初中生物理归纳推理能力的现状与分析

万婷婷 于海波

（东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024）

归纳推理是科学推理的主要形式，是科学探究中由物理问题形成猜想与假设、由实验数据得出结论并做出解释的关键要素，更是认识物理概念及规律的建立过程，进而发展物理观念的基础.因而，归纳推理对于学生的物理学习具有重要作用.［1］归纳推理能力是科学推理能力的重要组成部分和衡量学生科学思维能力的重要指标，发展学生的物理归纳推理能力，是学生提高物理学科能力、培养物理核心素养的有效途径.《义务教育物理课程标准（2011年版）》在教材的编写方面，要求对“科学归纳”做出创造性的设计；在课程目标方面，要求学生具备分析概括能力，能够对信息进行分析、比较、归类，从物理现象、实验中归纳出科学规律.［2］那么，测查初中生物理归纳推理能力的发展现状，帮助教师理解和把握学生的物理归纳推理能力发展阶段，根据学生的认知水平提出针对性的培养策略，对于物理教育质量的提升等均具有重要意义.

1 初中生物理归纳推理能力结构模型

初中生物理归纳推理主要分为信息抽取、归纳识别与加工、假设生成和调整修正4个认知阶段，每一阶段又包含一些具体的认知活动.与归纳推理的认知过程对应，可以将初中生物理归纳推理能力更具体地分解为信息关联能力、相似性抽取能力、模式识别能力、一般性推广能力和假设修正能力，如图1所示.

图1 初中生物理归纳推理能力结构模型

（1）信息关联能力.

信息关联能力贯穿归纳推理始终，是影响归纳推理深度、条理性的重要能力.在归纳推理过程中，信息关联能力主要体现在两方面：一是将情境中提取出的物理信息进行初步的关联、整合，将杂乱无章的信息条理化，将个别的、零散的信息系统化；二是将情境中提取出的关于物理对象及其特征的信息与认知结构中有关物理对象本质、属性的信息进行匹配，从而明确物理对象的特征、本质属性及其内在关联.运用信息关联能力可以使物理对象中蕴涵的内在因果关系、逻辑关系等规律逐步凸显，使看似不同的物理对象建立联系.

（2）相似性抽取能力.

相似性抽取能力是归纳推理过程中最基本的能力，它是信息抽取阶段所需的关键能力，也是进行归纳推理的前提.相似性抽取主要体现在以下3个方面：一是通过对物理事物特征、属性的相似性与差异性比较，抽取出物理属性的相似性；二是通过对物理事物变化过程的相似性与差异性比较，抽取出物理过程的相似性；三是通过对物理事物内在关系的相似性与差异性比较，抽取出因果关系、类属关系等的相似性.相似性抽取能力较低的学生倾向于通过物理对象的表面特征来抽取相似性，相似性抽取能力较高的学生则往往基于事物的本质属性、内在关系来抽取相似性，能够从表面上差异极大的物理对象中挖掘其隐藏的共性，从表面上十分相似的物理对象中探究其本质差异.

（3）模式识别能力.

模式识别能力是衡量归纳推理能力高低的关键指标，是归纳加工与识别阶段的核心能力.模式识别能力是指学生基于物理对象的属性、关系等相似性信息，构建物理对象的关系层次结构，通过对关系结构的比较、评估，进一步对物理对象及其内在联系进行描述和解释，从而识别出物理对象间的规律性的能力.模式识别能力决定了归纳推理的效率.

（4）一般性推广能力.

一般性推广能力是影响归纳推理广度的重要能力，它是进行推论的核心，主要作用于假设生成阶段.推广是将结论从特殊扩展到一般的过程，联想是进行推论的核心.一般性推广能力指学生通过联想想象，联系与之相关的事物，将前一阶段识别出的规律迁移到满足这个共性的一类物理事物中去.可以从以下几个方面得到这个共性的“类”：一是根据规律的相互联系或相似形态，联想到相似的经验，从而进行简单的迁移和推广；二是根据物理事物间的类属关系进行联想，推广到上位的“类”；三是立足于学生的认知结构，识别出物理对象间的必然联系，如因果关系等，据此合乎规律地进行推广，达到对推广对象的解释性理解水平.

