摘?要：理想的科學(xué)課堂探究通過實(shí)驗(yàn)活動與邏輯推理的交互來實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣在做中學(xué)，在做中思。初中生處在抽象邏輯思維發(fā)展的關(guān)鍵期，在科學(xué)探究中培養(yǎng)初中生的科學(xué)推理能力意義重大，然而，我國卻存在初中生科學(xué)推理能力薄弱和推理教學(xué)策略缺失的問題。對此，本文梳理了科學(xué)推理和科學(xué)推理能力內(nèi)涵，從科學(xué)知識、推理機(jī)制、推理依據(jù)、推理任務(wù)四要素出發(fā)探討教學(xué)策略，提出通過建構(gòu)知識經(jīng)驗(yàn)框架、呈現(xiàn)邏輯推理案例、構(gòu)建層次化問題鏈、注重模型與論證等策略，培養(yǎng)初中生科學(xué)推理能力，為科學(xué)教師在探究活動中進(jìn)行推理教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：科學(xué)推理;教學(xué)策略;科學(xué)推理能力;推理機(jī)制

當(dāng)今時代，科技更新和知識爆炸加劇了全球教育和學(xué)習(xí)危機(jī)，單純的知識積累已不能解決復(fù)雜問題，而能力才是人才競爭力和可持續(xù)發(fā)展的保證。21世紀(jì)以來，世界各國紛紛開展新一輪科學(xué)教育改革，希望培養(yǎng)掌握高階思維和問題解決能力的人才。美國《K12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、交叉概念和核心概念》提出從科學(xué)工程實(shí)踐、跨學(xué)科概念、核心概念三維度重建中小學(xué)科學(xué)教育，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和實(shí)踐能力?！吨袊鴮W(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》指出，科學(xué)教育要培養(yǎng)尊重事實(shí)和證據(jù)，邏輯清晰，能運(yùn)用科學(xué)的思維方式認(rèn)知事物、解決問題的人才?？茖W(xué)推理是科學(xué)思維的核心，在探究性教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力是正確認(rèn)識科學(xué)探究教學(xué)、提升思維教學(xué)水平和促進(jìn)學(xué)生推理能力發(fā)展的重要舉措。

自新課改以來，“自主、合作、探究”教學(xué)模式已成為中小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)的主要形式，為做中學(xué)提供了沃土，然而，初中科學(xué)探究教學(xué)并未取得預(yù)期的效果。研究表明，我國初中生的科學(xué)推理能力整體較薄弱，說明科學(xué)推理教學(xué)策略有缺失。究其原因，大部分初中科學(xué)教師雖認(rèn)同“做中學(xué)”和科學(xué)推理教學(xué)的意義，但對于科學(xué)推理和科學(xué)推理能力內(nèi)涵缺乏系統(tǒng)認(rèn)知，在實(shí)踐上欠缺培養(yǎng)策略。按照皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段論，初中生正在從“具體運(yùn)算階段”向“形式運(yùn)算階段”轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵期，能進(jìn)行抽象邏輯推理。怎樣設(shè)計推理任務(wù)和教學(xué)策略能有效提升初中生的科學(xué)推理能力，值得教育者重點(diǎn)思考。

一、 科學(xué)推理與科學(xué)推理能力

推理是由一個或幾個已知判斷推出新判斷的邏輯思維過程，是人認(rèn)識世界、做出決策的重要思維手段，推理無處不在。日常生活中，公眾的日常推理遵循一定的原理，但推理結(jié)果卻并不總是科學(xué)可靠的。例如，人常根據(jù)空氣濕度判斷是否下雨，根據(jù)他人行為舉止推理其職業(yè)。在科學(xué)課堂中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究的“收集證據(jù)、做出假設(shè)、設(shè)計實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論”全過程、概念理解過程統(tǒng)統(tǒng)需要科學(xué)推理能力的支持。在科學(xué)世界中，科學(xué)家需要通過實(shí)驗(yàn)和邏輯思辨探索未知，獲得并解釋科學(xué)發(fā)現(xiàn)，提出規(guī)律公理。以上三種情境中，推理的難度和邏輯成本依次增大。實(shí)際上，比起日常推理，科學(xué)推理更加關(guān)注前提與結(jié)論的科學(xué)性、推理邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)性，以及對理性、實(shí)證精神的感悟。因此，科學(xué)推理能力的形成和進(jìn)階是一個長期過程，需要抓住抽象邏輯思維的關(guān)鍵期，通過課堂教學(xué)來專門培養(yǎng)。

