踐行核心素養(yǎng)培養(yǎng)物理推理能力

【摘

要】推理能力是學(xué)生學(xué)業(yè)技能中的重要能力之一，也是學(xué)生思維發(fā)展的重要標(biāo)志之一。推理能力的發(fā)展雖然與學(xué)生的自身成長有關(guān)，但教師的方向引導(dǎo)和方法指導(dǎo)可以促進(jìn)學(xué)生推理能力的發(fā)展，提高推理的正確性。本文以一線教師的視角，從具體實(shí)例出發(fā)探討了物理推理能力的培養(yǎng)策略?！娟P(guān)鍵詞】高中學(xué)生;推理能力;物理教學(xué)一、物理學(xué)科的特點(diǎn)物理學(xué)是一門自然科學(xué)，它是研究自然界中物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的學(xué)科，是需要學(xué)生通過基礎(chǔ)概念的學(xué)習(xí)，透過事物的表象，深入探索現(xiàn)象背后的原因，找出物理原理和本質(zhì)的學(xué)科。學(xué)習(xí)物理的過程就是發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并基于已習(xí)得的物理概念、物理規(guī)律做出合理推理，最終通過實(shí)驗(yàn)等手段進(jìn)行論證的過程。二、核心素養(yǎng)中對(duì)推理能力的界定推理能力是學(xué)生學(xué)業(yè)技能中的重要能力之一，也是學(xué)生思維發(fā)展的重要標(biāo)志之一?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）中將物理學(xué)科的核心素養(yǎng)分為4個(gè)層面，教學(xué)應(yīng)以物理觀念為基礎(chǔ)，科學(xué)思維為核心，科學(xué)探究為手段，將科學(xué)態(tài)度與責(zé)任貫穿整個(gè)教學(xué)過程。在科學(xué)思維的有序培養(yǎng)中就明確指出了包含科學(xué)推理能力在內(nèi)的四種能力。在《江蘇省普通高中學(xué)業(yè)水平測(cè)試（選修科目）說明》一書中對(duì)物理推理能力進(jìn)行了解釋：推理能力是指能夠從相關(guān)的物理概念、物理規(guī)律出發(fā)，在一定的情境下導(dǎo)出相應(yīng)的物理定理或物理公式;能依據(jù)已有的物理事實(shí)和給定的條件，結(jié)合已習(xí)得的知識(shí)及方法進(jìn)行邏輯推理和論證，得出合理的結(jié)論或做出正確的判斷，并能夠把推理過程呈現(xiàn)出來。推理能力并非與生俱來，而是需要通過自身成長，通過學(xué)習(xí)積累、探索訓(xùn)練以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，不斷提升發(fā)展。而教師的方向引導(dǎo)和方法指導(dǎo)對(duì)學(xué)生推理能力的發(fā)展起到了關(guān)鍵的促進(jìn)作用，能幫助學(xué)生提高推理的正確性。三、在物理教學(xué)中踐行核心素養(yǎng)培養(yǎng)推理能力為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，也為了給高考奠定基礎(chǔ)，教師要有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的推理能力。接下來本文就從物理學(xué)科的教學(xué)入手，通過具體的教學(xué)案例來談一談高中學(xué)生推理能力的培養(yǎng)策略。（一）鼓勵(lì)反復(fù)閱讀，解讀關(guān)鍵詞語，找到推理的切入點(diǎn)閱讀是學(xué)習(xí)的基石，對(duì)于淺顯易懂的描述性文字，通過逐字逐句地閱讀就能完全掌握，但對(duì)于一些有深刻內(nèi)涵的文字，比如物理概念和規(guī)律，那就需要反復(fù)閱讀，在反復(fù)的閱讀中解讀文字中的關(guān)鍵詞語，通過對(duì)關(guān)鍵詞語的思考，找準(zhǔn)推理的切入點(diǎn)，從而理解定律中包含的物理精髓?，F(xiàn)以牛頓第一定律“一切物體總保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)”為例。教師通過牛頓第一定律的發(fā)展史，說明這看似簡(jiǎn)單的一句話凝聚了多位科學(xué)家的努力，最終由牛頓總結(jié)升華得到的，是值得反復(fù)閱讀的。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在反復(fù)閱讀中體會(huì)：“一切”告訴我們它的適用對(duì)象，成立范圍，“總是”說明了是一切物體都有的屬性;“除非”指出了打破這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的條件。