科學創新視野下科學推理核心素養培養策略探索*

黃國龍

(寧波市鎮海中學 浙江 寧波 315200)

1 科學創新視野下科學推理特點和作用

科學創新需要通過對現象的分析來發現和提出問題、形成假設，并且設計實驗(或運用理論)驗證(或論證)假說，然后得出結論并應用規律，最后建立理論體系等[1]．科學創新活動需要依靠科學推理，推理是科學思維的一種基本形式，指的是由一個或幾個已知的判斷(前提)推出新判斷(結論)的方法及過程．從邏輯角度分析，科學推理主要包括歸納推理、演繹推理和類比推理3種方式．在物理學探究過程中，物理學家運用科學推理來實施物理創新活動，取得了很多重大的創新成果．

1.1 運用科學推理發現和提出科學問題

發現和提出問題是科學探究開端，物理學家常運用演繹推理導致悖論來揭示原有物理理論隱含的矛盾，從而發現和提出探究問題．例如，普朗克運用特殊化推理(頻率無限大)導出原有黑體輻射能量分布趨于無限大(與實驗矛盾)，揭示了原有經典理論隱含矛盾．

1.2 運用科學推理提出科學猜想

科學猜想是一種理性思維過程，物理學家運用科學推理來提出科學猜想．例如，盧瑟福運用類比推理提出原子核式結構猜想．麥克斯韋根據變化磁場在導體中產生感生電場，進行一般化推理，提出變化磁場在空間產生感生電場的猜想．

1.3 運用科學推理驗證(論證)科學猜想

物理家運用歸納推理來處理實驗數據，驗證科學猜想得出物理規律，運用演繹推理論證科學猜想，揭示物理理論間自洽聯系．例如，開普勒在對第谷觀察行星運動半徑和周期相關數據的基礎上，嘗試運用歸納推理方法得出行星運動的第三定律．牛頓綜合運用數學知識和牛頓運動定律、開普勒三大定律進行演繹推理論證行星做橢圓運動一般情形下引力平方反比猜想．

1.4 綜合多種科學推理 探究物理規律 建立理論體系

伽利略在研究落體運動時，先運用一般化推理探究得出斜面上物體勻變速規律，再運用特殊化推理，回歸揭示自由落體運動規律．麥克斯韋在電磁學實驗規律基礎上，推廣提出變化磁場產生感生電場，創新提出位移電流概念，借助類比、演繹推理建立4個電磁場方程組，建立電磁理論體系．

2 培養要求和內容分析

2.1 培養要求

從物理核心素養角度審視，科學推理是物理科學思維核心素養一重要組成部分[2]，鑒于科學推理在科學創新活動中重要作用，現行物理教學中缺乏科學創新高階科學推理核心素養的研究與實踐．因而，很有必要探索科學創新視野下科學推理核心素養培養的途徑和策略．

學生學習物理過程和物理學家科學創新過程雖然在探究目標上、探究難度上是不同的，但認識過程和思維方式具有相似性．因而，可根據科學創新過程中科學推理的特點和作用，分析確定科學創新視野下物理教學中科學推理核心素養具體內容，引導學生運用科學推理來實施物理創新活動，從而深度培養學生科學推理核心素養．

2.2 內容分析

鑒于對科學推理核心素養的上述分析思考，筆者針對表1中3種科學推理特點，分析給出基于科學創新要求的科學推理核心素養具體內容，為科學創新視野下科學推理核心素養的培養明確了目標和方向．

表1 3種科學推理特點

3 途徑策略探索

3.1 在物理知識教學中培養科學推理核心素養

(1)創設猜想教學情境，運用類比推理提出猜想

物理教材中包含了較多運用類比推理提出科學猜想的教學內容，在新知識教學中應充分挖掘和利用這些課程資源，引導學生運用類比推理提出新的猜想，從而明確探究方向，揭示新舊知識聯系．

教學案例1——運用類比推理提出電磁振蕩周期猜想．

探究問題：LC電磁振蕩周期與哪些因素有關？定量關系如何？

定性猜想：引導學生運用原有知識提出周期T與自感L和電容C定性關系猜想，L和C越大，T越大．

類比猜想：彈簧振子與LC振蒎電路類比如表2所示.

