有效聯結：讓科學邏輯優化科學探究過程

摘要：根據活動目的和要求的不同，學生科學活動可分為探究型活動和非探究型活動，辨析不同科學活動的差異，可以找到其中的關聯。科學邏輯可以讓科學發現合理化、科學探究模式化。科學探究活動又可分為概念型探究、原理型探究、驗證型探究，科學邏輯與不同科學探究活動的聯結樣態具有差異性。

關鍵詞：有效聯結；科學邏輯；科學探究

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

《義務教育科學課程標準（2022年版）》倡導以探究和實踐為主的多樣化學習方式，讓學生主動參與、動手動腦、積極體驗，經歷科學探究及技術工程實踐的過程[1]3。科學邏輯研究的對象是科學認識活動，主要研究科學活動的模式、程序、途徑、手段及其規則等，探討科學活動的合理性及其標準。在小學科學教學中，學生親身經歷的活動不一定是探究活動，科學探究活動與非探究活動的本質區別在于是否蘊含科學邏輯。有效聯結科學邏輯和科學探究活動，可以使科學發現合理化、科學探究模式化，從而優化科學探究過程。

一、辨析：科學探究蘊含科學邏輯

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

（一）探究型活動的內涵

“探”就是觀察和實驗，發現事物表象；“究”是比較、抽象思維，理解事物本質[2]。科學探究是指人們通過一定的過程和方法，對客觀事物和現象進行探索、質疑和研究。科學探究活動是為解決某一問題，設計特定活動或方案，從而探索客觀事物和現象間的規律，理解事物本質。在探究型活動中，學生經歷提出問題、思考并設計活動，從而解決問題、獲得新知、發展能力的過程。

例如，學生在觀察鐵釘生銹現象時，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系？為了解決這一問題，學生先進行假設，再設計不同實驗方案來驗證假設，在觀察實驗現象的過程中理解“鐵生銹”的本質，從而尋找到使鐵不生銹的方法。在整個活動過程中，學生在觀察的基礎上發現問題，在實驗探究中探尋規律，在解決問題過程中獲得新知并發展能力。

（二）科學探究蘊含科學邏輯

科學的認識活動是依照怎樣的模式、程序、途徑、手段進行的呢？如何從事科學活動才是有效、正確、合理的呢？科學活動的合理性標準是什么？對這些問題作出回答就形成了經驗科學的邏輯方法論，簡稱為“科學邏輯”[3]1-2，涉及發現的邏輯、檢驗的邏輯、發展的邏輯三個方面。?科學邏輯的本質是科學思維，即用科學思維方法開展科學活動。科學思維是從科學視角對客觀事物的本質及內在規律的認識方式，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、建構模型的重要思維，亦可稱之為科學邏輯方法。

探究型活動是以解決實際問題為目的，以理解事物本質為要義的科學活動。除探究型活動外，科學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，學生思維僅停留在認識事物表象上，未達到認識事物本質屬性的深度。而探究型活動需要學生在觀測、實驗的基礎上，探究事物本質及其內在聯系。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，更注重獲得科學知識的過程與方法。學生經歷了主動獲取知識的過程，體現了科學知識的發現、檢驗、發展的過程，符合學生認知規律，蘊含科學邏輯。

二、溯因：科學邏輯對科學探究的意義

科學邏輯能夠反映人類邏輯思維的普遍規律，探討科學認識活動的模式，能讓科學探究活動更合理。

（一）科學邏輯讓科學發現合理化

科學探究活動的內涵是讓學生像科學家那樣工作，經歷知識的發現、檢驗、發展的過程。然而學生的科學探究過程和科學家的科學探究過程卻又是不同的，科學家的科學探究活動的對象是人類未知的，方法既規范嚴謹又有創新；學生科學探究活動的對象通常是學生自己未知的，但在科學界卻是已經經過驗證的知識。在探究過程中，教師需要把已知的知識當作未知的知識，用合理的方式讓學生經歷知識的發現過程，這也是科學邏輯在小學科學探究活動中的意義。

例如，在“認識昆蟲”的過程中，教師帶領學生觀察螞蟻、蝴蝶等小動物，在觀察比較中，學生發現它們身體結構的特征，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。學生經歷的是一個從“未知”到“已知”的過程，這樣的科學發現過程是合理的。但是如果先告訴學生螞蟻就是昆蟲，然后帶領學生觀察螞蟻的身體結構，認識昆蟲的共同特征，經歷的是從“先知”到“辨知”的過程，在科學上不僅容易犯以偏概全的錯誤，也不符合科學發現的邏輯。所以，科學邏輯其實是讓學生明白，要用科學的方法、合理的論證去認識科學，合理使用科學邏輯進行探究活動。

