刘瀚文　李燊　陈佳丽　吕立君

摘 要：科学推理是科学思维的重要组成部分，是中外研究者所关心的热门话题。本文在界定科学推理概念和建构推理教学模型的基础上，以人教版高中物理“自由落体运动”的教学为例，从培养学生科学推理能力出发，以教学活动为载体、情境为统领，对教学流程和方式进行优化设计，希望能为培养科学推理能力提供思路。

关键词：情境；科学推理；物理教学；教学活动

中图分类号：G642  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）02-0075-04

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课程标准”）指出：高中物理课程要注重体现物理学科的本质，从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等方面体现物理学科育人价值，自此学科核心素养进入教育工作者的视野，贯彻落实核心素养的发展成了普通高中课程的培养目标[1]。科学思维作为物理学科核心素养的核心要素，由科学推理与模型建构、科学论证、质疑创新等共同构成。科学推理是科学思维的重要组成，科学推理能力的提升有助于学生的物理学习，有利于开展科学探究活动。2020年，《中国高考评价体系》（以下简称“高考评价体系”）提出“一核四层四翼”的整体架构，分别回答了“为什么考”“考什么”“怎么考”的问题[2]。“四层”是高考的考查内容，包含核心价值、学科素养、关键能力、必备知识等四个方面[3]。思维认知能力群是关键，推理能力作为思维认知能力群的组成要素是高考评价体系确定学科考查内容的重要依据。因此，在物理教学中培养学生的科学推理能力，促进科学思维的发展，对落实和发展学生物理学科核心素养有重要意义。

1 科学推理的内涵

科学推理是在推理的基础上发展起来的，由皮亚杰教授最先在儿童认知发展理论中提出，认为科学推理是当个体思维发展到一定高度后所具有的推理类型。凯文（Kwen）和拉德曼（Lademan）将科学推理分为归纳推理和演绎推理，归纳推理是把所观测到的自然现象中所具备的相同特点加以概括总结，是个体形成概念、规律的过程，而演绎推理是个体利用形成的概念、规律解释具备同一特点的其他自然现象的过程[4]。克拉尔（Klahr）和敦达尔（Dundar）则将科学推理看作个体探索方法或证据解决问题的过程[5]。严文法与胡卫平主张科学推理应用于问题解决或假设检验过程中[6]。劳森（Lawson）在研究科学史案例中发现科学推理主要包括retroduction（溯因）、deduction（演绎）、induction（归纳）等推理类型，把科学推理解读为是个体为所观察到的令人费解的现象寻找科学解释的过程[7]。科学史和物理学中许多重大的发现，似乎也体现了这个过程。如伽利略发现木星的卫星、牛顿对万有引力的探索等，首先在对观测或实驗中的某种现象做出假设，并以此为前提依据科学知识进行逻辑推理或实验验证，再结合观测结果与实验结果分析论证，从而评估假设的正确性得出科学结论。

本研究认为科学推理是当个体思维发展到一定高度后所具有的，贯穿于整个科学探究过程，是个体以已有科学知识为基础，在情境中经历发现问题、提出质疑、形成猜想与假设、依据科学证据设计实验验证、不断修正评估证据从而得出新结论、新知识的思维过程。科学推理能力则是这一过程中个体所必备的心理特征或思维技能，包含守恒、相关、概率、控制变量、比例、假设演绎推理等能力维度。在物理概念、规律形成的探究过程或建构物理模型的抽象过程中，科学推理能力都蕴含其中。

2 高中物理科学推理能力学业质量标准

课程标准指出，高中阶段的学生应能正确理解和应用科学思维方法，从定性和定量两个方面进行科学推理，找出规律，形成结论，并能解释自然现象和解决实际问题，将科学推理素养学业成就表现划分为5个不同学业质量水平，不同水平之间循序渐进、逐级提升，如表1所示。

3 科学推理教学模型建构

课程标准指出创设情境进行教学，对培养学生物理学科核心素养、促进知识和方法迁移起关键作用。并给出了考查例题，让学生在情境中（蹦极运动的下落过程）抓住主要因素（重力和弹力），忽略次要因素（空气阻力），确定运动的模型，通过科学推理解决问题。因此在课程标准背景下，物理教学应根据具体的教学内容，创设有利于展开推理思维物理情境，引导学生在情境中提出物理问题、形成合理猜想、设计方案推理论证、建构物理模型，最后依据科学证据得出科学结论。科学推理教学应以问题为导向、以情境为统领、以科学知识为基础，经历实践探索，寻求科学解释或科学结论的过程，通过显化科学思维方法等一系列教与学的行为来提升学生的科学推理能力，促进科学思维的发展。