通過深入閱讀我們就能深刻理解牛頓第一定律，并在實(shí)際生產(chǎn)生活中運(yùn)用牛頓第一定律。之后抓住“除非”這個(gè)關(guān)鍵詞語，再深入推理，我們可以看到，一切物體只要受到外力作用，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變，而描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的物理量是加速度，由此可以推導(dǎo)出加速度和外力有關(guān)，這也就為接下來要學(xué)習(xí)的牛頓第二定律埋下伏筆?？梢姟俺恰本褪巧钊胪评淼那腥肟冢瑸槲覀冞M(jìn)一步認(rèn)識(shí)規(guī)律提供了新的方向。應(yīng)對(duì)高考是我們的現(xiàn)實(shí)需求，在2019年的江蘇高考中有這樣一題：如下圖所示，輕質(zhì)彈簧的左端固定，并處于自然狀態(tài)，小物塊的質(zhì)量為m，從A點(diǎn)向左沿水平地面運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧后被彈回，運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)恰好靜止。物塊向左運(yùn)動(dòng)的最大位移為s，與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，重力加速度為g，彈簧未超出彈性限度。下列選項(xiàng)中正確的有幾項(xiàng)？（A.彈簧的最大彈力為μmg;B.物塊克服摩擦力做的功為2μmgs;C.彈簧的最大彈性勢(shì)能為μmgs;D.物塊在A點(diǎn)的初速度為。）題干的表面含義都能夠理解，但有些文字的背后還隱含著更多的物理含義，這就需要教師提醒學(xué)生通過反復(fù)閱讀，找到關(guān)鍵詞語，分析出其背后的隱含條件，再推理出結(jié)論。通過“自然狀態(tài)”可以聯(lián)想推理：彈簧原長，此時(shí)彈力為零，彈性勢(shì)能為零。“從A點(diǎn)向左……運(yùn)動(dòng)”再結(jié)合上下文和圖像，可以看到物塊在A點(diǎn)有初速度，而不是在外力作用下開始運(yùn)動(dòng)?！斑\(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)恰好靜止”，結(jié)合之前物塊在A點(diǎn)的初始狀態(tài)，我們可以得到：經(jīng)過一個(gè)來回，物塊停下來了，從而推理出物塊在整個(gè)過程中損失了動(dòng)能，彈簧在整個(gè)過程中經(jīng)歷了彈性勢(shì)能的增加和減少，最終歸為零。再結(jié)合B、C選項(xiàng)，可以推理出解題的方向：對(duì)系統(tǒng)利用動(dòng)能定理或能量守恒。通過“最大位移”結(jié)合“反彈”我們可以推理出此時(shí)彈力最大，速度為零，但加速度不為零，合力不為零，對(duì)應(yīng)A選項(xiàng)分析，可以得出結(jié)論。閱讀、分析、推理至此，這道多選題也就迎刃而解了。可見，在物理概念規(guī)律及物理習(xí)題的學(xué)習(xí)中，我們都需要運(yùn)用推理能力深刻理解物理現(xiàn)象背后的本質(zhì)，而通過關(guān)鍵詞語我們可以找準(zhǔn)推理的切入口，激活背景知識(shí)，完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。（二）設(shè)計(jì)進(jìn)階問題，加強(qiáng)有效提問，推動(dòng)推理進(jìn)程提問是課堂教學(xué)活動(dòng)的重要組成部分，有效提問是調(diào)動(dòng)學(xué)生思維積極性的重要手段，可以引領(lǐng)學(xué)生的推理方向，推動(dòng)學(xué)生的推理進(jìn)程。比如，在研究牛頓第三定律時(shí)，我們會(huì)出示一些生活中相互作用的圖片和視頻，如果拋出的問題是“同學(xué)們，你們看到了什么？”學(xué)生不明白問題的指向性，回答就可能偏離我們的教學(xué)主題。但如果我們將問題的指向性變明確，“同學(xué)們，你們看到圖片中運(yùn)動(dòng)的主體有幾個(gè)？”“它們的運(yùn)動(dòng)情況分別是怎么樣的？”“促使它們運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的力分別有什么特點(diǎn)？”引領(lǐng)學(xué)生一步一步接近課題的核心，從而可以推理出：兩個(gè)物體相互作用的力可能是方向相反的。這時(shí)就可以順勢(shì)提出：兩個(gè)物體相互作用的力的大小又會(huì)是什么關(guān)系呢？進(jìn)而再次引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行推理驗(yàn)證。