（5）假设修正能力.

假设修正能力是制约归纳推理结论的合理性与适用性的关键能力.归纳推理的目的在于得出一个合理的猜想，这个猜想必须基于观察到的物理实例，但是得出猜想的过程涉及到一系列不完全的、尝试性的假设，假设修正能力是指学生能根据所提出的假设对新的物理对象进行预测，并通过观察结果的反馈不断地将假设进行调整修正、沟通差异的能力.运用假设修正能力不断地调整修正假设，随着“预测—修正”的逐渐深入，增强假设的适用性，是归纳推理的内在需要，也体现了归纳推理结论的可修正性本质.

初中生物理归纳推理能力的各个子能力与初中生物理归纳推理的认知过程有着密切的关联，各子能力环环相扣，前一能力的成果是后一能力运用的基础，它们相互作用，共同构成初中生的物理归纳推理能力.

2 初中生物理归纳推理能力现状调查

基于初中生物理归纳推理能力结构模型，将归纳推理能力的每个子能力分为3个水平，分别对应1、2、3分，编制初中生物理归纳推理能力测试卷，共4道大题、15个半开放式问题，分别测量物理归纳推理能力的5个子能力.归纳推理能力发展的关键期在初二，因此本研究从无锡市某中学选取了2个平行班共88名初二学生作为研究对象，要求学生在45min内独立完成测试.分析初中生归纳推理能力得分的总体情况，如表1、图2、图3所示.

表1 初中生物理归纳推理能力测试题得分情况

图2 百分制下初中生物理归纳推理能力的各子能力得分情况

图3 初中生物理归纳推理能力各子能力的雷达图

由数据可知，除了相似性抽取能力恰好达到60分以上，其他各子能力水平均未达到及格水平，其中，模式识别能力、一般性推广能力和假设修正能力尤其低.以下列3道试题为例，分析学生的物理归纳推理过程.

题1.小明同学用不同颜色的光照射透明薄膜，发现膜的颜色也不断发生变化.他想知道：光照下，透明薄膜的颜色有什么规律？于是进行实验探究，得到几组现象，见表2和表3.

表2 光照下透明薄膜的颜色（1）

表3 光照下透明薄膜的颜色（2）

（1）请你对比分析表2所示8个实验现象，根据它们的相同点，尝试找出其中的规律.（注：可以根据多组实验发现规律，发现几条写几条）

（2）当照射光是白光时，光照下透明薄膜的颜色并不是白色，你在第1题中发现的规律可靠吗？

请你根据以上10个现象，归纳出光照下透明薄膜的颜色有什么规律.

（3）若已知太阳光是由七色光混合而成的，光照射薄膜时，一部分光会被薄膜吸收，一部分光会透过薄膜进入人眼.结合这些知识，你最终归纳出，光照下透明薄膜的颜色规律是

（4）你还能联想到哪些物体具有透明薄膜相似的规律？

你认为可以推广到什么范围？

该试题考查透明物体的颜色，试题的情境是学生熟悉的生活现象，学生已经知道“不透明物体的颜色由它反射的色光决定”、“白光是由各种色光混合而成的”，但是没有学过“透明物体的颜色由什么决定”，该题中4个问题层层递进，激发学生的物理归纳推理思维.

在分析比较上述实验现象之间的相似性时，74.39%的学生能够通过①③⑦，当光的颜色与膜的颜色相同时，光照下膜的颜色即为膜本身的颜色；通过⑨⑩发现，当照射光为白光时，光照下膜的颜色也为膜本身的颜色；通过②④发现，当透明膜无色时，光照下膜的颜色和光的颜色相同；通过⑤⑥⑧发现，当照射光的颜色与膜的颜色不同时，光照下膜的颜色为黑色.以上仅仅是几组现象表面特征的相似性，只有9.76%的学生能够通过分析10个现象之间的关联，发现共性，从而识别出光照下透明薄膜颜色的规律.这反映出学生虽然具备一定的相似性抽取能力，但还不够深入.

