高中物理教学中落实科学推理的培养

许丽真　郑渊方

摘 要：针对物理学科核心素养对科学推理能力的要求，结合归纳推理、演绎推理以及证据推理三个因素，依托“动能和动能定理”，从回顾旧知、提出猜想、实验探究和证据评估四个方面展开教学，探索在高中物理教学中培养科学推理的路径，提升学生的科学推理能力。

关键词：物理教学;科学思维;科学推理

2018年，教育部正式颁布了《普通高中物理课程标准（2017）版》，修订后的高中课程标准主要变化有两个部分。一个是关于课程方案，另一个是关于学科核心素养。高中物理学习过程中注重培养学生的必备品格与关键能力有“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”四大学科核心素养。“科学推理”作为科学思维的主要要素之一，目前高中物理教学中对科学推理能力的培养稍显薄弱，注重物理概念和物理规律的直接性获得，缺少知识的推理产出过程。

一、 科学推理的内涵

科学推理这一概念最早出现在皮亚杰的认知发展理论中，它是学生在从旧知到新知的有效媒介，学生利用原有认知通过科学推理能有效学习新知。Klahr和Dunbar提出的SDDS模型中，认为科学推理就是对假设空间与实验空间的双重检索来完成科学发现活动的目的，并提出三个主要因素，即先前知识、实验结果与证据评估。在物理学科核心素养对科学推理能力的要求：能从定性和定量的角度进行科学推理，对获得结论做出解释，并合理使用证据，检验结论。由此可见，传统意义下的科学推理不应当只包括归纳推理和演绎推理，还应包括证据推理，也就是合理使用证据来评估推理过程的合理性。

学生进行科学推理的过程就是解决问题的过程。运用归纳演绎推理与证据推理解决问题的思维过程。利用原先的知识，定性分析现象，其中能针对问题本身提出合理的猜想，检验猜想得到实验结果，使用证据评估实验结果与过程的合理性。

回顾旧知→提出猜想→实验探究→证据评估

二、 教学过程例析

下面依托“动能和动能定理”的习得过程，简要探讨一下如何在高中物理教学中有效促进科学推理能力的培养路径。动能定理的物理规律探讨是在学生明确知道动能概念的基础上进行的，所以在学生进行动能定理的物理规律推理之前，先对原先知识进行强化，为物理规律的推理过程做好准备，由此再逐步推理动能定理的物理规律。

（一） 回顾旧知、夯实基础

教师通过展示升空的火箭、盘旋的直升机、高速飞行的子弹射穿一个固定的大苹果等图片。引导学生分析大量的生活事例，得出物体由于运动而具有能量。物理学中把由于运动而具有能量的能叫做动能。在学生原有认知的基础上，教师引导学生回顾初中动能的大小和哪些因素有关？

实验装置如下，通过比较右球撞击左球后左球摆起的高度定性比较右球动能的大小。实验中有三个小球，其中两个质量为m，一个质量大一些为M。首先将质量为m的两个小球用细线紧靠悬挂起来，拉开右边的小球，从不同高度释放撞击左边小球，如图2所示。其次再把一个质量为M的小球悬挂起来，将它与右球拉开到同一高度，先后释放撞击左边的小球，如图3所示。图2中两个小球质量相同，从不同高度摆起，得到的结论为速度越大的小球动能越大;图3中两个小球质量不同，从同一高度摆起，得到的结论为质量越大的小球动能越大，定性得出了动能的大小与质量和速度有关。针对刚刚的物理现象，对小球的运动过程和运动结果做出解释，得出了影响动能的因素。

（二） 定性分析、提出猜想

教师利用手中的粉笔盒，给学生创设情境。在光滑的水平面上如图4所示，粉笔盒在水平恒力F的作用下以初速度为v1向前做加速运动，位移为s时，速度增至v2。引导学生对整个过程进行分析，对粉笔盒进行受力分析，可知重力与支持力在竖直方向上平衡，在水平方向上粉笔盒受到恒力F的作用。