對(duì)于難度相對(duì)較大的物理問題，要設(shè)計(jì)進(jìn)階式問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，推動(dòng)推理的進(jìn)程。江蘇高考題中有過這樣一道題：如下圖，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一水平絕緣薄板，其與磁場(chǎng)的左右邊界垂直，相交于M，N，已知MN=L，粒子打到板上時(shí)會(huì)反彈（設(shè)碰撞時(shí)間極短），反彈前后豎直分速度大小不變，方向相反，水平分速度不變，電量為-q質(zhì)量為m的粒子，從左邊界的不同位置以一定速度水平射入磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為d，且d<L。不計(jì)粒子重力，電荷量保持不變。在這里以第2問（欲使粒子從磁場(chǎng)左邊界射出，求入射點(diǎn)到M的最大距離dM）為例。本題綜合性較強(qiáng)，需要學(xué)生有一定的數(shù)理結(jié)合能力，其中作圖是解題的關(guān)鍵一環(huán)，也是學(xué)生解題的難點(diǎn)所在，為此在講解該題時(shí)，要以問題為引領(lǐng)，帶領(lǐng)學(xué)生分析，幫助學(xué)生一步步突破。問題1：你能繪出粒子剛好不經(jīng)MN板反彈，直接從左邊界射出的圖像嗎？（強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵詞“剛好”，這是物理中常用的臨界狀態(tài)的描述詞。）學(xué)生回答并繪圖。問題2：如果粒子的入射點(diǎn)升高，粒子一定能從左側(cè)射出嗎？那降低呢？學(xué)生回答（升高一定從左邊界射出，降低未必）。問題3：請(qǐng)你將入射點(diǎn)降低后的圖像和問題1中的圖像繪制到同一張圖上。想一想，你有幾種繪圖方法。觀察學(xué)生的解答情況，以問題形式進(jìn)行提示。問題4：運(yùn)動(dòng)是具有相對(duì)性的，那么我們?cè)诶L圖時(shí)能不能利用這種相對(duì)性進(jìn)行逆向思維？最后，教師帶領(lǐng)學(xué)生一起總結(jié)：本題中粒子運(yùn)動(dòng)半徑不變，入射點(diǎn)為軌跡最高點(diǎn)也不變，只是和MN板間的距離發(fā)生改變，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，升高射入點(diǎn)就是將MN板下移，降低射入點(diǎn)就是將MN板上移。（這一點(diǎn)為學(xué)生接下去的思考、繪圖、推理埋下伏筆。）通過進(jìn)階式提問，帶領(lǐng)學(xué)生不斷思索，推動(dòng)推理進(jìn)程，讓之后的數(shù)學(xué)論證變得水到渠成。要培養(yǎng)學(xué)生的推理能力，教師就要在所提問題上下功夫，多提具有啟發(fā)性和反思性的有質(zhì)量的問題，對(duì)于難度過大的問題需要設(shè)計(jì)進(jìn)階式問題，引導(dǎo)學(xué)生努力思考，認(rèn)真分析，合理推理，完整作答。（三）依托思維導(dǎo)圖，拓展思維廣度，實(shí)現(xiàn)歸納推理高中物理絕對(duì)是一門有難度、有深度的學(xué)科，一個(gè)問題的發(fā)展方向往往會(huì)有多種可能性。為了清晰且不遺漏地展示各種可能性，教師可以利用思維導(dǎo)圖向?qū)W生清晰直觀地展示分析方向，給出思考脈絡(luò)，對(duì)事實(shí)論證的結(jié)論總結(jié)到位，讓歸納推理更全面、更嚴(yán)謹(jǐn)，結(jié)果更可信。例題：物塊以向右的初速度v0，滑上如圖水平轉(zhuǎn)動(dòng)的傳送帶所用時(shí)間為t1。當(dāng)傳送帶不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過傳輸帶的時(shí)間為t2，試分析t1，t2可能的大小關(guān)系，并說明原因。由于木塊滑上傳送帶的速度大小具有不確定性，所以在研究過程中就需要分情況討論，這時(shí)利用思維導(dǎo)圖就可以清晰地展示各種情況，為推理提供方向。通過思維導(dǎo)圖的展示，我們分情況有目的地研究木塊在速度等于、小于、大于傳送帶的速度時(shí)的受力情況，從而判斷木塊的速度變化情況。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該問題進(jìn)行歸納推理：在水平傳送帶上木塊的運(yùn)動(dòng)速度總是趨向于傳送帶的速度，只要傳送帶足夠長，最終速度一定相同，此時(shí)摩擦力發(fā)生突變，加速度隨之突變?yōu)榱?，此后與傳送帶一起勻速向前?？梢?，物理推理能力可以通過總結(jié)對(duì)事物的表象分析，分層判斷，進(jìn)而歸納