科学思维中归纳法的内涵与教学实现
张懿 郭晓丽
摘要：归纳法是科学课程核心素养中科学思维的重要组成内容，其在小学科学教学的应用非常普遍。准确理解归纳法的概念内涵与分类，结合具体教学实例，论述归纳法在小学科学教学中的实现，得出归纳法在小学科学教学中的四个实践步骤：聚焦新异情境，提出科学问题；制订实验计划，获取事实证据；运用归纳方法，形成集体共识；解释新异情境，检视反思交流。
关键词：小学科学；科学思维；归纳法；归纳推理
科学思维在科学课程核心素养中占据核心地位，科学思维的培养对促进学生形成适应个人终身发展和社会发展需求的思维方式具有奠基作用。《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出，科学思维是指从科学的视角认识科学事物的本质属性、内在规律及相互关系的方式，包括模型建构、推理论证、创新思维三个方面。将推理论证进一步细分，又可以分为“归纳与演绎”等思维方法。在小学科学教学中，“归纳与演绎”是基本的科学思维方法，本文以归纳法为抓手，以内涵分类指导教学，提升学生的科学思维水平。
一 归纳法的内涵与分类
从逻辑学的理论看，归纳法是从一个或多个已知的事实证据出发，推理概括出一般性科学概念或原理的思维方法。这里的“概括”是指，把多种事物与现象的共同特征或关联抽象出来，从具体的、个别的观察和经验，逐步上升到对同类事物的整体的一般性认识，建立普遍认识或一般原理的过程。关于归纳的方法，英国哲学家约翰·穆勒（John Mill）提出“穆勒五法”，分为求同法、求异法、求同求异共用法、共变法、剩余法五个类别。
求同法是指考察出现某一被研究现象的几个不同场合，被研究现象出现时，某一因素总是存在，则认为这一因素与被研究现象之间存在因果关系。求异法是指比较某现象出现的场合和不出现的场合，某一现象随着某一因素的出现而出现、消失而消失，则认为这一因素就是这一现象产生的原因。将求同法和求异法相结合，便形成求同求异共用法。该方法强调通过相反现象的比较，在小类（因素）中求同，在大类（现象）中求异，最终推理出影响现象的因素。共变法是指场合中的其他因素保持不变时，改变某一因素，某一现象随之改变，则判断发生改变的因素是影响这一现象的原因。剩余法是指在某一复合场合中的多种现象与多种因素之间存在一一对应的影响关系时，已知复合情况中某一部分因素是被研究的部分现象的原因，那么剩余的因素可能是导致剩余现象的原因。
按照考察的对象是否为某类事物的全部，归纳法可分为完全归纳法和不完全归纳法。科学领域的研究多为不完全归纳，其中又以列举归纳法、典型归纳法、一般归纳法最为常见。列举归纳法以列举若干事例为基础，根据一类中的部分对象具有某种属性，进而推断该类对象都具有某种属性。典型归纳法是专门针对难以进行全部或大量列举的情况而提出，这种方法要求从一类事物中选择一个标准作为典型，对它进行考察，然后将其显示的某种属性概括为同类其他个体的共有属性。
当研究的对象由个到类时，通过观察和分析多个具体、个别的事物或现象，找出它们之间的共同特征或规律，从而推导出一般性的结论或规律，归纳的过程就逐渐由典型归纳、列举归纳发展为一般归纳。一般归纳法是一种由个别到一般的推理方法。一般归纳法的应用要依托典型归纳和列举归纳，典型归纳、列举归纳的可靠性决定了一般归纳的可靠性。这也正体现了“穆勒五法”得出结论的或然性，即只能提供因果关系的可能性，而不能提供必然性的证明。这是因为归纳推理本身是基于有限观察得出的结论，无法涵盖所有可能的情况。
在小学科学教学中，各类归纳方法的应用十分广泛，学生通过参与探究实践活动，在活动中基于科学事实进行归纳推理，从而得出科学概念或原理，逐步形成科学观念。
二 归纳法的教学实现
科学思维的培养要以具体的探究实践活动为载体，从科学思维的理论认识过渡到教学实践，其关键一步就是参照学生认知发展规律把握学生思维的动态变化过程，这种思维的动态变化具有明确的目的性，即解决一定的科学问题。从动态变化的视角来看，科学思维就是以科学问题为起点，以科学问题解决为探究实践任务，以得出科学概念或结论为阶段性目的的思维活动，这体现了科学教学中科学思维发展的顺序。
关于思维发展的顺序，杜威提出“思维五步法”，认为思维的动态发展一般遵循创设问题情境、提取问题内容、提出问题假设、设计解决方案、实验检验假设五个步骤。本文借鉴杜威提出的“思维五步法”，在小学科学教学中进行转化迁移。通过整合简化，初步形成了归纳法的教学步骤。
