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逻辑思维促进高中生物理科学思维的形成策略

范文

黄巧曦

摘要科学思维是物理学科核心素养之一，而落实科学思维培育的重点之一可放在逻辑思维能力的培养上：以高中物理教学内容为载体，把归纳与演绎、分析与综合、抽象与概括等逻辑思维方法融入物理课堂教学中，并注重适时运用比较、因果、递推、逆向等逻辑思维方法，予以不断重复再现，促进学生的逻辑思维能力螺旋上升，确保科学思维素养培育落地。

关键词高中物理;逻辑思维;科学思维;素养培育

《普通高中物理课程标准（2017版）》把科学思维确定为物理课程四个核心素养之一，并对科学思维教育提出了更高的要求。[1]发展学生的科学思维素养，从物理教学的操作层面，可在落实逻辑思维能力的培育上下功夫。

一、逻辑思维促进高中学生物理科学思维的形成机制

（一）逻辑思维是培育科学思维的核心

《中国高考评价体系》把思维方法划分为科学思维、人文思维和创新思维。科学思维又包含逻辑思维和非逻辑思维。于高中物理教学来说，发展学生的逻辑思维是培育科学思维的核心。上海辞书出版社出版的《辞海》（1989年版）把“逻辑”解释为思想、思维、理性等含义;“思维”是以概念、范畴为工具去反映认识对象的。[2]因此，逻辑思维是借助概念、判断、推理等去反映和表达认识对象、揭示事物本质的过程，具有抽象性。在教学中要抓住逻辑思维的特点，以抽象的概念、判断和推理作为思维的基本形式，以分析、综合、比较、抽象、概括和具体化作为思维的基本过程，引导学生揭露物理现象的本质特征和规律性联系。[3] 学生经历逻辑思维方法训练的过程，逐渐获得逻辑思维能力。

（二）物理观念和科学探究是发展逻辑思维的基础

任何科学思维的培育过程都离不开物理观念、科学探究等核心素养的支撑。伽利略对理想斜面的推理，一定离不开他关于物体间相互作用和物体运动的知识积累。学科基础知识既是学科思维的原材料，也是为逻辑思维提供根本保证。课堂上引导学生观察、猜想、实验、分析、综合、比较、抽象和概括等教学活动，都是通过发展学生的逻辑思维来促进科学思维能力的提升。让学生逐步学会用归纳、演绎和类比进行逻辑推理，并能准确地运用物理术语，合乎逻辑地阐述自己的思想和观点，是科学思维培育的主要目标。因此，课堂教学中必须以物理观念为载体，通过科学探究逐步发展逻辑思维。

（三）科学态度确保逻辑思维的规范性

科学态度与责任是高中物理学科核心素养之一，为逻辑思维的规范性提供了保证。科学态度与责任是创新人才最显著的人格特征之一，科学本身就具有实证性、客观性、普遍性等精神要素，在科学探究中既要敢于质疑创新、挑战权威，又要通过规范而严密的逻辑分析、理性思考，尊重数据、尊重逻辑、尊重事实。

二、逻辑思维促进高中学生物理科學思维的形成策略

（一）领悟归纳与演绎的思维方法

1.演绎是科学认识中一种重要的方法。通常把演绎推理划分为大前提、小前提和结论三部分组成。大前提是已知的普遍原理，小前提是研究的特殊情形，结论就是把特殊情形归结到普遍原理之中得出的新知识。例如图1所示的实例：

从这三部分可以看到，演绎推理的前提是普遍原理，推出的结论是特殊规律，表现出一般中概括了个别，个别中包含了一般。所以，演绎推理揭示了个别和一般的必然联系，只要前提正确，推理合乎逻辑，那么结论也就是正确的。正负电子转化为光子的发现就是通过演绎推理作出科学预见的。在唯心主义者看来，正反粒子相遇湮灭是物质被消灭，而坚持唯物主义思想的物理学家们却坚信，物质和能量守恒定律适用于任何物质形式或任何能量转换，正负电子湮灭将转化为另一种能量形式——辐射出光子，这一运用演绎推理得出的规律后来被实践证明是正确的。