教师告知学生演绎推理法是指从学生已知的客观规律为依据，通过数学公式的推导，推知未知规律的方法。通过上面的分析，学生的头脑里初步建立起一个质点运动模型。假设粉笔盒的质量为m，由题可知粉笔盒的初速度为v1，位移为s，所受水平恒力为F，末速度为v2。

学生已知的物理规律有牛顿第二定律F=ma、功的公式W=Fs和匀变速运动v22-v21=2as的规律，可得粉笔盒做功Fs=12mv22-12mv21。教师提问公式中12mv2代表什么意思？已知“功是能量转化的量度”，学生自然而然就猜想12mv2是一种能量，而且是一种与速度相关的能量。那如何用实验验证这个猜想？

（三） 检验猜想、实验探究

由W=12mv22-12mv21可得，如果v1=0时，则Fs=12mv22。这时，只需验证Fs=12mv22之间的关系即可。实验装置如图5所示，改变木板的倾角来平衡掉小车及纸带受到的摩擦力，同时小车的质量远大于钩码的质量，小车在外力的作用下做匀加速运动。可以认为小车所受拉力F的大小等于钩码所受的重力。通过打点计时器得到小车的位移和时间，经过多次实验验证Fs与12mv2之间的关系，从而得出Ek=12mv2为动能的表达式。学生有依据地提出猜想、大胆假设、检验假设、得出结论，利用清晰直观的实验现象对所获得的结论进行解释。让学生依据所学知识，有理有据推导动能的表达式，避免学生机械记忆。

（四） 证据评估、巩固提升

学生掌握了动能表达式的推导过程，在粉笔盒的运动过程中，物体处于直线运动状态，动能表达式W=12mv22-12mv21 成立，那能否将其称为定理？

如图6所示，小球在力F的作用下，从竖直方向P点，向右运动到达Q点，忽略空气阻力的作用。这个过程中小球受到了几个力作用？哪个力做功？哪个力不做功？动能表达式W=12mv22-12mv21是否仍然成立？

引导学生对小球进行受力分析，小球受重力G、水平拉力F、绳子拉力T。由共点力平衡条件可知F=mgtanθ，分析可知力F为变力，不能直接用功的公式。绳子拉力T时刻与运动方向垂直，拉力T不做功。要进行问题的探究，就必须借用微元的思想，将曲线运动等效为无限多段直线运动微元，把合力做功扩展为不同过程中各力做功的代数和，也为多过程做功做好铺垫。可得在曲线运动中W=12mv22-12mv21仍然成立，根据动能定理水平拉力F做的功为mgL（1-cosθ）。

三、 结语

在物理教学过程中不能将学科素养的某个能力单独剥离进行教学，应当从各个方面促进学生的全面发展，在这个过程中更加考验教师的教学能力。学生的综合素质的发展依托于教学过程中教师引导学生多角度、多手段对物理概念、物理规律以及习题的深入探索，积极思考，科学推理是学科能力的一部分，探索提高学生核心素养的教学方式，落实核心素养的培养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：5-7.

[2]肖展望，刘碧君.“基于问题的学习”的科学推理能力培养探讨——以“动能和动能定理”的教学为例[J].物理之友，2017，33（10）：29-31+36.

[3]史宏凯.例析科学推理在高中物理教学中的有效渗透[J].物理教学探讨，2019，37（4）：1-2.

[4]邢红军.高中物理高端备课[M].北京：中国科学技术出版社，2014：48-49.

[5]吳宏伟，焦振兰，王玥.基于学习进阶的教学设计——以“动能与动能定理”的教学为例[J].物理之友，2017，33（11）：11-13.

[6]周栋梁.再论“动能和动能定理”的“高端备课”[J].中学物理教学参考，2015，44（19）：17-19.

作者简介：

许丽真，郑渊方，福建省福州市，福建师范大学物理与能源学院。