科学逻辑学是一门以自然科学认识活动为研究对象的逻辑学分支学科，它主要研究科学活动的模式、程序、途径、手段及其规则等，对人类的科学探究活动有着重要的指导意义。长久以来，我们只是在教学论的层面研究科学探究，由于没有以科学逻辑学为指导，对科学探究的本质认识不到位，出现了一系列教学问题，严重影响了科学探究教学的高水平实施。因此，如何基于科学逻辑进行教学是广大科学教师必须思考与解决的一个重要命题。笔者以苏教版小学科学三年级上册“声音的产生”为例，从科学逻辑视角分析当前探究教学存在的问题，并探索教学改进方案。
1 科学逻辑学教学中存在的问题
1.1 一个被混淆的概念
观察和实验是科学认识活动最基本的方法，是科学探究中研究者获取事实经验的重要手段。当前探究教学存在的一个重要问题就是将观察和实验混为一谈，无视科学实验应有的概念内涵。以本课教学为例，许多教师会将观察直尺、皮筋、鼓面等物体的振动这一探究实践称为实验。但它真是实验吗？显然不是！科学逻辑学对观察和实验有着明确的概念界定：观察是指人们有目的、有计划地利用感官去认识自然界中各种现象的活动，它是人们获得经验知识的方法。它包括自然观察和实验观察两大类。其中，自然观察是指人们对自然界的现象不作任何变革而进行的一种观察，其特点是在自然发生的条件下考察对象。而实验是指人们根据科学研究的任务，运用一定的仪器、设备等物质手段，对被研究对象进行积极的干预，通过变革和控制被研究对象，以便在最有利的条件下对它们进行操作的一种观察
［1］。因此，实验是一种特殊的观察方法：一方面，它具有变革或控制研究对象的主动性，可以排除一些偶然的或次要的因素，使被研究对象的本来面目暴露得更加清楚；另一方面，在实验中必须同时使用观察方法，只有这样才能获得各种科学事实。可见，虽然观察和实验之间存在包含关系，但并不是实验包含观察，而是观察包含实验。
上面的这一探究实践只是让直尺、皮筋、鼓面等物体自然发声，同时让学生观察它们发声时的一些状态，不需要借助仪器、设备等物质手段对研究对象施加改变和控制。教材对这一活动的描述是“观察并描述物体发声时的状态”，可见，教材对它的定位仅是观察，而非实验。因此，这个环节应属于自然观察，而不属于科学实验。因为概念混淆，致使“让学生在探究中理解探究”这一目标难以落实。同时，因为概念混淆，致使学生分不清何谓观察和实验，不能合理运用科学方法探索未知，使探究活动缺少科学性。
1.2 一个被固化的流程
对于科学探究很多人通常有这样的误解，认为科学探究必须遵循“提出问题→作出假设→制订方案→搜集信息→处理信息→作出结论→表达交流→评价反思”这种流程，或大致遵循。事实上，研究的问题不同，科学探究的流程不同。例如，科学家对基本粒子的研究就有两种不同的路径。1931年，美国物理学家安德森通过观察来自宇宙空间的高能粒子流搜集信息，发现正电子的存在。这一探究过程就是提出问题→观察发现→作出结论；另一种研究路径是用高能加速器把带电粒子如电子、质子加速到很高速度，然后有意识地通过人为干预——碰撞，同样可以产生大量新粒子，推导出正电子的存在。这一探究过程是：提出问题→呈现模拟实验方案→采集并分析数据→作出结论。
由上述案例可见，具体的探究实践是复杂的、多样的、动态的，对探究教学的组织不能机械地照搬科学探究教学的一般流程，我们需要对每一个探究活动的研究逻辑进行科学的分析，研究面对不同的问题科学家会如何去探究。不去研究科学家如何探究，又如何实现“让学生像科学家一样探究”？一些教师在组织探究教学中总是机械地按“问题、假设、实验、总结”的流程推进，忽视了探究实践的多样性和复杂性。
例如，在本课中，提出“声音是怎样产生的？”这一问题后，许多教师这样组织科学探究的流程：提出问题→作出假设→设计实验→采集信息→处理信息→作出结论。这样教，看起来是大致按科学探究流程展开的，但它符合科学逻辑吗？通过观察本课教师会发现，学生在作出假设这一环节显得无所适从，只能胡乱猜测。为什么会出现这种现象，这涉及对科学假设的正确理解。从科学逻辑学的视角来看，科学假设是研究者从可观察的事实或证据出发，应用分析和综合、归纳和演绎等方法推导出假定性结论的过程。因此，科学假设的本质是推理，推理需要依据，而在本课教学中，教师在学生缺乏必要的经验时，就让学生去作出假设，不但违背了学生的认知规律，也违背了科学假设的规律。
