小学科学类比推理的教学策略——以教科版《科学》三年级下册《地球——水的星球》为例

□朱晓伦

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，根据对比物的剩余属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。

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）。

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。

图3

（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）。

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

笔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”。

图5

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。