该题第（2）小问，41.46%的学生意识到需要对原来的规律进行调整修正，但是37.80%的学生仅仅把白光照射的情况作为特例，简单地将规律表述为：“当光的颜色与膜的颜色相同或者照射光为白光时，光照下膜的颜色即为膜本身的颜色”.只有3.66%的学生能够通过分析①③⑦中“与透明膜颜色相同的光”和⑨⑩中“太阳光”的联系——太阳光中包含了与透明膜颜色相同的色光，将规律修正为：只要照射光中有与膜的颜色相同的色光，光照下膜的颜色即为膜本身的颜色.这反映出学生的假设修正能力较低.

该题第（3）小问，仅12.20%学生能够联系知识“光照射透明物质时，一部分光会被吸收，一部分光能透过透明物质进入人眼”，识别出10个现象的共性为“透明薄膜的颜色由它能透过的色光的颜色决定，无色透明物质透过所有色光，有色透明物质只能透过本色光，吸收其他色光”.这反映出学生的信息关联能力、模式识别能力较低.

该题第（4）小问，70.73%的学生缺乏举证意识，直接将规律推广到所有的透明物体.只有19.51%的学生提出：题中只给了透明薄膜这一种透明物体，还可能存在反例，需要通过实验来进一步验证.这反映出学生的一般性推广能力较低.

题2.请你观察图4，图5中的实验现象，思考并归纳出光的折射规律.

图4 光的折射现象（1）

图5 光的折射现象（2）

（1）请你对比分析图4所示4个实验现象，根据它们的相同点，尝试找出其中的规律.（注：可以根据多组实验发现规律，发现几条写几条）

（2）请你对比分析图5所示4个实验现象，根据它们的相同点，尝试找出其中的规律.（注：可以根据多组实验发现规律，发现几条写几条）

（3）请你根据这些实验现象以及所学知识，归纳出光的折射规律.

（4）通过查阅资料，我们得到图4、图5中的介质密度如表4.

表4 介质密度表

另外，我们在实验中还发现了如下的现象：光从空气射入糖水中，折射角小于入射角，并且，糖水的浓度越高，折射角越小.

结合这些资料，你最终归纳出的光的折射规律.

该试题考查光的折射规律，学生已经学习过光的折射现象，如光从空气进入水或玻璃等，对光的折射有一定的感性认识.但是学生没有学习过“光在不同介质中传播时，入射角与折射角的关系”，因此，该题通过4个小问题引导学生一步步观察现象，归纳光的折射规律.

35.37%的学生只能发现①-④ 的共同点是入射角大于折射角，⑤-⑧的共同点是入射角小于折射角，但是没找到光的折射现象中介质间的规律.47.56%的学生分析出，当光线沿“空气→酒精→水→玻璃”的顺序传播，折射角小于入射角，当光线沿“玻璃→酒精→水→空气”的顺序传播，折射角大于入射角，或者直接指出介质对光的折射本领满足：玻璃＞水＞酒精＞空气.只有15.85%的学生能够进一步分析以上介质的联系，指出：当光线沿“气体→液体→固体”的顺序传播时，折射角小于入射角；当光线沿“固体→液体→气体”的顺序传播时，折射角大于入射角.

该题第（4）小问，在给出上述介质的密度后，仍有41.46%的学生无法联系介质密度将规律进行修正.50.00%的学生能够联系介质密度表来寻找介质间的联系，将规律修正为光线从密度小的介质射入密度大的介质中，折射角小于入射角；光线从密度大的介质射入密度小的介质中，折射角大于入射角.但是他们得出规律后都忽略光在糖水中的折射现象，仅有8.54%的学生通过分析光在糖水中的折射现象与上述实验现象的共性，将规律进一步概括为介质密度越大，介质对光的折射本领越大.

