萬婷婷 于海波

（東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024）

歸納推理是科學推理的主要形式，是科學探究中由物理問題形成猜想與假設、由實驗數(shù)據(jù)得出結論并做出解釋的關鍵要素，更是認識物理概念及規(guī)律的建立過程，進而發(fā)展物理觀念的基礎.因而，歸納推理對于學生的物理學習具有重要作用.［1］歸納推理能力是科學推理能力的重要組成部分和衡量學生科學思維能力的重要指標，發(fā)展學生的物理歸納推理能力，是學生提高物理學科能力、培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的有效途徑.《義務教育物理課程標準（2011年版）》在教材的編寫方面，要求對“科學歸納”做出創(chuàng)造性的設計；在課程目標方面，要求學生具備分析概括能力，能夠對信息進行分析、比較、歸類，從物理現(xiàn)象、實驗中歸納出科學規(guī)律.［2］那么，測查初中生物理歸納推理能力的發(fā)展現(xiàn)狀，幫助教師理解和把握學生的物理歸納推理能力發(fā)展階段，根據(jù)學生的認知水平提出針對性的培養(yǎng)策略，對于物理教育質量的提升等均具有重要意義.

1 初中生物理歸納推理能力結構模型

初中生物理歸納推理主要分為信息抽取、歸納識別與加工、假設生成和調整修正4個認知階段，每一階段又包含一些具體的認知活動.與歸納推理的認知過程對應，可以將初中生物理歸納推理能力更具體地分解為信息關聯(lián)能力、相似性抽取能力、模式識別能力、一般性推廣能力和假設修正能力，如圖1所示.

圖1 初中生物理歸納推理能力結構模型

（1）信息關聯(lián)能力.

信息關聯(lián)能力貫穿歸納推理始終，是影響歸納推理深度、條理性的重要能力.在歸納推理過程中，信息關聯(lián)能力主要體現(xiàn)在兩方面：一是將情境中提取出的物理信息進行初步的關聯(lián)、整合，將雜亂無章的信息條理化，將個別的、零散的信息系統(tǒng)化；二是將情境中提取出的關于物理對象及其特征的信息與認知結構中有關物理對象本質、屬性的信息進行匹配，從而明確物理對象的特征、本質屬性及其內在關聯(lián).運用信息關聯(lián)能力可以使物理對象中蘊涵的內在因果關系、邏輯關系等規(guī)律逐步凸顯，使看似不同的物理對象建立聯(lián)系.

（2）相似性抽取能力.

相似性抽取能力是歸納推理過程中最基本的能力，它是信息抽取階段所需的關鍵能力，也是進行歸納推理的前提.相似性抽取主要體現(xiàn)在以下3個方面：一是通過對物理事物特征、屬性的相似性與差異性比較，抽取出物理屬性的相似性；二是通過對物理事物變化過程的相似性與差異性比較，抽取出物理過程的相似性；三是通過對物理事物內在關系的相似性與差異性比較，抽取出因果關系、類屬關系等的相似性.相似性抽取能力較低的學生傾向于通過物理對象的表面特征來抽取相似性，相似性抽取能力較高的學生則往往基于事物的本質屬性、內在關系來抽取相似性，能夠從表面上差異極大的物理對象中挖掘其隱藏的共性，從表面上十分相似的物理對象中探究其本質差異.

（3）模式識別能力.

模式識別能力是衡量歸納推理能力高低的關鍵指標，是歸納加工與識別階段的核心能力.模式識別能力是指學生基于物理對象的屬性、關系等相似性信息，構建物理對象的關系層次結構，通過對關系結構的比較、評估，進一步對物理對象及其內在聯(lián)系進行描述和解釋，從而識別出物理對象間的規(guī)律性的能力.模式識別能力決定了歸納推理的效率.

（4）一般性推廣能力.

一般性推廣能力是影響歸納推理廣度的重要能力，它是進行推論的核心，主要作用于假設生成階段.推廣是將結論從特殊擴展到一般的過程，聯(lián)想是進行推論的核心.一般性推廣能力指學生通過聯(lián)想想象，聯(lián)系與之相關的事物，將前一階段識別出的規(guī)律遷移到滿足這個共性的一類物理事物中去.可以從以下幾個方面得到這個共性的“類”：一是根據(jù)規(guī)律的相互聯(lián)系或相似形態(tài)，聯(lián)想到相似的經(jīng)驗，從而進行簡單的遷移和推廣；二是根據(jù)物理事物間的類屬關系進行聯(lián)想，推廣到上位的“類”；三是立足于學生的認知結構，識別出物理對象間的必然聯(lián)系，如因果關系等，據(jù)此合乎規(guī)律地進行推廣，達到對推廣對象的解釋性理解水平.

