◎ 沈 蘭

教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《2020修訂版課標(biāo)》）明確了物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面。［1］“物理觀念”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)的培養(yǎng)，均離不開(kāi)“科學(xué)思維”?！翱茖W(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。模型建構(gòu)、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新的過(guò)程，均離不開(kāi)科學(xué)推理。因此，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力尤為重要。

一、科學(xué)推理的內(nèi)涵理解

科學(xué)推理一般指：根據(jù)一個(gè)判斷得出另一個(gè)判斷的思維形式。［2］《2020修訂版課標(biāo)》解讀中，對(duì)“科學(xué)推理”做了進(jìn)一步的分析：科學(xué)教育研究和實(shí)踐中所提出的科學(xué)推理，不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類比推理，而且包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式，還包括控制變量、組合推理、概率推理、因果推理等推理形式。高中階段的學(xué)生應(yīng)能正確理解和應(yīng)用上述科學(xué)思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理，找出規(guī)律，形成結(jié)論，并能解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題。［3］

二、科學(xué)推理的關(guān)鍵問(wèn)題分析

（一）科學(xué)推理教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)的區(qū)別

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2003年版）》的過(guò)程與方法部分，有關(guān)科學(xué)推理的表述，主要關(guān)注的是在解決相關(guān)物理問(wèn)題過(guò)程中進(jìn)行科學(xué)推理，也就是應(yīng)用科學(xué)推理方法解決物理問(wèn)題。以往的課堂中，我們很少進(jìn)行顯性的科學(xué)推理方法的教學(xué)，所以當(dāng)學(xué)生需要應(yīng)用科學(xué)推理方法解決問(wèn)題的時(shí)候，就會(huì)遇到困難。

《2020修訂版課標(biāo)》解讀中明確指出，我們還要關(guān)注應(yīng)用科學(xué)思維方法形成概念、規(guī)律的過(guò)程。因此，在新課標(biāo)背景下，我們需要對(duì)科學(xué)推理方法進(jìn)行一定的顯性教學(xué)，并讓學(xué)生經(jīng)歷運(yùn)用科學(xué)推理找出規(guī)律、形成結(jié)論的過(guò)程。

以滬科版《高中物理》必修一第二章“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”的第一節(jié)“伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究”教學(xué)為例，傳統(tǒng)教學(xué)中，教師會(huì)直接給出“什么是自由落體運(yùn)動(dòng)”“自由落體運(yùn)動(dòng)有什么樣的規(guī)律”，接著“應(yīng)用自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律分析解決問(wèn)題”。而科學(xué)推理教學(xué)中，教師可以先展示幾張運(yùn)動(dòng)的圖片，如圖1所示，從問(wèn)題“自然界那么多的運(yùn)動(dòng)，為什么選擇從落體運(yùn)動(dòng)開(kāi)始研究”開(kāi)始，進(jìn)行三個(gè)環(huán)節(jié)的分析：①為什么要進(jìn)行分類歸納？（why）②怎么樣進(jìn)行分類歸納？（how）③你按照什么標(biāo)準(zhǔn)、分類歸納的結(jié)果如何？結(jié)合具體的內(nèi)容，進(jìn)行分類歸納。這一科學(xué)推理方法的顯性教學(xué)，讓學(xué)生在真實(shí)情境中體會(huì)分類歸納的必要性、理解分類歸納的方法、經(jīng)歷分類歸納的過(guò)程。

圖1 對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分類歸納

以往的學(xué)習(xí)，打個(gè)比方，就像跟團(tuán)旅游，學(xué)生是從中間某個(gè)點(diǎn)（自由落體運(yùn)動(dòng)模型）上車的。而現(xiàn)在這樣的教學(xué)，學(xué)生幾乎是從起點(diǎn)（自然界紛繁復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)）上車的，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：①能讓學(xué)生感受到“物理源于生活”；②學(xué)生親身經(jīng)歷了分類歸納的科學(xué)推理過(guò)程，而這往往是我們研究“眾多現(xiàn)象中蘊(yùn)含物理規(guī)律”的第一步。

（二）科學(xué)推理能力的培養(yǎng)不會(huì)增加教學(xué)負(fù)擔(dān)