1)向學生展示彈簧振子振動過程和LC電磁振蕩過程相似情景；

2)引導學生理解“力學慣性”和自感中“電學慣性”的相似性，揭示兩種慣性表現物理量(速度和電流)和大小量度物理量(質量m和自感L)相似性，揭示動能和磁場能的相似性；

4)最后再引導學生對兩種振動模型的周期進行類比推理，根據振動相關量相似性提出LC振蕩電路周期猜想

通過表2中類比推理，不僅揭示兩種模型中相關知識和物理過程聯系，還有效地培養了學生類比推理核心素養．

表2 類比推理

(2)構建論證猜想物理情境，運用演繹推理論證猜想

新知識教學中，在構建論證猜想的物理情境基礎上，引導學生運用已有物理理論結合演繹推理來論證猜想，推出新的物理規律，揭示新舊物理規律間聯系，有效培養學生科學推理核心素養

教學案例2——運用演繹推理論證“機械能守恒猜想”．

高中物理必修2教材中在展示了小球動能和重力勢能相互轉化特點基礎上，提出：“小球動能和勢能相互轉化是否守恒？”問題．針對學生提出“動能和勢能總量保持不變”這一猜想，可以構建自由落體運動、光滑斜面、光滑曲面(教材中)等物理情景，引導學生運用動能定理和演繹推理來論證機械能守恒猜想．為了論證更一般情形下機械能守恒，揭示機械能守恒的條件，深度培養學生演繹推理核心素養，再構建如下物理情景引導學生論證機械能守恒猜想．

拓展論證1：論證動能、重力勢能、彈性勢能轉化情形下機械能守恒猜想．

【構建論證情境1】如圖1所示，質量為m小球懸掛于勁度系數為k的輕質彈簧下端，空氣阻力不計．在彈力和重力作用下振動．

圖1 構建論證情境1

【演繹推理，論證猜想】運用功能關系和動能定理進行演繹推理：小球在某一過程中動能增量滿足

W合=WG+W彈=ΔEk

結合

WG=-ΔEG

W彈=-ΔE彈

得

-ΔEG-ΔE彈=ΔEk

即

ΔE機=ΔEG+ΔE彈+ΔEk=0

即小球與彈簧組成系統機械能守恒．

拓展論證2：揭示機械能守恒的條件．

【構建論證情景2】質量為m小球在傾角為θ斜面上由靜止沿斜面向下運動，受到阻力恒為f．

【演繹推理，揭示守恒條件】運用動能定理等知識進行演繹推理：物體向下運動s過程中動能增量為

W合=ΔEk=(mgsinθ-f)s

重力勢能增量為

ΔEp=-mgssinθ

ΔE機=ΔEk+ΔEp=-fs

物體下滑過程中機械能減小，不守恒．綜合正面論證和反面證偽，提出一般情形機械能守恒定律，揭示適用的條件，不僅加深了對機械能守恒定律認識，而且有效地培養學生演繹推理核心素養．

3.2 在物理實驗教學中培養科學推理核心素養

科學推理在設計物理實驗、處理實驗數據得出規律、間接測量極端條件物理量等環節中起著十分重要的作用，物理實驗教學是培養科學推理核心素養重要領域．要精選物理實驗課程資源，加強在物理實驗各環節中進行科學推理策略的教學，通過運用多種科學推理來解決實驗問題，有效培養科學推理核心素養．

(1)運用特殊化推理處理實驗數據，間接求解特殊物理量

當某兩個物理量間存在線性關系時，可以通過測量常規條件下實驗數據作出線性圖線，進行特殊化推理，間接測量某些較難測量的物理量．

教學案例3——運用特殊化推理處理“探究加速度與外力關系”實驗數據．

【實驗問題1】如圖2所示，水平木板與小車間動摩擦系數較小，以質量為M的小車為研究對象，探究小車加速度a與重物重力F=mg關系．測量實驗數據如表3所示．

圖2 實驗問題1情境圖

表3 F與a的實驗裝置

請作出a-F圖線，由a-F圖線求出小車受到的阻力．

【特殊化推理，求解特殊物理量】教師運用Excel軟件作出如圖3所示a-F圖線，并把圖線進行外推，與F軸相交，圖線在F軸的截距就是小車受到阻力，即f≈0.10 N．

