科学思维素养视域下培养学生物理推理能力的实践研究

【摘要】科学思维素养要求培养学生的推理能力，使学生能够通过科学的方法探究物理知识，解决物理问题。基于此，初中物理教师要设计符合学生实际情况的物理教学活动，引导学生自主推理，得出物理结论，从而发展物理推理能力。

【关键词】科学思维；推理能力；物理

科学思维素养是《义务教育物理课程标准（2022年版）》中提出的物理学科核心素养之一，要求学生具备一定的推理能力，能够从物理学角度运用分析综合、推理论证等方法对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系进行探究，得出物理结论。本文提出教师应基于学生的认知思维、遵循学生的心理特点、结合实验探究活动三个方面开展教学，从而培养学生的物理推理能力。

一、基于认知思维开展教学

初中阶段的学生开始从具体思维向抽象思维转变，能进行一定的逻辑推理。教师要利用初中生的这一认知思维特点引导学生掌握基本的物理推理方法，如守恒推理、变量推理及演绎推理等，帮助学生初步发展推理能力。

（一）守恒推理，理解抽象本质

守恒推理要求学生在事物的某些物理状态发生变化的情况下能够分析事物变化特征，概括事物抽象本质，掌握事物能量守恒不变的特性。

比如，在教学“弹性势能”的知识时，教师需要引导学生分析弹簧伸缩过程中其弹性势能的变化以及弹性势能大小与拉力做功的关系。在进行探究之前，教师给学生讲解能量的守恒特性，即事物在物理变化过程中其能量只会在不同形式之间相互转化，而不会凭空消失和出现。学生观察发现，弹簧压缩时，会有弹力阻碍弹簧的形变发生，此时弹簧做负功，相应地，其弹性势能增加……在上述推理中，学生分析了事物在物理变化过程中其能量与做功之间的相互关系，从而了解了抽象的物理知识，逐渐掌握了守恒推理方法。

（二）变量推理，分析特定影响

变量推理是指在分析事物的物理变化过程中，通过控制变量的方法分析某种变量对物理现象的特定影响，并通过控制不同的变量实现物理规律的科学推理。

比如，在教学“影响浮力大小的因素”的知识时，教师需要引导学生分析与浮力大小有关的物理变量。教师首先让学生联系一些生活中的现象，如大船的承载量比小船的多，木块在水中可以漂浮而与木块相同大小的铁块在水中却会下沉，人在死海中可以漂浮等，并思考浮力大小与物体体积、物体质量、物体形状、液体密度等哪种因素有关系。接着教师让学生进行探究，引导学生使用变量控制法，即在探究某一物理量的关系式时逐一控制会影响结果的变量，从而分析在某一种特定变量影响下的物理变化。最后，学生通过探究确定物体在水中受到的浮力大小只与液体的密度以及物体排开液体的体积有关。在上述推理中，学生发现控制变量在探究物理量的变化规律时起到重要的作用，并通过探究发现物理量的本质变化特性，从而发展了变量推理能力。

（三）演绎推理，验证假定推论

演绎推理本质上是一种假设—验证推理过程。这种推理方式需要学生根据事物在某种物理变化过程中表现出的特征提出假定推论，在此基础上设计探究方案，对假定推论进行实验验证［1］。

比如，在教学“牛顿第一定律”的知识时，教师需要让学生掌握力与运动的关系。教师提出问题：“运动物体如果不受其他物体的作用会一直运动吗？请基于生活经验给出答案。”学生根据生活经验提出猜想，认为物体在光滑的表面上可以运动一段时间，而在粗糙的表面上运动时则很快就会停下来。教师鼓励学生在此猜想的基础上自主进行验证。学生发现，在相同高度的斜面上，同一辆小车在不同的物体如毛巾、玻璃及木板等表面上自由下滑，滑行距离不同，在越是粗糙的物体表面上下滑，小车滑行的距离越短。这就说明粗糙物体表面的阻力更大，其阻碍小车继续滑动的效果更明显。在上述演绎推理中，学生根据生活经验提出假设再进行验证，经历了完整的演绎推理过程，发展了自主演绎推理能力。