傳統(tǒng)教學(xué)中比較關(guān)注物理概念、規(guī)律 “是什么”，然后應(yīng)用概念、規(guī)律去解決問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)一步去理解概念、規(guī)律。

新課標(biāo)背景下的教學(xué)，更關(guān)注物理知識(shí)的形成過(guò)程，基于觀察到的“現(xiàn)象（或情境）”，通過(guò)科學(xué)思維、科學(xué)探究等方法形成物理概念、規(guī)律，即關(guān)注概念、規(guī)律是怎么來(lái)的，然后再應(yīng)用概念、規(guī)律去解決問(wèn)題，如圖2所示。

圖2 新課標(biāo)背景下的教學(xué)

以往更多的是通過(guò)解決問(wèn)題來(lái)進(jìn)一步理解概念、規(guī)律，而現(xiàn)在更多的是通過(guò)經(jīng)歷概念、規(guī)律的形成過(guò)程來(lái)理解概念、規(guī)律。而概念、規(guī)律的形成過(guò)程本身，就包含了大量的科學(xué)家運(yùn)用科學(xué)推理方法進(jìn)行綜合分析的過(guò)程。因此，建立物理學(xué)知識(shí)和培養(yǎng)科學(xué)推理能力，是同一學(xué)習(xí)過(guò)程產(chǎn)生的兩種結(jié)果，教師并不需要額外的課堂時(shí)空進(jìn)行單獨(dú)的科學(xué)推理教學(xué)。

（三）問(wèn)題鏈有助于科學(xué)推理能力的培養(yǎng)

通過(guò)前面的分析可知，關(guān)于概念、規(guī)律的教學(xué)，也就是我們通常所說(shuō)的新授課，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力非常重要的載體。而物理概念、規(guī)律的建立，通?；谏瞵F(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象，因此在教學(xué)中，首先需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)適切的情境。如果僅僅有情境，而缺乏問(wèn)題引導(dǎo)的話，容易造成情境流于形式。因此，還要基于情境設(shè)計(jì)問(wèn)題。以往，我們通常一個(gè)情境設(shè)計(jì)一個(gè)問(wèn)題，問(wèn)題的答案就是概念或者規(guī)律本身，所以不能夠引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一步一步地分析推理，因此需要在問(wèn)題的下位，再設(shè)計(jì)一連串有中心、有序列、相互關(guān)聯(lián)的小問(wèn)題，稱之為問(wèn)題鏈。

問(wèn)題鏈，一般首先包括預(yù)設(shè)問(wèn)題，在預(yù)設(shè)的問(wèn)題里面，對(duì)于其中具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，為了引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析推理，有時(shí)會(huì)設(shè)計(jì)更下位的問(wèn)題來(lái)鋪墊引導(dǎo)，如圖3所示。這些問(wèn)題，有時(shí)是預(yù)設(shè)的，有時(shí)是根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)反饋臨時(shí)生成的，根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)反饋臨時(shí)生成的問(wèn)題稱為生成問(wèn)題。

圖3 問(wèn)題鏈的構(gòu)成

問(wèn)題鏈的問(wèn)題之間具有較緊密的邏輯關(guān)聯(lián)，因此在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理方面有較突出的優(yōu)勢(shì)。

三、設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈培養(yǎng)科學(xué)推理能力的路徑與教學(xué)示例

（一）根據(jù)科學(xué)推理的邏輯環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈

以觀察到的現(xiàn)象為起點(diǎn)，最終建立物理概念，得出物理規(guī)律，這中間需要經(jīng)歷科學(xué)推理的邏輯環(huán)節(jié)?？茖W(xué)推理是一個(gè)思維過(guò)程，如何將其顯性體現(xiàn)呢？通過(guò)把現(xiàn)象梳理、轉(zhuǎn)化成需研究的問(wèn)題，繼而對(duì)一個(gè)個(gè)問(wèn)題展開(kāi)研究，逐步得出現(xiàn)象背后的物理規(guī)律。問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì)，如圖4所示，就可以根據(jù)從起點(diǎn)“現(xiàn)象”到目標(biāo)“物理規(guī)律”間的科學(xué)推理邏輯環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行，從而引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展從現(xiàn)象到規(guī)律的推理、探索。根據(jù)科學(xué)推理的邏輯環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈，將思維可視化，是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力的一種途徑。