“科學(xué)推理”最早由皮亞杰在認(rèn)知發(fā)展理論中提出，認(rèn)為人的認(rèn)知水平發(fā)展到形式運(yùn)算階段（12-15歲以后）才能進(jìn)入到科學(xué)推理能力發(fā)展階段。科學(xué)推理的定義有很多說法，但核心一致?？茖W(xué)推理是對理論進(jìn)行歸納、演繹，通過探究進(jìn)行驗(yàn)證，得出結(jié)論的過程。庫恩提出，科學(xué)推理可以廣義地定義為有意義的知識尋求和理論與證據(jù)的協(xié)調(diào)。科學(xué)推理按照思維方向可分三類，有合情推理（歸納推理、類比推理）和演繹推理。合情推理是由具體情境出發(fā)的創(chuàng)造性推理，結(jié)果不一定為真。其中，歸納推理是由特殊推理一般，用于概念獲得，有簡單枚舉法、不完全歸納法等形式;類比推理是由特殊推理特殊，找尋共同要素。演繹推理是由一般推理特殊的必然性推理，前提通常已蘊(yùn)涵結(jié)論，應(yīng)用于模型建構(gòu)等過程，有三段論等形式。也就是說，科學(xué)推理的關(guān)鍵詞是證據(jù)、邏輯、知識尋求和問題解決。

科學(xué)推理能力是學(xué)生通過假設(shè)演繹等邏輯規(guī)則展開探究和社會性建構(gòu)能力。國際科學(xué)推理能力量表通常將該能力分解為七大子能力，有守恒推理、比例推理、控制變量推理、高級控制變量推理、概率推理、相關(guān)性推理和演繹推理能力，對應(yīng)類比、假說演繹等七種機(jī)制。推理機(jī)制是推理的核心和準(zhǔn)繩，拋棄機(jī)制就是“主觀猜測”，不具有科學(xué)意義?？茖W(xué)定律的發(fā)現(xiàn)離不開科學(xué)家的科學(xué)推理。例如，法拉第根據(jù)不完全歸納推理法發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理;孟德爾利用假說演繹推理法發(fā)現(xiàn)了兩大遺傳定律;薩頓利用類比推理法提出基因位于染色體上的假說。

科學(xué)探究課堂是培養(yǎng)推理能力的主要陣地，如何在探究教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力？本論文主要參照王璐霞在《物理學(xué)科科學(xué)推理能力的模型建構(gòu)及測量工具探討》中提出的科學(xué)推理能力構(gòu)成模型，發(fā)現(xiàn)“推理任務(wù)、依據(jù)、機(jī)制、科學(xué)知識”會影響能力，且這四要素也相互作用。

二、 培養(yǎng)初中生科學(xué)推理能力的教學(xué)策略

（一）緊扣核心概念建構(gòu)知識框架，引出并改造已有經(jīng)驗(yàn)，提升科學(xué)推理的科學(xué)性

1. 緊扣學(xué)科核心概念，建構(gòu)知識框架

知識是能力生成的本源，學(xué)生的科學(xué)推理能力應(yīng)與科學(xué)知識建構(gòu)、經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)相統(tǒng)一。按照建構(gòu)主義理論，知識并不是學(xué)習(xí)者依照課本復(fù)刻地記憶，而是通過厘清新舊概念關(guān)聯(lián)，將新知識添加到頭腦中已有的認(rèn)知框架中而產(chǎn)生的。因此，建構(gòu)知識框架，對于學(xué)生后續(xù)知識理解和做出決策意義重大。