题3.观察表5所示内容，思考声音的传播速度有什么规律.

表5 声音的传播速度表

（1）表格中的介质可以如何进行分类？

（2）请你根据上述表格，归纳出声音的传播速度有什么规律.

（3）在软木中，声速为500m/s，你刚才归纳的结论可靠吗？如何修正你的结论.

（4）实验中，我们又得到了表6的数据.

表6 物质密度表

另外，我们还发现，声音在冰中传播速度会大于水.

结合这些数据，你最终归纳出，声音的传播速度有什么规律.

该题涉及到“声音在不同介质中的传播速度”，学生在教材的“小资料”部分了解了各种介质中的声速，知道“一般情况下，声音在固体中的传播速度最大”.但是学生不太清楚这个规律是如何得来的，也不知道声音的传播速度与介质的密度有关，因此，本题通过4个问题细化学生的思维过程，便于考察学生的归纳推理能力的几个子能力.

该题第（3）小问，在学生提出假设“声音的传播速度满足v固＞v液＞v气”之后，向学生呈现反例，“声音在软木中的传播速度小于水中的传播速度”，56.10%的学生意识到结论不可靠，但不知道如何修正假设.36.59%的学生只是简单地将软木作为一个特例，提出“声音的传播速度满足v固＞v液＞v气（软木除外）”.8.54%的学生能够通过分析软木和表4中固体的差异，发现软木的密度非常小，甚至小于水（液体）的密度，从而将假设修正为“介质的密度越大，声音的传播速度越大”.但他们不注意推论的得出条件，忽略了题中所给的“声音在冰中的传播速度大于水中的传播速度”，将结论推广到一切介质中.

3 初中生物理归纳推理过程中存在的主要问题

通过对此次半开放式问卷的分析，我们发现初中生在物理归纳推理过程中存在以下主要问题.

（1）特征提取随意.

在信息抽取阶段，当物理情境较为复杂、可能反映出的信息较多时，学生由于经验的局限，没有良好的判断力指导，难以抑制无关信息、提取与归纳推理任务相关的关键特征，导致特征提取较为随意，很容易提取出无关的或是不完整的特征，从而在分析比较物理特征间的相似性时，易陷入混乱.

（2）信息关联被动.

学生能够将情境中抽取出的物理事物的表面特征进行初步关联，但很少主动将已有信息与认知结构中有关事物的特征、属性等信息进行关联、匹配.这就导致学生往往只能得到物理事物间表面特征的关联性，难以深入到事物的本质特征和内在联系，不利于明晰情境中物理对象间的关系.

（3）模式识别浅层.

由于学生往往只能抽取出物理事物表面特征的相似性，他们在分析物理事物间的联系时容易受到表层信息的干扰，抓不住本质，从而难以发现物理事物与属性之间的内在联系，以至于识别出的物理对象间的共性规律较为浅层，甚至是含糊不清.

（4）相似联想局限.

进行一般性推广时，学生需要利用相似联想，根据现有的物理实例的相互联系或相似形态、类属关系，联想到与此相关联的其他实例，将结论推广到满足该规律的一类物理事物中去.但是，学生在联想与现有物理事物相关联的事物或属性时，往往难以舍弃物理事物中非本质的、次要的因素，局限于“就事论事”，以至于限制了联想的范围，得到的推论过于狭隘，不具有一般性；或是只根据表面相似性，联想到一些无内在关联的事物，致使推论范围过大而出现错误.

（5）举证意识缺乏.

