朱曉倫

【摘 要】類比推理是適合小學生在科學探究實踐中獲取科學知識的重要思維方法，廣泛運用于日常生活與科學研究中。以《地球——水的星球》為例，教師可運用類比推理的思維方法，評估證據(jù)與解釋之間的關系的可靠性，幫助學生建構“地球表面的水體類型、海陸關系與水對生命的意義”等知識，讓學生認識到“地球是所有生命共同的家園”，實現(xiàn)科學核心素養(yǎng)的發(fā)展。

【關鍵詞】小學科學；類比推理；類比評估；科學思維

在學習地球與宇宙的相關知識時，由于觀察障礙較大、實際體驗缺乏、空間想象力較弱等問題，學生很難在頭腦中建立“宇宙中的地球、地球系統(tǒng)、人類活動與環(huán)境”等核心概念。對此，教師可以采用類比推理的思維方法，幫助學生借助已知的個別事物認識地球等星體的特征，擴大認知領域。

一、類比推理的概念、類型與教學結構

（一）類比推理的概念

類比推理，即運用類比的思維方法進行推理，借助某些已知的個別事物，與其他相似的事物進行比較，從它們之間已知的共同點出發(fā)，進一步判明它們另一些方面的共同點，從而擴大人們的認知領域，從對某些事物的認識過渡到對另一些特殊事物的認識［1］。類比推理在兩個事物間進行，作為對比的對象稱為對比物，根據(jù)對比物的剩余屬性被賦予新屬性的事物稱為類比物［2］，這也是類比推理的基礎。

（二）類比推理的類型

根據(jù)所涉及的關系，類比推理主要分為三種類型：屬性類比、結構類比和實質類比。屬性類比是水平關系上的類比，其推理形式如下：A對象具有性質a、b、c、d，B對象具有性質a、b、c，所以B對象也具有性質d。屬性類比又分為正類比、負類比和中性類比。結構類比主要是指垂直關系上的類比，也稱關系類比，它的公式是：A系統(tǒng)具有關系R1、R2、R3、R4，B系統(tǒng)具有關系R1、R2、R3，所以B系統(tǒng)也具有關系R4。結構類比分為因果類比、并存類比、協(xié)變類比和對稱類比。實質類比則是建立在屬性類比的基礎上的結構類比。

（三）類比推理的教學結構

類比推理的教學分為五個階段：第一階段，選擇對比物和類比物，體驗感知，積累豐富表象；第二階段，挖掘對比物和類比物之間的相似屬性或屬性之間的關系；第三階段，確定類比關系的性質與特征，判斷類比推理的種類；第四階段，遵循類比規(guī)則，得出結論；第五階段，搜尋更多證據(jù)支撐，評估類比推理的準確性，如圖1。

二、類比推理教學的邏輯與思維方法

以《地球——水的星球》一課為例，本課的教學在于落實跨學科概念“系統(tǒng)與模型、物質與能量”與核心概念“宇宙中的地球、地球系統(tǒng)、人類活動與環(huán)境”，圍繞核心問題“地球與太陽、月球相比有哪些獨特的地方”，對地球上的水進行探索，在學習中體悟和感受“地球是所有生命共同的家園”。

本課承接《地球的形狀》一課，目標是利用圖片、模型、地圖等結構性學習材料，比較太陽、月球和地球的異同點。課堂教學以“問題鏈”與“活動鏈”雙鏈為驅動展開，四個活動環(huán)節(jié)均運用了類比推理的思維方法（如圖2）。

教學伊始，筆者先點明核心問題“地球和太陽、月球相比有哪些獨特的地方”，對應活動1的“三球類比”，引導學生類比太陽和月球，對地球的表面情況進行分析，最后概括三者的異同。延伸問題1“怎么證明地球是水的星球”和延伸問題2“地球上的水資源豐富，為什么要節(jié)約用水”旨在引導學生深入研究地球表面的水體類型和海陸關系，讓學生運用分析、綜合、類比等思維方法，借助從地球模型和平面地圖上獲取的信息和數(shù)據(jù)，概括地球海陸關系的特點，樹立保護水資源與地球家園的意識。拓展問題“銀河系中是否存在地球以外的有生命的星球”則指向“外太空探索”。