综上所述，科学推理教学应以有意义的、真实的情境为统领，将教与学的行为都预置于情境中，学生在真实的情境脉络中，经历科学推理式教学活动，完成意义学习和知识与方法的迁移，形成科学地看待问题的方式和解决问题的能力，如图1所示。

4 科学推理素养导向的情境化课堂构建

在真实情境中解决物理问题的过程是培养学生科学推理素养的着力点，物理课堂则是实现科学推理能力提升的有效途径。本研究以“自由落体运动”为例，阐述如何以教学活动为载体、情境为统领设计科学推理教学。“自由落体运动”是匀变速直线运动的特例，是匀变速直线运动一般规律知识的运用。质点、匀变速直线运动理想模型的建立为学生描述物体下落建立自由落体理想模型提供了科学的思想和方法，为学生认识自由落体运动规律打下基础。教材首先设置问题，栏目创设问题情境，提出具体问题引发学生思考；其次介绍物理学史上对落体运动的争论，使学生体会伽利略在研究自由落体运动时所表现出的质疑创新精神和运用的科学研究方法；再次通过实验探究自由落体运动规律，让学生清晰、系统地理解自由落体运动规律，并能运用规律解决实际问题。自由落体运动规律的研究，既是对前面知识的巩固，又为今后复杂运动的研究奠定了基础。

课程标准要求“通过实验，认识自由落体运动规律。结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用。”因此，本教学过程将学生置于一系列具体的情境中，让学生知道科学研究方法对科学研究的重要性，经历自由落体运动概念的建立及规律的形成过程，而概念、规律的形成过程，包含了大量的科学家运用科学推理方法进行综合分析的过程，有助于提升学生的科学推理能力，引发学生思考，认识到实验研究对科学发展和人类进步的重大意义，体会科学研究的方法，养成科学思维习惯。

4.1 创设情境，展开推理

情境决定认知过程的本质，是一切认知活动的基础，是个体教与学时所处的环境，是教师为满足物理教学需要创设的一种蕴含教学内容且能引起學生感性认知的教学工具，是课堂的重要组成部分。教师创设的情境，既要充分展示相关物理现象，使学生获得探索物理规律所必需的感性认识，又要能激发学生的探究兴趣和问题意识，助力推理思维顺利展开。

（1）实际生活情境。教师根据教学内容、教学目标、学生认知水平等创设实际生活情境。如我国女子铅球运动员巩立姣在东京奥运会的夺冠一掷，学校操场林间小道上金黄的枫叶缓缓落下，欢乐谷里体验蹦极的游客快速下落，雨后树叶上残留的水珠从摇摇欲坠到脱离叶片奔向地面的场景，跳伞运动员在空中滑翔的场景等实际生活情境，提问哪个物体适合作落体运动的研究？如何选择研究对象？按照什么标准对上述场景分类？从实际情境到建立落体模型，中间需要一定的逻辑层次。引导学生从运动复杂程度、运动轨迹、是否人为参与和受力情况等进行分类，从类别的不同之处来选择研究对象，并将分类归纳的形式、步骤传授给学生，引导学生思考分类的标准，从而得出落体运动的特点，理解生活中的落体运动，建立落体运动模型，确定研究对象引入课题。对生活常见场景分类归纳，经历分类归纳的过程，体会分类归纳的必要性，提升学生的归纳推理能力；同时显化科学方法的教学，加深对科学方法的理解和认识，有效提升学生的科学推理能力。

（2）认知冲突情境。利用学生的前概念与物理规律的冲突和新旧知识的联系创设情境。教师引导学生设置差异性实验来产生认知冲突，引发学生对问题的思考，推动推理思维开启。如展示质量不同的石头与羽毛、相同大小纸片与金属片的下落情况，学生从生活经验出发进行推理，得出“重的物体下落得快”的论断，暴露出学生错误的前概念，认知处于平衡状态。接着展示相同质量的纸团与纸片的下落情况，由于“重的物体下落得快”这一错误的前概念存在于大多数同学的头脑中，而观察的现象不是重的物体下落得快，学生在认知上形成了强烈冲突，打破原有认知平衡，激起了学生探究的浓烈兴趣。在此基础上教师提问“到底是轻的物体还是重的物体下落得快？”引发学生思考，为猜想假设埋下伏笔。

