模拟类比推理的教学支架及其应用策略

摘要

由于时空的限制，地理学科的学习在很大程度上都依赖于模拟实验。正因如此，借助模拟实验、利用类比推理的思维方式分析自然地理现象，依然是学生学习的重要手段之一。在探究模拟实验、类比推理的内涵的基础上，提出模拟类比推理“五步式”教学支架（感知原型→建构模型→模拟推演→现象类比→推理解释），并基于人教版地理七年级上册第一章第二节第一课时“地球的自转”相关教学内容开展教学实践研究，以期帮助学生形成对模拟实验、类比推理的全面化、系统化和本质化的认识。

Graphical abstract

关键词

模拟实验 / 类比推理 / 教学支架 / 地球的自转

类比推理是科学研究中的一种重要思维方式，是发挥想象力、突破思维禁锢、建立已知对象和探索未知世界联系的常用手段。在初中地理模拟实验中，师生常利用类比推理的思维方式进行相关研究。但类比推理的思维机制较为复杂，教师在课堂教学中的应用常不得法，造成学生思维上易于产生误区，故而构建类比推理的教学支架成为亟待解决的问题。

1 模拟类比推理的内涵

1.1 模拟实验

在科学探究过程中，有些问题单凭观察难以得出正确的结论，这时就需要通过实验来探究。实验当然离不开观察，但与单纯观察不同的是，实验是在人为控制研究对象的条件下进行的观察。在难以直接拿研究对象做实验时，有时用模型来做实验，即模仿实验对象制作模型，或者模仿实验的某些条件进行实验，这样的实验叫作模拟实验^［1］。

1.2 类比推理

类比推理是日常思维中常用的推理形式之一，又称为类比法或类推法。它是根据两个或两类事物在某些属性上相同或相似，而且其中一个或一类事物还具有另外一个或一类事物的某些属性，由此推断出另一个（或一类）事物可能也具有这些属性的推理^［2］。类比推理的基本逻辑形式为：A事物具有属性a、b、c、d，B事物具有属性a、b、c，通过类比推理推断B事物也可能具有d属性，如图1所示。类比推理不像演绎推理那般严谨，但类比推理能给我们带来更加广阔的创造性思维。类比推理根据推理方法的不同可以分为：正类比推理、反类比推理、合类比推理，以及模拟类比推理。

1.3 模拟类比推理

模拟类比推理是指通过模型实验，根据某个或某类事物的属性和关系，推断出另一个或一类事物也具有该属性和关系的推理。其推理形式为：原型A中，属性a、b、c与d具有R关系。模型B经设计，具有属性a、b、c，所以模型B中，属性a、b、c与d也具有R关系，即通过原型具有原型属性推理出模型也具有模型属性。上述推理形式还可以变换为：原型A具有属性a、b、c，模型B具有属性a、b、c，且实验证明a、b、c与d具有R关系，所以原型A中，属性a、b、c与d也具有R关系，即通过模型具有模型属性推理出原型也具有原型属性^［3］。

在初中地理模拟实验的教学中，上述第二种形式的模拟类比推理被广泛应用于论证天体运动规律的教学中。

例如，在人教版地理七年级上册第一章第二节第一课时“地球的自转”教学中，验证太阳“东升西落”的逻辑形式（图2）为：首先，观察太阳东升西落的现象，引导学生猜想引起该现象的原因；然后，根据猜想提出建模要素“地球”“绕地轴”“自西向东”“自转”并建构模型；接着，利用模型推演并观察、模拟现象；最后，比较模拟现象和自然现象（图3），验证猜想。

总体而言，这种思路以建构模型为基本手段，以模拟实验为推演的基本形式，充分挖掘类比思维方式的价值，从而顺利完成难以直接观察事物的推理论证。

2 初中地理教学中模拟类比推理的教学支架

类比推理作为一种高阶思维活动，其组成成分与内在机制较为复杂，且类比推理并不属于严格的逻辑推理，不恰当使用容易导致学生迷思概念的产生^［4］。因此，在课堂教学中应该建立符合学生认知发展的教学支架，帮助学生突破模拟认知的壁垒，提高教学效率。

在具体的地理课堂教学中模拟类比推理，必须具备5个基本步骤，即：“感知原型→建构模型→模拟推演→现象类比→推理解释”（图4），我们可以称其为“五步式”教学支架。

“感知原型”，就是教师利用视频、观察和体验等有效教学手段，引导学生观察原型的特点、运动规律以及自然现象的教学行为。这个阶段有以下4个任务：①观察原型的特点，分析建模要素，为第二步的模型建构提供建模要素；②体验原型运动和变化规律的特点，为第三步模拟推演提供推演要素；③观察自然现象，为第四步现象类比奠定基础；④根据现象提出猜想和假设，作为教学的起点。

“建构模型”，就是通过对原型特点的观察，总结建模要素，激发学生的思维，对客观事物进行抽象和概括，摒弃原型中事物的非本质属性，引导学生寻找身边和原型属性相似的事物来进行建模活动的教学行为。“建构模型”，能够为第三步模拟推演作好铺垫。

