初中生物理归纳推理的认知分析与指导策略

万婷婷 于海波

摘 要：初中生的物理归纳推理整体上是动态、循环的非线性认知过程，具体来说可分为信息抽取、归纳加工与识别、假设生成、调整修正四个环节，每一环节又包含几个具体的认知活动.后续物理教学可以从挖掘归纳推理素材、巧设梯度性问题、创设体验性活动等方面出发显化物理归纳推理教学.

关键词：初中生;物理归纳推理;认知过程;指导策略

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）22-0023-04

基金项目：2019年度北京师范大学中国基础教育质量监测协同创新中心自主课题“初中科学教师学科知识测评工具的开发与应用研究”（项目编号：BJZK-2019A3-19010）.

作者简介：万婷婷（1995-），女，江西南昌人，硕士，中学高级教师，研究方向：物理课程与教学论研究;

于海波（1973-），男，黑龙江七台河人，博士，教授，博士生导师，研究方向：物理课程与教学论、教师教育研究.

科学思维能力对于学生独立思考和判断、分析和解决实际问题能力的发展、提升创造力等具有重要作用，归纳推理能力作为科学推理能力的重要组成部分，也是衡量学生科学思维能力的重要指标.另外，归纳推理是物理教学中的重要方法[1]，在初中物理教学中许多概念的建立、规律的得出都涉及到归纳推理，培养学生的物理归纳推理能力不仅有助于加深学生对概念、规律等的理解，也能促进学生掌握物理方法、形成物理思维.由此看来，分析初中生物理归纳推理的认知过程，并提出针对性的指导策略，对于学生科学思维能力的培养以及物理教育质量的提升均具有重要意义.

1 初中生物理归纳推理的认知过程

初中生的物理归纳推理并没有固定的模式，但是其整体上有一定的程序.Sternberg关于归纳推理的信息加工成分理论认为，归纳推理包括编码、推断、映射、应用、比较、验证和反应七种信息加工成分[2].本文结合物理学和心理学相关理论，从信息加工的视角，提出初中生物理归纳推理的认知过程为信息抽取、归纳加工与识别、假设生成和调整修正四个相互联系的环节，如图1所示.

1.1 信息抽取

物理事实包括在自然和生活中、物理实验中客观出现的物理现象和物理过程等[3]，在信息抽取阶段，学生需要对情境中的物理信息进行过滤，剔除无关信息，识别出与归纳推理任务相关的信息，如物理事物的特征与属性，物理现象、物理过程中蕴涵的因果关系等联系.接着将这些信息转化到工作记忆中进行编码与表征，通过初步的分析与比较，提取出相关的物理特征.在信息抽取阶段，学生若能产生顿悟式的联想，就能迅速进入假设生成阶段;否则，进入到归纳加工与识别阶段.

1.2 归纳加工与识别

信息抽取起到初步的定向作用，接下来学生将物理情境中有关物理对象特征的信息与认知结构中有关物理对象属性的信息进行匹配，对这些信息做进一步的分析和比较，识别其中的相似性与差异性.对于较复杂的物理情境，可借助分类等方法，构建物理对象、特征、属性之间的关系结构，通过分析这些关系结构之间的相似性寻找规律.在归纳加工与识别阶段，若能成功识别规律，则进入到假设生成阶段;若不能识别规律，则返回信息抽取阶段.

1.3 假设生成

对于从个别物理事例中识别出的规律，学生可以通过联想将该规律做相当范围的扩大.联想的过程并不是完全随意、无依据的，对初中生而言，他们可能会根据物理特征的相似或物理事物的类属关系等内在制约关系，联想到自己经验范围内的物理实例或者相关的物理概念或规律.但是，这一层次的联想可能会帮助学生深入地抓住规律本质，也可能致使学生混淆.例如，有的学生能够以事物内在的因果联系、制约关系等为依据，进行联想扩展，并对其是否能在该范围上升为一种共性的结论作出分析、判断;有的学生则只根据表面的相似性，联想到一些无内在关联的事物，致使推广的范围过大甚至出现错误.

在联想的基础上，学生通过抽象概括，可以建构出一般性规律，提出假设.对于缺乏举证意识的学生，到这里便结束归纳推理;有些学生则并不满足于此，而是进一步对假设进行调整修正.

1.4 调整修正

归纳推理的或然性决定归纳推理的结论具有可修正性，在调整修正阶段，学生基于提出的假设作出预测，并将其应用到新的物理对象上测试假设.若结果与假设不符，则对假设进行修改直至相符，提出猜想.假设修正的方式有两种：一是对新的物理对象与原有物理对象做更深层次概括，将规律的适用范围扩大，称为概括化;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，称为特殊化.学生若无法修正假设，则需要回到假设生成或者归纳加工与识别阶段，重新识别规律并生成新的假设.

