物理類比法教學(xué)的探討

劉建中

物理學(xué)發(fā)展史告訴我們：很多關(guān)鍵時(shí)刻，科學(xué)家巧妙地運(yùn)用了類比推理，提出科學(xué)假說，從而獲得巨大成功。康德曾說過：“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時(shí)，類比這個(gè)方法往往指引我們前進(jìn)?！狈ɡ诹私獾綂W斯特發(fā)現(xiàn)電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)后，就委自然地進(jìn)行了逆向思考和類比推理：既然磁鐵能使附近的鐵塊感應(yīng)磁化，靜止電荷可以使附近導(dǎo)體感應(yīng)出電荷，那么電流也應(yīng)該使附近的線圈中感應(yīng)出電流。于是他在日記中寫下一個(gè)光輝的思想：“轉(zhuǎn)磁為電?！彼ㄟ^10年的探索、研究、實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)中獲得電流的方法，使電磁學(xué)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。麥克斯韋不僅注意到物理現(xiàn)象、定律之間以及物理現(xiàn)象、定律與其他事物之間的局部相似性，而且考慮到數(shù)學(xué)形式的類比，創(chuàng)造性地建立了電磁學(xué)方程，建立了完整的電磁場(chǎng)理論。

在多年的物理教學(xué)中，我發(fā)現(xiàn)類比法在中學(xué)物理教學(xué)中也能起到重大的作用，并對(duì)在物理教學(xué)中如何應(yīng)用類比法進(jìn)行了一定的探索，歸納出利用類比法培養(yǎng)和開發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維的方法：

一、類比法溝通新舊知識(shí)，深化、豐富教學(xué)內(nèi)容

要開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，首先要打好扎實(shí)的基礎(chǔ)，豐富學(xué)生的知識(shí)庫存。在教學(xué)中，要特別重視在講授新概念時(shí)聯(lián)系舊知識(shí)，在新舊知識(shí)類比中加深理解，開拓思路。例如在講授電勢(shì)時(shí)，將電場(chǎng)和重力場(chǎng)進(jìn)行類比，找出共同點(diǎn)——電場(chǎng)力和重力做功都與路徑無關(guān)。為此，首先引入重力勢(shì)能的概念，把一個(gè)質(zhì)量為m1的物體放在高度為h的地方，它具有重力勢(shì)能m1gh，把質(zhì)量為m2、m3……的物體放在高度為h的地方，它們分別具有重力勢(shì)能m2gh、m3gh……，其勢(shì)能值各不相同，但m1gh/m1=m2gh/m2=m3gh/m3……=gh是一個(gè)恒量，我們可以把gh叫做重力勢(shì)。其值只決定于重力場(chǎng)中的位置和零點(diǎn)的選擇，與放入重力場(chǎng)中的物體的質(zhì)量無關(guān)。由于學(xué)生對(duì)重力場(chǎng)知識(shí)了解較多，對(duì)重力勢(shì)容易接受，再用類比法引入電勢(shì)的概念，分析它的性質(zhì)和區(qū)別于重力場(chǎng)的特點(diǎn)，這就化“抽象”為“具體”，使學(xué)生對(duì)新知識(shí)有似曾相識(shí)的親近感，深化了教學(xué)內(nèi)容。這樣的類比在中學(xué)物理中還很多，如水位和電勢(shì)、電勢(shì)能和重力勢(shì)能、熱容和電容，質(zhì)量和電量、重力場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)等。運(yùn)用類比教學(xué)法，既能激發(fā)興趣，同時(shí)又進(jìn)行了科學(xué)思維和科學(xué)方法的示范，學(xué)生遇到新的概念和事物也能作類比分析，并得出較為滿意的結(jié)果。

二、類比教學(xué)，建立知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，使知識(shí)條理化

隨著物理教學(xué)的深入、學(xué)生掌握的知識(shí)逐漸形成網(wǎng)絡(luò)，這里有知識(shí)的橫向式拓寬，也有遞進(jìn)式的深入，學(xué)生的知識(shí)和能力就產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，學(xué)生的創(chuàng)造性思維的發(fā)展也就寓于其中了。在這過程中，類比法是揭示這些知識(shí)內(nèi)在聯(lián)系的好方法。 例如，力學(xué)中的彈簧串聯(lián)有1/K=1/K1+1/K2，靜電場(chǎng)中串聯(lián)電容器有1/C=1/C1+1/C2，穩(wěn)恒電路中串聯(lián)電阻有1/R=1/R1+1/R2，它們具有相同的數(shù)學(xué)形式和運(yùn)算規(guī)律。通過類比，學(xué)生們對(duì)公式記得牢，使用條件清晰，運(yùn)算起來也就熟練了。

這樣的類比，小的方面有形式上的類比、計(jì)算方法上的類比、不同概念和規(guī)律的類比，或者是某些性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)的類比，大的方面有規(guī)律和體系上的類比。例如平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律的類比，電學(xué)和力學(xué)規(guī)律的類比，有的觀點(diǎn)和論點(diǎn)就是通過類比提出或發(fā)展起來的。例如我在教完電磁場(chǎng)后，曾引導(dǎo)學(xué)生列表比較重力場(chǎng)、靜電場(chǎng)、和磁場(chǎng)的情況。通過列表比較，學(xué)生找到重力場(chǎng)、靜電場(chǎng)、和磁場(chǎng)的相似之處，也明確了它們的區(qū)別，建立起橫向和縱向的聯(lián)系，建立起知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)，使知識(shí)條理化，同時(shí)也提出了很多新的問題。例如重力場(chǎng)如何用重力線描述、重力場(chǎng)的勢(shì)如何描述、磁場(chǎng)有沒有勢(shì)？同學(xué)們考慮得更多更細(xì)更深刻了。分析歸納能力的提高，使創(chuàng)造性思維得到調(diào)動(dòng)和及早的萌發(fā)。

三、通過類比，把創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)和開發(fā)引向科學(xué)的前沿

高中教材在介紹磁單極子的內(nèi)容時(shí)，就采用了類比的方法：帶電體周圍有電場(chǎng)；磁體周圍有磁場(chǎng)；同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引，這是它們的相似之處。但它們又不完全相似，在電現(xiàn)象里有電荷，正負(fù)電荷可以單獨(dú)存在，在磁現(xiàn)象里有沒有磁荷？磁單極子是否存在？科學(xué)研究的新課題就是這樣通過類比提出來的，提出來后再通過實(shí)驗(yàn)來尋找，通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。 類比法可使知識(shí)條理化，它能分清概念和規(guī)律之間的相似和差異，從而發(fā)展知識(shí)的“空缺”，指引了研究的方向。門捷列夫元素周期表就是通過分析歸納抓住各元素的質(zhì)量排列和電荷數(shù)排列，把它們的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)作類比，從而發(fā)現(xiàn)了“空缺”，再有目的、有方向地尋找這些“空缺”對(duì)應(yīng)的元素，并且獲得了巨大的成功。我們的中學(xué)物理最后介紹了基本粒子，現(xiàn)在基本粒子已達(dá)到幾百種，這些基本粒子是不是同一層次，什么是它們排列的主線，它們之間存在著什么規(guī)律，可以建立什么樣的模型和理論，這正是當(dāng)代科學(xué)家進(jìn)攻的前沿陣地之一，這些問題的解決，類比法自然要發(fā)揮它的巨大作用