圖4 問(wèn)題鏈設(shè)計(jì)的路徑

需要說(shuō)明的是，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力并不是只有問(wèn)題鏈引導(dǎo)這一種有效途徑。此外，問(wèn)題鏈也不僅僅可以引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力，在培養(yǎng)其他核心素養(yǎng)方面都有較好的教學(xué)效果。

（二）設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈培養(yǎng)科學(xué)推理能力的教學(xué)示例

以“布朗運(yùn)動(dòng)反映了液體分子在做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)片段為例，來(lái)看看如何預(yù)設(shè)問(wèn)題，以及對(duì)于挑戰(zhàn)性問(wèn)題如何生成鋪墊引導(dǎo)的小問(wèn)題。

1.基于適切的情境預(yù)設(shè)問(wèn)題鏈

觀察到的現(xiàn)象是“固體顆粒的運(yùn)動(dòng)”，所反映的是“液體分子的運(yùn)動(dòng)”。根據(jù)科學(xué)推理的邏輯環(huán)節(jié)，教師預(yù)設(shè)了以下3個(gè)問(wèn)題（示意如圖5所示），引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)宏觀現(xiàn)象推理微觀原因。

圖5 預(yù)設(shè)的問(wèn)題鏈

問(wèn)題1：誰(shuí)在動(dòng) ？學(xué)生根據(jù)顯微鏡下的視頻，可以觀察到現(xiàn)象——固體小顆粒在運(yùn)動(dòng)。

問(wèn)題2：怎樣動(dòng)？教師借助Tracker軟件追蹤顆粒在經(jīng)過(guò)相等時(shí)間間隔后的位置，并將這些位置依次連線，學(xué)生根據(jù)觀察到的位置連線圖，發(fā)現(xiàn)小顆粒在做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

問(wèn)題3：為什么這樣動(dòng)？

2.根據(jù)學(xué)生課堂反饋生成問(wèn)題鏈

對(duì)于第一次接觸的學(xué)生而言，問(wèn)題3的思維難度比較大。因此，教師根據(jù)教學(xué)中學(xué)生的課堂反饋，分解成小問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理。

【課堂實(shí)錄】

問(wèn)題1：它為什么會(huì)這樣動(dòng)呢？同學(xué)們認(rèn)為可以怎樣分析這個(gè)問(wèn)題？

學(xué)生：可以進(jìn)行受力分析，它一定是受到了其他的外力作用。

問(wèn)題2：為什么運(yùn)動(dòng)就一定是受到外力的作用呢？為什么不可能是自發(fā)的運(yùn)動(dòng)呢？牛頓第一定律不是告訴我們，物體的運(yùn)動(dòng)并不需要外力維持嗎？

學(xué)生展開(kāi)討論。

學(xué)生：我認(rèn)為小顆粒不是自發(fā)運(yùn)動(dòng)的，一定是外力推動(dòng)的。證據(jù)是我發(fā)現(xiàn)有一些比較大的顆粒沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，顆粒越小運(yùn)動(dòng)越明顯，說(shuō)明顆粒太大時(shí)外力推動(dòng)不了。如果是自發(fā)運(yùn)動(dòng)的話，大顆粒也應(yīng)該在運(yùn)動(dòng)。

問(wèn)題3：既然是被外力推動(dòng)的，那么是誰(shuí)對(duì)顆粒施加作用力造成了它的運(yùn)動(dòng)呢？請(qǐng)你對(duì)顆粒做受力分析。

學(xué)生：顆粒受到重力，還有顆粒之間萬(wàn)有引力的作用。

問(wèn)題4：由于小顆粒的質(zhì)量極小，這些和質(zhì)量相關(guān)的力產(chǎn)生的效果基本都可以忽略不計(jì)。除了這些不接觸就能發(fā)生的場(chǎng)力之外，還有什么物體是與小顆粒接觸，但是在放大1000倍的顯微鏡下我們看不見(jiàn)的呢？

學(xué)生：哦，還有看不見(jiàn)的水分子，所以施力物體是水分子，是水分子在推動(dòng)小顆粒做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