归纳推理的可修正性本质决定着，在提出猜想后归纳推理仍未真正结束，而是继续对猜想进行积极主动的监控，反例的发生不断推动归纳猜想的调整和修正.这样“提出假设—调整修正”的循环发展，使归纳推理的程度逐步加深，其猜想具有更强的效力.

初中生进行物理归纳推理时，往往会按照“信息抽取—归纳加工与识别—假设生成—调整修正”的顺序进行动态思考.但是元认知监控着每一階段，时刻调整归纳推理的方向，使得这四个阶段来回往复、交替进行，因此归纳推理是动态循环式的过程.这也意味着并非每一个阶段都是必经的，有时会发生跳跃，有时也可能从高层次折回低层次进行再加工，每一次加工都将推动归纳推理的逐步深化.

2 初中物理归纳推理教学的指导策略

从学生思维发展的角度分析，归纳推理是学生有效学习的必备方法，对学生思维能力的提高具有促进作用[4]，且归纳推理能力发展的关键期在中学[5]，因此培养初中生的归纳推理能力符合其思维发展的特点.然而教师在教学中经常忽略物理归纳推理的使用，或者仅仅将归纳推理隐含于概念或规律的教学中，而没有明确地展示物理归纳推理的方法.由于显性的物理归纳推理教学的缺乏，学生虽然也会用归纳推理解决一些问题，但大多是不自觉的、无意识的，没有形成归纳推理的习惯[6]，对物理归纳推理通常只有模糊的认识.因此，教师需要转变教学观念，深化对归纳推理的认识与理解，认识到归纳推理对于学生理解知识的形成过程、体悟知识中所含思想与方法以及发展科学思维能力的重要性，显化物理归纳推理的教学.

2.1 挖掘归纳推理素材，引导学生认识归纳推理

“归纳推理”本身比较抽象，教师必须遵循一定的程序帮助学生学习如何进行归纳推理，使他们理解归纳推理的方法.在学生的生活中、物理教材中蕴涵的归纳推理素材十分丰富，教师可以结合学生的认知水平，选取恰当的归纳推理实例，引导学生认识和理解归纳推理.具体可以从以下两个方面进行尝试.

2.1.1 以物理实例为“引”，使学生了解归纳推理的程序

初中生虽然没有学习过归纳推理的一般性知识，但在生活中会经常接触到归纳推理.教师可以结合学生熟悉的例子，如，“冬至在月头，大寒年夜交;冬至在月中，天寒也无霜;冬至在月尾，大寒正二月”等谚语，介绍归纳推理的基本形式.还可以结合具体的物理实例，做好示范，将全部归纳推理的流程呈现给学生，明确指出归纳推理的方法，揭示归纳推理的形式、特点和操作过程等，使学生有章可循，逐步掌握归纳推理的一般方法.

2.1.2 以物理学史为“导”，使学生感悟归纳推理的思想

物理学史能引导学生追寻科学家的研究历程，体验知识的形成过程，让学生在理解知识的同时，体会科学的思维方法.合理选取和组织史料，可以让物理学史的背景成为物理归纳推理的情境.在教学中，教师可以通过创设历史情境，使学生沿着历史的线索追溯科学家的归纳推理过程.具体可以围绕着这些问题展开：这些物理现象的共性是什么？科學家怎样将它推广到更大范围？如何检验假设？若出现反例，反例与假设的本质矛盾是什么？如何调整修正假设？教师引导学生解决这些问题的过程也是让学生体验归纳推理的过程.

2.2 巧设梯度性问题，激发学生的归纳推理思维

“学起于思，思起于疑”.受学生认知特点的制约，他们的归纳推理过程往往不太顺畅，会出现各种各样的错误，教师需要精心设计问题串，让学生在问题中思考，在问题中深入探究，使师生的认知与思想形成积极的互动.

2.2.1 通过比较型问题，引导学生识别规律

归纳推理情境中所呈现的信息一方面可能看似迥异，毫无关联，需要我们从巨大差异中寻找共同本质.另一方面，可能看似相同，以至于掩盖其中的区别，需要我们看清其内在的本质差异.教师需要引导学生对各物理事物的特征、属性进行分析、比较，引导学生识别规律.因此，教师在教学过程中可以设计一些比较型问题，引导学生进行分析比较：一是，对事物的形态、特征进行比较，识别事物特征的相似性、差异性，把具有共性的物理对象归为同一类.例如：“这些物理对象有哪些相似之处？从什么角度分析？是否还能从其他角度进行分析？”多角度地找出相似之处.二是，对事物的属性进行比较，识别事物内在的、本质的联系.例如：“这些物理对象都有哪些性质？它们有哪些相同的性质？”三是，对事物的特征、属性以及事物与属性间的内在联系进行本质性比较，使学生避开胡乱的猜想，“由表及里”地识别出规律.

