小学科学类比推理的教学策略

朱晓伦

【摘 要】类比推理是适合小学生在科学探究实践中获取科学知识的重要思维方法，广泛运用于日常生活与科学研究中。以《地球——水的星球》为例，教师可运用类比推理的思维方法，评估证据与解释之间的关系的可靠性，帮助学生建构“地球表面的水体类型、海陆关系与水对生命的意义”等知识，让学生认识到“地球是所有生命共同的家园”，实现科学核心素养的发展。

【关键词】小学科学；类比推理；类比评估；科学思维

在学习地球与宇宙的相关知识时，由于观察障碍较大、实际体验缺乏、空间想象力较弱等问题，学生很难在头脑中建立“宇宙中的地球、地球系统、人类活动与环境”等核心概念。对此，教师可以采用类比推理的思维方法，帮助学生借助已知的个别事物认识地球等星体的特征，扩大认知领域。

一、类比推理的概念、类型与教学结构

（一）类比推理的概念

类比推理，即运用类比的思维方法进行推理，借助某些已知的个别事物，与其他相似的事物进行比较，从它们之间已知的共同点出发，进一步判明它们另一些方面的共同点，从而扩大人们的认知领域，从对某些事物的认识过渡到对另一些特殊事物的认识［1］。类比推理在两个事物间进行，作为对比的对象称为对比物，根据对比物的剩余屬性被赋予新属性的事物称为类比物［2］，这也是类比推理的基础。

（二）类比推理的类型

根据所涉及的关系，类比推理主要分为三种类型：属性类比、结构类比和实质类比。属性类比是水平关系上的类比，其推理形式如下：A对象具有性质a、b、c、d，B对象具有性质a、b、c，所以B对象也具有性质d。属性类比又分为正类比、负类比和中性类比。结构类比主要是指垂直关系上的类比，也称关系类比，它的公式是：A系统具有关系R1、R2、R3、R4，B系统具有关系R1、R2、R3，所以B系统也具有关系R4。结构类比分为因果类比、并存类比、协变类比和对称类比。实质类比则是建立在属性类比的基础上的结构类比。

（三）类比推理的教学结构

类比推理的教学分为五个阶段：第一阶段，选择对比物和类比物，体验感知，积累丰富表象；第二阶段，挖掘对比物和类比物之间的相似属性或属性之间的关系；第三阶段，确定类比关系的性质与特征，判断类比推理的种类；第四阶段，遵循类比规则，得出结论；第五阶段，搜寻更多证据支撑，评估类比推理的准确性，如图1。

二、类比推理教学的逻辑与思维方法

以《地球——水的星球》一课为例，本课的教学在于落实跨学科概念“系统与模型、物质与能量”与核心概念“宇宙中的地球、地球系统、人类活动与环境”，围绕核心问题“地球与太阳、月球相比有哪些独特的地方”，对地球上的水进行探索，在学习中体悟和感受“地球是所有生命共同的家园”。

本课承接《地球的形状》一课，目标是利用图片、模型、地图等结构性学习材料，比较太阳、月球和地球的异同点。课堂教学以“问题链”与“活动链”双链为驱动展开，四个活动环节均运用了类比推理的思维方法（如图2）。

教学伊始，笔者先点明核心问题“地球和太阳、月球相比有哪些独特的地方”，对应活动1的“三球类比”，引导学生类比太阳和月球，对地球的表面情况进行分析，最后概括三者的异同。延伸问题1“怎么证明地球是水的星球”和延伸问题2“地球上的水资源丰富，为什么要节约用水”旨在引导学生深入研究地球表面的水体类型和海陆关系，让学生运用分析、综合、类比等思维方法，借助从地球模型和平面地图上获取的信息和数据，概括地球海陆关系的特点，树立保护水资源与地球家园的意识。拓展问题“银河系中是否存在地球以外的有生命的星球”则指向“外太空探索”。

类比推理所得到的结果本身具有或然性［3］，需要对对比物与类比物的已知共有属性和新属性进行评估与质疑，并搜集更多证据来佐证，体现类比推理的严谨性。

三、教学环节中类比推理的教学策略

（一）三球类比——属性类比

在“聚焦”部分，学生已经了解了太阳和月球的一些特征。笔者从太阳、月球和地球之间的水平关系（三者之间存在的同一性、差异性或相似性）展开，运用属性类比中的中性类比进行教学。笔者同时展示太阳、月球和地球的照片，推动学生展开属性推理。学生从颜色、温度、形状、发光情况、表面有什么等多个方面进行比较。

为了将思维外化，笔者引导学生在原有的韦恩图中添加新的圆圈，将表示两者关系的韦恩图拓展为表示三者关系的韦恩图（如图3），用来比较太阳、月球、地球三者之间的异同。

（二）比较海洋与陆地面积大小——结构类比

比较海洋与陆地面积大小存在两个技术难点：①学生不会在球面上进行测量；②学生难以对海洋和陆地这种不规则图形进行测量。对此，教师可以借助类比推理加以突破。

1.提供对比物，奠定类比推理的基础

对经验表象较为缺乏的小学生来说，前期对比物的铺垫是十分重要的。教师要帮助学生完成“立体地球仪—平面地图”的转化，具体可以借鉴数学中圆的面积公式[S=πr2]的推导方法，将地球仪模型的表面展开，形成展开图，再将其转化成合在一起的灯笼形地图，最终形成长方形地图（如图4）。