（5）假設修正能力.

假設修正能力是制約歸納推理結論的合理性與適用性的關鍵能力.歸納推理的目的在于得出一個合理的猜想，這個猜想必須基于觀察到的物理實例，但是得出猜想的過程涉及到一系列不完全的、嘗試性的假設，假設修正能力是指學生能根據(jù)所提出的假設對新的物理對象進行預測，并通過觀察結果的反饋不斷地將假設進行調整修正、溝通差異的能力.運用假設修正能力不斷地調整修正假設，隨著“預測—修正”的逐漸深入，增強假設的適用性，是歸納推理的內在需要，也體現(xiàn)了歸納推理結論的可修正性本質.

初中生物理歸納推理能力的各個子能力與初中生物理歸納推理的認知過程有著密切的關聯(lián)，各子能力環(huán)環(huán)相扣，前一能力的成果是后一能力運用的基礎，它們相互作用，共同構成初中生的物理歸納推理能力.

2 初中生物理歸納推理能力現(xiàn)狀調查

基于初中生物理歸納推理能力結構模型，將歸納推理能力的每個子能力分為3個水平，分別對應1、2、3分，編制初中生物理歸納推理能力測試卷，共4道大題、15個半開放式問題，分別測量物理歸納推理能力的5個子能力.歸納推理能力發(fā)展的關鍵期在初二，因此本研究從無錫市某中學選取了2個平行班共88名初二學生作為研究對象，要求學生在45min內獨立完成測試.分析初中生歸納推理能力得分的總體情況，如表1、圖2、圖3所示.

表1 初中生物理歸納推理能力測試題得分情況

圖2 百分制下初中生物理歸納推理能力的各子能力得分情況

圖3 初中生物理歸納推理能力各子能力的雷達圖

由數(shù)據(jù)可知，除了相似性抽取能力恰好達到60分以上，其他各子能力水平均未達到及格水平，其中，模式識別能力、一般性推廣能力和假設修正能力尤其低.以下列3道試題為例，分析學生的物理歸納推理過程.

題1.小明同學用不同顏色的光照射透明薄膜，發(fā)現(xiàn)膜的顏色也不斷發(fā)生變化.他想知道：光照下，透明薄膜的顏色有什么規(guī)律？于是進行實驗探究，得到幾組現(xiàn)象，見表2和表3.

表2 光照下透明薄膜的顏色（1）

表3 光照下透明薄膜的顏色（2）

（1）請你對比分析表2所示8個實驗現(xiàn)象，根據(jù)它們的相同點，嘗試找出其中的規(guī)律.（注：可以根據(jù)多組實驗發(fā)現(xiàn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)幾條寫幾條）

（2）當照射光是白光時，光照下透明薄膜的顏色并不是白色，你在第1題中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律可靠嗎？

請你根據(jù)以上10個現(xiàn)象，歸納出光照下透明薄膜的顏色有什么規(guī)律.

（3）若已知太陽光是由七色光混合而成的，光照射薄膜時，一部分光會被薄膜吸收，一部分光會透過薄膜進入人眼.結合這些知識，你最終歸納出，光照下透明薄膜的顏色規(guī)律是

（4）你還能聯(lián)想到哪些物體具有透明薄膜相似的規(guī)律？

你認為可以推廣到什么范圍？

該試題考查透明物體的顏色，試題的情境是學生熟悉的生活現(xiàn)象，學生已經(jīng)知道“不透明物體的顏色由它反射的色光決定”、“白光是由各種色光混合而成的”，但是沒有學過“透明物體的顏色由什么決定”，該題中4個問題層層遞進，激發(fā)學生的物理歸納推理思維.

在分析比較上述實驗現(xiàn)象之間的相似性時，74.39%的學生能夠通過①③⑦，當光的顏色與膜的顏色相同時，光照下膜的顏色即為膜本身的顏色；通過⑨⑩發(fā)現(xiàn)，當照射光為白光時，光照下膜的顏色也為膜本身的顏色；通過②④發(fā)現(xiàn)，當透明膜無色時，光照下膜的顏色和光的顏色相同；通過⑤⑥⑧發(fā)現(xiàn)，當照射光的顏色與膜的顏色不同時，光照下膜的顏色為黑色.以上僅僅是幾組現(xiàn)象表面特征的相似性，只有9.76%的學生能夠通過分析10個現(xiàn)象之間的關聯(lián)，發(fā)現(xiàn)共性，從而識別出光照下透明薄膜顏色的規(guī)律.這反映出學生雖然具備一定的相似性抽取能力，但還不夠深入.