圖3 a-F圖像

(2)運用歸納推理處理實驗數據，得出物理規律

歸納推理結合線性化方法是處理物理實驗數據驗證(或證偽)猜想的有效方法，通過歸納推理不僅加深對物理規律的認識，而且有效地培養學生歸納推理核心素養．運用歸納推理處理實驗數據常用的方式有線性化比值歸納法和線性化圖像擬合法．

教學案例4——運用歸納推理處理“探究加速度與外力關系”實驗數據，得出a與F定量關系．

【實驗問題2】請處理實驗問題1中數據，得出加速度a與合力F定量關系．

【歸納推理，得出規律】通過圖線外推間接測量小車受到阻力后，修正小車5次受到合力分別為F0與相對應加速度a如表4所示．引導學生分別運用如下2種歸納推理處理數據得出a與F0關系．

表4 修正后的F0與a

圖像歸納擬合法．教師引導學生運用Excel軟件作出如圖4所示a-F0圖線，得出擬合關系式為a=2.03F0，得出加速度與合力成正比．

圖4 a-F0圖像

3.3 在習題教學中培養科學推理核心素養

在物理習題教學中，精選和創設包含多種科學推理的物理問題，引導學生綜合運用歸納和演繹、歸納和類比、演繹和類比以及不同數學工具組合等進行推理來創新解答復雜、疑難物理問題，簡化解題過程，深度培養高階科學推理核心素養．

教學案例5——組合歸納推理和演繹推理嚴密完整解答物理問題．

【物理問題】如圖5所示，材料表面上方矩形區域PP′N′N充滿豎直向下的勻強電場，寬為d；矩形區域NN′M′M充滿垂直紙面向里的勻強磁場，磁感應強度為B，長為3s，寬為s；NN′為磁場與電場之間的薄隔離層．一個電荷量為e，質量為m，初速為零的電子，從P點開始被電場加速經隔離層垂直進入磁場，電子每次穿越隔離層，運動方向不變，其動能損失是每次穿越前動能的10%，不計電子所受重力．A是M′N′的中點，若要使電子在A和M′間垂直于AM′飛出，求電子在磁場區域中運動的時間．

圖5 教學案例5物理問題情境圖

【分析】解答這個問題時，首先需要運用歸納推理求出電子在磁場中運動半徑一般通項，然后運用演繹推理求解在磁場中運動位移，再運用不等式演繹推理求出整數n．有些學生缺乏歸納推理未能寫出半徑通項，有些學生缺乏不等式演繹推理未能揭示整數n的具體取值，導致解題失敗或錯誤．

【歸納推理】電子第1次進入磁場時運動半徑滿足

(1)

(2)

第2次運動半徑滿足

(3)

(4)

第n次運動半徑滿足

(5)

(6)

令電子第n次經四分之一圓周垂直打到M′N′上，水平方向總位移為x滿足

x=2r1+2r2+…+2rn-1+rn=

2r1[1+k+k2+…+k(n-2)]+r1k(n-1)

(7)

【演繹推理】

推理1：對式(7)運用等比數列求和得

(8)

推理2：要使電子在A與M′間垂直飛出，要求

(9)

由式(6)、(8)化簡得

[20-19kn-1]r1=3s

(10)

由式(6)、(8)、(9)推得

(11)

解得n=2,3．

推理3：要求滿足

(12)

解得n=3．

推理4：運動時間滿足

(13)

(14)

解得

通過上述1次歸納推理和4次演繹推理，不僅正確、完整、嚴密地解答這個復雜疑難問題，而且深度培養學生綜合運用歸納和演繹推理解答物理問題的核心素養．