二、遵循心理特点开展教学

初中生往往比较喜欢新奇有趣的东西，难以对枯燥乏味的理论知识保持长久的注意力。可见，要培养学生的物理推理能力，教师就要基于学生的心理特点设计具有吸引力的教学活动，提高学生参与推理的积极性，增强学生学习物理的内驱力［2］。

（一）创设生活情境，探索潜在规律

在物理教学中创设生活情境，能够提高学生学习的积极性，促使学生充分调动已有的生活经验进行自主探究，从而发现物理规律，提升推理能力。

比如，在教学“运动的相对性”的知识时，教师可以这样创设生活情境：“小明与妈妈在商场一起乘坐扶梯上二楼，在上升的过程中发现自己和妈妈的相对位置没有变化，但是相对一楼的物体，他们的位置变高了。在这个过程中，小明和妈妈是运动的还是静止的？”学生对于乘坐商场扶梯这样的事例很熟悉，因此能够结合平时的生活经验进行讨论分析。学生发现，不仅是乘坐扶梯会有这样的现象，平时乘坐汽车也会看到这种现象。在学生充分讨论后，教师告诉学生物体的运动与静止必须在一个特定的参考系下才有实际意义，从而引出“运动的相对性”的内容。在上述案例中，教师以生活情境作为课堂教学的切入点，充分地调动了学生的生活经验，激发了学生的探究热情，促使学生深入探究，从而有效地培养了学生的物理推理能力。

（二）渗透物理故事，增添物理趣味

在物理教学中，有的教师仅给学生讲授物理原理的内容，让学生学会运用物理原理，长期如此容易使学生出现记忆疲劳。其实，很多物理原理的背后都有生动的小故事。教师可以借助这些故事对学生开展教育，从而增强物理课堂的趣味性，让学生更有兴趣学习物理，能够以科学家为榜样主动探究物理知识，从而发展物理推理能力。

比如，在教学“阿基米德原理”的知识时，教师可以给学生介绍阿基米德发现浮力计算原理的小故事。据说，阿基米德想要测量王冠的体积，以鉴定王冠是不是由纯金打造的，但想了很久都没想出测量的办法。有一天，他在浴缸洗澡时看到浴缸的水溢出来，突然就产生了灵感—物体浸在液体中的体积，正是物体排开液体的体积。阿基米德在此基础上进行了实验，最终测量出了王冠的体积。这个小故事深深吸引了学生，教师趁机让学生学习阿基米德原理，探究不同物体在水中排开的液体体积。学生将相同大小但材质不同的物体分别放到盛满水的量筒中，等物体静止后取出物体，观察量筒中的读数，得到物体排出液体的体积，由此计算物体受到的浮力大小。在这个案例中，教师通过物理小故事的渗透，让学生在感兴趣的前提下模拟科学家的推理过程，自主推理出物理原理，从而感受到物理的魅力。

（三）设计分层项目，降低学习难度

有的初中生在面临比较复杂的物理问题时容易出现畏难情绪，从而无法进一步学习物理知识。针对此问题，教师要注意分解物理知识，降低知识难度。教师可以设计分层项目活动，将复杂的物理问题拆分为多个学习项目，引导学生逐个解决问题，循序渐进，从而实现物理推理能力的发展。

比如，在教学“滑轮 滑轮组”的知识时，教师需要让学生掌握滑轮的特点，了解滑轮的工作原理，并且能够通过滑轮的灵活组合实现不同的功能，从而解决实际问题。针对这样复杂的学习任务，教师可以将其划分为不同的学习项目，避免学生出现畏难心理，从而降低学习主动性。教师先提出难度较低的项目任务：“探究定、动两种滑轮的结构，从是否省力和能否改变力的方向两个角度分析两种滑轮结构的作用。”接着，教师再提出难度更高的项目任务：“在建设高楼的过程中，若想将材料运到高处应采用什么样的滑轮组合才能起到省力的作用？”这样，学生就能在解决项目的过程中实现由易到难，由浅入深地学习，从而增强物理推理的信心，更好地发展物理推理能力。

