科学推理发展物理思维能力

杨骥

摘要：科学思维能力是物理学科的核心素养之一，而科学推理则是科学思维的一个重要体现.科学推理是指能够灵活地运用归纳、类比以及演绎三种推理方法，根据物理实验现象以及现实数据对物理概念、规律以及应用方法进行推理分析，是一种十分重要的物理思维能力.科学推理能力的培养不仅可以加强学生对物理知识的理解，还能够提升物理知识迁移应用的能力，因此如何在教学过程中渗透科学推理思维具有重要的研究意义.

关键词：高中物理;科学推理;思维能力;核心素养

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2022）03-0083-03

物理是一门十分注重逻辑思维并且十分需要科学推理的学科，只有通过科学逻辑的推理才能够对物理概念以及物理规律有深刻直观的理解，能够清晰地把握各种自然现象背后所涉及的物理学规律，能够在实际应用中结合应用场景联系到物理方法.因此，教师应该在教学过程中注重加强对学生科学推理能力的培养，善于通过实验、数据分析、反向推理、等效替换等形式来提高学生的科学推理能力，进而渗透物理核心素养，不断提升高中物理课的教学质量.

1 动手实验，形成知识表象

在物理学习过程中最先接触的就是各种各样的现象，之后才会通过感知、知觉等得到的表象推理得出对应物理知识概念，动手实验和现象观察正是科学推理的出发点，同时实验也是物理学科的核心内容之一.因此，教师应该着重加强实验教学，引导同学们在动手实验的过程中感知所出现的现象，将这些现象在脑海中形成知识表象，完成物理知识概念的推理.

比如，在讲解“光的偏振”这一小节时，为了加深同学们对于光的偏振原理的理解，把握这一概念形成的过程，在课堂上通过动手实验展开教学.在课堂上首先请同学们利用手中的两片偏振片进行实验，观察在转动两个偏振片时所透过的光强度有什么变化.在动手实验中同学们发现，在转动其中一片时，通过的光强会在某一点完全消失，而在与这一个角度相差九十度的地方会达到最强，此时完成了实验想象的感知.之后对自然光的波动方向和偏振片的原理进行讲解，同学们这才恍然大悟，原来光通过第一片时由于只有一个震动方向可以通过，因此全方向的自然光就变成了偏振光，而另一片在转动过程中会与第一片的偏振方向由重合到垂直不断变化，所以就出现了最后光强由低到高又到低的变化趋势.在这个过程中，学生能更直观地了解到振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振的物理概念，教学效果较好.

2 分析数据，探索隐性规律

数学与物理是具有较强联系性的两门学科.物理是一门严谨的学科，诸多物理规律都是通过公式数字的方式给出的，同样的物理规律的探索也离不开对数字的分析.只有对实验数据深入分析，探索其中隐含的数字规律，学生才能更好地推理得出相应的物理规律.因此，教师在教学中要引导学生对实验数据深入分析，探索数字之间在某一特定条件下具有的相等、倍率等数学关系，从而推理得出物理结论.

数学是物理研究的工具和手段.物理现象中出现的数据当中隐含着现象背后所对应的物理规律，对数据进行分析是直观地探索现象背后隐含物理规律的有效方法，同时在分析数据的过程中还可以加强学生应用物理知识解决实际问题的能力.同时，学生对于数据的分析还非常考验学生的数学计算能力及对数学公式与原理的应用，有利于加强数学与物理学科的融合，促进学生的全面发展.

3 反向归谬，改变已有条件

物理是一门实验科学，许多的物理结论和规律都是在大量的实验基础上归纳得出的，应用反向归谬的思维方式，不断的改变已有的实验条件去验证自己的猜想正是物理学科的独特魅力.因此，教师在教学中要引导学生仔细分析实验条件及对应现象，并进行反向归谬针对自己的猜想改变以有条件进行验证，切实地帮助学生掌握这一物理思维方式，提高其科学推理能力.

比如，在讲解“牛顿第二定律”这一部分的内容时，教师要引导学生注意在这一实验中需要改变的条件有两个，分别是拉动小车力的大小和小车的质量，引领同学们结合自己的猜想对两种变量进行控制，通过改变条件测定在相同力不同质量以及相同质量不同力的多种情况下加速度的大小.最后通过对试验数据进行定量分析，同学们得出结论小车运动的加速度a=Fm，其中F表示小车受到的在运动方向的力的大小，顺利探索得出牛顿第二定律的知识内容.

在物理教学中单一的知识点讲解很难引起学生的共鸣，更有效地方法是引导学生在实验中自己探究得出结论.因此，教师应该结合教学内容不断改进创新与优化教学方式，充分地开展实验教学，引导同学们不断地对实验现象和条件进行反向归谬，归纳总结不同条件下的实验数据，推理得出对应的结论.

4 类比应用，获得具体方法

类比应用是物理学科当中经典的推理方法之一，它是指根據两个或两类对象有部分属性相同，从而推出它们的其他属性也相同的推理，这种推理方法也是解决问题过程中开拓思路的一种主要途径.

