在科学探究中培养初中生科学推理能力的教学策略

来源:用户上传      作者:乔丹璇

　　摘 要：理想的科学课堂探究通过实验活动与逻辑推理的交互来实现，让学生像科学家一样在做中学，在做中思。初中生处在抽象逻辑思维发展的关键期，在科学探究中培养初中生的科学推理能力意义重大，然而，我国却存在初中生科学推理能力薄弱和推理教学策略缺失的问题。对此，本文梳理了科学推理和科学推理能力内涵，从科学知识、推理机制、推理依据、推理任务四要素出发探讨教学策略，提出通过建构知识经验框架、呈现逻辑推理案例、构建层次化问题链、注重模型与论证等策略，培养初中生科学推理能力，为科学教师在探究活动中进行推理教学提供参考。
　　关键词：科学推理;教学策略;科学推理能力;推理机制
　　当今时代，科技更新和知识爆炸加剧了全球教育和学习危机，单纯的知识积累已不能解决复杂问题，而能力才是人才竞争力和可持续发展的保证。21世纪以来，世界各国纷纷开展新一轮科学教育改革，希望培养掌握高阶思维和问题解决能力的人才。美国《K12科学教育框架：实践、交叉概念和核心概念》提出從科学工程实践、跨学科概念、核心概念三维度重建中小学科学教育，培养学生科学思维和实践能力。《中国学生发展核心素养》指出，科学教育要培养尊重事实和证据，逻辑清晰，能运用科学的思维方式认知事物、解决问题的人才。科学推理是科学思维的核心，在探究性教学中培养学生的科学推理能力是正确认识科学探究教学、提升思维教学水平和促进学生推理能力发展的重要举措。
　　自新课改以来，“自主、合作、探究”教学模式已成为中小学科学课堂教学的主要形式，为做中学提供了沃土，然而，初中科学探究教学并未取得预期的效果。研究表明，我国初中生的科学推理能力整体较薄弱，说明科学推理教学策略有缺失。究其原因，大部分初中科学教师虽认同“做中学”和科学推理教学的意义，但对于科学推理和科学推理能力内涵缺乏系统认知，在实践上欠缺培养策略。按照皮亚杰的认知发展阶段论，初中生正在从“具体运算阶段”向“形式运算阶段”转变的关键期，能进行抽象逻辑推理。怎样设计推理任务和教学策略能有效提升初中生的科学推理能力，值得教育者重点思考。
　　一、 科学推理与科学推理能力
　　推理是由一个或几个已知判断推出新判断的逻辑思维过程，是人认识世界、做出决策的重要思维手段，推理无处不在。日常生活中，公众的日常推理遵循一定的原理，但推理结果却并不总是科学可靠的。例如，人常根据空气湿度判断是否下雨，根据他人行为举止推理其职业。在科学课堂中，学生在实验探究的“收集证据、做出假设、设计实验、得出结论”全过程、概念理解过程统统需要科学推理能力的支持。在科学世界中，科学家需要通过实验和逻辑思辨探索未知，获得并解释科学发现，提出规律公理。以上三种情境中，推理的难度和逻辑成本依次增大。实际上，比起日常推理，科学推理更加关注前提与结论的科学性、推理逻辑的严谨性，以及对理性、实证精神的感悟。因此，科学推理能力的形成和进阶是一个长期过程，需要抓住抽象逻辑思维的关键期，通过课堂教学来专门培养。
　　“科学推理”最早由皮亚杰在认知发展理论中提出，认为人的认知水平发展到形式运算阶段（12-15岁以后）才能进入到科学推理能力发展阶段。科学推理的定义有很多说法，但核心一致。科学推理是对理论进行归纳、演绎，通过探究进行验证，得出结论的过程。库恩提出，科学推理可以广义地定义为有意义的知识寻求和理论与证据的协调。科学推理按照思维方向可分三类，有合情推理（归纳推理、类比推理）和演绎推理。合情推理是由具体情境出发的创造性推理，结果不一定为真。其中，归纳推理是由特殊推理一般，用于概念获得，有简单枚举法、不完全归纳法等形式;类比推理是由特殊推理特殊，找寻共同要素。演绎推理是由一般推理特殊的必然性推理，前提通常已蕴涵结论，应用于模型建构等过程，有三段论等形式。也就是说，科学推理的关键词是证据、逻辑、知识寻求和问题解决。