類比推理所得到的結果本身具有或然性［3］，需要對對比物與類比物的已知共有屬性和新屬性進行評估與質疑，并搜集更多證據(jù)來佐證，體現(xiàn)類比推理的嚴謹性。

三、教學環(huán)節(jié)中類比推理的教學策略

（一）三球類比——屬性類比

在“聚焦”部分，學生已經(jīng)了解了太陽和月球的一些特征。筆者從太陽、月球和地球之間的水平關系（三者之間存在的同一性、差異性或相似性）展開，運用屬性類比中的中性類比進行教學。筆者同時展示太陽、月球和地球的照片，推動學生展開屬性推理。學生從顏色、溫度、形狀、發(fā)光情況、表面有什么等多個方面進行比較。

為了將思維外化，筆者引導學生在原有的韋恩圖中添加新的圓圈，將表示兩者關系的韋恩圖拓展為表示三者關系的韋恩圖（如圖3），用來比較太陽、月球、地球三者之間的異同。

（二）比較海洋與陸地面積大小——結構類比

比較海洋與陸地面積大小存在兩個技術難點：①學生不會在球面上進行測量；②學生難以對海洋和陸地這種不規(guī)則圖形進行測量。對此，教師可以借助類比推理加以突破。

1.提供對比物，奠定類比推理的基礎

對經(jīng)驗表象較為缺乏的小學生來說，前期對比物的鋪墊是十分重要的。教師要幫助學生完成“立體地球儀—平面地圖”的轉化，具體可以借鑒數(shù)學中圓的面積公式[S=πr2]的推導方法，將地球儀模型的表面展開，形成展開圖，再將其轉化成合在一起的燈籠形地圖，最終形成長方形地圖（如圖4）。

【教學片段1】

教師出示長方形、五邊形和六邊形三個圖形。

師：請同學們仔細觀察，比一比，這三個圖形誰的面積大？誰的面積?。?/p>

生：把圖形里小格子的數(shù)量加起來就能代表圖形的面積，格數(shù)多的面積大，格數(shù)少的面積小。

師：用這個方法比較，誰的面積大？誰的面積?。?/p>

生：長方形15格，六邊形16格，五邊形27格，所以五邊形面積＞六邊形面積＞長方形面積。

“怎么比較幾何圖形大小”這個簡單問題的解決，為學生解決復雜問題奠定了基礎，學生從中學到：可以采用類比推理的方式來比較海洋和陸地的面積。此處，類比物即為“海洋”和“陸地塊”，對比物與類比物的共同特征為“均具有面積”，對比物的剩余屬性是“可以利用網(wǎng)格圖中的格子數(shù)比較面積”。因此，筆者在地圖上覆蓋網(wǎng)格，讓學生展開類比推理。該階段運用的類比推理屬于結構類比。

2.討論測算法，實現(xiàn)面積比較的量化

筆者將世界地圖等分為100個小格，每一個小格不是標準的正方形，而是略扁的長方形，便于后面進行比較（如圖5）。通過定性觀察，學生普遍認為：陸地面積小、海洋面積大；應先數(shù)陸地面積的格數(shù)，海洋面積等于“100－陸地面積格數(shù)”。

由于海洋和陸地并不是規(guī)則圖形，因此還需要確定格子的計數(shù)方法，即陸地面積超過一半算一格，不好判斷時則借助輔助線，簡化活動難度，保證操作的有效性。