比如，在讲解“电势差与电场强度的关系”这一小节时，在课前为了帮助同学们更清晰地感受到电势与电场力做功的关系，首先让同学们回忆在学重力势能相关知识点时重力势能和重力做功之间的关系，之后类比到电场当中去.同学们首先想到在重力场中两个不同高度位置处的重力势能差就等于从高处下落到低处时重力所做的功，也就是说重力势能Ep=mgh，其中h为两点之间的高度差.将这一结论与电场相关知识进行类比，同学们会由此进行联想并推导得出结论，在匀强电场中，两点之间的电势差等于电荷在两点之间移动时电场力所做的功，公式表达为W=FL=qEd，其中q为电荷带电量，E为电场强度，d表示两点之间的距离.通过这样的方式，学生不仅通过类比推理得出了电势差与电场强度的关系，还回顾了重力势能的相关知识点，加深了知识印象，教学效果较好.

通过类比的方法可以将已经学过的知识迁移到与之类似的新知识当中，这样不仅可以加快新知识教学中的基本原理导入，还能够使学生在类比探究得出结论的过程中获得更满足的学习体验.

5 得出结论，建立认知模型

模型建构是物理科学推理思维的另一种不可或缺的方法，通过建构模型可以实现各部分知识点的归纳，将问题条件进行抽象得到一种统一的模型表达，之后学生就可以借助模型对问题进行分析，对知识点获得更加全面的认知.因此，教师在教学过程中不能局限于单一知识的讲解，而应该抽象得出结论，建立认知模型，培养学生利用模型进行推导分析的能力.

比如，在讲解“简谐运动”这一小节时，由于学生在生活中经常听到“振动”这个词汇，这样的运动形式在生活中非常常见.在探究的过程中同学们发现无论是钟摆还是弹簧运动中都具有以下三个特征：物体只受到一个力的作用;物体的运动具有周期性;运动存在一个中心点，在远离中心点时物体受到阻碍运动的力.结合以上三点结论引导学生建立简谐运动的物理认知模型，在遇到相似问题是就可以依据模型依次对照问题条件是否满足模型当中的几个结论，从而快速地对问题进行定性认知分析.

可见，对多个案例进行分析总结得出其中含有的共同结论，从而实现认知模型的构建是一种行之有效地科学推理方法，不仅可以是学生对相关结论有更深刻地理解，还能助力同学们掌握一种快速求解问题的方法，提升自己的物理推理思维能力.因此，教师要善于将案例分析与模型建构的教学方法结合起来，帮助学生提升物理学习能力与解题能力.

6 等效替换，寻找最优途径

等效替换法在力的合成与分解、运动的合成与分解、等效场、等效电源等知识点及物理题目中的应用比较广泛，它指的是学生可以在保证在保证效果、特性或关系相同的前提下，把陌生、复杂的物理现象转化为简单、熟悉的物理现象，这往往可以起到优化解题的作用效果.

例如，物理题目是这样的：由消防水龙带的喷嘴喷出水的流量是0.28 m3/min，水离开喷口时的速度大小为16 m/s，方向与水平面夹角为60°，在最高处正好到达着火位置，忽略空气阻力，则空中水柱的高度和水量分别是（重力加速度g取10 m/s2）（）.

A.28.8 m;1.12×10-2 m3B.28.8 m;0.672 m3

C.38.4 m;1.29×10-2 m3D.38.4 m;0.776 m3

要想解答这道题目，关键点在于学生如何理解与转化消防水龙带的喷嘴喷出水柱这一生活现象，对于倾斜向上的水柱，学生可以等效替换为平抛运动，正确答案为A选项.

也就是说，等效替换法的核心是“等效”，基本思路是用已知的、简单的物理效果来替代另一个未知的、较难的、复杂的物理效果，以此来达到化难为易的作用效果.学生在学习很多物理概念与原理时需要用到物理模型，在基础模型的基础上学习与理解更复杂的物理知识，这其实体现的也是等效变换的思想.因此，教师要帮助学生从庞杂的高中物理知识体系中归纳、筛选出可变换的物理模型，让学生学会应用等效替换法来降低问题的难度，促进学生科学推理能力与发散性思维能力的良好發展.

综上所述，科学推理能力是物理学科重要的核心素养之一，在教学过程中渗透与强化科学推理能力是培养学生的自主探究能力，提高课堂教学效率的有效手段.因此，教师在教学过程中要有针对性地开展科学推理能力的指导，帮助学生掌握模型建构、归纳总结、类比分析等推理方法，以此来发展学生的物理思维能力，并为培养与提升学生的高中物理核心素养奠定坚实的基础.

参考文献：

[1]李进，杨帆.中学物理演示实验资源的开发.物理之友，2016，32（10）：27-29+31.

[2]张一明.论核心素养背景下中学物理教学现状及提升对策.理科爱好者（教育教学），2019（05）：133.

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