问题链引导下的推理能力的培养

摘 要：推理能力是批判性思维技能的一种能力.根据德尔菲报告，推理能力包含三种子技能：寻求证据、考虑多种可能性、概括结论.以机械能守恒定律的过程性习得为例，分析了通过问题链引导学生在高中物理学习中展开批判性思维、培养推理能力的实施策略.

关键词：批判性思维;推理能力;问题链;归纳

文章编号：1008-4134（2020）07-0032中图分类号：G633.7文献标识码：B

基金项目：上海市第四期“双名工程”攻关计划关伟物理基地市级课题“‘德尔菲批判性思维模型在中学物理教学中的实践研究”.

作者简介：丁丽娟（1981-），女，浙江湖州人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理教学实践研究.

1 研究背景

1.1 推理能力是批判性思维的重要技能之一

“批判性思维”是近年来的一个全球教育热点.美国全球教育协会所倡导的4C核心技能中就包含了批判性思维（Critical Thinking），芬兰《课程大纲》中也特别关注培养学生的批判性思维能力，并将它融入到各学科课程的培养目标中.

1987年至1989年，在圣克拉克大学人文和艺术学院彼得瘙 簚

范西昂（Peter A. Facione）教授的领导下，由46个专家组成委员会运用德尔菲法对批判性思维开展研究.该委员会于1990年发布了批判性思维专家共识（Delphi）报告，这份报告至今仍是批判性思维研究领域的一份重要文件.Delphi报告指出：“批判性思维是有目的的、自律性的判断，通过这种判断，得到针对它所依据的那些证据性、观念性、方法性、标准性或情境性思考的阐释、分析、评估、解释……”专家们将批判性思维分为6种技能和19种倾向（包含了一般生活问题的12种倾向和面对具体专业问题时的7种倾向）.

我们常常把“质疑”和“批判”联系在一起，甚至划上等号，但其实批判性思维包含着更丰富的内涵.有目的的、自律性的判断，不仅需要“大胆质疑”，更需要“谨慎断言”.需要对研究的问题进行阐释、分析、评估，运用新的方法来进行推理，最终形成自己的判断和结论.因此，批判性思维不仅仅是质疑.正如杜威所说，如果对一个观念没有细致、深入、全面的合理思考和探究，就不要下判断.说“不”并不难，难的是说得有道理.因此，批判性的思考必然包含了科学、合理的推理（见表1）.

1.2 推理能力是我国高中物理核心素养的重要组成部分

我国普通高中物理课程标准（2017 年版）中没有显性提及“批判性思维”，而是提出物理课程需要培养“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面的核心素养.虽然表述不同，但深究其内涵，发现还是有共同内核的.“科学思维”包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新.可见，我国高中物理教学也把科学推理作为学生必备的一种能力来培养.

但是，目前高中物理教学过程中普遍缺少对学生物理科学推理能力的培养，强调物理概念与规律的直接性获得，缺少问题的提出与过程性产出[1].而物理概念和规律的得出过程，恰恰是运用推理能力的过程，也是培养推理能力的重要过程.

2 概念界定

关于科学推理，不同专家从不同的角度给出了多种解释和定义.

皮亚杰在其认知发展理论中首次提出了科学推理（Scientific Reasoning）的概念.他认为科学推理能力是儿童或成人的认知水平发展到形式运算阶段之后具有的推理类型.Lederman将科学推理分为归纳思维和演绎推理，这一分类也是目前普遍被大家接受的.Stuessy认为科学推理是在科学探究过程中观察事物之间关系、做出假设、验证假设、预测结果、逻辑推断、证据评估，最终证明特定结论合理所需要的内在逻辑思维形式.这一解释中的推理类似于伽利略的科学研究方法.Klahr和 Dunbar则把科学推理视为问题解决.

在我国，廖伯琴老师认为，科学推理是科学思维的重要体现，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、相关推理、因果推理等推理形式.科学推理的核心是将理论与实证相结合，即一个科学家能够清晰地解释他所支持的理论，并知道哪些证据可支持它，哪些可反驳它，同时能对那些与理论不相符的实证进行解释，从而接受该理论而反对其他理论[2].这一解释加入了类比推理、组合推理等推理形式，同时也扩大了“科学推理”的内涵：不仅包括逻辑推理还包括了在推理過程中运用的一系列思维方式，使得我们对“科学推理”有了比较清晰的理解.