問(wèn)題5：那么通過(guò)小顆粒的運(yùn)動(dòng)，你能不能推測(cè)一下那些看不見(jiàn)的水分子在做什么運(yùn)動(dòng)呢？說(shuō)明你判斷的理由。

學(xué)生：水分子一定也是在做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。因?yàn)楹芏鄠€(gè)水分子都在做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從不同角度不斷地撞擊固體小顆粒，這些力并不平衡，所以就造成了小顆粒做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

教師總結(jié)：同學(xué)們通過(guò)分析看得見(jiàn)的小顆粒的運(yùn)動(dòng)推理出看不見(jiàn)的水分子的運(yùn)動(dòng)，其實(shí)就是我們研究微觀世界時(shí)常用的一種間接研究的方法。當(dāng)我們從宏觀世界進(jìn)入微觀世界時(shí)，由于無(wú)法用肉眼直接觀察到，所以我們往往采用間接研究的方法，通過(guò)看得見(jiàn)的現(xiàn)象來(lái)推理看不見(jiàn)的世界。

在以上的課堂實(shí)錄中，教師在預(yù)設(shè)的問(wèn)題3“為什么會(huì)這樣動(dòng)？”的下位，根據(jù)學(xué)生的課堂反饋，生成了3個(gè)引導(dǎo)學(xué)生分析推理的小問(wèn)題（示意如圖6所示），可以歸納為：①固體顆粒為什么會(huì)動(dòng)？②誰(shuí)在推？③水分子在怎樣運(yùn)動(dòng)？通過(guò)這3個(gè)小問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生自己推理回答了問(wèn)題3“為什么這樣動(dòng)”。

圖6 預(yù)設(shè)、生成的問(wèn)題鏈

根據(jù)上述案例得知，通過(guò)教師設(shè)計(jì)的問(wèn)題鏈引導(dǎo)，學(xué)生逐步分析、推理出了固體顆粒運(yùn)動(dòng)這一現(xiàn)象背后的原因。學(xué)生自己進(jìn)行了這樣的科學(xué)推理后，不僅知道了布朗運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生原因，知道分子在做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)；還經(jīng)歷了層層遞進(jìn)的邏輯推理過(guò)程，感受到科學(xué)推理是分析揭示未知世界的重要方法和手段；同時(shí)通過(guò)經(jīng)歷布朗運(yùn)動(dòng)的分析過(guò)程，形成了嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是、敢于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度。

由此可見(jiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈，讓學(xué)生在建立物理概念和規(guī)律的過(guò)程中學(xué)習(xí)、應(yīng)用科學(xué)推理方法，不僅能讓學(xué)生對(duì)方法深入理解，還有助于培養(yǎng)他們科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。通過(guò)這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程所培養(yǎng)的科學(xué)推理能力和科學(xué)思維習(xí)慣，是學(xué)生在物理習(xí)題訓(xùn)練中難以獲得的。具備了這樣的分析推理能力，學(xué)生也能更好地解決實(shí)際問(wèn)題。推理能力是學(xué)生今后從事科學(xué)研究或其他科學(xué)活動(dòng)的重要基礎(chǔ)，即使今后不從事與科學(xué)相關(guān)的工作，科學(xué)的思維方式也是學(xué)生從科學(xué)的視角分析任何問(wèn)題的基礎(chǔ)，因此從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展角度來(lái)說(shuō)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力，比掌握一些物理學(xué)知識(shí)更具有普遍意義。

科學(xué)推理需要嚴(yán)密的邏輯，因此問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì)也必須要邏輯清晰、結(jié)構(gòu)嚴(yán)密。這需要教師對(duì)所教內(nèi)容有深刻全面的理解、對(duì)教學(xué)目標(biāo)有清晰的認(rèn)知、對(duì)學(xué)生可能產(chǎn)生的問(wèn)題有較充分的預(yù)設(shè)，在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)適切的情境，根據(jù)科學(xué)推理的邏輯環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)、引發(fā)思考的一整串問(wèn)題鏈，讓學(xué)生在思考、解決這些問(wèn)題的過(guò)程中理解所學(xué)內(nèi)容、提升科學(xué)推理能力；還需要進(jìn)一步從單元的視角、某一推理能力進(jìn)階的視角等不同的角度，進(jìn)行大問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì)，整體規(guī)劃對(duì)學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)。