高中物理教學(xué)中落實(shí)科學(xué)推理的培養(yǎng)

許麗真　鄭淵方

摘 要：針對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)對(duì)科學(xué)推理能力的要求，結(jié)合歸納推理、演繹推理以及證據(jù)推理三個(gè)因素，依托“動(dòng)能和動(dòng)能定理”，從回顧舊知、提出猜想、實(shí)驗(yàn)探究和證據(jù)評(píng)估四個(gè)方面展開(kāi)教學(xué)，探索在高中物理教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)推理的路徑，提升學(xué)生的科學(xué)推理能力。

關(guān)鍵詞：物理教學(xué);科學(xué)思維;科學(xué)推理

2018年，教育部正式頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017）版》，修訂后的高中課程標(biāo)準(zhǔn)主要變化有兩個(gè)部分。一個(gè)是關(guān)于課程方案，另一個(gè)是關(guān)于學(xué)科核心素養(yǎng)。高中物理學(xué)習(xí)過(guò)程中注重培養(yǎng)學(xué)生的必備品格與關(guān)鍵能力有“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四大學(xué)科核心素養(yǎng)?！翱茖W(xué)推理”作為科學(xué)思維的主要要素之一，目前高中物理教學(xué)中對(duì)科學(xué)推理能力的培養(yǎng)稍顯薄弱，注重物理概念和物理規(guī)律的直接性獲得，缺少知識(shí)的推理產(chǎn)出過(guò)程。

一、 科學(xué)推理的內(nèi)涵

科學(xué)推理這一概念最早出現(xiàn)在皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論中，它是學(xué)生在從舊知到新知的有效媒介，學(xué)生利用原有認(rèn)知通過(guò)科學(xué)推理能有效學(xué)習(xí)新知。Klahr和Dunbar提出的SDDS模型中，認(rèn)為科學(xué)推理就是對(duì)假設(shè)空間與實(shí)驗(yàn)空間的雙重檢索來(lái)完成科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動(dòng)的目的，并提出三個(gè)主要因素，即先前知識(shí)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與證據(jù)評(píng)估。在物理學(xué)科核心素養(yǎng)對(duì)科學(xué)推理能力的要求：能從定性和定量的角度進(jìn)行科學(xué)推理，對(duì)獲得結(jié)論做出解釋，并合理使用證據(jù)，檢驗(yàn)結(jié)論。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)意義下的科學(xué)推理不應(yīng)當(dāng)只包括歸納推理和演繹推理，還應(yīng)包括證據(jù)推理，也就是合理使用證據(jù)來(lái)評(píng)估推理過(guò)程的合理性。

學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理的過(guò)程就是解決問(wèn)題的過(guò)程。運(yùn)用歸納演繹推理與證據(jù)推理解決問(wèn)題的思維過(guò)程。利用原先的知識(shí)，定性分析現(xiàn)象，其中能針對(duì)問(wèn)題本身提出合理的猜想，檢驗(yàn)猜想得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用證據(jù)評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果與過(guò)程的合理性。

回顧舊知→提出猜想→實(shí)驗(yàn)探究→證據(jù)評(píng)估

二、 教學(xué)過(guò)程例析

下面依托“動(dòng)能和動(dòng)能定理”的習(xí)得過(guò)程，簡(jiǎn)要探討一下如何在高中物理教學(xué)中有效促進(jìn)科學(xué)推理能力的培養(yǎng)路徑。動(dòng)能定理的物理規(guī)律探討是在學(xué)生明確知道動(dòng)能概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以在學(xué)生進(jìn)行動(dòng)能定理的物理規(guī)律推理之前，先對(duì)原先知識(shí)進(jìn)行強(qiáng)化，為物理規(guī)律的推理過(guò)程做好準(zhǔn)備，由此再逐步推理動(dòng)能定理的物理規(guī)律。

（一） 回顧舊知、夯實(shí)基礎(chǔ)

教師通過(guò)展示升空的火箭、盤(pán)旋的直升機(jī)、高速飛行的子彈射穿一個(gè)固定的大蘋(píng)果等圖片。引導(dǎo)學(xué)生分析大量的生活事例，得出物體由于運(yùn)動(dòng)而具有能量。物理學(xué)中把由于運(yùn)動(dòng)而具有能量的能叫做動(dòng)能。在學(xué)生原有認(rèn)知的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧初中動(dòng)能的大小和哪些因素有關(guān)？

實(shí)驗(yàn)裝置如下，通過(guò)比較右球撞擊左球后左球擺起的高度定性比較右球動(dòng)能的大小。實(shí)驗(yàn)中有三個(gè)小球，其中兩個(gè)質(zhì)量為m，一個(gè)質(zhì)量大一些為M。首先將質(zhì)量為m的兩個(gè)小球用細(xì)線緊靠懸掛起來(lái)，拉開(kāi)右邊的小球，從不同高度釋放撞擊左邊小球，如圖2所示。其次再把一個(gè)質(zhì)量為M的小球懸掛起來(lái)，將它與右球拉開(kāi)到同一高度，先后釋放撞擊左邊的小球，如圖3所示。圖2中兩個(gè)小球質(zhì)量相同，從不同高度擺起，得到的結(jié)論為速度越大的小球動(dòng)能越大;圖3中兩個(gè)小球質(zhì)量不同，從同一高度擺起，得到的結(jié)論為質(zhì)量越大的小球動(dòng)能越大，定性得出了動(dòng)能的大小與質(zhì)量和速度有關(guān)。針對(duì)剛剛的物理現(xiàn)象，對(duì)小球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)結(jié)果做出解釋，得出了影響動(dòng)能的因素。