1.3 一个被虚化的目标
《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出，科学思维是科学课程要培养的学生核心素养之一，并明确了科学思维的概念内涵
［2］。但在教学中，我们往往只是为学生提供了思考的机会，却很少思考科学思维到底应该如何去教，也就是没有注重教会学生如何去思考：可以应用哪些思维方法？需要遵循什么样的思维法则？在本课教学中，因为没有教给学生相应的思维方法，也没有让学生经历符合逻辑的探究过程，所以学生在科学假设中胡乱猜测、无法推理，在分析信息中依靠直觉、不明原理，在作出结论时简单归因、违背逻辑，学生并没有有效经历思维的过程，如此种种，学生思维陷入了浅表化。
在科学逻辑学中，思考要遵循一定的方法，逻辑思维方法主要分为分析、综合、归纳、演绎、类比等。但在教学中，教师常常只关注知识和技能的目标，忽视探究活动中的科学思维方法。在本课教学中，教师对科学探究各环节的作用机理缺少认识，特别是对探究过程内蕴的思维方法缺少必要的认识，使科学思维的培养成为一句口号。
2 基于科学逻辑教学的价值意蕴
有效的探究教学需要从学生的认知需求出发，在观测、实验的基础上，探究事物本质及其内在联系。而基于科学逻辑教学，研究的对象是科学认识活动。它不但强调科学活动在模式、程序、途径等方面的合理性，而且强调了科学认识的方法，学生不仅经历合理的知识发现、发展的过程，还在此过程中习得科学方法。
选择基于科学逻辑教学，其原因有3个：①能优化科学探究的过程。这有利于克服“探究过程不合理”的问题，使学生的科学发现符合科学家认识事物的过程，符合学生的认知规律，使探究活动的模式更具合理性，从而更接近科学研究的过程。②能帮助学生学习科学的方法。这有利于克服“探究方法不科学”的问题，使学生能用科学认识的方法去分析思考问题，运用观察分析、归纳、类比、实验等逻辑方法，对事物的认识从表象走向本质。③能促进学生科学思维的发展。这有利于克服科学课存在的“思维教学不到位”的问题，使学生能立足科学探究，改善思维结构，建构科学的模型和思想方法，拥有更高的科学素养和思维品质。
3 基于科学逻辑教学的课例改进
3.1 调整流程，让探究符合逻辑
可见，自然观察和实验观察不但概念内涵不同，而且两者的研究功能也有所区别。科学家首先是通过对自然现象的观察采集事实信息；然后他把观察到的现象综合起来，提出科学假设；接着用实验来检验假设；当科学假设得到实验确证，就成为科学理论。
基于此，我们对本课的探究流程作了调整，如
图2所示。这一调整，就将本课的观察和实验作了区别处理，明确了两者不同的功能定位，确定了它们各自在科学探究流程中应处的位置，让它们由混为一谈走向各司其职。
3.2 渗透方法，让学生学会思考
（1） 改进一：渗透一种有效假设的方法。
在提出问题之后，首先让学生作出尝试性假设。学生根据之前用塑料袋发出声音的活动，得出物体受力才发出声音。可见，学生此时具备的生活经验不能帮助他们进行有效假设。基于此，在教学中，我们这样组织后续教学。
师：现在我用力压桌子，你能听到声音吗？
生：不能。
师：看来，声音的产生还有其他的秘密。
师：当我们对一个事物发生变化的原因不清楚时，我们需要更细致地去观察这个物体。
教师呈现观察材料：直尺、音叉、鼓、试管等，让我们来观察物体发声时的状态。
这一改进是基于对科学假设本质的认识。科学假设区别于缺乏事实根据的猜想、臆测，要提出科学假设，首先应该掌握足够的事实或理论。在本课教学中，“制造声音”的小活动只能让学生猜想声音产生的原因可能和物体之间的接触有关，或与物体受力有关。由于事实经验的不足，学生无法在“制造声音”的活动结束时形成科学的假设。因此，教师必须引导学生进一步观察，在有了必要的事实经验后再修正假设。通过上述改进，有利于帮助学生对科学假设有本质的认识，有利于学生掌握科学假设的方法，同时，还有利于学生证据意识的培养。