初中科學(xué)課程涉及五大領(lǐng)域，有大量觀點(diǎn)、現(xiàn)象、概念，但學(xué)生的精力有限，不可能去理解、記憶每一個知識。因此，教師需要緊扣最有價值的核心內(nèi)容，忽略無意義的知識碎片，帶領(lǐng)學(xué)生建構(gòu)一些整體性知識框架。《科學(xué)教育的原則和大概念》一書中14個大概念和美國《K12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、交叉概念和核心概念》提出的核心概念總結(jié)了科學(xué)核心知識，代表科學(xué)的核心思想方法。這些上位概念（例如力的相互作用、能量、生態(tài)系統(tǒng)）能細(xì)分出多個子概念，為知識框架提供根系，利于新知識的添加和辨析。例如，通過探究“各種形式力的相互作用”可以深化學(xué)生對力的理解和建構(gòu)力學(xué)框架，指導(dǎo)“運(yùn)動與力”推理實(shí)踐。

2. 引出并改造已有經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)化表達(dá)經(jīng)驗(yàn)信念

學(xué)生對新經(jīng)驗(yàn)的解釋依賴于原有經(jīng)驗(yàn)信念，當(dāng)兩者產(chǎn)生沖突時，學(xué)生進(jìn)行改編整合，以尋求一致。而先入為主的舊經(jīng)驗(yàn)通常根深蒂固，不易改變，若舊經(jīng)驗(yàn)是不科學(xué)的，會干擾理解，造成認(rèn)知誤區(qū)。初中生的生活和科學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是零散、感性、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，如果不加改造，可能會自相矛盾。例如，學(xué)生將質(zhì)量和重量兩概念混為一談，阻礙重力的學(xué)習(xí);看到養(yǎng)花要澆水施肥，認(rèn)為植物的能量來源于土壤，影響光合作用教學(xué)。

因此，教師應(yīng)通過提問，引出學(xué)生經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知，暴露認(rèn)知沖突，促進(jìn)學(xué)生對已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行批判性思考。隨后，通過矛盾的對比和科學(xué)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)知識，用科學(xué)語言、符號表示經(jīng)驗(yàn)規(guī)則提升科學(xué)性。例如，發(fā)現(xiàn)“同樣環(huán)境下的鐵塊摸起來比木塊冰，說明鐵溫度更低”和“鐵塊和木頭溫度計測溫結(jié)果相同”的經(jīng)驗(yàn)沖突，區(qū)分“熱量、溫度、導(dǎo)熱”概念，將“溫度”表述為“溫度計測得的冷熱程度，不能傳遞”，將熱量表述為“系統(tǒng)與外界的熱學(xué)相互作用，可傳遞”可解決困惑。

（二）關(guān)注機(jī)制的顯性教學(xué)和案例應(yīng)用，識別機(jī)制選擇情境，提升科學(xué)推理的規(guī)范性

1. 關(guān)注機(jī)制的顯性教學(xué)和案例應(yīng)用，積累經(jīng)典推理案例

推理機(jī)制蘊(yùn)含著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿媽W(xué)標(biāo)準(zhǔn)，能提供探究的邏輯起點(diǎn)和思路，應(yīng)作為科學(xué)教學(xué)過程和方法目標(biāo)來抓。但是，演繹三段論、不完全歸納法等機(jī)制在課本上并未系統(tǒng)介紹，機(jī)制學(xué)習(xí)依賴于教學(xué)。初中生思維簡單片面，缺乏規(guī)范，難以識別應(yīng)用推理情境，推理邏輯混亂，不會方法遷移，與推理機(jī)制顯性教學(xué)的缺失有著密切聯(lián)系。

近年來，教師多開展隱性方法教學(xué)，潛移默化地滲透推理規(guī)則。顯性教學(xué)的缺失，導(dǎo)致學(xué)生對于如何嚴(yán)謹(jǐn)推理存在困惑，難以進(jìn)行方法遷移，而顯性方法教學(xué)又顯得枯燥刻板。因此，教師應(yīng)當(dāng)改進(jìn)教學(xué)方式，采取“隱性引導(dǎo)—顯性教學(xué)—多案例應(yīng)用”方法，先隱形教學(xué)，讓學(xué)生直接感受推理思維的來龍去脈，增強(qiáng)推理動機(jī)和信心;再反思、總結(jié)推理機(jī)制的條件，簡化復(fù)雜問題，將邏輯步驟顯性化、可視化表達(dá);最后，另舉他例對邏輯步驟進(jìn)行多次遷移訓(xùn)練，將推理機(jī)制穩(wěn)固地存儲在長時記憶里。