三、结合实验探究开展教学

实验教学是物理教学的重要组成部分。教师要想更好地培养学生的物理推理能力，就要让学生通过实验探究活动运用物理原理，使学生在实践应用中获得物理推理能力的提升。

（一）调动感官，发现实验细节

实验探究需要学生认真看，仔细听，甚至认真触摸感受，从而发现实验细节。教师在引导学生进行实验操作的时候要注意提醒学生调动感官，发现实验细节，进行更加准确的推理。

比如，在教学“声音”的知识时，教师设计实验教学，让学生了解声音的产生和传播原理。教师引导学生在一个振膜表面放一些碎纸片，当振膜发声时观察纸片的运动细节。接着，教师让学生分别用固体、液体以及气体进行实验，感受声音的传播特性，通过听到的声音的大小推断不同材料的声传播性能。最后，教师通过多媒体设备播放打雷的视频，让学生观察闪电出现和听到雷声的时间差异，将声音转化为可通过视觉和听觉体验的形式，从而加深学生对声音震动传播本质的理解。在上述案例中，教师通过实验设计将抽象的实验现象转化为直观可见的内容，能够让学生观察和分析实验细节，从而推理出相应的物理规律。

（二）分析数据，量化实验变化

数据分析是总结实验结果、推理现象规律的重要步骤，对于发展学生的物理推理能力有着至关重要的作用。因此，教师应有意识地引导学生分析实验数据，用数据对实验过程中的现象变化进行量化表示，揭示物理现象变化的本质。

比如，在教学“探究重力大小与质量的关系”的知识时，教师设计实验引导学生利用测力计对不同质量、不同形状的测量物展开实验，探究重力大小与物体的质量、形状和位置的关系。在实验过程中，对于每一次测量教师都引导学生绘制表格，从而展示在不同变量条件下的结果数据。通过分析实验数据，学生发现，当物体质量变化时，重力也随之变化，而不同形状或者不同材质的物体以及物体位置的变化却不会引起测力计读数的改变。最终学生得出结论，物体的重力大小只与物体的质量有关。在上述案例中，学生通过对实验结果数据进行量化分析，可以明确物理现象背后的数量关系，从而快速地推理出相应的物理规律。

（三）对比预设，得出实验结论

对比预设是演绎推理的常见方法，该方法具体为根据已有的知识基础，在实验设计时设立不同的对照组，通过对比分析对照组的不同实验条件和相应的实验现象，演绎推理得出实验结论。在此过程中，教师可以培养学生的推理能力。

比如，在教学“探究凸透镜成像的规律”的知识时，教师根据放大镜、望远镜、投影仪等凸透镜在不同工具中呈现的不同成像效果，引导学生根据上述工具差异设计对照实验，探究凸透镜成像的一般规律。教师设置了5组不同的对照实验，其中实验条件分别为u＞2f、u=2f、2f＞u＞f、u=f、u＜f，要求学生在实验中保持其他条件的一致性，探究不同物距和像距组合中的成像显性，记录实验结果，将实验结果与自己的假设进行对比验证，从而获得推理结论。在对比预设的实验中，学生发挥自己的认知推理能力，根据不同的条件推理实验结果，再自主设计实验，验证自己的猜想。在这个过程中，学生的推理和探究能力得到了有效地锻炼。

结语

综上所述，在科学思维素养视域下培养学生的物理推理能力，要求教师把握学生的认知思维特征和心理特征，并结合实验探究引导学生参与教学活动，让学生经历自主推理的过程，从而切实培养学生的物理推理能力，落实核心素养的培养。

【参考文献】

［1］朱艾刚.注重科学探究 引导学生参与：谈初中物理课堂如何引导学生参与［J］.试题与研究，2019（16）：101.

［2］陈丽娟.“双减”教育政策下初中物理分层布置作业［J］.学苑教育，2023（10）：92-93，96.