（2） 改进二：渗透一种因果推理的方法。
因果推理的思维过程是，如果一种（或一些）现象的发生，导致了另外一种（或一些）现象的发生，那么这两种（或两类）现象之间就存在因果关系，并将前面的现象称为因，后面的现象称为果。在教学中，教师尝试将因果推理的方法之一——联缘法的学习融入教学之中。
师：通过观察，你们发现物体发声时有什么共同特征？
学生归纳并汇报：物体发声时都在快速地作往返运动（用手比画）。
师：我们把这种快速重复地往返运动称为振动。我们发现物体发声时都在振动。现在，你对声音产生的原因有没有什么新的想法？你为什么这么想？
生：声音是由物体振动产生的，因为在刚才的这些物体发声时，都同时产生了振动现象。
师：同学们说得真好，这是科学上很重要的一种研究方法，当有一个现象发生时，会有另一个现象同时出现，我们就会把这两个现象联系起来，这两个现象之间很可能存在因果关系。这是一种很重要的研究方法。
在观察活动结束之后，通过汇报交流，学生认识到几个物体发声时都有振动的现象。此时，学生开始将物体振动现象与物体发声建立起联系，提出新的假设，声音是由物体振动产生的。在这一环节，教师显性化了教学方法，明确告诉学生用一种因果推理的方法，即“当一个现象发生时，总有另一个现象和它伴随，我们就可以将这两个现象联系在一起，猜想它们是否存在因果关系”。
（3） 改进三：渗透一种科学实验的方法。
反证法是一种常用的科学实验法，它从否定命题的结论出发，经过逻辑推理，得出矛盾，从而否定假设，肯定结论，这是一种逻辑验证的方法。在学生用联缘法作出“物体振动产生声音”这一假设之后，教师告诉学生：此时，我们得到的仅仅是科学假设，还需要寻找更多的证据，只有这样才能成为结论。教学进入实验反证阶段，教师让学生先观察自然状态下敲击音后的发声状态，然后引导学生思考：如果物体振动确定是声音产生的原因，那么，当物体振动停止，它还会发声吗？接下来学生通过实验，发现当音停止振动后，声音也立刻停止，确定了两者之间存在因果关系。
师（演示让音钹发出声音）：观察正在发声的音钹是怎样的？
生：音钹在振动。
师：如果物体振动确定是声音产生的原因，那么，当物体停止振动，它还会发声吗？
生：我猜想当音钹停止振动，声音也会停止。
教师让学生抓住正在发声的音钹，音钹停止了发声。
师：这个现象证明了什么？为什么？
生：声音是物体振动产生的。因为振动停止，声音立刻消失了。
师：是的，我们之前猜想声音是由物体振动产生的，那么如果反过来想，原本正在发声的物体不振动了，声音也就会停止了。
师：大家利用小组桌上的音叉、钢尺等材料，也来做一做，看看振动停止，声音是否马上停止？
小组活动。
师：你有什么发现？你们是怎么想的？
生：音叉、尺子等物体在发声时，振动停止，声音便会消失。
总结：振动就是声音产生的原因，声音是由物体振动产生的。
通过上述改进方案，在探究“声音是怎样产生的”这一认识活动中，教师引领学生经历了较为科学的探究过程，学习了多种科学逻辑方法，如基于证据作出假设、基于逻辑进行因果推理、基于逻辑设计实验等，有效促进了学生深度参与思维型探究的落地，促进了学生科学思维的发展。
综上所述，科学逻辑学不仅在指导着人类的科学探究活动，同时，也对科学探究教学具有重要的指导意义。为优化科学探究教学，教师需要基于科学逻辑设计教学方案，使学生在符合逻辑的科学探究中理解科学并且培养和发展探究能力，在猜想、批判、假设、检验和修正的过程中发展科学推理、科学分析、科学论证等核心思维能力
［2］。
江苏省中小学教学研究第十四期立项课题“基于科学逻辑优化小学科学探究教学的实践研究”(2021JY14-L109)
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