2. 識別機(jī)制選擇的知識和情境條件，熟練選擇推理機(jī)制

科學(xué)推理機(jī)制的選擇與具體的知識、情境有關(guān)。例如，在多變量實(shí)驗(yàn)中探究影響因素的實(shí)驗(yàn)需要控制變量推理，探究系統(tǒng)能量問題常采用守恒推理等。經(jīng)典推理案例儲存著問題解決的步驟和情境，可供借鑒，便于方法遷移和創(chuàng)造性推理。在日常教學(xué)中，教師通過引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)建立經(jīng)典案例庫，并自如地提取、借鑒和添加案例，案例貴精不貴多。例如，初中生最初接觸控制變量推理是在探究“液體的擴(kuò)散快慢與溫度的關(guān)系”，教師可引導(dǎo)學(xué)生歸納變量的相關(guān)關(guān)系，控制無關(guān)變量。當(dāng)學(xué)生熟練掌握該原理后，后續(xù)的“液體蒸發(fā)快慢的影響因素”研究性實(shí)驗(yàn)可以借鑒推理經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)推理機(jī)制的遷移。

（三）注重實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、變量關(guān)系和模型可視化，開展口頭論證，提升科學(xué)推理的自主性

1. 注重實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、變量關(guān)系，可視化建構(gòu)科學(xué)模型

德理弗（Driver）認(rèn)為，科學(xué)推理有基于現(xiàn)象的推理、基于關(guān)系的推理、基于模型的推理三個層級。在初中課堂中，基于現(xiàn)象的推理關(guān)注現(xiàn)象和解釋的合理性，培養(yǎng)問題和證據(jù)意識?；陉P(guān)系的推理關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程和變量關(guān)系，探究因果與相關(guān)關(guān)系，教師應(yīng)幫助學(xué)生改變關(guān)鍵變量，控制無關(guān)因素，考查科學(xué)規(guī)律。

科學(xué)模型比現(xiàn)象關(guān)系更抽象、深入原理，基于模型的推理更具創(chuàng)造性?？茖W(xué)模型以一些科學(xué)系統(tǒng)、過程、實(shí)物或概念為原型，是進(jìn)行抽象、類比獲得的簡化表達(dá)，是學(xué)生預(yù)言和解決問題的重要依據(jù)，按表達(dá)方式分為物理、概念、數(shù)學(xué)模型三類?？茖W(xué)教學(xué)離不開模型建構(gòu)與應(yīng)用。教師應(yīng)利用實(shí)物、圖畫等物理模型，幫助學(xué)生創(chuàng)造概念圖等概念模型，促進(jìn)科學(xué)探究和概念理解的意義建構(gòu);通過推導(dǎo)公式、繪制圖表、讀取圖像等，用符號化語言建立數(shù)學(xué)模型，并在科學(xué)練習(xí)中考查。教師應(yīng)講授如何識別、應(yīng)用、選擇、轉(zhuǎn)換以及建構(gòu)模型。例如，在“氣壓”一課中通過與水壓類比，建立大氣壓的概念模型并應(yīng)用模型解釋大氣壓的方向和大小;在“原子結(jié)構(gòu)模型”一課中，通過與棗糕、西瓜、實(shí)心球、云類比，修正原子結(jié)構(gòu)模型，逐漸接近微觀世界原貌。