　　科学推理能力是学生通过假设演绎等逻辑规则展开探究和社会性建构能力。国际科学推理能力量表通常将该能力分解为七大子能力，有守恒推理、比例推理、控制变量推理、高级控制变量推理、概率推理、相关性推理和演绎推理能力，对应类比、假说演绎等七种机制。推理机制是推理的核心和准绳，抛弃机制就是“主观猜测”，不具有科学意义。科学定律的发现离不开科学家的科学推理。例如，法拉第根据不完全归纳推理法发现了电磁感应原理;孟德尔利用假说演绎推理法发现了两大遗传定律;萨顿利用类比推理法提出基因位于染色体上的假说。
　　科学探究课堂是培养推理能力的主要阵地，如何在探究教学中培养学生的科学推理能力？本论文主要参照王璐霞在《物理学科科学推理能力的模型建构及测量工具探讨》中提出的科学推理能力构成模型，发现“推理任务、依据、机制、科学知识”会影响能力，且这四要素也相互作用。
　　二、 培养初中生科学推理能力的教学策略
　　（一）紧扣核心概念建构知识框架，引出并改造已有经验，提升科学推理的科学性
　　1. 紧扣学科核心概念，建构知识框架
　　知识是能力生成的本源，学生的科学推理能力应与科学知识建构、经验学习相统一。按照建构主义理论，知识并不是学习者依照课本复刻地记忆，而是通过厘清新旧概念关联，将新知识添加到头脑中已有的认知框架中而产生的。因此，建构知识框架，对于学生后续知识理解和做出决策意义重大。
　　初中科学课程涉及五大领域，有大量观点、现象、概念，但学生的精力有限，不可能去理解、记忆每一个知识。因此，教师需要紧扣最有价值的核心内容，忽略无意义的知识碎片，带领学生建构一些整体性知识框架。《科学教育的原则和大概念》一书中14个大概念和美国《K12科学教育框架：实践、交叉概念和核心概念》提出的核心概念总结了科学核心知识，代表科学的核心思想方法。这些上位概念（例如力的相互作用、能量、生态系统）能细分出多个子概念，为知识框架提供根系，利于新知识的添加和辨析。例如，通过探究“各种形式力的相互作用”可以深化学生对力的理解和建构力学框架，指导“运动与力”推理实践。 　　2. 引出并改造已有经验，科学化表达经验信念
　　学生对新经验的解释依赖于原有经验信念，当两者产生冲突时，学生进行改编整合，以寻求一致。而先入为主的旧经验通常根深蒂固，不易改变，若旧经验是不科学的，会干扰理解，造成认知误区。初中生的生活和科学实践经验是零散、感性、不严谨的，如果不加改造，可能会自相矛盾。例如，学生将质量和重量两概念混为一谈，阻碍重力的学习;看到养花要浇水施肥，认为植物的能量来源于土壤，影响光合作用教学。
　　因此，教师应通过提问，引出学生经验认知，暴露认知冲突，促进学生对已有经验进行批判性思考。随后，通过矛盾的对比和科学实验检验知识，用科学语言、符号表示经验规则提升科学性。例如，发现“同样环境下的铁块摸起来比木块冰，说明铁温度更低”和“铁块和木头温度计测温结果相同”的经验冲突，区分“热量、温度、导热”概念，将“温度”表述为“温度计测得的冷热程度，不能传递”，将热量表述为“系统与外界的热学相互作用，可传递”可解决困惑。
　　（二）关注机制的显性教学和案例应用，识别机制选择情境，提升科学推理的规范性
　　1. 关注机制的显性教学和案例应用，积累经典推理案例
　　推理机制蕴含着严谨的逻辑学标准，能提供探究的逻辑起点和思路，应作为科学教学过程和方法目标来抓。但是，演绎三段论、不完全归纳法等机制在课本上并未系统介绍，机制学习依赖于教学。初中生思维简单片面，缺乏规范，难以识别应用推理情境，推理逻辑混乱，不会方法迁移，与推理机制显性教学的缺失有着密切联系。
