小學(xué)科學(xué)類比推理的教學(xué)策略
——以教科版《科學(xué)》三年級(jí)下冊(cè)《地球——水的星球》為例

□朱曉倫

在學(xué)習(xí)地球與宇宙的相關(guān)知識(shí)時(shí)，由于觀察障礙較大、實(shí)際體驗(yàn)缺乏、空間想象力較弱等問(wèn)題，學(xué)生很難在頭腦中建立“宇宙中的地球、地球系統(tǒng)、人類活動(dòng)與環(huán)境”等核心概念。對(duì)此，教師可以采用類比推理的思維方法，幫助學(xué)生借助已知的個(gè)別事物認(rèn)識(shí)地球等星體的特征，擴(kuò)大認(rèn)知領(lǐng)域。

一、類比推理的概念、類型與教學(xué)結(jié)構(gòu)

（一）類比推理的概念

類比推理，即運(yùn)用類比的思維方法進(jìn)行推理，借助某些已知的個(gè)別事物，與其他相似的事物進(jìn)行比較，從它們之間已知的共同點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)一步判明它們另一些方面的共同點(diǎn)，從而擴(kuò)大人們的認(rèn)知領(lǐng)域，從對(duì)某些事物的認(rèn)識(shí)過(guò)渡到對(duì)另一些特殊事物的認(rèn)識(shí)［1］。類比推理在兩個(gè)事物間進(jìn)行，作為對(duì)比的對(duì)象稱為對(duì)比物，根據(jù)對(duì)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(chǔ)。

（二）類比推理的類型

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

（三）類比推理的教學(xué)結(jié)構(gòu)

類比推理的教學(xué)分為五個(gè)階段：第一階段，選擇對(duì)比物和類比物，體驗(yàn)感知，積累豐富表象；第二階段，挖掘?qū)Ρ任锖皖惐任镏g的相似屬性或?qū)傩灾g的關(guān)系；第三階段，確定類比關(guān)系的性質(zhì)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(jié)論；第五階段，搜尋更多證據(jù)支撐，評(píng)估類比推理的準(zhǔn)確性，如圖1。

圖1

二、類比推理教學(xué)的邏輯與思維方法

以《地球——水的星球》一課為例，本課的教學(xué)在于落實(shí)跨學(xué)科概念“系統(tǒng)與模型、物質(zhì)與能量”與核心概念“宇宙中的地球、地球系統(tǒng)、人類活動(dòng)與環(huán)境”，圍繞核心問(wèn)題“地球與太陽(yáng)、月球相比有哪些獨(dú)特的地方”，對(duì)地球上的水進(jìn)行探索，在學(xué)習(xí)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(biāo)是利用圖片、模型、地圖等結(jié)構(gòu)性學(xué)習(xí)材料，比較太陽(yáng)、月球和地球的異同點(diǎn)。課堂教學(xué)以“問(wèn)題鏈”與“活動(dòng)鏈”雙鏈為驅(qū)動(dòng)展開(kāi)，四個(gè)活動(dòng)環(huán)節(jié)均運(yùn)用了類比推理的思維方法（如圖2）。

圖2

教學(xué)伊始，筆者先點(diǎn)明核心問(wèn)題“地球和太陽(yáng)、月球相比有哪些獨(dú)特的地方”，對(duì)應(yīng)活動(dòng)1的“三球類比”，引導(dǎo)學(xué)生類比太陽(yáng)和月球，對(duì)地球的表面情況進(jìn)行分析，最后概括三者的異同。延伸問(wèn)題1“怎么證明地球是水的星球”和延伸問(wèn)題2“地球上的水資源豐富，為什么要節(jié)約用水”旨在引導(dǎo)學(xué)生深入研究地球表面的水體類型和海陸關(guān)系，讓學(xué)生運(yùn)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(guān)系的特點(diǎn)，樹(shù)立保護(hù)水資源與地球家園的意識(shí)。拓展問(wèn)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(jié)果本身具有或然性［3］，需要對(duì)對(duì)比物與類比物的已知共有屬性和新屬性進(jìn)行評(píng)估與質(zhì)疑，并搜集更多證據(jù)來(lái)佐證，體現(xiàn)類比推理的嚴(yán)謹(jǐn)性。

三、教學(xué)環(huán)節(jié)中類比推理的教學(xué)策略

（一）三球類比——屬性類比

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

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

圖3

（二）比較海洋與陸地面積大小——結(jié)構(gòu)類比

比較海洋與陸地面積大小存在兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：①學(xué)生不會(huì)在球面上進(jìn)行測(cè)量；②學(xué)生難以對(duì)海洋和陸地這種不規(guī)則圖形進(jìn)行測(cè)量。對(duì)此，教師可以借助類比推理加以突破。

1.提供對(duì)比物，奠定類比推理的基礎(chǔ)

對(duì)經(jīng)驗(yàn)表象較為缺乏的小學(xué)生來(lái)說(shuō)，前期對(duì)比物的鋪墊是十分重要的。教師要幫助學(xué)生完成“立體地球儀—平面地圖”的轉(zhuǎn)化，具體可以借鑒數(shù)學(xué)中圓的面積公式S=πr2的推導(dǎo)方法，將地球儀模型的表面展開(kāi)，形成展開(kāi)圖，再將其轉(zhuǎn)化成合在一起的燈籠形地圖，最終形成長(zhǎng)方形地圖（如圖4）。