2. 圍繞模型展開口頭論證，讓學(xué)生表達(dá)推理的邏輯

人的視覺抓取的是圖像化的整體表達(dá)，而人的語言是線性的邏輯表達(dá)，學(xué)生能夠用概念圖、實(shí)物模型等表征科學(xué)原理，也并不代表他們掌握了科學(xué)模型所代表的全部意義。圍繞模型開展口頭論證，需要注意以下三點(diǎn)：首先，圍繞模型開展口頭論證，要求學(xué)生用線性邏輯重新表述模型中的要素關(guān)系，幫助心理圖式與科學(xué)模型進(jìn)行互動，學(xué)生不僅要在頭腦中重新理解模型，更要深入挖掘模型隱含的推論，做出修正改進(jìn)。第二，口頭論證提供了個體間知識辯護(hù)機(jī)會，將課堂互動由師生問答轉(zhuǎn)向同伴提問，學(xué)生需要從正反角度考量，自信地立論并設(shè)法反駁對方論點(diǎn)，有利于自信心和合作精神的培養(yǎng)。第三，教師應(yīng)以教練的角色規(guī)定論證交流的時間和范圍，對學(xué)生模型論證的能力進(jìn)行綜合評價。例如，在“用粒子模型描述物質(zhì)的三態(tài)”一課中，學(xué)生已構(gòu)建了固體、氣體、液體物質(zhì)的粒子模型，能直觀地看到氣態(tài)水的微粒間距最大，最容易被壓縮。隨后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生論證“水的三態(tài)轉(zhuǎn)化中，微粒的個數(shù)和大小改變了嗎”，或是“溫度與粒子間距之間的關(guān)系”，以促進(jìn)學(xué)生對于動態(tài)相變原理的認(rèn)知，使學(xué)生的心理圖式更加完善。

（四）設(shè)置問題鏈引導(dǎo)深入推理，開放探究促進(jìn)多元探索，提升科學(xué)推理的層次性

1. 根據(jù)推理教學(xué)重點(diǎn)和認(rèn)知規(guī)律，設(shè)置問題鏈引導(dǎo)思維層層深入

問題鏈?zhǔn)菄@教學(xué)目標(biāo)，基于教學(xué)重難點(diǎn)和學(xué)生認(rèn)知順序，由教師在課前精心設(shè)計的有中心、有順序、相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的一組問題。在推理任務(wù)中設(shè)置問題鏈，注重每一問的質(zhì)量，是新手教師提升教學(xué)能力的法寶。首先，教師要將完整的探究活動分解為一個個階段性任務(wù)，引領(lǐng)學(xué)生開展條理性的推理探究。第二，問題鏈的設(shè)計為核心概念和方法學(xué)習(xí)服務(wù)，各問題的深度、角度需要有層次性，不僅暴露學(xué)生的前概念和思維困境，激發(fā)推理動機(jī)，還要注重對證據(jù)的質(zhì)疑過程、推理結(jié)論的邏輯、選擇策略的原理。第三，問題鏈的表述要盡量簡明有趣、生活化，多反問設(shè)問。例如，《物質(zhì)的溶解》一課中，可設(shè)計“白糖為什么不能繼續(xù)溶解了？飽和溶液一定不能繼續(xù)溶解溶質(zhì)嗎？不飽和溶液如何轉(zhuǎn)化成飽和溶液呢？飽和溶液一定是濃溶液嗎？”四個問題層次，讓學(xué)生感悟科學(xué)的思維美。

2. 增強(qiáng)問題的開放性，給學(xué)生自主探究空間

科學(xué)推理學(xué)習(xí)本質(zhì)上是由學(xué)生主動提出、思辨、解決問題。若學(xué)生只是配合老師解題，推理能力難以發(fā)展，與學(xué)生生活相關(guān)的問題能讓課堂教育更生動、自主。開放的問題設(shè)計能釋放自主推理空間，幫助學(xué)生認(rèn)識到思維局限性，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的困惑，不要求全班統(tǒng)一的回答，重要的是師生雙方圍繞問題，進(jìn)行多元的、多角度的、多層次的探索發(fā)現(xiàn)。同時，教師需要傾聽、思考，積極反饋學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展。

在科學(xué)探究教學(xué)中關(guān)注推理思維的培養(yǎng)，通過推理任務(wù)問題化、推理依據(jù)模型化、推理機(jī)制顯性化、科學(xué)知識框架化等策略改進(jìn)課堂教學(xué)，有利于中學(xué)生的實(shí)踐能力和科學(xué)思維相互促進(jìn)，實(shí)證精神和邏輯思維共同發(fā)展。學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展不是一蹴而就的，應(yīng)從中小學(xué)思維發(fā)展關(guān)鍵期抓起，讓“做中學(xué)”理念落到實(shí)處。需注意的是，科學(xué)思辨邏輯結(jié)構(gòu)的一致性并不一定能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，教師應(yīng)告知學(xué)生推理結(jié)果存在局限和例外，科學(xué)理論還是要在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證。

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作者簡介：喬丹璇，上海市，華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院。