　　近年来，教师多开展隐性方法教学，潜移默化地渗透推理规则。显性教学的缺失，导致学生对于如何严谨推理存在困惑，难以进行方法迁移，而显性方法教学又显得枯燥刻板。因此，教师应当改进教学方式，采取“隐性引导—显性教学—多案例应用”方法，先隐形教学，让学生直接感受推理思维的来龙去脉，增强推理动机和信心;再反思、总结推理机制的条件，简化复杂问题，将逻辑步骤显性化、可视化表达;最后，另举他例对逻辑步骤进行多次迁移训练，将推理机制稳固地存储在长时记忆里。
　　2. 识别机制选择的知识和情境条件，熟练选择推理机制
　　科学推理机制的选择与具体的知识、情境有关。例如，在多变量实验中探究影响因素的实验需要控制变量推理，探究系统能量问题常采用守恒推理等。经典推理案例储存着问题解决的步骤和情境，可供借鉴，便于方法迁移和创造性推理。在日常教学中，教师通过引导学生总结建立经典案例库，并自如地提取、借鉴和添加案例，案例贵精不贵多。例如，初中生最初接触控制变量推理是在探究“液体的扩散快慢与温度的关系”，教师可引导学生归纳变量的相关关系，控制无关变量。当学生熟练掌握该原理后，后续的“液体蒸发快慢的影响因素”研究性实验可以借鉴推理经验，实现推理机制的迁移。
　　（三）注重实验现象、变量关系和模型可视化，开展口头论证，提升科学推理的自主性
　　1. 注重实验现象、变量关系，可视化建构科学模型
　　德理弗（Driver）认为，科学推理有基于现象的推理、基于关系的推理、基于模型的推理三个层级。在初中课堂中，基于现象的推理关注现象和解释的合理性，培养问题和证据意识。基于关系的推理关注实验过程和变量关系，探究因果与相关关系，教师应帮助学生改变关键变量，控制无关因素，考查科学规律。
　　科學模型比现象关系更抽象、深入原理，基于模型的推理更具创造性。科学模型以一些科学系统、过程、实物或概念为原型，是进行抽象、类比获得的简化表达，是学生预言和解决问题的重要依据，按表达方式分为物理、概念、数学模型三类。科学教学离不开模型建构与应用。教师应利用实物、图画等物理模型，帮助学生创造概念图等概念模型，促进科学探究和概念理解的意义建构;通过推导公式、绘制图表、读取图像等，用符号化语言建立数学模型，并在科学练习中考查。教师应讲授如何识别、应用、选择、转换以及建构模型。例如，在“气压”一课中通过与水压类比，建立大气压的概念模型并应用模型解释大气压的方向和大小;在“原子结构模型”一课中，通过与枣糕、西瓜、实心球、云类比，修正原子结构模型，逐渐接近微观世界原貌。
　　2. 围绕模型展开口头论证，让学生表达推理的逻辑
　　人的视觉抓取的是图像化的整体表达，而人的语言是线性的逻辑表达，学生能够用概念图、实物模型等表征科学原理，也并不代表他们掌握了科学模型所代表的全部意义。围绕模型开展口头论证，需要注意以下三点：首先，围绕模型开展口头论证，要求学生用线性逻辑重新表述模型中的要素关系，帮助心理图式与科学模型进行互动，学生不仅要在头脑中重新理解模型，更要深入挖掘模型隐含的推论，做出修正改进。第二，口头论证提供了个体间知识辩护机会，将课堂互动由师生问答转向同伴提问，学生需要从正反角度考量，自信地立论并设法反驳对方论点，有利于自信心和合作精神的培养。第三，教师应以教练的角色规定论证交流的时间和范围，对学生模型论证的能力进行综合评价。例如，在“用粒子模型描述物质的三态”一课中，学生已构建了固体、气体、液体物质的粒子模型，能直观地看到气态水的微粒间距最大，最容易被压缩。随后，教师可以引导学生论证“水的三态转化中，微粒的个数和大小改变了吗”，或是“温度与粒子间距之间的关系”，以促进学生对于动态相变原理的认知，使学生的心理图式更加完善。
　　（四）设置问题链引导深入推理，开放探究促进多元探索，提升科学推理的层次性
　　1. 根据推理教学重点和认知规律，设置问题链引导思维层层深入