以“磁极间的相互作用”一课为例，介绍围绕归纳法展开的具体教学实践。需要注意的是，在科学思维的教学实现中，四个环节并非一成不变，而应根据教学实际进行有针对性的调整。
（一）聚焦新异情境，提出科学问题
归纳法的教学实现要以科学问题的提出为起点，而科学问题又寓于具体的情境之中。因此，科学思维教学依赖适切的问题情境。根据对小学生的知觉特性的研究，新异刺激、对比刺激、明显刺激更容易被学生优先选择。为此，在教学导入部分，教师要充分了解学生的原有认知水平，关注原有认知中普遍存在的前概念，将科学问题通过新异刺激、对比刺激或明显刺激等直观现象表现出来，进而引发认知冲突，推动科学学习。
在“磁铁”单元的学情调研中，教师发现，大多数学生对磁极间的相互作用规律有一定了解，知道相同磁极间的相互作用规律与不同磁极间的相互作用规律是不同的，但对于“磁极间”的前提要求理解尚不充分，比如很多学生认为，用磁铁的不同磁极靠近铁制小车，也会出现吸引或排斥等不同现象。在单元前几课的学习中，这一错误认知被纠正，学生通过实验发现，当磁铁不接触小车时，无论哪一个磁极靠近物体，磁铁都只能用磁力将小车吸引过来。那怎样才能用磁力把小车推出去呢？导入部分，教师就利用“磁铁不接触小车，无法将小车推出去”这一原有认知建立新异刺激，在原有材料基础上将实验材料进行改装，在小车下方隐蔽处吸附一块条形磁铁，同时用白纸将原有条形磁铁包裹起来，隐藏南北极的颜色和字母标识，作为小车行进的“指挥棒”。演示中，学生发现，教师调整“指挥棒”的方向，顺利完成了“将小车推出去”的任务，这一现象与原有认知形成对比刺激，学生结合推理和验证，发现小车下方的条形磁铁，进而聚焦到“磁极间的相互作用有什么规律”这一科学问题上。
（二）制订实验计划，获取事实证据
制订实验计划是学生面对解决科学问题的现实需要，充分激活元认知能力之后，调动、匹配原有认知中的思维方式，尝试为科学问题寻求解决办法的行为反应。实验计划能为获取事实证据提供可操作的步骤，进而为经由思维加工建立新认知提供可能。
选择合适的实验方法是确保实验计划可行性的重要前提。在小学阶段，学生只需在具体的探究实践活动中体验和经历归纳法等思维方式，在问题解决的过程中按照相关的思维方式循序制订并完善实验计划。为此，本课教学中，教师不必硬性指出或要求学生说出归纳法的内涵，而要引导学生对研究问题进行准确拆解，并逐步完善实验计划。关于“磁极间的相互作用”，学生很容易从研究问题中提取出“磁极间”和“相互作用”两个关键词，其中，“磁极间”揭示出每组实验要准备至少两块磁铁的材料需求，“相互作用”揭示出要人为控制两个磁极相互靠近的操作要领。两块磁铁的磁极相互靠近，会出现四种不同的排列组合情况，也就确定了实验中的操作顺序。
让两块条形磁铁的磁极相互靠近，对不同的排列组合分别进行重复实验，基于观察初步利用表格、画图记录并整理数据，可以得到有关磁极间相互作用的事实证据。此处首先选择形状相对规则、比较常见的条形磁铁，思维立意正是采用了典型归纳法。有学生补充说，不同形状的磁铁磁极间的相互作用规律可能存在差别，仅选用条形磁铁进行实验，在样本选择上具有局限性，建议列举出更多常见的磁铁，如蹄形磁铁、环形磁铁等，还可以将不同形状的磁铁混合进行排列组合，逐一实验，这又涉及了列举归纳法。将条形磁铁、蹄形磁铁、环形磁铁的实验数据进行比较分析，实质上是对磁极间相互作用的由个别到类的研究，这样由个别到一般的研究方法，又上升到了一般归纳法。以典型归纳法的应用为基础，经由列举归纳法逐步扩充样本类型，获取更加全面的事实证据，便形成了对磁极间相互作用规律的一般性认识，即学生初步建立了本课的科学概念。
（三）运用归纳方法，形成集体共识
学生通过观察得到有关磁极间相互作用的事实证据后，要结合实验记录单对信息进行归纳推理。小学阶段的归纳推理中，最常用的为求同归纳法。求同归纳法的核心是提取一类事物或现象中的相同条件，要以比较和分类思维为前提。