【教學片段2】

師：用什么方式可以數(shù)得又快又準確？

生：可以先數(shù)陸地面積所占的格子，再數(shù)海洋面積所占的格子，比比誰更多。

師：各數(shù)一遍？（是的）

生：先數(shù)出陸地面積所占的格子數(shù)，再用100減去陸地面積所占的格子數(shù)，這樣就算出了海洋面積所占的格子數(shù)。

師：怎么做到不漏數(shù)呢？（按順序數(shù)）按怎樣的順序？（從左往右，從上往下）

通過討論，學生對測算法達成了共識，這是比較地表海陸面積占比的關鍵。

3.測算海陸塊，認識“百份—十份”的轉化

學生先基于前期達成共識的測算方法確定陸地面積的格數(shù)，再通過“100－陸地面積的格數(shù)”計算出海洋面積的格數(shù)，這時，學生的測算結果基本一致。學生通過數(shù)格子，發(fā)現(xiàn)陸地面積占29格；經(jīng)過計算，發(fā)現(xiàn)海洋面積占71格。在得到百分比的關系后，筆者繼續(xù)引導學生進行“百份—十份”的轉化。如果將地球的一百份轉化為十份，那么陸地面積的29格就約為3份，海洋面積的71格就約為7份。

【教學片段3】

師：我們看黑板上的結果。這個是陸地面積，這個是海洋面積，從中可以看出什么？

生：海洋的面積明顯大于陸地的面積。

師：如果按照十等份來劃分，數(shù)一數(shù)，看看陸地面積和海洋面積各占幾份？

生：陸地面積3份，海洋面積7份。

師：你能不能得出海洋面積和陸地面積到底是幾比幾？

生：7：3。

4.驗證海陸比，評估類比論證的結果

類比推理得到的結論需要尋找更多的證據(jù)來支撐，由此才能對類比結果進行質疑、評價、論證，以體現(xiàn)類比推理的嚴謹性，形成邏輯閉環(huán)。

【教學片段4】

師：除了數(shù)格子的方式以外，還有沒有其他的方法？

生：還可以把地圖做成拼圖，然后把陸地、海洋一塊塊摳下來，稱一下它們的質量，比一比。

師追問：這個方法可行嗎？

生：拼圖都是用同種材料做出來的，所以比質量的方法是可行的。

師：海洋和陸地的拼圖質量比是多少？（7：3）

通過稱量法，將“面積比較”轉化為“質量比較”，進一步檢驗了海陸面積比的準確性。筆者還提供了海陸面積的資料卡——陸地和海洋的總面積約為5.1億平方千米，其中海洋面積為3.61億平方千米，約占71%，陸地面積為1.49億平方千米，約占29%。學生理解了人們常說的“三分陸地，七分海洋”。

（三）水資源與淡水資源——結構類比

通過“比較海陸面積”的探索活動，學生容易誤認為“地球的水資源極其豐富，所以不用節(jié)約用水”。筆者采取結構類比的方式，告訴學生如果把地球的體積比作一個籃球的話，所有的水集中到一起僅有乒乓球大小，而可直接飲用的淡水資源就只有一粒芝麻大小，進而強化“節(jié)約用水、保護水資源”的意識。

（四）探索太空生命——實質類比

“拓展”部分聚焦人類對外太空的探索——銀河系中是否存在地球以外的生命？水是生命之源，“存在水”這一相似性也成為判定“存在生命”的證據(jù)。此處的類比推理屬于實質類比，既包含類比物（外太空的星球）與對比物（地球）的同一性、差異性分析，又包含“地球有生命的主要原因是地球有生命之源——水”的因果關系。若是該星球不具有“存在水”的證據(jù)，那么負類比的強度遠大于正類比，自然就能推出“該星球沒有生命存在”的結論。反之，則該星球有生命存在的可能性大大增加。這也是“火星上有生命存在的可能性遠大于月球上有生命存在”的原因。

綜上所述，類比推理是一種論證方法。教師要搭建已知事物與研究對象之間的橋梁，運用“豐富表象，夯實類比推理的基礎性；履行程序，凸顯類比推理的嚴謹性；強化論證，評估類比推理的或然性”的策略，促進學生推理論證能力與創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。

參考文獻：

［1］周建武.科學推理：邏輯與科學思維方法［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2020.

［2］葉寶生，王靈華，劉春梅.基于邏輯的小學科學教學設計［M］.長沙：湖南科學技術出版社，2019.

［3］王小燕.科學思維與科學方法論［M］.廣州：華南理工大學出版社，2015.

（浙江省杭州市余杭區(qū)倉前中心小學）