（3）物理学史情境。结合物理概念、规律的发现过程和历史背景创设情境，助力科学推理教学。利用伽利略对自由落体运动的研究创设物理学史情境，引发学生思考。在潜移默化中培养学生依据事实基础对自己的观点进行论证的意识，认识到只看现象表面会影响归纳总结的正确性。为“实验+推理”创造条件，发展学生的科学推理素养。

（4）物理实验情境。利用演示实验和借助信息技术创设物理实验情境，促进推理技能提升。教师利用创设实验情境，引导学生在分析实验现象的过程中学会推理，逐渐养成推理思维习惯。如“自由落体运动”教学中，学生观察牛顿管和高真空环境中物体下落情况，依据发现空气阻力越小，物体的下落快慢越趋近于相同的实验现象，合理外推出若彻底去除阻力的影响，物体下落快慢相同，从而建立自由落体运动理想模型，感受实验对科学研究的重要性。

（5）问题解决情境。通过解决实际问题创设问题解决情境，巩固推理思维。学生分析实际物体下落的过程，感受真实运动和理想模型之间的关系，并运用科学论证方法表达观点，能区别观点和证据。比较空气中铁球受到的阻力与雨滴受到的阻力，分析归纳在实际情境中建立自由落体运动理想模型的条件，感受推理和建构模型在解决实际问题中的重要作用。

4.2 科学推理式教学活动

在物理概念、规律形成的探究过程和建构物理模型的抽象过程中，从产生认知冲突、提出物理问题到形成猜想和假设、基于假设设计方案分析论证，最后依据科学证据得出科学结论，科学推理都贯穿其中。科学探究的过程也是教师进行科学推理教学的主要途径，教学活动的动态性和灵活性恰好能够使学生经历全新的科学推理过程，从而培养学生的科学推理能力。

（1）分析问题，猜想假设。创设适切情境，提出有逻辑层次的问题，引导学生猜想的方向，促进学生假设演绎推理能力的提升。学生在问题的引领下，通过对问题深入分析、综合与抽象概括，抓住问题的本质和关键，根据已有的知识、经验和直觉思维，通过观察、分析、比较的过程，对情境中研究对象的产生原因、结果运用归纳法、类比法等进行猜想，并在猜想的基础上根据已有知识和经验对探究的可行性和探究可能出现的结果进行推测和假定，从而将猜想转换为假设。在“自由落体运动”教学中，教师利用创设的实际生活情境，以“是否需要人为参与？”系列具有逻辑层次的问题引出亚里士多德对自然界中落体运动的解释，即“越重的物体下落得越快”，用“自相矛盾”的故事过渡到伽利略质疑亚里士多德对自然现象的解释，引导学生利用伽利略研究自由落体运动的实验和逻辑推理方法，否定“重物比轻物下落快”的论断，从而引出伽利略的观点“物体下落过程的运动快慢与物体轻重无关”，引导学生提出“影响物体下落快慢的因素可能是重力和空气阻力”的猜想与假设。

（2）交流讨论，设计实验。猜想假设是知识与情境联系的结果，提出的猜想假设是否正确，需要设计实验来进一步检验。这一环节，教师组织学生分组讨论，给予学生自主探究的空间，鼓励学生自主选择探究方法、制定实验方案、设计实验流程、选择实验器材等，在学习的关键时刻为学生提供指导或搭建“脚手架”。通过师生间、生生间的交流与合作，共同解决问题，验证所提出的猜想假设，学生对知识的积极建构，激发学习的内在动机，推动推理思维开启。交流与合作的过程让每一个学生的优势和特长都能得到发挥，同时也培养学生的合作精神和问题解决能力。在“自由落体运动”教学中，在得出影响物体下落快慢的因素是重力或空气阻力的假设后，教师可以提出问题“当有两个因素（重力、阻力）影响下落快慢时应用什么科学研究方法？”“思考如何探究影响下落的因素？”让学生以小组为单位设计实验，尝试得出结论。在学生探索的过程中，教师也要给予必要的指导，鼓励学生利用纸片、纸团、两个小球等贴近生活的实物来设计实验方案、说出设计思路和展示实验结果，教师及时评价不同实验小组的方法、实验结果，引导各实验小组分析实验方案的优缺点，提出改进措施。