（二）科學邏輯讓探究過程模式化

科學認識的過程是從未知出發，在觀察中發現問題，經過探究、論證，作出合理解釋（科學理論），并不斷發展理論的過程，是從感性的經驗認識上升到理性的理論認識，并用理論指導實踐的邏輯進程。因此，科學理論的發展有一定的模式可遵循，對科學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“絕大多數液體會熱脹冷縮”這一科學知識時，可以在觀察生活現象后提出問題：一杯熱水倒進杯子中，蓋上杯蓋，當水變冷后，體積會變少，這是為什么呢？經過實驗驗證發現，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“絕大多數液體會熱脹冷縮”。在探究過程中涉及發現的邏輯、檢驗的邏輯、發展的邏輯，綜合運用比較、實驗、歸納、演繹等科學邏輯方法，符合科學知識認識深化的一般模式。

當然，在學生的實際科學探究中，根據教學重點和教學任務的需求，有時會省略修正和淘汰的環節，這是因為科學知識都是經過科學家們反復檢驗的，無需學生修正。但科學家的探究活動卻需要完整過程，在科學理論的發展過程中，可能需要很長時間才能找到反例，需要幾代科學家不停地努力。

三、聯結：科學邏輯優化科學探究過程

科學探究活動對學生的邏輯思維有較高要求，體現了“具體—抽象—具體”的邏輯思維過程，科學邏輯能給學生科學探究提供合理化、模式化的支撐。根據探究目的和探究過程的不同，學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。合理聯結科學邏輯和各類科學探究活動，可以優化科學探究過程。

探究型活動主要包括三類：概念型探究的目的是整理事實，建構科學概念，解決“是什么”的問題，學生在探究的過程中掌握某些特定的科學知識，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、發現規律，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、驗證結果，解決“怎么樣”的問題，如“鐵釘生銹與什么有關”“影響鹽在水中溶解快慢的因素”“種子萌發的條件”等。在梳理分類這些探究活動過程后，可以發現不同探究活動適用的科學邏輯方法是不同的。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結

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、粗的物體發出的聲音音調低，短、細的物體發出的聲音音調高”這一科學概念。小學科學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，再在小范圍內尋找具有相同特征的其他個體，在此基礎上進行經驗概括，將范圍擴大。簡單枚舉歸納是一種不完全歸納，其概括結論的正確性受個體數量的影響，因此還需要對概括的結論尋找反例。如果找到反例，說明概括的結論是不正確的，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在規律的基礎上進行的，這就意味著，概括的結論必然是正確的，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結

在科學探究過程中，有些問題單憑觀察難以得出結論，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，根據已知的事實、經驗和一定的科學理論，設計和構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]。它對了解事物的內部結構、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構：紙屏上吊著小球。通過敲小鼓，觀察到小球的振動現象，遷移到人耳結構中，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，因實驗結構與人耳結構高度相似，推出聲音在人耳中的傳播過程也應該高度相似。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實問題，揭示事物運行的規律（如圖4）。

（三）“比較—對比”邏輯方法與驗證型探究活動的聯結

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、發現差異、確證猜測。可以借助感覺器官觀察比較物體間性質、特點的差異，也借助工具進一步觀察比較，設計實驗進行深層次的比較。可以比較兩個不同物體的差異，也可以比較同一物體不同狀態的差異。例如，在“比較棉線和腈綸線的異同”活動中，通過“看一看”發現兩種線在外觀上幾乎差不多，通過“摸一摸”發現它們光滑度上的不同，通過“浸一浸”發現吸水性上的差異，通過“燒一燒”發現它們燃燒現象的不同，利用感官和實驗來比較兩種不同物體，使學生感受天然材料與人造材料的區別。

對比，嚴格意義上來說是一種實驗探究方法，隸屬于科學實驗邏輯方法。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果的公正性。對比實驗的實驗過程比較符合科學探究的一般過程：提出問題、作出假設、設計實驗及驗證、得出結論。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、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：學生在觀察實驗（生活）現象的基礎上提出研究的問題，并針對問題作出假設。為了驗證假設是否合理，設計有效實驗，在實驗過程中收集實驗數據（現象），通過分析實驗數據（現象）得出結論。最后，通過交流與討論，確定結論的正確性（如圖5）。

當然，以上所談科學邏輯與探究模式所聯結的探究活動，適用于大多數情況，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，根據實際教學需要，選擇合適的科學邏輯方法。

當科學探究活動在結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。沒有科學邏輯的科學探究活動將毫無科學性，會使科學發展走入歧途。合理聯結科學邏輯和科學探究，能有效優化科學探究過程，使科學發現合理化，更具邏輯性。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準（2022年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

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

[3]張巨青.科學邏輯[M].長春：吉林人民出版社，1984.

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

責任編輯：趙赟

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

收稿日期：2024-07-05

作者簡介：王學秀，常州市武進區星韻學校，高級教師，常州市骨干教師，主要研究方向為小學科學教學。