科学推理视角下高中物理教材习题分析

周雨婷

【摘要】新课程标准的提出对教师的教学提出了新的要求，教师要充分发挥习题促进学生科学推理能力方面的功能.因此本文基于科学推理的视角，对人教版高中物理教材必修1的习题进行统计与分析，为一线教师对教材习题的解读提供参考思路，以促进学生科学推理能力的发展.

【关键词】科学推理;物理教材;习题分析

1 科学推理分析框架

推理是人们将收集到的信息进行整合从而得到结论的思维过程.皮亞杰在其认知发展理论中首次提出了科学推理的概念（scientific reasoning）.在皮亚杰看来，科学推理是认知发展进行到形式操作阶段之后儿童或成人具有的推理类型.本文依据劳森构建的科学推理体系和物理学科，对科学推理的六个维度给出说明.

1.1 物理学科中的科学推理

劳森以皮亚杰的认知发展理论进行建构，把科学推理分为守恒推理、比例推理、概率推理、相关推理、假设演绎推理、控制变量推理六个维度.

（1）守恒推理.守恒是个体的认知不受事物外部特征的影响，能够意识到事物本质的不变性.进行守恒推理的关键是要找到事物之间的不变量或不变的关系.物理学科上的守恒推理一方面体现在条件改变但事物本质不变的特点中，另一方面体现在能量守恒、动量守恒等守恒规律中.

（2）比例推理.在物理中，比例推理是指运用数学工具解决物理问题，根据已知信息推断各物理量之间的比例关系，并运用公式、定理等方式将结果正确表示出来.比如物理学中采用比值定义法来定义加速度、电场强度等概念就属于比例推理.

（3）概率推理.概率推理是指一个特定的过程或者一个特定的结果，在相同的环境因素下重复出现的次数占总次数的比例.概率推理在高中物理中涉及较少.

（4）相关推理.相关推理是个体对于变量之间关系的判断.物理中的相关推理要联系两个物理量的关系，从一个物理量的变化得到与之相关物理量的变化.

（5）控制变量推理.控制变量推理是把多变量问题转化成单变量问题.如高中物理中采用控制变量法来探究加速度与力、质量的关系.

（6）假设演绎推理.假设演绎推理是指个体对事物的因果关系能做出合理的解释，为了探究一个物理问题，首先要进行猜想，再做出合理的假设，最后验证假设与结论的一致性.

1.2 习题中科学推理考查的界定

习题中科学推理要素的考查界定如表1所示.

2 考查科学推理的教材习题统计

根据科学推理的六个维度，对人教版教材“练习与应用”和“复习与提高”两个栏目中涉及科学推理的习题进行统计，以最小编号题目为单位，整理出科学推理习题占比，结果见表2.

2.1 考查科学推理的习题统计结果

以横坐标表示科学推理的各个维度，纵坐标表示题目数量，以章节为单位点进行分析，结果如图1.

2.2 考查科学推理的习题分析

下面以教材习题为例，具体分析题目对科学推理要素的考查.

例1 第四章复习与提高B组第6题

如图2，A、B两个物体相互接触，但并不黏合，放置在水平面上，水平面与物体间的摩擦力可忽略，两物体的质量mA为4kg，mB为6kg.从t=0开始，推理FA、FB随时间的变化规律为FA=（8-2t）（N），FB=（2+2t）（N），问：8秒内物体B运动的加速度如何变化？

分析 此题考察知识点是对整体法和隔离法的应用.外力随着时间变化，所以学生可能会认为t=1.5s时加速度相同，这是学生对受力和运动状态的分析出现了错误判断.此题要抓住物体相互作用的弹力为0时，A、B恰好分离，此时两物体的加速度仍相同，这是解题的关键.需要学生将受力与运动状态建立联系，此处考察相关推理（b）;然后通过加速度相等的关系，建立等式FAmA=FBmB，计算得出两物块分离的时间t，此处考查了比例推理（b）、（c）;最后对B物体采用隔离法计算加速度.

例2 第二章复习与提高A组第6题

已知一物体做初速度为0、加速度为a的匀加速直线运动.该物体在前1s内、前2s内、前3s内……的位移分别是x1，x2，x3……在第1s内、第2s内、第3s内……的位移分别是xⅠ，xⅡ，xⅢ……在各个连续相等时间T内的位移分别是s1，s2，s3……sn，证明：

x1：x2：x3……=1：4：9;……

xⅠ：xⅡ：xⅢ：……=1：3：5;……

Δs=s2-s1=s3-s2=sn-sn-1=aT2.

分析 此题考查的知识点是匀加速直线运动的规律，考查假设演绎推理（a）、（b）.此题要求学生熟悉匀变速直线运动的公式，核心解题思维是假设物体做匀变速直线运动的加速度a，分别列出相对应时间的位移公式，再通过比例约去相同项从而得出比值.此题也是匀变速直线运动公式的推论，很多学生可能会对结论死记硬背，这与核心素养是相违背的，因此教师习题教学时，要注重教授学生推理思想和方法.

例3 第三章复习与提高A组第4题

如图3，两人用同样大小的力共提一桶水，两人手臂间的夹角大些省力，还是小些省力？请通过推导得出你的结论.

分析 此题以生活中的现象为情境，考查了合力与分力的关系.解题的核心思路是分析题目中的恒定关系即两人拉力的合力等于桶的重力，根据重力不变，两个拉力的夹角变化可以判定其中一个拉力的大小，考查了守恒推理（b）.根据思路列出物理比例式，由角度的变化推理出分力的变化，此处考查学生的比例推理（c）.

3 在习题中培养科学推理能力的建议

3.1 考虑习题分层，注重因材施教

教师在习题教学时，不能将习题全部抛给学生，要关注到每个学生的认知水平，因材施教.比如教材习题的第一层次是练习与应用，第二层次是复习与提高A组，第三层次是复习与提高B组，三个层次的习题具有不同的水平结构.

练习与应用帮助学生巩固本节知识，初步构建物理观念.复习与提高串联整个章节知识，提升学生的思维水平.在答题过程中，教师要根据人教版教材习题的不同层次，布置不同的习题，让每一位学生都能在原有的基础上得到提高.

3.2 构建逻辑思维，培养科学推理

习题教学不是简单的“对答案”，而是教师在这个过程中对学生思想和方法的渗透.在习题教学中，教师要注重问题解决过程中的核心思维和推理步骤，引导学生思考“为什么”和“怎么做”，习题中科学推理和逻辑思维的培养不是靠“题海战术”的堆积，而是思维的训练和推理方法的掌握.

面对复杂情境的物理问题，教师要鼓励学生思考，理清学生的答题思路，帮助学生构建逻辑思维，整合知识，正确进行推理.在习题完成后，教师还要引导学生积极反思和回顾推理的过程，帮助学生强化认知，逐步形成科学推理能力.

3.3 挖掘习题资源，提升综合能力

习题是课内知识的延伸，也是学生提升核心素养和综合能力的途径.因此，教师应该充分挖掘习题资源，以习题中某一视角对学生进行拓展，适时要求学生对习题进行举一反三，使习题的功能最大化，培养学生的综合推理能力.此外，教师要积极发掘多维度科学推理习题，对习题资源进行整合，避免习题考察的单一化，让学生的推理能力得到均衡发展.

参考文献：

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