Delphi报告指出，推理是指“找出并夯实得出合理结论所需的因素;形成猜测和假设;考虑相关的信息，从数据、陈述、原理、证据、判断、信念、观点、概念、描述、疑问或其他表达形式中推导出结论[1].”这一定义与Stuessy的定义有类似之处.专家们将“推理”前置到“猜测和假设”阶段，基于寻求证据与推理的密切联系，将寻求证据的过程也纳入到“推理”范畴，提出“推理”包含寻求证据、考虑多种可能性、概括结论三种子技能（见表2）.

三种子技能分别对应了推理过程的三个阶段，教师可以根据这一框架设计学习活动，帮助学生培养和提升推理能力.

3 案例及分析

“机械能守恒定律”是高中物理中的一个重要规律.“上科版”教材中，设计了学生通过DIS探究摆锤在摆动过程中的机械能，从而得出规律.基于培养学生推理能力的教学目标，可以将本节课分为定性体验摆的机械能变化、定量探究摆的机械能变化、理论推导机械能守恒定律三个阶段.整个学习过程，通过教师的问题链，不断引导学生基于证据得结论，透过现象看本质，在推理中不断发现、总结，并时刻反思自己推理的严密性和合理性.

3.1 阶段一：机械能损失初体验

情景1：荡秋千（如图1）.

问题1：同学们在荡秋千时，如果没有别人推，能否一直荡？

学生：不能.会荡得越来越低.

问题2：人能摆到的最大高度越来越低，从能量的角度思考，这意味着什么？

学生：他的机械能在减小.

情景2：用DIS探究荡秋千实验（如图2）.

问题3：大家桌面上也有一个类似于荡秋千的摆.请你从某一高度释放摆锤，看看摆锤能不能一直维持在某一高度摆动？

学生（实验后）：不能.

学生（实验后）：能.

学生（实验后）：几乎可以.

问题4：居然出现了三种不同的答案，我们来看看为什么大家回答得不一样呢？请同学们说一说，你是怎么做的，发现了什么，所以得出什么结论.

学生（回答“不能”的）：我发现摆锤从右边释放后，摆动很快，很难看到左边不在同一高度，但是我发现摆回来后没有被释放器吸住，所以我认为摆锤会越摆越低.

学生（回答“几乎可以”的）：我发现摆锤从右边释放后，到左边差不多在同一高度，可能低一点点，但很小，几乎可以忽略.

学生（回答“能”的）：我发现摆锤从右边释放后，回来又被吸住了，所以我认为可以回到原来高度.

问题5：你和第一位同学的观察结果截然相反，能不能重复一下你的实验给大家看一下？

学生（回答“能”的）：将摆锤从较低位置释放，教室里听到清晰的一声“嗒”，摆锤摆回来后又被释放器吸住了.

问题6：从较高的位置释放，摆锤没有回到原来的高度，为什么从较低的位置释放摆锤能回到原来的高度呢？

学生：因为低处释放的摆锤回来靠近释放器时，释放器的磁铁对摆球有磁吸引力，摆锤被吸回来了.

追问：那么高处释放的摆锤回来时，磁铁不吸引它吗？

学生：吸引，但离得远，引力弱.

追问：那是不是从低处释放的摆锤回来时更接近释放时的位置？

学生：是的.

追问：为什么低处释放的摆锤回来时更接近释放时的位置呢？

学生：路程短，空气阻力做功小.

问题7：所以我们猜想造成摆锤不能回到原来高度，也就是机械能减小的原因是什么？

学生：有空气阻力.

【分析】

这一阶段的学习活动，目的是让学生得出“机械能存在损失”“机械能损失的可能因素是存在阻力”这两个结论.得出结论的证据是“摆的振幅越来越小”.原本是一个比较简单的推理过程，但是实验过程中出现了三种不同的结果，教师敏锐地捕捉到了学生实验中的“不同声音”，从而丰富了这一推理过程.教师没有忽略学生的不同意见，或者用“误差”一言以蔽之，而是及时要求学生重复实验并向其他学生证明自己的结论.通过一连串问题链引发学生比较实验条件，分析引起不同结果的原因，并最终把机械能减小归结到空气阻力这一因素上来，为后面的研究做好铺垫.让学生真正经历了“寻求证据”的过程.