（二） 定性分析、提出猜想

教師利用手中的粉筆盒，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境。在光滑的水平面上如圖4所示，粉筆盒在水平恒力F的作用下以初速度為v1向前做加速運(yùn)動(dòng)，位移為s時(shí)，速度增至v2。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)粉筆盒進(jìn)行受力分析，可知重力與支持力在豎直方向上平衡，在水平方向上粉筆盒受到恒力F的作用。

教師告知學(xué)生演繹推理法是指從學(xué)生已知的客觀規(guī)律為依據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，推知未知規(guī)律的方法。通過(guò)上面的分析，學(xué)生的頭腦里初步建立起一個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型。假設(shè)粉筆盒的質(zhì)量為m，由題可知粉筆盒的初速度為v1，位移為s，所受水平恒力為F，末速度為v2。

學(xué)生已知的物理規(guī)律有牛頓第二定律F=ma、功的公式W=Fs和勻變速運(yùn)動(dòng)v22-v21=2as的規(guī)律，可得粉筆盒做功Fs=12mv22-12mv21。教師提問(wèn)公式中12mv2代表什么意思？已知“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”，學(xué)生自然而然就猜想12mv2是一種能量，而且是一種與速度相關(guān)的能量。那如何用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這個(gè)猜想？

（三） 檢驗(yàn)猜想、實(shí)驗(yàn)探究

由W=12mv22-12mv21可得，如果v1=0時(shí)，則Fs=12mv22。這時(shí)，只需驗(yàn)證Fs=12mv22之間的關(guān)系即可。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，改變木板的傾角來(lái)平衡掉小車(chē)及紙帶受到的摩擦力，同時(shí)小車(chē)的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量，小車(chē)在外力的作用下做勻加速運(yùn)動(dòng)?？梢哉J(rèn)為小車(chē)所受拉力F的大小等于鉤碼所受的重力。通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器得到小車(chē)的位移和時(shí)間，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fs與12mv2之間的關(guān)系，從而得出Ek=12mv2為動(dòng)能的表達(dá)式。學(xué)生有依據(jù)地提出猜想、大膽假設(shè)、檢驗(yàn)假設(shè)、得出結(jié)論，利用清晰直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)所獲得的結(jié)論進(jìn)行解釋。讓學(xué)生依據(jù)所學(xué)知識(shí)，有理有據(jù)推導(dǎo)動(dòng)能的表達(dá)式，避免學(xué)生機(jī)械記憶。

（四） 證據(jù)評(píng)估、鞏固提升

學(xué)生掌握了動(dòng)能表達(dá)式的推導(dǎo)過(guò)程，在粉筆盒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，物體處于直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，動(dòng)能表達(dá)式W=12mv22-12mv21 成立，那能否將其稱為定理？

如圖6所示，小球在力F的作用下，從豎直方向P點(diǎn)，向右運(yùn)動(dòng)到達(dá)Q點(diǎn)，忽略空氣阻力的作用。這個(gè)過(guò)程中小球受到了幾個(gè)力作用？哪個(gè)力做功？哪個(gè)力不做功？動(dòng)能表達(dá)式W=12mv22-12mv21是否仍然成立？

引導(dǎo)學(xué)生對(duì)小球進(jìn)行受力分析，小球受重力G、水平拉力F、繩子拉力T。由共點(diǎn)力平衡條件可知F=mgtanθ，分析可知力F為變力，不能直接用功的公式。繩子拉力T時(shí)刻與運(yùn)動(dòng)方向垂直，拉力T不做功。要進(jìn)行問(wèn)題的探究，就必須借用微元的思想，將曲線運(yùn)動(dòng)等效為無(wú)限多段直線運(yùn)動(dòng)微元，把合力做功擴(kuò)展為不同過(guò)程中各力做功的代數(shù)和，也為多過(guò)程做功做好鋪墊?？傻迷谇€運(yùn)動(dòng)中W=12mv22-12mv21仍然成立，根據(jù)動(dòng)能定理水平拉力F做的功為mgL（1-cosθ）。

三、 結(jié)語(yǔ)

在物理教學(xué)過(guò)程中不能將學(xué)科素養(yǎng)的某個(gè)能力單獨(dú)剝離進(jìn)行教學(xué)，應(yīng)當(dāng)從各個(gè)方面促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，在這個(gè)過(guò)程中更加考驗(yàn)教師的教學(xué)能力。學(xué)生的綜合素質(zhì)的發(fā)展依托于教學(xué)過(guò)程中教師引導(dǎo)學(xué)生多角度、多手段對(duì)物理概念、物理規(guī)律以及習(xí)題的深入探索，積極思考，科學(xué)推理是學(xué)科能力的一部分，探索提高學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)方式，落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

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作者簡(jiǎn)介：

許麗真，鄭淵方，福建省福州市，福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院。