該題第（2）小問，41.46%的學生意識到需要對原來的規(guī)律進行調整修正，但是37.80%的學生僅僅把白光照射的情況作為特例，簡單地將規(guī)律表述為：“當光的顏色與膜的顏色相同或者照射光為白光時，光照下膜的顏色即為膜本身的顏色”.只有3.66%的學生能夠通過分析①③⑦中“與透明膜顏色相同的光”和⑨⑩中“太陽光”的聯(lián)系——太陽光中包含了與透明膜顏色相同的色光，將規(guī)律修正為：只要照射光中有與膜的顏色相同的色光，光照下膜的顏色即為膜本身的顏色.這反映出學生的假設修正能力較低.

該題第（3）小問，僅12.20%學生能夠聯(lián)系知識“光照射透明物質時，一部分光會被吸收，一部分光能透過透明物質進入人眼”，識別出10個現(xiàn)象的共性為“透明薄膜的顏色由它能透過的色光的顏色決定，無色透明物質透過所有色光，有色透明物質只能透過本色光，吸收其他色光”.這反映出學生的信息關聯(lián)能力、模式識別能力較低.

該題第（4）小問，70.73%的學生缺乏舉證意識，直接將規(guī)律推廣到所有的透明物體.只有19.51%的學生提出：題中只給了透明薄膜這一種透明物體，還可能存在反例，需要通過實驗來進一步驗證.這反映出學生的一般性推廣能力較低.

題2.請你觀察圖4，圖5中的實驗現(xiàn)象，思考并歸納出光的折射規(guī)律.

圖4 光的折射現(xiàn)象（1）

圖5 光的折射現(xiàn)象（2）

（1）請你對比分析圖4所示4個實驗現(xiàn)象，根據(jù)它們的相同點，嘗試找出其中的規(guī)律.（注：可以根據(jù)多組實驗發(fā)現(xiàn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)幾條寫幾條）

（2）請你對比分析圖5所示4個實驗現(xiàn)象，根據(jù)它們的相同點，嘗試找出其中的規(guī)律.（注：可以根據(jù)多組實驗發(fā)現(xiàn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)幾條寫幾條）

（3）請你根據(jù)這些實驗現(xiàn)象以及所學知識，歸納出光的折射規(guī)律.

（4）通過查閱資料，我們得到圖4、圖5中的介質密度如表4.

表4 介質密度表

另外，我們在實驗中還發(fā)現(xiàn)了如下的現(xiàn)象：光從空氣射入糖水中，折射角小于入射角，并且，糖水的濃度越高，折射角越小.

結合這些資料，你最終歸納出的光的折射規(guī)律.

該試題考查光的折射規(guī)律，學生已經(jīng)學習過光的折射現(xiàn)象，如光從空氣進入水或玻璃等，對光的折射有一定的感性認識.但是學生沒有學習過“光在不同介質中傳播時，入射角與折射角的關系”，因此，該題通過4個小問題引導學生一步步觀察現(xiàn)象，歸納光的折射規(guī)律.

35.37%的學生只能發(fā)現(xiàn)①-④ 的共同點是入射角大于折射角，⑤-⑧的共同點是入射角小于折射角，但是沒找到光的折射現(xiàn)象中介質間的規(guī)律.47.56%的學生分析出，當光線沿“空氣→酒精→水→玻璃”的順序傳播，折射角小于入射角，當光線沿“玻璃→酒精→水→空氣”的順序傳播，折射角大于入射角，或者直接指出介質對光的折射本領滿足：玻璃＞水＞酒精＞空氣.只有15.85%的學生能夠進一步分析以上介質的聯(lián)系，指出：當光線沿“氣體→液體→固體”的順序傳播時，折射角小于入射角；當光線沿“固體→液體→氣體”的順序傳播時，折射角大于入射角.

該題第（4）小問，在給出上述介質的密度后，仍有41.46%的學生無法聯(lián)系介質密度將規(guī)律進行修正.50.00%的學生能夠聯(lián)系介質密度表來尋找介質間的聯(lián)系，將規(guī)律修正為光線從密度小的介質射入密度大的介質中，折射角小于入射角；光線從密度大的介質射入密度小的介質中，折射角大于入射角.但是他們得出規(guī)律后都忽略光在糖水中的折射現(xiàn)象，僅有8.54%的學生通過分析光在糖水中的折射現(xiàn)象與上述實驗現(xiàn)象的共性，將規(guī)律進一步概括為介質密度越大，介質對光的折射本領越大.