基于相似联想，从个别物理实例推广出一般性规律的过程中，涉及到认识的跳跃.这种跳跃性特点决定了归纳推理的结论具有高度的或然性.那么归纳推理时要尽量考察数量多、范围广、典型性强的物理实例，且要尤其关注反例，以此推动假设的调整修正，增强推论的适用性.但是，学生普遍缺乏审慎心，仅仅见到一、两种情况就“以偏概全”，下普遍结论.许多学生缺乏假设修正的意识，当新的物理实例出现时，只关注能够支持假设的实例，而对反例缺乏敏感性，难以发现与假设不相符的迹象.

（6）假设修正困难.

在假设修正的过程中，当新的现象与假设冲突或矛盾时，通常有两条路径：一是基于新的物理对象与原有物理对象之间的相似性，对其进行更深层次的概括，将规律推广到更大的范围，使归纳结论更具普遍性；二是基于新的物理对象与原有物理对象之间的差异，将规律的适用范围缩小，使归纳结论更具针对性.而初中生面对反例时往往只能舍弃现有假设，重新进行归纳加工与识别，难以沟通差异、调整假设.

4 对问题原因的初步分析

教师对学生归纳推理能力的发展有着显著的影响，教师关于物理归纳推理的认识和态度直接影响到教师的课堂教学行为，从而影响到学生归纳推理能力水平的发展.反思目前归纳推理能力的培养，可以发现存在以下问题.

（1）教师对归纳推理的认识不够深入.

教师只有深入理解认识到归纳推理在物理教学中的地位与作用，才会主动地进行归纳推理教学、研究及反思.但是，有相当一部分教师没有看到归纳推理在初中物理教学中的重要地位，［3］可见在现行的考试评价制度的影响下，很多教师没有意识到归纳推理对于学生理解知识的形成过程、发展科学思维能力的促进作用，从而在教学中渗透归纳推理的意识较为薄弱.另外，许多教师由于对归纳推理的认识不够深入，更不知道如何系统地培养学生归纳推理能力，这在很大程度上导致了物理教学对于发展学生归纳推理能力的作用没有充分发挥出来.

（2）缺少显性的归纳推理方法教学.

初中阶段是归纳推理能力快速发展的关键时期，且物理学获得新知识的核心方法就是归纳推理，初中物理中有许多概念和规律是以大量的物理实例为基础，通过观察、实验，运用物理归纳推理得到的.这为物理归纳推理的教学提供了广阔的空间.但是，教师在物理教学过程中往往只是简单地将归纳推理作为一种引出概念或规律的工具，将其隐含在知识教学中，不向学生明示归纳推理的方法，或是直接忽略归纳推理的使用.那么，虽然教材中蕴涵了十分丰富的物理归纳推理思想，但是全靠学生自己摸索，结果就是学生对归纳推理的认识比较模糊，没有形成用归纳推理解决问题的习惯.

（3）忽略过程性教学.

建立物理概念的一个重要途径是“归纳式”途径，即基于丰富的感性认识，通过分析、比较、概括、抽象等思维过程建立物理概念.［4］如“力”、“压强”等物理概念都是进行归纳推理教学的有效素材.但是在实际教学中，“讲解—接受—演练”的教学模式仍是当前物理教学的主流，教师不重视引导学生经历物理概念的探究过程，没有利用好这些素材来向学生渗透归纳推理的思想.

（4）科学探究中学生的思维缺席.

综观物理学发展史，许多规律都是在经验的基础上提出假设，并通过反复的检验和修正而提出的.引导学生探究物理规律是体悟归纳推理思想的重要途径，如“凸透镜成像的规律”、“光的直线传播”等物理规律的探究过程都蕴涵了归纳推理的思想.这是培养初中生物理归纳推理能力的重要渠道.然而，在实际的科学探究中，许多教师往往会“先讲解后实验”，将实验设计、实验过程、注意事项和实验数据处理都告诉学生，让学生按照流程把实验操作一遍，便直接给出规律.［5］这样的“科学探究”徒有形式、缺少思维，学生难以体悟归纳推理的思想，也无法进行深层次的归纳推理活动.