2.归纳是演绎的基础。归纳是在获得大量的观测数据之后，得出物理规律必须经历的过程。第谷留给开普勒最宝贵的财富不是宫廷数学家职位，而是大量的天体观测资料。开普勒正是利用第谷的观测数据，经过长期艰苦的归纳，最后提出著名的行星运动三大定律。牛顿是在开普勒归纳得出行星三大定律的基础上，在运用牛顿运动定律，演绎得出万有引力定律。要从许多观测数据中归纳出结论，本身又要用到其他由演绎得到的知识，因此演绎又是归纳的前导。

科学的真理是归纳和演绎辩证统一的产物。在高中物理教学中，要充分引导学生从实验测量数据中归纳得出结论，也要让学生经历由牛顿运动定律演绎得出动能定理和机械能守恒定律、动量定理和动量守恒定律，切实把归纳和演绎的思维方法培养落到实处。

（二）掌握分析与综合的思维方法分析是从事物各个部分、不同侧面及各种属性分别加以研究，是完整认识事物的必由之路，更是研究复杂问题的重要方法。如某一材料的特性通常有密度、硬度、导电性能、导热性能等等，人们只能对其逐一进行研究。再如，某物体从斜面上下滑，经过一水平地面后冲上另一斜面的运动。对于运动全过程来说是一复杂的运动，如果根据物体受力的不同把运动分解为若干阶段，分别对每一阶段进行研究，问题就容易获得解决。

综合是把事物的各个部分、不同侧面及各种属性根据内在联系有机地统一为整体，从而掌握事物的本质和规律。例如，探究电磁感应规律，高中教学通过不同的方式产生感应电流，如图2所示，从而综合得出电磁感应定律，使学生认识电磁感应的本质。

在分析的基础上综合，在综合的指导下分析，二者是相互渗透和转化。如在光的研究历史中，以牛顿为代表的光的“微粒说”就是分析光的直线传播、光的反射、光的折射后综合得出;以惠更斯为代表的光的 “波动说”则是分析光的干涉、光的衍射现象等现象后综合得出的;由于光具有跟水波类似的性质，光的微粒说无法解释，在人们测出各种光的波长，并提出光的电磁理论后，人们才确信光是一种电磁波;但是，光电效应的发现又无法用光的波动说解释，于是又提出了光子说。最后人们把这些综合起来，提出光具有波粒二象性。当然，这里的“粒子说”已经不再是早期的 “微粒说”。人类对光的本质的认识，充分体现了分析与综合循环往复，推动人们认识的深化和发展。一般来说，科学论断都是经过分析与综合得出的结果。

（三）重视抽象与概括的思维过程

抽象与概括都是揭示一些具有共同属性事物的本质意义的思维活动。抽象是将客观事物的一般的、本质的属性抽取出来的思维方法;概括是指把个别事物抽象出来的本质属性相连接，将同类事物的共同属性进行归结统整的思维方法。

物理学中的抽象是人们对大量物理现象、物理实验的观察、测量的基础上，对这些观测资料通过加工处理，从中抽取出共同的、本质性的特征，形成概念、判断、推理等思维形式，反映事物的本质和规律。如研究一辆客车的直线运动时，当我们研究车厢上各部分的运动，就会发现它们具有相同的运动特征。在此可以把客车抽象为一个点，即一个没有形状、大小而集中全车质量的一个点，得到了“质点”的概念。有了质点的概念，使得许多研究对象被大大简化。质点是高中物理运动学和动力学中的重要概念，是高中学生遇到的第一个抽象概念，教学中要有意识地向学生介绍这一科学抽象的方法。让学生学会抓住问题中物体的主要特征，简化对物体的研究，把实际物体看作一种理想化模型。

概括是由小范围认识上升到大范围认识，由某一领域认识推广到另一领域认识的思维方法。例如，人们从许多物体的运动中，概括出匀速直线运动和匀变速直线运动等理想过程模型。物理教学应充分利用教学内容的载体，让学生充分加以理解和感悟。

