科学创新视野下科学推理核心素养培养策略探索*

黄国龙

(宁波市镇海中学 浙江 宁波 315200)

1 科学创新视野下科学推理特点和作用

科学创新需要通过对现象的分析来发现和提出问题、形成假设，并且设计实验(或运用理论)验证(或论证)假说，然后得出结论并应用规律，最后建立理论体系等[1]．科学创新活动需要依靠科学推理，推理是科学思维的一种基本形式，指的是由一个或几个已知的判断(前提)推出新判断(结论)的方法及过程．从逻辑角度分析，科学推理主要包括归纳推理、演绎推理和类比推理3种方式．在物理学探究过程中，物理学家运用科学推理来实施物理创新活动，取得了很多重大的创新成果．

1.1 运用科学推理发现和提出科学问题

发现和提出问题是科学探究开端，物理学家常运用演绎推理导致悖论来揭示原有物理理论隐含的矛盾，从而发现和提出探究问题．例如，普朗克运用特殊化推理(频率无限大)导出原有黑体辐射能量分布趋于无限大(与实验矛盾)，揭示了原有经典理论隐含矛盾．

1.2 运用科学推理提出科学猜想

科学猜想是一种理性思维过程，物理学家运用科学推理来提出科学猜想．例如，卢瑟福运用类比推理提出原子核式结构猜想．麦克斯韦根据变化磁场在导体中产生感生电场，进行一般化推理，提出变化磁场在空间产生感生电场的猜想．

1.3 运用科学推理验证(论证)科学猜想

物理家运用归纳推理来处理实验数据，验证科学猜想得出物理规律，运用演绎推理论证科学猜想，揭示物理理论间自洽联系．例如，开普勒在对第谷观察行星运动半径和周期相关数据的基础上，尝试运用归纳推理方法得出行星运动的第三定律．牛顿综合运用数学知识和牛顿运动定律、开普勒三大定律进行演绎推理论证行星做椭圆运动一般情形下引力平方反比猜想．

1.4 综合多种科学推理 探究物理规律 建立理论体系

伽利略在研究落体运动时，先运用一般化推理探究得出斜面上物体匀变速规律，再运用特殊化推理，回归揭示自由落体运动规律．麦克斯韦在电磁学实验规律基础上，推广提出变化磁场产生感生电场，创新提出位移电流概念，借助类比、演绎推理建立4个电磁场方程组，建立电磁理论体系．

2 培养要求和内容分析

2.1 培养要求

从物理核心素养角度审视，科学推理是物理科学思维核心素养一重要组成部分[2]，鉴于科学推理在科学创新活动中重要作用，现行物理教学中缺乏科学创新高阶科学推理核心素养的研究与实践．因而，很有必要探索科学创新视野下科学推理核心素养培养的途径和策略．

学生学习物理过程和物理学家科学创新过程虽然在探究目标上、探究难度上是不同的，但认识过程和思维方式具有相似性．因而，可根据科学创新过程中科学推理的特点和作用，分析确定科学创新视野下物理教学中科学推理核心素养具体内容，引导学生运用科学推理来实施物理创新活动，从而深度培养学生科学推理核心素养．

2.2 内容分析

鉴于对科学推理核心素养的上述分析思考，笔者针对表1中3种科学推理特点，分析给出基于科学创新要求的科学推理核心素养具体内容，为科学创新视野下科学推理核心素养的培养明确了目标和方向．

表1 3种科学推理特点

3 途径策略探索

3.1 在物理知识教学中培养科学推理核心素养

(1)创设猜想教学情境，运用类比推理提出猜想

物理教材中包含了较多运用类比推理提出科学猜想的教学内容，在新知识教学中应充分挖掘和利用这些课程资源，引导学生运用类比推理提出新的猜想，从而明确探究方向，揭示新旧知识联系．

教学案例1——运用类比推理提出电磁振荡周期猜想．

探究问题：LC电磁振荡周期与哪些因素有关？定量关系如何？

定性猜想：引导学生运用原有知识提出周期T与自感L和电容C定性关系猜想，L和C越大，T越大．

类比猜想：弹簧振子与LC振蒎电路类比如表2所示.