【教学片段1】

教师出示长方形、五边形和六边形三个图形。

师：请同学们仔细观察，比一比，这三个图形谁的面积大？谁的面积小？

生：把图形里小格子的数量加起来就能代表图形的面积，格数多的面积大，格数少的面积小。

师：用这个方法比较，谁的面积大？谁的面积小？

生：长方形15格，六边形16格，五边形27格，所以五边形面积＞六边形面积＞长方形面积。

“怎么比较几何图形大小”这个简单问题的解决，为学生解决复杂问题奠定了基础，学生从中学到：可以采用类比推理的方式来比较海洋和陆地的面积。此处，类比物即为“海洋”和“陆地块”，对比物与类比物的共同特征为“均具有面积”，对比物的剩余属性是“可以利用网格图中的格子数比较面积”。因此，笔者在地图上覆盖网格，让学生展开类比推理。该阶段运用的类比推理属于结构类比。

2.讨论测算法，实现面积比较的量化

筆者将世界地图等分为100个小格，每一个小格不是标准的正方形，而是略扁的长方形，便于后面进行比较（如图5）。通过定性观察，学生普遍认为：陆地面积小、海洋面积大；应先数陆地面积的格数，海洋面积等于“100－陆地面积格数”。

由于海洋和陆地并不是规则图形，因此还需要确定格子的计数方法，即陆地面积超过一半算一格，不好判断时则借助辅助线，简化活动难度，保证操作的有效性。

【教学片段2】

师：用什么方式可以数得又快又准确？

生：可以先数陆地面积所占的格子，再数海洋面积所占的格子，比比谁更多。

师：各数一遍？（是的）

生：先数出陆地面积所占的格子数，再用100减去陆地面积所占的格子数，这样就算出了海洋面积所占的格子数。

师：怎么做到不漏数呢？（按顺序数）按怎样的顺序？（从左往右，从上往下）

通过讨论，学生对测算法达成了共识，这是比较地表海陆面积占比的关键。

3.测算海陆块，认识“百份—十份”的转化

学生先基于前期达成共识的测算方法确定陆地面积的格数，再通过“100－陆地面积的格数”计算出海洋面积的格数，这时，学生的测算结果基本一致。学生通过数格子，发现陆地面积占29格；经过计算，发现海洋面积占71格。在得到百分比的关系后，笔者继续引导学生进行“百份—十份”的转化。如果将地球的一百份转化为十份，那么陆地面积的29格就约为3份，海洋面积的71格就约为7份。

【教学片段3】

师：我们看黑板上的结果。这个是陆地面积，这个是海洋面积，从中可以看出什么？

生：海洋的面积明显大于陆地的面积。

师：如果按照十等份来划分，数一数，看看陆地面积和海洋面积各占几份？

生：陆地面积3份，海洋面积7份。

师：你能不能得出海洋面积和陆地面积到底是几比几？

生：7：3。

4.验证海陆比，评估类比论证的结果

类比推理得到的结论需要寻找更多的证据来支撑，由此才能对类比结果进行质疑、评价、论证，以体现类比推理的严谨性，形成逻辑闭环。

【教学片段4】

师：除了数格子的方式以外，还有没有其他的方法？

生：还可以把地图做成拼图，然后把陆地、海洋一块块抠下来，称一下它们的质量，比一比。

师追问：这个方法可行吗？

生：拼图都是用同种材料做出来的，所以比质量的方法是可行的。

师：海洋和陆地的拼图质量比是多少？（7：3）

通过称量法，将“面积比较”转化为“质量比较”，进一步检验了海陆面积比的准确性。笔者还提供了海陆面积的资料卡——陆地和海洋的总面积约为5.1亿平方千米，其中海洋面积为3.61亿平方千米，约占71%，陆地面积为1.49亿平方千米，约占29%。学生理解了人们常说的“三分陆地，七分海洋”。

（三）水资源与淡水资源——结构类比

通过“比较海陆面积”的探索活动，学生容易误认为“地球的水资源极其丰富，所以不用节约用水”。笔者采取结构类比的方式，告诉学生如果把地球的体积比作一个篮球的话，所有的水集中到一起仅有乒乓球大小，而可直接饮用的淡水资源就只有一粒芝麻大小，进而强化“节约用水、保护水资源”的意识。

（四）探索太空生命——实质类比

“拓展”部分聚焦人类对外太空的探索——银河系中是否存在地球以外的生命？水是生命之源，“存在水”这一相似性也成为判定“存在生命”的证据。此处的类比推理属于实质类比，既包含类比物（外太空的星球）与对比物（地球）的同一性、差异性分析，又包含“地球有生命的主要原因是地球有生命之源——水”的因果关系。若是该星球不具有“存在水”的证据，那么负类比的强度远大于正类比，自然就能推出“该星球没有生命存在”的结论。反之，则该星球有生命存在的可能性大大增加。这也是“火星上有生命存在的可能性远大于月球上有生命存在”的原因。

综上所述，类比推理是一种论证方法。教师要搭建已知事物与研究对象之间的桥梁，运用“丰富表象，夯实类比推理的基础性；履行程序，凸显类比推理的严谨性；强化论证，评估类比推理的或然性”的策略，促进学生推理论证能力与创新思维能力的发展。

参考文献：

［1］周建武.科学推理：逻辑与科学思维方法［M］.北京：化学工业出版社，2020.

［2］叶宝生，王灵华，刘春梅.基于逻辑的小学科学教学设计［M］.长沙：湖南科学技术出版社，2019.

［3］王小燕.科学思维与科学方法论［M］.广州：华南理工大学出版社，2015.

（浙江省杭州市余杭区仓前中心小学）