題3.觀察表5所示內容，思考聲音的傳播速度有什么規(guī)律.

表5 聲音的傳播速度表

（1）表格中的介質可以如何進行分類？

（2）請你根據(jù)上述表格，歸納出聲音的傳播速度有什么規(guī)律.

（3）在軟木中，聲速為500m/s，你剛才歸納的結論可靠嗎？如何修正你的結論.

（4）實驗中，我們又得到了表6的數(shù)據(jù).

表6 物質密度表

另外，我們還發(fā)現(xiàn)，聲音在冰中傳播速度會大于水.

結合這些數(shù)據(jù)，你最終歸納出，聲音的傳播速度有什么規(guī)律.

該題涉及到“聲音在不同介質中的傳播速度”，學生在教材的“小資料”部分了解了各種介質中的聲速，知道“一般情況下，聲音在固體中的傳播速度最大”.但是學生不太清楚這個規(guī)律是如何得來的，也不知道聲音的傳播速度與介質的密度有關，因此，本題通過4個問題細化學生的思維過程，便于考察學生的歸納推理能力的幾個子能力.

該題第（3）小問，在學生提出假設“聲音的傳播速度滿足v固＞v液＞v氣”之后，向學生呈現(xiàn)反例，“聲音在軟木中的傳播速度小于水中的傳播速度”，56.10%的學生意識到結論不可靠，但不知道如何修正假設.36.59%的學生只是簡單地將軟木作為一個特例，提出“聲音的傳播速度滿足v固＞v液＞v氣（軟木除外）”.8.54%的學生能夠通過分析軟木和表4中固體的差異，發(fā)現(xiàn)軟木的密度非常小，甚至小于水（液體）的密度，從而將假設修正為“介質的密度越大，聲音的傳播速度越大”.但他們不注意推論的得出條件，忽略了題中所給的“聲音在冰中的傳播速度大于水中的傳播速度”，將結論推廣到一切介質中.

3 初中生物理歸納推理過程中存在的主要問題

通過對此次半開放式問卷的分析，我們發(fā)現(xiàn)初中生在物理歸納推理過程中存在以下主要問題.

（1）特征提取隨意.

在信息抽取階段，當物理情境較為復雜、可能反映出的信息較多時，學生由于經(jīng)驗的局限，沒有良好的判斷力指導，難以抑制無關信息、提取與歸納推理任務相關的關鍵特征，導致特征提取較為隨意，很容易提取出無關的或是不完整的特征，從而在分析比較物理特征間的相似性時，易陷入混亂.

（2）信息關聯(lián)被動.

學生能夠將情境中抽取出的物理事物的表面特征進行初步關聯(lián)，但很少主動將已有信息與認知結構中有關事物的特征、屬性等信息進行關聯(lián)、匹配.這就導致學生往往只能得到物理事物間表面特征的關聯(lián)性，難以深入到事物的本質特征和內在聯(lián)系，不利于明晰情境中物理對象間的關系.

（3）模式識別淺層.

由于學生往往只能抽取出物理事物表面特征的相似性，他們在分析物理事物間的聯(lián)系時容易受到表層信息的干擾，抓不住本質，從而難以發(fā)現(xiàn)物理事物與屬性之間的內在聯(lián)系，以至于識別出的物理對象間的共性規(guī)律較為淺層，甚至是含糊不清.

（4）相似聯(lián)想局限.

進行一般性推廣時，學生需要利用相似聯(lián)想，根據(jù)現(xiàn)有的物理實例的相互聯(lián)系或相似形態(tài)、類屬關系，聯(lián)想到與此相關聯(lián)的其他實例，將結論推廣到滿足該規(guī)律的一類物理事物中去.但是，學生在聯(lián)想與現(xiàn)有物理事物相關聯(lián)的事物或屬性時，往往難以舍棄物理事物中非本質的、次要的因素，局限于“就事論事”，以至于限制了聯(lián)想的范圍，得到的推論過于狹隘，不具有一般性；或是只根據(jù)表面相似性，聯(lián)想到一些無內在關聯(lián)的事物，致使推論范圍過大而出現(xiàn)錯誤.

（5）舉證意識缺乏.