“模拟推演”，就是运用第二步建构的模型，根据事物运行规律总结出的推演要素，并进行模拟推演的教学行为。在模拟推演中，最重要的输出端就是模拟现象，因此在教学中需要引导学生对模拟现象进行正确的观察和记录。

“现象类比”，就是要将自然现象与模拟推演的模拟现象进行比较，寻找两者之间的共同特征的教学行为。其具体要点是：如果自然现象与模拟现象相似或相同，则进入下一环节；如果自然现象与模拟现象不同，则要思考建模过程、模拟过程或者猜想是否正确，以便重新调整后重复上述流程。

“推理解释”，就是找出模拟现象和自然现象的相似性，利用类比推理思维，根据模型运动和变化的特点，推理出自然现象产生的本质原因的教学行为。

3 基于模拟类比推理教学支架的教学实践

“地球的自转”是人教版地理七年级上册第一章第二节第一课时的教学内容，教材中有关于利用“星空视运动”照片推断地球自转的教学内容（图5）。但七年级学生的空间感知和分析能力有限，很难通过相对运动的观念推断“星空绕地球转动”是由地球自转引起的。在实际教学中，践行模拟推理的教学支架，可以降低学生的学习难度，提升学生模型建构和推理论证能力。其具体的教学实践路径如表1所示。

4 教学建议

4.1 深入理解模拟类比推理思维机制

模拟类比推理是类比推理的一种重要形式，也是科学思维中推理论证的重要组成部分。因此，教师需要深入理解类比推理的思维机制，灵活运用模拟类比推理的教学支架，帮助学生掌握类比推理的一般方法。教师切不可走流程式完成类比模拟推理的教学流程，而忽视对学生类比思维的培养。换言之，认识和元认知同样重要。

4.2 重视模拟类比推理中模型建构的过程

选择合适的材料来建构模型是模拟实验的重要环节，教师应该强化学生寻找模型过程的教学，引导学生通过寻找和原型本质属性相似性的事物来建构模型，以逐步提升学生的发散性思维能力。但值得注意的是，一味依靠追求事物表面的相似特点来建构模型，会造成学生思维上的误区，特别是针对抽象模型的建构，更要把握事物的本质属性特征。

4.3 教学中须渗透模拟类比推理的局限性思想

作为一种推理的基本形式，类比推理是一种由特殊到特殊的推理方法，也就是类比推理不如演绎推理那般可靠。尤其是模拟类比推理，有时会因为模型建构的缺陷，造成非本质属性之间的类比，从而产生错误的推理结论。因而，教师有必要向学生渗透类比推理思想的局限性，如课堂教学中可增加学生反思环节，以增强学生类比推理思维的严密性。

4.4 教学中应该设置模拟类比推理的学习进阶

人教版地理教材有十几处利用模拟类比推理的思维方式来进行科学探究的内容，但每处模拟类比推理的难度和要求都不尽相同。因此，教师需要设置类比推理的学习进阶，帮助学生灵活运用类比推理思维解决实际问题。在建模教学的起始阶段，教师应该提供熟悉的器材降低建模难度，同时指导学生进行类比推理。在具备一定能力后，教师可以让学生寻找生活中的材料来建构模型，引导学生进行自主类比推理。此外，教师还应该遵循先建构形象模型、后建构抽象模型的教学原则，逐步提升学生模拟类比推理的应用能力。

当问题接近尾声时才与小船渡河模型类似。比较两个问题的思维历程，可以发现——此问题与小船渡河模型是有区别的，所以学生若一开始就想着模型迁移，就会“有力使不出”。问题可以千变万化，如果车没有在路中央（或靠着马路一侧），问题又该如何求解？通过以上分析，学生自然会知道，本质问题没有改变，求解方法是不变的。不用模型，转化问题，借此培养学生的转化思维，就能让思维与问题达到零距离，促其抓住本质问题，并在顺利求解问题的同时，潜移默化地提升学生的思维与素养。

4　结语

站在转换思维、逆向思维培养的视角，去看以上3个生活化实验问题，从中发现：只要引导学生深入思考，进行思维深挖，就能从根本上助其掌握解决问题的方法。与“模型迁移”相比，学生经历了轻松悟理的体验；而对问题冠以模型，无形当中就给知识、原理穿上了外套，在一定程度上增加了思维与知识（原理）之间的距离。由上述探讨不难发现：脱掉外套，以“思维”育“思维”、以“素养”育“素养”，必将迎来学生思维、素养的春天！

参考文献

[1] 吴以铮，杨力，王永满，等.农业影视佳作选［M］.北京：农业影视出版社，1993.

[2] 姜全吉，迟维东.逻辑学［M］.北京：高等教育出版社，2005．

[3] 张立英.类比的逻辑分析［J］.科学·经济·社会，2023，41（03）：13-26.

[4] 杨华军，史献计.物理教学的类比思维策略［J］.物理教师，2020，41（08）：19-21． （上接第42页）