●陳 剛

邏輯分析方法在科學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

●陳 剛

科學(xué)課程的概念和規(guī)律都是通過(guò)運(yùn)用特定邏輯方法獲得的，邏輯分析方法可以揭示建立科學(xué)課程概念和規(guī)律所需的必要信息，從而能夠?yàn)榻處熀侠淼匕才沤虒W(xué)結(jié)構(gòu)、選擇教學(xué)方法和教學(xué)實(shí)例提供一致性的標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上避免科學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)的盲目性。

邏輯分析方法；科學(xué)課程；教學(xué)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代教學(xué)設(shè)計(jì)理論認(rèn)同學(xué)習(xí)存在不同的類(lèi)型，不同類(lèi)型的學(xué)習(xí)需要不同的內(nèi)部過(guò)程和條件，教學(xué)只有匹配相應(yīng)的學(xué)習(xí)過(guò)程，才能取得良好的效果；教學(xué)設(shè)計(jì)要求教師主動(dòng)地依據(jù)學(xué)習(xí)和教學(xué)原理選擇教學(xué)材料、規(guī)劃教學(xué)事件，所以教學(xué)設(shè)計(jì)的核心工作是揭示與教學(xué)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的、具體學(xué)習(xí)類(lèi)型的內(nèi)部過(guò)程及條件，這部分工作被稱(chēng)為教學(xué)任務(wù)分析。

教學(xué)任務(wù)分析關(guān)注的重點(diǎn)是特定類(lèi)型學(xué)習(xí)的內(nèi)部過(guò)程及學(xué)習(xí)條件，“在教學(xué)前，預(yù)先對(duì)教學(xué)目標(biāo)中規(guī)定、需要學(xué)生習(xí)得的能力或傾向的構(gòu)成成分及層次關(guān)系、各層次學(xué)習(xí)需要的內(nèi)部條件進(jìn)行分析，目的是為學(xué)習(xí)順序的安排和教學(xué)條件的創(chuàng)設(shè)提供心理學(xué)依據(jù)”，[1]相關(guān)研究也提出一些用于教學(xué)任務(wù)分析的具體方法，如學(xué)習(xí)層級(jí)分析方法、信息加工分析方法等。不同學(xué)科學(xué)習(xí)的特點(diǎn)不同，因此需要不同任務(wù)分析方法。自然科學(xué)是研究自然界的物質(zhì)形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，包含物理、化學(xué)、生物等基本學(xué)科，研究目的是把握自然界客觀對(duì)象之間存在的因果、本質(zhì)的聯(lián)系。科學(xué)課程概念之間因果聯(lián)系的建立不是憑空的，而是通過(guò)運(yùn)用特定邏輯方法實(shí)現(xiàn)的，因此，對(duì)科學(xué)課程概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)可采用邏輯分析方法。

邏輯分析方法是指運(yùn)用邏輯學(xué)的知識(shí)對(duì)科學(xué)課程概念和規(guī)律建立的過(guò)程進(jìn)行分析，揭示其中邏輯層次的結(jié)構(gòu)，以及各邏輯完成的必要前提，并給予清晰描述的方法。

一、科學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)中常用的邏輯分析方法

英國(guó)邏輯學(xué)家穆勒，提出了探索因果聯(lián)系的歸納方法—穆勒五法，在科學(xué)課程教學(xué)中主要常用如下的三種，而剩余法、求同求異法運(yùn)用相對(duì)較少，在此不予贅述。

（一）求同法及結(jié)構(gòu)

求同法是通過(guò)考察被研究現(xiàn)象出現(xiàn)的若干場(chǎng)合，確定在各個(gè)場(chǎng)合先行情況中是否只有另外一個(gè)情況是共同的，如果是，那么這個(gè)共同情況與被研究的現(xiàn)象之間有因果聯(lián)系。其結(jié)構(gòu)如表1：

表1 求同法的邏輯結(jié)構(gòu)

【案例】“列車(chē)出站時(shí)，由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并且速度不斷增大，這是由于受到機(jī)車(chē)牽引力的作用。列車(chē)進(jìn)站時(shí)，速度不斷減小，最后停下來(lái)，這是由于受到制動(dòng)阻力的作用。射出的炮彈，運(yùn)動(dòng)速度的方向不斷發(fā)生變化，炮彈做曲線運(yùn)動(dòng)，這是由于炮彈受到重力的作用?？傊矬w運(yùn)動(dòng)的速度的大小或方向發(fā)生變化時(shí)，都是由于受到了力的作用。物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，物體就有了加速度。所以說(shuō)，力是使物體產(chǎn)生加速度的原因”。[2]