1)向学生展示弹簧振子振动过程和LC电磁振荡过程相似情景；

2)引导学生理解“力学惯性”和自感中“电学惯性”的相似性，揭示两种惯性表现物理量(速度和电流)和大小量度物理量(质量m和自感L)相似性，揭示动能和磁场能的相似性；

4)最后再引导学生对两种振动模型的周期进行类比推理，根据振动相关量相似性提出LC振荡电路周期猜想

通过表2中类比推理，不仅揭示两种模型中相关知识和物理过程联系，还有效地培养了学生类比推理核心素养．

表2 类比推理

(2)构建论证猜想物理情境，运用演绎推理论证猜想

新知识教学中，在构建论证猜想的物理情境基础上，引导学生运用已有物理理论结合演绎推理来论证猜想，推出新的物理规律，揭示新旧物理规律间联系，有效培养学生科学推理核心素养

教学案例2——运用演绎推理论证“机械能守恒猜想”．

高中物理必修2教材中在展示了小球动能和重力势能相互转化特点基础上，提出：“小球动能和势能相互转化是否守恒？”问题．针对学生提出“动能和势能总量保持不变”这一猜想，可以构建自由落体运动、光滑斜面、光滑曲面(教材中)等物理情景，引导学生运用动能定理和演绎推理来论证机械能守恒猜想．为了论证更一般情形下机械能守恒，揭示机械能守恒的条件，深度培养学生演绎推理核心素养，再构建如下物理情景引导学生论证机械能守恒猜想．

拓展论证1：论证动能、重力势能、弹性势能转化情形下机械能守恒猜想．

【构建论证情境1】如图1所示，质量为m小球悬挂于劲度系数为k的轻质弹簧下端，空气阻力不计．在弹力和重力作用下振动．

图1 构建论证情境1

【演绎推理，论证猜想】运用功能关系和动能定理进行演绎推理：小球在某一过程中动能增量满足

W合=WG+W弹=ΔEk

结合

WG=-ΔEG

W弹=-ΔE弹

得

-ΔEG-ΔE弹=ΔEk

即

ΔE机=ΔEG+ΔE弹+ΔEk=0

即小球与弹簧组成系统机械能守恒．

拓展论证2：揭示机械能守恒的条件．

【构建论证情景2】质量为m小球在倾角为θ斜面上由静止沿斜面向下运动，受到阻力恒为f．

【演绎推理，揭示守恒条件】运用动能定理等知识进行演绎推理：物体向下运动s过程中动能增量为

W合=ΔEk=(mgsinθ-f)s

重力势能增量为

ΔEp=-mgssinθ

ΔE机=ΔEk+ΔEp=-fs

物体下滑过程中机械能减小，不守恒．综合正面论证和反面证伪，提出一般情形机械能守恒定律，揭示适用的条件，不仅加深了对机械能守恒定律认识，而且有效地培养学生演绎推理核心素养．

3.2 在物理实验教学中培养科学推理核心素养

科学推理在设计物理实验、处理实验数据得出规律、间接测量极端条件物理量等环节中起着十分重要的作用，物理实验教学是培养科学推理核心素养重要领域．要精选物理实验课程资源，加强在物理实验各环节中进行科学推理策略的教学，通过运用多种科学推理来解决实验问题，有效培养科学推理核心素养．