2.2.2 通过反思型问题，培养学生的假设修正意识

学生的知识、能力、非智力因素等都可能导致归纳推理的结论存在例外或完全错误，因此，教师应引导学生梳理思维过程，对假设进行修正.可以围绕以下问题向学生提问：提出的假设是否符合一般常识？它在什么范围内成立？在更大的范围内是否也成立？是否可以对假设进行改进？这个现象是否符合假设？若不符，如何调整修正假设？通过这些问题来引导学生进行积极的反思和自我监控，直到这样的提问成为学生的自觉行为.

2.3 创设体验性活动，促进学生深度参与归纳推理

归纳推理是一种基于“事实”的推理，物理实例、物理现象是归纳推理的根源，需要学生的经验和亲身体验.归纳推理能力是一种在潜移默化中形成的能力，不是教师“教”出来的，而是学生在参与物理活动的过程中“做”出来、“悟”出来的[7].在物理教材中，重要的概念、规律总是要展示其得出过程，这个过程常常包含归纳推理方法，因此，教师需要深入挖掘并选取教材中蕴涵归纳推理的内容，结合学生的兴趣、已有的生活经验和思维特点，将物理概念、规律的学习和归纳推理的运用融为一体，为学生深度参与归纳推理创造机会.

2.3.1 通过物理概念的建立过程，培养学生的关联性思维

物理概念是人们对物理世界中的客观事物、现象、过程的物理共性和本质特征的客观反映和主动建构的结果.其中，通过观察与实践，在丰富的感性认识的基础上，经过分析、比较、概括、抽象等思维过程，得出物理概念的过程，即基于感性认识的“归纳式”途径，是建立物理概念的重要途径[8].因此，教师可以精选物理概念，如“密度”“压强”“弹力”等作为归纳推理教学的有效素材.为了能够及时对学生出现的问题进行针对性矫正，教师可使学生的推理过程可视化，引导学生在进行归纳推理时，用思维导图或概念图将相关的物理特征、属性列出来，再按从属关系排列，进行联结，使之结构化、条理化，从而寻找物理现象及其特征、属性间的规律.

2.3.2 通过物理规律的探究过程，强化归纳推理的应用

在初中物理中许多规律的得出蕴涵归纳推理的方法，如“凸透镜成像的规律”“决定浮力大小的因素”“研究影响摩擦力大小的因素”等，这是培养初中生物理归纳推理能力的重要渠道.但是，在实际的物理规律教学中，许多教师习惯在做实验之前把实验目的、实验流程、注意事项以及实验数据记录表等事先准备好发给学生，学生按照教师预先设计好的实验流程一步一步地完成实验就可以得到规律[9].久而久之，学生习惯于在预设好的、缺少探索空间的情境中亦步亦趋，在这样只管动手、不管动脑的模式中，学生难以进行深层次的归纳推理活动.

归纳推理要经过观察、实验，得到物理对象的特征与属性;通过分析、比较事物的相似性与差异性，识别出共性或规律;再进行抽象概括，生成假设;最后对假设进行调整修正，获得一般性结论.因此，教师在教学中需要把握这四个层次，引导学生按照“实验—观察—识别规律—提出假设—调整修正”的顺序进行规律的探究.在探究的过程中，学生通过对物理现象的观察、分析，提取出物理对象的特征与属性等关键特征;通过对实验数据的处理，寻找数据间的内在联系，并自主进行分析、比较，识别出共性或规律;接着通过抽象概括，生成假设，并进一步思考假设的适用范围，思考若出现反例，该如何修正假设等.在探究物理规律的过程中使学生的物理归纳推理活化.

参考文献：

[1]金新喜.中学物理教学中的归纳之惑[J].物理教师，2014，35（07）：7-10.

[2]崔小迪.斯腾伯格——启发智力研究的新世界[J].大众心理学，2011（08）：47-48.

[3]续佩君.物理能力测量研究[M].南宁：广西教育出版社，1996.

[4]阮英歌.在初中物理教学中培养学生归纳推理能力的实验研究[D].北京：首都师范大学，2008.

[5]严卿.从PME视角看逻辑推理素养及其培养[J].教育研究与评论（中学教育教学），2017（02）：19-24.

[6]王瑞毡，续佩君.高中生物理归纳能力水平的差异研究[J].物理通报，2003（11）：11-14.

[7]王瑾，史宁中，史亮.中小学数学中的归纳推理：教育价值、教材设计与教学实施——数学教育热点问题系列访谈之六[J].课程·教材·教法，2011，31（02）：58-63.

[8]于海波.物理课程与教学论[M].长春：东北师范大学出版社，2019.

[9]毛银芹.基于科学探究素养培养的初中物理实验教学现状调查研究[D].昆明：云南师范大学，2019.

（收稿日期：2021-07-17）