【案例分析】

1.本教學(xué)環(huán)節(jié)需要獲得的結(jié)論：力是物體產(chǎn)生加速度的原因。

2.獲得該結(jié)論的邏輯為求同法，結(jié)構(gòu)如下：

表2 “力是物體產(chǎn)生加速度的原因”結(jié)論獲得的邏輯結(jié)構(gòu)

科學(xué)課程中多數(shù)定義性概念，如物理中“力”、“液化”、“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”、“彈性形變”， 化學(xué)中 “化合反應(yīng)”、“懸濁液”等，生物中的“藻類(lèi)、蕨類(lèi)植物”、“真菌”、“生物體”等概念，均可通過(guò)運(yùn)用求同法獲得的。

（二）差異法及結(jié)構(gòu)

差異法是通過(guò)考察被研究的現(xiàn)象出現(xiàn)和不出現(xiàn)的兩個(gè)場(chǎng)合，確定在這兩個(gè)場(chǎng)合中是否只有另外一個(gè)情況不同，如果是，那么這個(gè)不同情況與被研究現(xiàn)象之間有因果聯(lián)系。其結(jié)構(gòu)如表3：

表3 差異法的邏輯結(jié)構(gòu)

【案例】生物課程中，在“光合作用吸收二氧化碳”教學(xué)時(shí)，安排如圖1所示兩個(gè)實(shí)驗(yàn)[3]。

圖1 “光合作用需要吸收二氧化碳”實(shí)驗(yàn)

【案例分析】

1.本教學(xué)環(huán)節(jié)需要獲得的結(jié)論是：光合作用需要吸收二氧化碳。

2.獲得該結(jié)論的邏輯為差異法，結(jié)構(gòu)如下：

表4 “光合作用需要吸收二氧化碳”結(jié)論獲得的邏輯結(jié)構(gòu)

如物理教學(xué)中 “二力平衡條件”、“曲線運(yùn)動(dòng)條件”，化學(xué)教學(xué)中“鐵生銹需要的條件”，“燃燒需要的條件”等規(guī)律均可使用差異法獲得。

（三）共變法及結(jié)構(gòu)

共變法是通過(guò)考察被研究現(xiàn)象發(fā)生變化的若干場(chǎng)合中，確定是否只有一個(gè)情況發(fā)生相應(yīng)變化，如果是，那么這個(gè)發(fā)生了相應(yīng)變化的情況與被研究現(xiàn)象之間存在聯(lián)系。其結(jié)構(gòu)如表5：

表5 共變法的邏輯結(jié)構(gòu)

【案例】化學(xué)教學(xué)中，研究弱電解質(zhì)電離程度的影響因素時(shí)，教學(xué)活動(dòng)如下：

用0.01摩爾/升的醋酸溶液25毫升裝入燒杯，用測(cè)定溶液導(dǎo)電性裝置，做三次不同溫度時(shí)醋酸溶液導(dǎo)電性強(qiáng)弱的實(shí)驗(yàn)。

【案例分析】

1.本教學(xué)環(huán)節(jié)需要獲得的結(jié)論是：溶液導(dǎo)電性與溶液溫度有關(guān)。

2.獲得該結(jié)論的邏輯為共變法，結(jié)構(gòu)如下：

表6 “溶液導(dǎo)電性與溶液溫度有關(guān)”結(jié)論獲得的邏輯結(jié)構(gòu)

化學(xué)學(xué)科中的“化學(xué)平衡的影響因素”，物理學(xué)科中 “蒸發(fā)快慢的影響因素”、“影響加速度的因素”“向心力大小的影響因素”等，生物學(xué)科中“探究植物的向光性、向水性”、“胃液消化蛋白質(zhì)的條件”等規(guī)律均可采用共變法獲得。

二、邏輯分析方法在科學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）邏輯分析方法有助于教師確定教學(xué)結(jié)構(gòu)