（3）实验探究，得出规律。在此环节，采用教师演示，学生总结的形式，突出学生的主体地位。通过质量不同的物体在低真空环境—牛顿管演示实验到高真空环境以及真空环境—大卫·斯科特（David Randolph Scott）在月球演示的下落情况，发现空气阻力越小，物体的下落快慢越趋近于相同，引导学生分析空气阻力对物体下落的影响。利用实验探究、观察和推理来引导学生建立自由落体运动理想模型，即物体只在重力作用下从静止开始下落的运动。学生在物理实验情境中观察实验现象，运用已有知识进行科学推理，得出实验结论。发现去除阻力因素后，物体的下落规律完全相同。合理外推若彻底去除阻力的影响，物体下落快慢相同，从而建立自由落体运动理想模型。

（4）变式迁移，运用规律。通过实验探究得出物理规律之后，教师还需要引导学生对所得出的物理规律的逻辑推理过程、物理意义、适用条件和范围等进行深入的分析和理解，在此基础上，教师可以针对学生在物理规律学习中的难点，设置符合学生认知发展的变式，探索物理规律所揭示的物理现象或过程中本质的、基本的联系，帮助学生厘清物理规律、物理方法、物理概念之间的关系，加深学生对规律全面、系统的理解，掌握研究物理规律的方法，培养学生解决实际能力，促进知识有效的迁移，巩固学生的推理思维。在“自由落体运动”教学中，创设水滴下落过程的实际情境，引导学生分解复杂问题，能对情境中的信息进行归纳推理，把雨滴下落分解为刚开始近似的自由落体运动和后阶段近似的匀速直线运动。通过分析实际物体下落的过程，感受真实运动和理想模型之间的关系，并运用科学论证方法表达观点，分析在实际情境中建立自由落体运动理想模型的条件，让学生在解决实际问题中对自由落体运动规律的理解更深刻、全面和系统。

4.3 评估与反思

评估与反思是检测学生对物理概念、规律的掌握程度，了解教学效果的重要环节。教师利用情境化问题，使学生通过对问题的思考，巩固深化对物理概念、规律的理解与运用。在学习某一部分物理内容后，教师鼓励学生积极主动分析、解决物理问题，让学生逐渐掌握解决问题的思路，形成良好的思维习惯，巩固学生推理能力。在“自由落体运动”教学中，教师选取典型的情境化试题，学生结合生活情境提炼物理知识，能将自由落体运动规律运用于物理问题解决中，掌握分析综合、基于证据和逻辑质疑创新的推理论证方法。

5 结束语

本文紧扣课程标准和高考评价体系的要求，以“自由落体运动”为例，设计教学培养学生的科学推理能力。教师首先创设有利于展开推理思维的物理情境，引导学生在情境中运用分类、归纳等科学方法来展开推理，同时显化科学方法的教育，加深对科学方法的理解和认识，提升推理能力。其次回顾物理学史上对落体运动的争论，结合演示实验，引导学生进行演绎推理，巩固学生的科学推理能力。最后经历问题解决、运用科学思想方法掌握规律、形成结论的过程，建立自由落体运动理想模型，让学生感受科学家运用科学推理方法进行综合分析形成物理规律的过程，体会科学研究方法对科学研究的重要性，让推理思维更加深化，促进科学思维进阶，落实物理学科核心素养的发展。

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参考文献：

〔1〕教育部．普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S]．北京：人民教育出版社，2020．5．

〔2〕教育部考试中心．中国高考评价体系[Z]．北京：人民教育出版社，2019．11．

〔3〕于涵，郑益慧，程力，等.高考评价体系的实践功能探析[J].中国考试，2019，29（12）：1-6.

〔4〕左成光.小学生科学推理能力及其影響因素研究[D].重庆：西南大学，2018.

〔5〕Klahr， D. &Dunbar， K. Dual search space during scientific reasoning. Cognitive Science，1998，12：1-48.

〔6〕严文法，胡卫平.国外青少年科学推理能力研究综述[J].外国中小学教育，2009，28（05）：23-28.

〔7〕Lawson A.E. Basic inferences of scientiic reasoning， argumentation， and discovery[J]. Science Education， 2010（02）：336-364.

收稿日期：2022-09-19

通讯作者：吕立君（1963-），女，内蒙古赤峰市人，教授，硕士生导师。研究方向：基础物理教育。

基金项目：2021年内蒙古自治区教育科学规划课题（NGJGH2021378）；2021年内蒙古自治区研究生科研创新项目（S20210294Z）