（四）重现常用逻辑思维方法

相对上述逻辑思维的主要方法外，在具体问题的解决中常用的逻辑思维方法，如比较、因果、逆向和递推等，教学中应予以重复再现，让学生经常接触到这些逻辑思维方法，促进学生的逻辑思维能力螺旋上升。

比较逻辑思维。根据比较的对象有同类事物之间的比较，如光的衍射与光的干涉、伏安法测电阻的电流表内接与外接等同类事物的比较;有不同类事物之间的比较，如电场性质与磁场性质、电容与电感等不同类事物的比较。按比较形式又可划分为求同比较和求异比较，如库仑力与万有引力的相同点比较和不同点比较。因果逻辑思维。这是由原因推理结果的思维方式，其基本逻辑是：因为A，所以B。这种因与果的关系中，原因 A 在前，结果 B 在后。物理教学有许多因果逻辑思维的教学载体，包含有：一因一果，如弹簧受到拉力一定伸长;多因一果，如一定质量理想气体的体积和温度共同决定了它的温度，再如物体所受的合外力F和物体的惯性（质量）m决定着该物体运动的加速度a，即内因和外因共同决定着事物的发展;⑷一因多果，如外力的作用使物体的形状发生改变，又会使物体的运动状态发生变化;多因多果，如较为复杂的物理问题往往属于此类关系。高中物理教学中让学生经历各类型的因果关系逻辑思维，有利于促进辩证唯物主义思想的形成。逆向逻辑思维。逆向逻辑思维与因果逻辑思维恰恰相反，逆向逻辑思维是由结果反推原因。高中物理教学中的逆向逻辑思维不乏其例，如英国物理学家法拉第的两大发明均是由逆向思维而引发： 1820年奥斯特发现了通电导线能够让磁针转动，即电流的磁效应后，法拉第从中得到了啟发，认为假如磁铁固定，线圈就可能会运动。根据这种设想， 1821年他成功地发明了第一台使用电流将物体驱动的装置，装置虽然简单，但却是世界上第一台电动机;同样是法拉第，他受德国古典哲学中的辩证思想影响，提出既然电可以产生磁，那么磁也应该能产生电，认为电和磁之间必然存在联系并且能相互转化。经过近 10年的不断努力，到1831年终于用实验揭开了电磁感应定律，并发明了圆盘发电机，人类从此走进电气化时代。递推逻辑思维。这是按因果关系或层次关系进行一步步的推理思维，形成一个因果关系链。在高中物理电学领域的电路变化问题分析中，就常常需要这样的递推逻辑思维。如图3 所示，当滑动变阻器的滑动片 P 向上移动时，引发电路各电表示数变化的推理分析。这里递推逻辑的起点就是滑动变阻器的滑动片P向上移动，递推的逻辑顺序是：滑动片P向上移 -滑动变阻器接入电路的电阻R2增大一根据并联电路特点R2和R3并联的电阻值变大-电源的外电阻增大—由闭合电路欧姆定律可知干路电流 I 减小- 通过电阻 R1 的电流 I1 减小 -电路 ab 两点间的电压增大（电压表的示数增大） -通过电阻 R3 的电流 I3 增大（电流表的示数增大）。

三、结语

逻辑思维是科学思维的重要组成部分，也是科学思维的基础。在《中国高考评价体系》中，科学思维作为思维方法下的二级指标，其指标表现明确要求“采用严谨求真的，实证性的逻辑思维方式应对各种问题”。[4]要求在学科课程的实施中，引导学生运用抽象与联想、归纳与概括等思维方法来组织、调动相关的知识与能力，解决生活生产实践中、学习探索情境中的各种物理问题。因此，高中物理教学应努力挖掘逻辑思维教育素材，并精心设计教学认识过程，以确保有效培育学生的逻辑思维能力，促进学生的物理学科素养发展。

参考文献：

[1]????????? 教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：5-6.

[2]????????? 辞海编辑委员会.辞海（1989年版）[M].上海：上海辞书出版社，1990：1890.

[3]????????? 林明华.高中物理教学中科学思维教育的落实[J]. 物理教学探讨，2018，36（10）：1-4.

[4]????????? 教育部考试中心.中国高考评价体系[S].北京：人民教育出版社，2019：19-22.

责任编辑：周志平）

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