本课中，学生观察到：磁铁的北极和北极靠近时相互排斥，磁铁的南极和南极靠近时相互排斥，磁铁的南极和北极靠近时相互吸引，磁铁的北极和南极靠近时相互吸引。对于这四组事实证据，学生可以通过比较和分类逐步完成求同归纳。一是对影响因素的比较和分类，北极和北极、南极和南极都属于相同磁极，北极和南极、南极和北极属于不同磁极。从影响因素上看，可以按照磁极是否相同分为两类。二是将实验现象进行比较和分类，也就是按照相互排斥或相互吸引，将四组事实证据又分为两类。这样，影响因素与现象之间呈现出更高的概括性和关联性，学生将分类后的影响因素与现象相匹配，可进一步求同归纳，得出磁极间相互作用的规律，并通过实验发现其他形状的磁铁也存在这样的规律（如图1所示）。
本环节中，学生通过集体论证实现学伴间的思维互补与交流共享，完成连续的信息加工与处理过程，通过求同归纳法不断从事实证据中抽象概括，形成更具有普遍意义的科学概念，即形成集体共识。这样，学生对“磁极间的相互作用”认识更加系统，在亲历完整的问题解决过程中，逐步建立起关于典型归纳法、列举归纳法、一般归纳法的新认知。
（四）解释新异情境，检视反思交流
从初步体验一种思维方式，到内化为能够熟练应用于解决问题的方法，要经历反复的变式训练和多种思维方式的综合应用。变式训练中，可以将已有的思维方式应用于新问题或新情境，实现高阶认知中基于元认知能力的转化创造，也可以结合逆向思维，引导学生由一般现象出发推导出个别事实，这就又涉及演绎法的应用。现有关于科学思维的研究中，归纳和演绎常常成对出现。归纳法由个别到一般，注重通过抽象概括得出基于客观事实的推论，演绎法由一般性原理解释个别现象，注重通过推断预测将具体现象进行归因。由归纳法向演绎法的思维发展，也体现着思维的变式训练。
在学生利用归纳法依据具体的形象化事实证据得出磁极间的相互作用规律后，教师引导学生对情境中观察到的现象进行解释，这一过程就是将演绎法作为归纳法的逆向变式，体现着抽象思维对于形象思维的验证性。在用科学概念解释已知的实验结果时，可能会出现错误，这便体现了科学的可证伪性，完善学生对科学研究的整体认识。如在学生指出“指挥棒”能推动小车是利用了相同磁极相互排斥的原理时，教师可以顺势请学生拆开“指挥棒”外侧包裹的纸张。拆开后，学生会发现，“指挥棒”内并非一个完整的条形磁铁，而是一块断的磁铁，这会引发学生产生新的思考。在此过程中，学生用原理解释现象，并判断“指挥棒”结构的过程就用到了演绎法，也就是演绎推理。而推理的可错性，促进了学生内生探究动机，引导学生进一步修正判断结果或寻找更能满足事实证据的科学概念。
反思是提升科学思维水平的关键，对应高阶认知中的审辨判断。学生要在探究后对实验的全过程进行反观与检视，将具身的探究实践体验反思内化为思维活动发展的组成部分。学生可以结合原有的知识经验对下一步要开展的探究实践活动进行研讨计划，对整个探究实践过程进行有效调控，以发现的问题促进下一步研究问题的提出，进而深化对科学概念的理解，提升科学思维能力。
三 科学思维教学的深化策略
科学思维的教学实现应在长期的实践中不断夯实。一方面，不同课时中蕴含着多种类别的科学思维，科学思维的发展要在长期的科学学习中不断丰富。以“磁铁”单元教学为例，以能否被磁铁吸引为标准将物体进行分类，涉及求同求异共用法，按照标准分为两类属于大类求异，抽象概括出“磁铁能吸引铁、镍、钴一类物体”属于小类求同。选用条形磁铁，借助回形针和铁粉盒等材料将肉眼看不见的磁力的大小转化为可观察的现象，进而比较磁铁不同部位的磁力大小，用到了典型归纳法、转化法。轻轻转动多种不同形状的磁铁，观察磁铁静止后两端指向的方向，推断磁铁具有指示南北的特点，用到了列举归纳法和求同归纳法。用箭头表示磁极之间的相互作用，属于将外显现象抽象化，属于基于符号表征发展抽象思维。
另一方面，后续学习中归纳法还会反复出现，要持续关注学生高阶认知能力的发展，引导学生将习得的科学思维应用于新情境、新问题。如后续研究计时工具，归纳发现日影、燃香、水钟、摆都利用了具有周期性运动规律的事物可以用来计时的原理。研究声音的产生，观察到鼓面振动、水的波纹、米粒跳动等现象，归纳得出声音是由振动产生的。
随着科学学习的推进，学生将掌握更多的思维方式，并在将科学思维具体应用于各个科学领域的过程中，逐步完善认知世界的方式：综合分析各种事实证据，对研究问题进行描述拆解和推断论证，学会为解决真实、复杂的情境问题选择合适的思维方式，设计解决办法的能力。经过这样的思维训练，当学生面对某一类特定问题时，会本能地产生一种应对的思维方式，这种思维方式逐渐地内化于心，将产生超乎科学思维本身的教育价值，成为认识世界的重要工具。