基于相似聯(lián)想，從個別物理實例推廣出一般性規(guī)律的過程中，涉及到認識的跳躍.這種跳躍性特點決定了歸納推理的結論具有高度的或然性.那么歸納推理時要盡量考察數(shù)量多、范圍廣、典型性強的物理實例，且要尤其關注反例，以此推動假設的調整修正，增強推論的適用性.但是，學生普遍缺乏審慎心，僅僅見到一、兩種情況就“以偏概全”，下普遍結論.許多學生缺乏假設修正的意識，當新的物理實例出現(xiàn)時，只關注能夠支持假設的實例，而對反例缺乏敏感性，難以發(fā)現(xiàn)與假設不相符的跡象.

（6）假設修正困難.

在假設修正的過程中，當新的現(xiàn)象與假設沖突或矛盾時，通常有兩條路徑：一是基于新的物理對象與原有物理對象之間的相似性，對其進行更深層次的概括，將規(guī)律推廣到更大的范圍，使歸納結論更具普遍性；二是基于新的物理對象與原有物理對象之間的差異，將規(guī)律的適用范圍縮小，使歸納結論更具針對性.而初中生面對反例時往往只能舍棄現(xiàn)有假設，重新進行歸納加工與識別，難以溝通差異、調整假設.

4 對問題原因的初步分析

教師對學生歸納推理能力的發(fā)展有著顯著的影響，教師關于物理歸納推理的認識和態(tài)度直接影響到教師的課堂教學行為，從而影響到學生歸納推理能力水平的發(fā)展.反思目前歸納推理能力的培養(yǎng)，可以發(fā)現(xiàn)存在以下問題.

（1）教師對歸納推理的認識不夠深入.

教師只有深入理解認識到歸納推理在物理教學中的地位與作用，才會主動地進行歸納推理教學、研究及反思.但是，有相當一部分教師沒有看到歸納推理在初中物理教學中的重要地位，［3］可見在現(xiàn)行的考試評價制度的影響下，很多教師沒有意識到歸納推理對于學生理解知識的形成過程、發(fā)展科學思維能力的促進作用，從而在教學中滲透歸納推理的意識較為薄弱.另外，許多教師由于對歸納推理的認識不夠深入，更不知道如何系統(tǒng)地培養(yǎng)學生歸納推理能力，這在很大程度上導致了物理教學對于發(fā)展學生歸納推理能力的作用沒有充分發(fā)揮出來.

（2）缺少顯性的歸納推理方法教學.

初中階段是歸納推理能力快速發(fā)展的關鍵時期，且物理學獲得新知識的核心方法就是歸納推理，初中物理中有許多概念和規(guī)律是以大量的物理實例為基礎，通過觀察、實驗，運用物理歸納推理得到的.這為物理歸納推理的教學提供了廣闊的空間.但是，教師在物理教學過程中往往只是簡單地將歸納推理作為一種引出概念或規(guī)律的工具，將其隱含在知識教學中，不向學生明示歸納推理的方法，或是直接忽略歸納推理的使用.那么，雖然教材中蘊涵了十分豐富的物理歸納推理思想，但是全靠學生自己摸索，結果就是學生對歸納推理的認識比較模糊，沒有形成用歸納推理解決問題的習慣.

（3）忽略過程性教學.

建立物理概念的一個重要途徑是“歸納式”途徑，即基于豐富的感性認識，通過分析、比較、概括、抽象等思維過程建立物理概念.［4］如“力”、“壓強”等物理概念都是進行歸納推理教學的有效素材.但是在實際教學中，“講解—接受—演練”的教學模式仍是當前物理教學的主流，教師不重視引導學生經(jīng)歷物理概念的探究過程，沒有利用好這些素材來向學生滲透歸納推理的思想.

（4）科學探究中學生的思維缺席.

綜觀物理學發(fā)展史，許多規(guī)律都是在經(jīng)驗的基礎上提出假設，并通過反復的檢驗和修正而提出的.引導學生探究物理規(guī)律是體悟歸納推理思想的重要途徑，如“凸透鏡成像的規(guī)律”、“光的直線傳播”等物理規(guī)律的探究過程都蘊涵了歸納推理的思想.這是培養(yǎng)初中生物理歸納推理能力的重要渠道.然而，在實際的科學探究中，許多教師往往會“先講解后實驗”，將實驗設計、實驗過程、注意事項和實驗數(shù)據(jù)處理都告訴學生，讓學生按照流程把實驗操作一遍，便直接給出規(guī)律.［5］這樣的“科學探究”徒有形式、缺少思維，學生難以體悟歸納推理的思想，也無法進行深層次的歸納推理活動.