建立科學(xué)課程概念和規(guī)律使用的歸納法不同，其教學(xué)過(guò)程亦不同，因此教師應(yīng)依據(jù)教學(xué)中具體使用的歸納法來(lái)安排相應(yīng)的教學(xué)過(guò)程。以下以差異法的教學(xué)為例對(duì)此做出說(shuō)明。

1.差異法的教學(xué)結(jié)構(gòu)

依據(jù)差異法的邏輯結(jié)構(gòu)，教師在教學(xué)中必然應(yīng)包含如下教學(xué)環(huán)節(jié)：

第一、幫助學(xué)生從教學(xué)實(shí)例中識(shí)別出其中一個(gè)場(chǎng)合中存在被研究現(xiàn)象（結(jié)果），而另一個(gè)場(chǎng)合中結(jié)果不出現(xiàn)；

第二、幫助學(xué)生從教師提供的教學(xué)實(shí)例中，在結(jié)果出現(xiàn)的場(chǎng)合中識(shí)別出一個(gè)因素，而該因素在結(jié)果不出現(xiàn)的場(chǎng)合中也不存在；

第三、幫助學(xué)生形成結(jié)論。

2.教學(xué)案例及評(píng)析

【教學(xué)案例】

（1）教學(xué)內(nèi)容：光合作用需要吸收二氧化碳

（2）教學(xué)結(jié)論獲得的邏輯過(guò)程：教學(xué)結(jié)論是通過(guò)差異法獲得的，邏輯過(guò)程見(jiàn)表4。

（3）教學(xué)過(guò)程

教學(xué)方式一

①師：這節(jié)課，我們需要研究的是植物進(jìn)行光合作用需要的條件。下面請(qǐng)同學(xué)首先回答，我們?nèi)绾蝸?lái)判斷綠色植物進(jìn)行光合作用？

生：植物進(jìn)行光合作用會(huì)生成淀粉，而淀粉遇到碘液會(huì)變成蘭色?？梢杂么朔椒▉?lái)判斷。

②師：為了學(xué)習(xí)本節(jié)課知識(shí)，老師作了一些準(zhǔn)備，教室外窗臺(tái)上的兩套實(shí)驗(yàn)裝置，老師已經(jīng)放置了一段時(shí)間，現(xiàn)在我們將它們?nèi)』?，看看可以分析得出什么結(jié)論？

教師呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置

③師：兩個(gè)鐘罩中是大小差異不大的天竺葵，這兩盆天竺葵在黑暗處放置了一晝夜，然后今天在陽(yáng)光下放置了2～3個(gè)小時(shí)。

接下來(lái)我們來(lái)研究一下，這兩盆天竺葵是否都進(jìn)行光合作用？

教師清晰陳述實(shí)驗(yàn)步驟，并完成實(shí)驗(yàn)。

④師：為了檢驗(yàn)兩盆植物在這樣條件下是否進(jìn)行光合作用，老師從兩盆植物中各剪下一片葉子，將葉子分別放入兩個(gè)培養(yǎng)皿中，并在上面滴上幾滴碘液，請(qǐng)同學(xué)仔細(xì)觀察，現(xiàn)象有何不同？

生：罩在鐘罩A中的葉片，遇到碘液沒(méi)有變藍(lán)；罩在鐘罩B中的葉片，遇到碘液變藍(lán)；

⑤師：這一現(xiàn)象說(shuō)明什么？

生：鐘罩A中的天竹葵沒(méi)有進(jìn)行光合作用；而鐘罩B中的天竹葵進(jìn)行了光合作用。

⑥師：那么為什么鐘罩A中的天竹葵沒(méi)有進(jìn)行光合作用，而鐘罩B中的天竹葵進(jìn)行光合作用呢？換句話說(shuō)，植物進(jìn)行光合作用，需要什么樣條件？

請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)閱讀課本內(nèi)容，分析在實(shí)驗(yàn)中有什么條件相同？有哪些條件不同？

學(xué)生閱讀，討論

⑦師：請(qǐng)一位同學(xué)回答一下，兩次實(shí)驗(yàn)中有何不同？

生：鐘罩A中放置了一杯氫氧化鈉，在鐘罩B中放置了一杯清水。

⑧師：這樣放置對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生何種不同影響？

生：氫氧化鈉可以與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，而清水在正常狀態(tài)下不與二氧化碳反應(yīng)。所以在兩組實(shí)驗(yàn)裝置中，有一個(gè)條件不同，即在鐘罩A中二氧化碳比鐘罩B中少。