(1)运用特殊化推理处理实验数据，间接求解特殊物理量

当某两个物理量间存在线性关系时，可以通过测量常规条件下实验数据作出线性图线，进行特殊化推理，间接测量某些较难测量的物理量．

教学案例3——运用特殊化推理处理“探究加速度与外力关系”实验数据．

【实验问题1】如图2所示，水平木板与小车间动摩擦系数较小，以质量为M的小车为研究对象，探究小车加速度a与重物重力F=mg关系．测量实验数据如表3所示．

图2 实验问题1情境图

表3 F与a的实验装置

请作出a-F图线，由a-F图线求出小车受到的阻力．

【特殊化推理，求解特殊物理量】教师运用Excel软件作出如图3所示a-F图线，并把图线进行外推，与F轴相交，图线在F轴的截距就是小车受到阻力，即f≈0.10 N．

图3 a-F图像

(2)运用归纳推理处理实验数据，得出物理规律

归纳推理结合线性化方法是处理物理实验数据验证(或证伪)猜想的有效方法，通过归纳推理不仅加深对物理规律的认识，而且有效地培养学生归纳推理核心素养．运用归纳推理处理实验数据常用的方式有线性化比值归纳法和线性化图像拟合法．

教学案例4——运用归纳推理处理“探究加速度与外力关系”实验数据，得出a与F定量关系．

【实验问题2】请处理实验问题1中数据，得出加速度a与合力F定量关系．

【归纳推理，得出规律】通过图线外推间接测量小车受到阻力后，修正小车5次受到合力分别为F0与相对应加速度a如表4所示．引导学生分别运用如下2种归纳推理处理数据得出a与F0关系．

表4 修正后的F0与a

图像归纳拟合法．教师引导学生运用Excel软件作出如图4所示a-F0图线，得出拟合关系式为a=2.03F0，得出加速度与合力成正比．

图4 a-F0图像

3.3 在习题教学中培养科学推理核心素养

在物理习题教学中，精选和创设包含多种科学推理的物理问题，引导学生综合运用归纳和演绎、归纳和类比、演绎和类比以及不同数学工具组合等进行推理来创新解答复杂、疑难物理问题，简化解题过程，深度培养高阶科学推理核心素养．

教学案例5——组合归纳推理和演绎推理严密完整解答物理问题．

【物理问题】如图5所示，材料表面上方矩形区域PP′N′N充满竖直向下的匀强电场，宽为d；矩形区域NN′M′M充满垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，长为3s，宽为s；NN′为磁场与电场之间的薄隔离层．一个电荷量为e，质量为m，初速为零的电子，从P点开始被电场加速经隔离层垂直进入磁场，电子每次穿越隔离层，运动方向不变，其动能损失是每次穿越前动能的10%，不计电子所受重力．A是M′N′的中点，若要使电子在A和M′间垂直于AM′飞出，求电子在磁场区域中运动的时间．

图5 教学案例5物理问题情境图

【分析】解答这个问题时，首先需要运用归纳推理求出电子在磁场中运动半径一般通项，然后运用演绎推理求解在磁场中运动位移，再运用不等式演绎推理求出整数n．有些学生缺乏归纳推理未能写出半径通项，有些学生缺乏不等式演绎推理未能揭示整数n的具体取值，导致解题失败或错误．

【归纳推理】电子第1次进入磁场时运动半径满足

(1)

(2)

第2次运动半径满足

(3)

(4)

第n次运动半径满足

(5)

(6)

令电子第n次经四分之一圆周垂直打到M′N′上，水平方向总位移为x满足

x=2r1+2r2+…+2rn-1+rn=

2r1[1+k+k2+…+k(n-2)]+r1k(n-1)

(7)

【演绎推理】

推理1：对式(7)运用等比数列求和得

(8)

推理2：要使电子在A与M′间垂直飞出，要求

(9)

由式(6)、(8)化简得

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

(10)

由式(6)、(8)、(9)推得

(11)

解得n=2,3．

推理3：要求满足

(12)

解得n=3．

推理4：运动时间满足

(13)

(14)

解得

通过上述1次归纳推理和4次演绎推理，不仅正确、完整、严密地解答这个复杂疑难问题，而且深度培养学生综合运用归纳和演绎推理解答物理问题的核心素养．