　　问题链是围绕教学目标，基于教学重难点和学生认知顺序，由教师在课前精心设计的有中心、有顺序、相互独立又相互关联的一组问题。在推理任务中设置问题链，注重每一问的质量，是新手教师提升教学能力的法宝。首先，教师要将完整的探究活动分解为一个个阶段性任务，引领学生开展条理性的推理探究。第二，问题链的设计为核心概念和方法学习服务，各问题的深度、角度需要有层次性，不仅暴露学生的前概念和思维困境，激发推理动机，还要注重对证据的质疑过程、推理结论的逻辑、选择策略的原理。第三，问题链的表述要尽量简明有趣、生活化，多反问设问。例如，《物质的溶解》一课中，可设计“白糖为什么不能继续溶解了？饱和溶液一定不能继续溶解溶质吗？不饱和溶液如何转化成饱和溶液呢？饱和溶液一定是浓溶液吗？”四个问题层次，让学生感悟科学的思维美。 　　2. 增强问题的开放性，给学生自主探究空间
　　科学推理学习本质上是由学生主动提出、思辨、解决问题。若学生只是配合老师解题，推理能力难以发展，与学生生活相关的问题能让课堂教育更生动、自主。开放的问题设计能释放自主推理空间，帮助学生认识到思维局限性，让学生发现自己的困惑，不要求全班统一的回答，重要的是师生双方围绕问题，进行多元的、多角度的、多层次的探索发现。同时，教师需要倾听、思考，积极反馈学生的认知发展。
　　在科学探究教学中关注推理思维的培养，通过推理任务问题化、推理依据模型化、推理机制显性化、科学知识框架化等策略改进课堂教学，有利于中学生的实践能力和科学思维相互促进，实证精神和逻辑思维共同发展。学生科学推理能力的发展不是一蹴而就的，应从中小学思维发展关键期抓起，让“做中学”理念落到实处。需注意的是，科学思辨逻辑结构的一致性并不一定能保证结果的准确性，教师应告知学生推理结果存在局限和例外，科学理论还是要在实验和实践中进行验证。
　　参考文献：
　　[1]杨文源，刘恩山.美国K-12科学教育框架中对生物学核心概念的关注及其启示[J].生物学通报，2013，48（8）：51-55.
　　[2]核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊，2016（10）：1-3.
　　[3]仝甜雨，韩旭，高守宝.我国青少年科学推理能力测评研究进展及启示[J].中小学教师培训，2018（7）：70-73.
　　[4]皮亚杰，王宪细译.发生认识论原理[M].北京：商务印书館，1981.
　　[5]Kuhn，D. What is Scientific Thinking and How Does It Develop？[M]. The WileyBlackwell Handbook of Childhood Cognitive Development，Second edition. 2010：371-393.
　　[6]Lawson A E. The development and validation of a classroom test of formal reasoning[J].Journal of Research in Science Teaching，1978，15（1）：11-24.
　　[7]王璐霞. 物理学科科学推理能力的模型建构及测量工具探讨[D].上海：华东师范大学，2018.
　　[8]邢红军，陈清梅.论中学物理教学中的科学方法教育[J].中国教育学刊，2005（8）：33-36.
　　[9]张静，丁林，姚建欣.国外科学推理研究综述及其对素养评价的启示[J].上海教育科研，2019（7）：20-24+29.
　　[10]王建强.课堂问题链的设计、实践与思考[J].上海教育科研，2015（4）：71-73.
　　作者简介：乔丹璇，上海市，华东师范大学教师教育学院。
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