⑨師：同學(xué)們分析的很好，依據(jù)上述分析，同學(xué)們認(rèn)為，植物進(jìn)行光合作用需要何種條件？

生：需要吸收二氧化碳。

【教學(xué)案例分析】

教學(xué)中，

步驟①：引導(dǎo)學(xué)生分析獲得：判斷植物進(jìn)行光合作用的方法。為學(xué)生分析出差異的結(jié)果做必要準(zhǔn)備。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析并獲得條件中的變化情況

步驟②～③：教師陳述實(shí)驗(yàn)步驟，以及兩組實(shí)驗(yàn)中不變條件。

步驟⑥～⑧：教師引導(dǎo)學(xué)生分析兩組實(shí)驗(yàn)中的差異條件，由學(xué)生自己觀察分析得出差異條件；

教師引導(dǎo)學(xué)生分析并獲得結(jié)果的變化情況

步驟④～⑤：引導(dǎo)學(xué)生分析結(jié)果的情況，由學(xué)生自己分析出結(jié)果的不同；

在這些正確運(yùn)用差異法的條件學(xué)生分析獲得以后，教師引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論

步驟⑨：在學(xué)生分析獲得差異結(jié)果、差異條件及不變條件的情況下，教師引導(dǎo)學(xué)生自己完成推理獲得結(jié)論。

以上教學(xué)中，教師的教學(xué)過(guò)程遵循了差異法的邏輯結(jié)構(gòu)，結(jié)論獲得的前因后果交代的清楚，體現(xiàn)為教學(xué)層次分明，有助于學(xué)生習(xí)得這一規(guī)律。

（二）邏輯分析方法有助于教師選擇有效信息在師生間的傳遞方式

教師運(yùn)用邏輯分析方法，可以揭示學(xué)生習(xí)得特定結(jié)論所必須識(shí)別的信息（即有效信息）以及學(xué)生加工信息的機(jī)制。有效信息在師生間傳遞方式的不同，體現(xiàn)出不同教學(xué)方法的要求。

同（一）中教學(xué)內(nèi)容，可采用另外一種教學(xué)方式，如下：

教學(xué)方式二：

①師：這節(jié)課，我們需要研究的是植物進(jìn)行光合作用需要的條件。由于植物進(jìn)行光合作用會(huì)生成淀粉，而淀粉遇到碘液會(huì)變成蘭色，因此可以用此方法來(lái)判斷植物是否進(jìn)行光合作用。

②師：為了學(xué)習(xí)本節(jié)課知識(shí)，老師作了一些準(zhǔn)備，將兩盆差異不大的天竺葵在黑暗處放置了一晝夜，然后分別扣在鐘罩中，在鐘罩A中放置一杯氫氧化鈉，在鐘罩B中放置一杯清水，密封后放置在陽(yáng)光下幾個(gè)小時(shí)，現(xiàn)在我們來(lái)研究這兩株天竺葵是否進(jìn)行兩光合作用；

教師呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置，并從兩盆植物中各剪下一片葉子，將葉子分別放入兩個(gè)培養(yǎng)皿中，并在上面滴上幾滴碘液。

③師：老師在兩片葉子上分別滴上幾滴碘液，發(fā)現(xiàn)罩在鐘罩A中的葉片，遇到碘液沒(méi)有變藍(lán)；罩在鐘罩B中的葉片，遇到碘液變藍(lán)；

這一現(xiàn)象說(shuō)明：鐘罩A中的天竹葵沒(méi)有進(jìn)行光合作用；而鐘罩B中的天竹葵進(jìn)行了光合作用。

④師：那么為什么鐘罩A中的天竹葵沒(méi)有進(jìn)行光合作用？前面提到，在鐘罩A中放置了一杯氫氧化鈉，而我們知道氫氧化鈉可以與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，清水是不會(huì)與二氧化碳反應(yīng)，這樣在兩組實(shí)驗(yàn)裝置中，有一個(gè)條件不同，即在鐘罩A中二氧化碳比鐘罩B中少。

⑤師：罩A中二氧化碳少，罩B中二氧化碳多，罩A中的天竺葵沒(méi)有進(jìn)行光合作用，罩B中的天竺葵進(jìn)行了光合作用，所以我們可以得出：植物進(jìn)行光合作用需要吸收二氧化碳。