圖4

【教學(xué)片段1】

教師出示長(zhǎng)方形、五邊形和六邊形三個(gè)圖形。

師：請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察，比一比，這三個(gè)圖形誰(shuí)的面積大？誰(shuí)的面積?。?/p>

生：把圖形里小格子的數(shù)量加起來(lái)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(gè)方法比較，誰(shuí)的面積大？誰(shuí)的面積?。?/p>

生：長(zhǎng)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(zhǎng)方形面積。

“怎么比較幾何圖形大小”這個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題的解決，為學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)，學(xué)生從中學(xué)到：可以采用類比推理的方式來(lái)比較海洋和陸地的面積。此處，類比物即為“海洋”和“陸地塊”，對(duì)比物與類比物的共同特征為“均具有面積”，對(duì)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(xué)生展開(kāi)類比推理。該階段運(yùn)用的類比推理屬于結(jié)構(gòu)類比。

2.討論測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)面積比較的量化

筆者將世界地圖等分為100個(gè)小格，每一個(gè)小格不是標(biāo)準(zhǔn)的正方形，而是略扁的長(zhǎng)方形，便于后面進(jìn)行比較（如圖5）。通過(guò)定性觀察，學(xué)生普遍認(rèn)為：陸地面積小、海洋面積大；應(yīng)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)”。

圖5

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(jì)數(shù)方法，即陸地面積超過(guò)一半算一格，不好判斷時(shí)則借助輔助線，簡(jiǎn)化活動(dòng)難度，保證操作的有效性。

【教學(xué)片段2】

師：用什么方式可以數(shù)得又快又準(zhǔn)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(shuí)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(guò)討論，學(xué)生對(duì)測(cè)算法達(dá)成了共識(shí)，這是比較地表海陸面積占比的關(guān)鍵。

3.測(cè)算海陸塊，認(rèn)識(shí)“百份—十份”的轉(zhuǎn)化

學(xué)生先基于前期達(dá)成共識(shí)的測(cè)算方法確定陸地面積的格數(shù)，再通過(guò)“100-陸地面積的格數(shù)”計(jì)算出海洋面積的格數(shù)，這時(shí)，學(xué)生的測(cè)算結(jié)果基本一致。學(xué)生通過(guò)數(shù)格子，發(fā)現(xiàn)陸地面積占29 格；經(jīng)過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)海洋面積占71格。在得到百分比的關(guān)系后，筆者繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“百份—十份”的轉(zhuǎn)化。如果將地球的一百份轉(zhuǎn)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(xué)片段3】

師：我們看黑板上的結(jié)果。這個(gè)是陸地面積，這個(gè)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(lái)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(yàn)證海陸比，評(píng)估類比論證的結(jié)果

類比推理得到的結(jié)論需要尋找更多的證據(jù)來(lái)支撐，由此才能對(duì)類比結(jié)果進(jìn)行質(zhì)疑、評(píng)價(jià)、論證，以體現(xiàn)類比推理的嚴(yán)謹(jǐn)性，形成邏輯閉環(huán)。

【教學(xué)片段4】

師：除了數(shù)格子的方式以外，還有沒(méi)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(lái)，稱一下它們的質(zhì)量，比一比。

師追問(wèn)：這個(gè)方法可行嗎？

生：拼圖都是用同種材料做出來(lái)的，所以比質(zhì)量的方法是可行的。

師：海洋和陸地的拼圖質(zhì)量比是多少？（7：3）

通過(guò)稱量法，將“面積比較”轉(zhuǎn)化為“質(zhì)量比較”，進(jìn)一步檢驗(yàn)了海陸面積比的準(zhǔn)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(xué)生理解了人們常說(shuō)的“三分陸地，七分海洋”。

（三）水資源與淡水資源——結(jié)構(gòu)類比

通過(guò)“比較海陸面積”的探索活動(dòng)，學(xué)生容易誤認(rèn)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(jié)構(gòu)類比的方式，告訴學(xué)生如果把地球的體積比作一個(gè)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(jìn)而強(qiáng)化“節(jié)約用水、保護(hù)水資源”的意識(shí)。

（四）探索太空生命——實(shí)質(zhì)類比

“拓展”部分聚焦人類對(duì)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(shí)質(zhì)類比，既包含類比物（外太空的星球）與對(duì)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(guān)系。若是該星球不具有“存在水”的證據(jù)，那么負(fù)類比的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于正類比，自然就能推出“該星球沒(méi)有生命存在”的結(jié)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(yuǎn)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(duì)象之間的橋梁，運(yùn)用“豐富表象，夯實(shí)類比推理的基礎(chǔ)性；履行程序，凸顯類比推理的嚴(yán)謹(jǐn)性；強(qiáng)化論證，評(píng)估類比推理的或然性”的策略，促進(jìn)學(xué)生推理論證能力與創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。