗粒在经过相等时间间隔后的位置，并将这些位置依次连线，学生根据观察到的位置连线图，发现小颗粒在做无规则运动。

问题3：为什么这样动？

2.根据学生课堂反馈生成问题链

对于第一次接触的学生而言，问题3的思维难度比较大。因此，教师根据教学中学生的课堂反馈，分解成小问题，引导学生进行科学推理。

【课堂实录】

问题1：它为什么会这样动呢？同学们认为可以怎样分析这个问题？

学生：可以进行受力分析，它一定是受到了其他的外力作用。

问题2：为什么运动就一定是受到外力的作用呢？为什么不可能是自发的运动呢？牛顿第一定律不是告诉我们，物体的运动并不需要外力维持吗？

学生展开讨论。

学生：我认为小颗粒不是自发运动的，一定是外力推动的。证据是我发现有一些比较大的颗粒没有运动，颗粒越小运动越明显，说明颗粒太大时外力推动不了。如果是自发运动的话，大颗粒也应该在运动。

问题3：既然是被外力推动的，那么是谁对颗粒施加作用力造成了它的运动呢？请你对颗粒做受力分析。

学生：颗粒受到重力，还有颗粒之间万有引力的作用。

问题4：由于小颗粒的质量极小，这些和质量相关的力产生的效果基本都可以忽略不计。除了这些不接触就能发生的场力之外，还有什么物体是与小颗粒接触，但是在放大1000倍的显微镜下我们看不见的呢？

学生：哦，还有看不见的水分子，所以施力物体是水分子，是水分子在推动小颗粒做无规则运动。

问题5：那么通过小颗粒的运动，你能不能推测一下那些看不见的水分子在做什么运动呢？说明你判断的理由。

学生：水分子一定也是在做无规则运动。因为很多个水分子都在做无规则运动，从不同角度不断地撞击固体小颗粒，这些力并不平衡，所以就造成了小颗粒做无规则运动。

教师总结：同学们通过分析看得见的小颗粒的运动推理出看不见的水分子的运动，其实就是我们研究微观世界时常用的一种间接研究的方法。当我们从宏观世界进入微观世界时，由于无法用肉眼直接观察到，所以我们往往采用间接研究的方法，通过看得见的现象来推理看不见的世界。

在以上的课堂实录中，教师在预设的问题3“为什么会这样动？”的下位，根据学生的课堂反馈，生成了3个引导学生分析推理的小问题（示意如图6所示），可以归纳为：①固体颗粒为什么会动？②谁在推？③水分子在怎样运动？通过这3个小问题，引导学生自己推理回答了问题3“为什么这样动”。

图6 预设、生成的问题链

根据上述案例得知，通过教师设计的问题链引导，学生逐步分析、推理出了固体颗粒运动这一现象背后的原因。学生自己进行了这样的科学推理后，不仅知道了布朗运动及其产生原因，知道分子在做无规则运动；还经历了层层递进的逻辑推理过程，感受到科学推理是分析揭示未知世界的重要方法和手段；同时通过经历布朗运动的分析过程，形成了严谨认真、实事求是、敢于质疑的科学态度。

由此可见，通过设计问题链，让学生在建立物理概念和规律的过程中学习、应用科学推理方法，不仅能让学生对方法深入理解，还有助于培养他们科学、严谨的态度。通过这样的学习过程所培养的科学推理能力和科学思维习惯，是学生在物理习题训练中难以获得的。具备了这样的分析推理能力，学生也能更好地解决实际问题。推理能力是学生今后从事科学研究或其他科学活动的重要基础，即使今后不从事与科学相关的工作，科学的思维方式也是学生从科学的视角分析任何问题的基础，因此从更长远的发展角度来说，培养学生的科学推理能力，比掌握一些物理学知识更具有普遍意义。

科学推理需要严密的逻辑，因此问题链的设计也必须要逻辑清晰、结构严密。这需要教师对所教内容有深刻全面的理解、对教学目标有清晰的认知、对学生可能产生的问题有较充分的预设，在此基础上，创设适切的情境，根据科学推理的逻辑环节设计层层递进、引发思考的一整串问题链，让学生在思考、解决这些问题的过程中理解所学内容、提升科学推理能力；还需要进一步从单元的视角、某一推理能力进阶的视角等不同的角度，进行大问题链的设计，整体规划对学生科学推理能力的培养。