教學(xué)方式二中，教師自己分析兩次實(shí)驗(yàn)中差異的結(jié)果，分析兩次實(shí)驗(yàn)中相同的條件、差異的條件，并最終獲得結(jié)論。顯然教師的教學(xué)也遵循差異法的邏輯結(jié)構(gòu)；

1．兩種教學(xué)方式中，教學(xué)過(guò)程有相同的方面：

教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程都遵循了差異法的邏輯過(guò)程，這樣就體現(xiàn)出教學(xué)的邏輯性。

也就是說(shuō)，教學(xué)的邏輯性來(lái)自教師教學(xué)行為符合所要學(xué)習(xí)結(jié)論獲得的邏輯結(jié)構(gòu)和過(guò)程。邏輯性強(qiáng)，教師對(duì)結(jié)論獲得的前因后果交代的清楚，學(xué)生都可以合理地得出相應(yīng)的結(jié)論，如果教學(xué)中教師沒(méi)有遵循獲得結(jié)論的邏輯過(guò)程，學(xué)生就不能合理地得出結(jié)論，因而就可能會(huì)對(duì)結(jié)論進(jìn)行機(jī)械記憶，這樣的教學(xué)往往就是“注入式”的教學(xué)。

2.兩種教學(xué)方式中，教學(xué)過(guò)程有不同的方面，即教學(xué)中有效信息在師生中傳遞方式不同。

方式一中，有效信息是學(xué)生在教師引導(dǎo)下，由學(xué)生自己從實(shí)驗(yàn)情景中識(shí)別出，并在教師引導(dǎo)下對(duì)有效信息進(jìn)行加工習(xí)得新的結(jié)論，也就是說(shuō)，有效信息在師生間是雙向的傳遞，這種教學(xué)方式符合“啟發(fā)式教學(xué)”——教師引導(dǎo)學(xué)生積極開(kāi)展思維活動(dòng)，學(xué)生主動(dòng)獲得知識(shí)的這一要求，因而體現(xiàn)出一定的“啟發(fā)性”。

方式二中，有效信息是教師單向地、以符合加工機(jī)制的方式傳遞給學(xué)生，體現(xiàn)出精煉高效的傳授式教學(xué)要求。和方式一相比，盡管學(xué)生最后結(jié)論獲得方面差異不大，但學(xué)生少了對(duì)“研究現(xiàn)象”相關(guān)因素的辨別和分析過(guò)程，因此，學(xué)習(xí)過(guò)程經(jīng)歷的不甚完整，學(xué)習(xí)相對(duì)較為被動(dòng)，建議只在課時(shí)比較緊張時(shí)采用。

因此，運(yùn)用邏輯方法確定學(xué)生習(xí)得結(jié)論所必需的有效信息后，教師可以通過(guò)選擇信息在師生間傳送的不同方式，從而體現(xiàn)出不同教學(xué)方法的特征和要求。合理規(guī)劃教學(xué)事件是教學(xué)有效性的基本保證，傳統(tǒng)教學(xué)理論對(duì)此方面工作一般是提出一些原則性的要求，但因?yàn)槿狈σ恢滦缘呐袛鄻?biāo)準(zhǔn)，因而教師在實(shí)際運(yùn)用時(shí)往往憑借個(gè)人的感覺(jué)和積累教學(xué)素材的多寡來(lái)完成，表現(xiàn)出一定的盲目性。邏輯分析方法可以揭示習(xí)得特定概念和規(guī)律所需的必要信息及結(jié)構(gòu)，因而能夠幫助教師有明確依據(jù)地規(guī)劃教學(xué)結(jié)構(gòu)、選擇教學(xué)方法，從而提高教學(xué)設(shè)計(jì)的有效性。

[1]皮連生.智育心理學(xué)[M].北京：人民教育出版社，2009：307.

[2]吳孟明主編.高級(jí)中學(xué)課本 物理 一年級(jí)[M].上海：上海教育出版社，1996：118.

[3]袁運(yùn)開(kāi)主編.科學(xué) 初中二年級(jí)上[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2002：159.

（責(zé)任編輯：劉君玲）

陳 剛/華東師范大學(xué)物理系副教授、博士，主要從事科學(xué)課程學(xué)習(xí)心理及教學(xué)理論研究