以往的一些教学中，“寻求证据”常常被简单化.学生所做的实验往往直接指向结论，很少存在与期望相反的实验结果.证据之间缺乏矛盾冲突，一方面，会削弱论证的强度，另一方面，长此以往也会让学生以为科学研究就是这样一帆风顺的，不利于科学精神的培养.在上述活动中，通过对三种截然相反的现象深入分析，发现引起不同结果的原因是实验条件，而它们遵循的规律是一样的.看似矛盾的“证据”指向相同的结论，学生经历了冲突和顺应，更加锻炼了基于实验事实的“寻求证据”能力，更好地学会思辨，抓住问题的本质.

3.2 阶段二：机械能变化定量探究

情景1：用DIS探究机械能守恒定律.

学生实验：用DIS定量测定摆锤在A、B、C、D四个不同位置的机械能，如图3所示.

实验数据表明：从A到B机械能逐渐略有减小，相对误差小于5%.

问题1：根据实验数据，我们能得出什么结论？

学生：摆锤的机械能略有减小，不过这种减小可以忽略.

情景2：用DIS探究铁质摆锤和塑料摆锤实验.

演示实验：将铁质摆锤换成同样大小的塑料摆锤，重复实验，发现机械能减小较多.

问题2：对比铁质摆锤和塑料摆锤两组实验数据，我们又有什么发现？

学生：塑料摆锤机械能减小较多.

问题3：你觉得是什么原因呢？

学生：塑料摆锤较轻，空气阻力影响较大.

问题4：那么我们进一步推理，如果忽略空气阻力，摆锤在摆动过程中的机械能变化会有什么样的特点？

学生：机械能总量保持不变.

总结：我们就把这种重力势能和动能互相转化，但机械能总量保持不变的现象，叫做机械能守恒.

【分析】

这一阶段的学习活动，目的是让学生得出“重力势能和动能相互转化，但机械能总量保持不变”这一结论.得出结论的证据是实验数据.面对空气阻力造成的实验误差，教师并没有急于让学生得出“机械能守恒”这一结论，而是肯定了学生“机械能略有减小”的说法.随即通过塑料摆锤的对比实验，“放大”空气阻力的影响，帮助学生运用极限思想推断：在忽略空气阻力的情况下，摆锤摆动过程中机械能守恒.这样的处理方法，使得结论更加有说服力.

实验事实和数据是物理学习中的重要“证据”.但很多物理规律是有条件的，甚至条件是理想化的，于是在实验事實和数据与结论之间必然存在着差距.如果我们忽视这种差距，或者简单把这种差距归结为误差，久而久之，学生就会失去寻求证据的兴趣.相反，如果我们正视这种差距，并想办法帮助学生理解造成差距的原因，则既培养了学生的科学态度，又锻炼了学生分析和评估证据的能力.

3.3 阶段三：机械能守恒的理论推导

问题1：我们发现忽略空气阻力的摆，机械能守恒，空气阻力不能忽略的情况下，摆的机械能不守恒，显然机械能守恒是一种特殊情况.那么在其他一些运动中，是否可能机械能守恒呢？如果是，它发生的条件是什么呢？

学生：忽略空气阻力.

情景：理论推导自由落体运动过程中满足机械能守恒（如图4）.

问题2：通过上述推导，我们发现，自由落体运动也是机械能守恒的，而且这种运动也是忽略了空气阻力.那么，是不是忽略空气阻力的运动都满足机械能守恒呢？

学生：好像不是.比如说，我坐着电梯匀速上升，空气阻力几乎可以忽略，动能不变，重力势能增加，机械能增加.

问题3：那么，你觉得是什么原因造成了你的机械能增加？

学生：因为电梯有动力.

问题4：所以你觉得机械能守恒的条件是什么？

学生：不受其他力，只受重力.

问题5：考虑一个沿着光滑斜面下滑的小球，请大家模仿之前自由落体运动的例子，自己推导一下初末状态的机械能是否守恒（如图5）.

我们发现小球机械能是守恒的，它是不是只受重力呢？

学生：不是.还受弹力.

问题6：所以若要机械能守恒，可不可以受到重力之外的其他力？

学生：可以.

问题7：若要机械能守恒，对这个“其他力”有什么要求？

学生：不做功.

问题8：综上所述，机械能守恒的条件究竟是什么呢？

学生：只有重力做功.

【分析】这一阶段的学习活动，目的是让学生得出“质点机械能守恒的条件是只有重力做功”这一结论.得出结论的证据是实验和理论分析.教师在前面实验研究摆的机械能的基础上，提出了有没有其他运动中机械能也守恒的问题，拓展学生“寻找多种可能”.高中阶段学习的第一个典型的运动便是自由落体运动，这是一种比较简单的匀加速运动，大多数情况下，学生能自然地想到这个例子.通过对自由落体运动的理论分析，发现的确机械能是守恒的.通过摆的实验和自由落体运动的理论分析，大部分学生会归纳结论：机械能守恒的条件是忽略空气阻力.错误地推理出该结论的主要原因是，学生没有“寻找多种可能”.这时候教师又抛出问题，启发学生继续寻找例子.学生在电梯问题中发现，即使忽略空气阻力也会出现机械能不守恒.教师进一步通過斜面问题追问，最终得到了机械能守恒的条件.

在这个过程中，教师通过多个例子，让学生在比较中学会正确地归纳推理，最终得出正确的结论.学生通过这样的学习，认识到归纳推理需要很多例子，如果只有少数例子，很容易做出错误的归纳.

4 结束语

4.1 给教师的一些建议

推理的本质功能是推出新结论、生成新知识，因此，它对于物理和物理学习极其重要.可以说，没有推理，就没有今天的物理学.同样也可以说，没有推理，就没有真正的物理学习.推理也是人们学习和生活中经常使用的思维方式.因此推理能力的发展应贯穿于整个物理学习的过程中.

教师可以通过问题引导学生寻求证据，尤其要寻求多种可能，并最终运用合理的方法得出结论.同时帮助学生反思自己的结论和认知过程，促使学生在建构知识的过程中提升推理能力.在推理过程中，教师可以提出这样一些问题：

你的证据是什么？

你是怎么做的？你观察到了什么？能展示给我们看吗？

有没有不同的发现？有没有更多的证据？

造成这个结果的可能原因是什么？还有别的解释吗？

我们能不能就此得出结论？为什么？

刚才我们用了什么推理方法？

4.2 不足和展望

推理能力作为批判性思维能力的一个子技能，在各国课程目标中的频繁出现，证明了它对学生发展的重要性.在高中物理的学习过程中，归纳推理是一种非常重要的学习能力.许多物理规律都是学生在实验的基础上通过归纳推理得出的.因此，探索如何培养学生的归纳推理能力是一个非常有价值的问题.推理能力包含归纳推理、演绎推理、类比推理、因果推理等多种形式.鉴于篇幅和教学内容所限，本文主要讨论了教学中如何通过问题链培养学生的归纳推理能力，其他一些推理能力的具体培养策略，还需要进一步研究.可以根据其他推理能力的内涵设计有针对性的问题链，进行更多的实践研究.

参考文献：

[1]Dr. Peter A. Facione，Critical Thinking： A Statement of Expert Consensus for Purposes of Educational Assessment and Instruction.The California Academic Press，Millbrae，CA，1990.

[2]张静，丁林，姚建欣.国外科学推理研究综述及其对素养评价的启示[J].上海教育科研，2019（07）：20-24+29.

[3]廖伯琴，李洪俊，李晓岩.高中物理学科核心素养解读及教学建议[J].全球教育展望，2019（09）：77-88.

[4]沈兆刚.基于证据的推理：内涵、意义及培养路径[J].化学教学，2019（15）：48-52.

[5]胡学平，李院德.逻辑推理核心素养的内涵与培养[J].教师教育论坛，2018（08）：74-76.

[6]陈曦.我国青少年科学推理能力培养策略[J].教育教学论坛，2019（10）：86-87.

[7]雷明，陈明慧，赵维燕.归纳推理和演绎推理的关系理论及其模型[J].心理科学，2018（04）：1017-1023.

[8]董毓.批判性思维三大误解辨析[J].高等教育研究，2012（11）：68-74.

（收稿日期：2020-02-10）