類比在技工學(xué)校物理教學(xué)中的應(yīng)用

張海梅

類比法既是一種修辭手法,又是一種思維方法。它是指人們?cè)谘芯亢驼f明問題時(shí)借用已經(jīng)認(rèn)識(shí)熟悉的,了解掌握的相似相近的知識(shí)對(duì)未知的和生疏的問題進(jìn)行研究和說明。從而達(dá)到由此及彼,觸類旁通的作用。從物理學(xué)的角度看,不同的研究對(duì)象之間有許多相同或相似的特征,它們遵守著相同或相似的物理規(guī)律,對(duì)它們的研究所采用的物理方法也受其特征所制約,它們之間有著必然的聯(lián)系。若抓住研究對(duì)象的特征作為依據(jù),應(yīng)用類比,則既可以進(jìn)行傳授知識(shí)和知識(shí)的應(yīng)用教學(xué),又可以進(jìn)行物理方法的教學(xué)。物理課堂教學(xué)中的類比法是指老師在課堂教學(xué)中針對(duì)所講授的新內(nèi)容,借用學(xué)生已有的相似,相近或部分知識(shí),引導(dǎo)學(xué)生對(duì)新內(nèi)容首先建立一個(gè)直觀的印象,然后層層剖析,步步深入,使學(xué)生掌握新問題的本質(zhì)。

一、生活經(jīng)驗(yàn)與物理規(guī)律的類比

學(xué)生在日常學(xué)習(xí)生活中積累了一定的生活經(jīng)驗(yàn)。用學(xué)生身邊的事例進(jìn)行類比,可啟發(fā)學(xué)生的思維,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,培養(yǎng)學(xué)生在生活中觀察和分析事物的能力。

如講電勢(shì)差時(shí),可用瀑布來作為例子,瀑布的水量越大,落到底部的動(dòng)能越大;而瀑布落差越大,落到底部的動(dòng)能也越大,動(dòng)能是由重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化獲得的,即瀑布的重力勢(shì)能與瀑布的水量、落差有關(guān)。讓學(xué)生自己類比得出:電勢(shì)能與電荷量和電勢(shì)差有關(guān):ε=qu

介紹彈簧振子的振動(dòng)時(shí),振子向平衡位置方向運(yùn)動(dòng)為變加速運(yùn)動(dòng),學(xué)生不能理解加速度減小而物體速度增加這一現(xiàn)象,可用人的身高增長(zhǎng)作類比:人從出生到成人,其身高逐漸增高。當(dāng)人的年齡接近成人階段,其身高增長(zhǎng)速度將逐漸減慢,但人的身高卻仍在繼續(xù)增高,只是增高變緩了,而并非人越長(zhǎng)越短。當(dāng)身高停止增長(zhǎng),人的身高達(dá)到了他一生中的最大身高。學(xué)生從這一簡(jiǎn)單的類比中高很易理解:加速度在減小,只意味著速度的增量在逐漸的減少,但物體的速度值卻在增加,為變加速運(yùn)動(dòng)。

二、類比在知識(shí)教學(xué)中的應(yīng)用

應(yīng)用類比于物理教學(xué)中,其關(guān)鍵就是引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所研究的問題的性質(zhì)來恰當(dāng)?shù)剡x取作為類比根據(jù)的兩個(gè)對(duì)象的對(duì)應(yīng)特征。

1.“場(chǎng)”問題

真空中兩點(diǎn)電荷之間雖然不接觸,卻又相互作用是通過電場(chǎng)這種無形的卻又客觀存在的物質(zhì)來相互作用的。類比于磁體之間雖然不接觸,也存在著一種無形物質(zhì),也就是我們說的磁場(chǎng)。這樣,通過引導(dǎo)分析,學(xué)生對(duì)“場(chǎng)”這一抽象概念有了比較具體的認(rèn)識(shí)。

2.“電勢(shì)差”的問題

物體在重力的作用下從高處向低處運(yùn)動(dòng)時(shí),重力做功。對(duì)同一物體,高度差越大,重力做功就越多。與此類比,電荷在電場(chǎng)中移動(dòng),電場(chǎng)力做功,同一個(gè)電荷從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)時(shí),電場(chǎng)力做功越多,說明這兩點(diǎn)的電勢(shì)差就越大。再通過舉例說明,絕大部分學(xué)生通過對(duì)熟悉概念的類比,不僅輕松地掌握了這一內(nèi)容,且對(duì)如何應(yīng)用類比有了較深刻的印象。

三、類比在物理方法中的應(yīng)用

物理方法實(shí)際上是研究和處理物理問題的思路、方式,也是即物理思想。物理方法和物理知識(shí)一樣,經(jīng)過多次在不同方面的應(yīng)用才能掌握。一般來說,一個(gè)物理方法處理的是一類(或幾類)具有相同或相似特征的物理問題。若教學(xué)中抓住研究問題的特征,通過類比,在不同領(lǐng)域內(nèi)(或在不同內(nèi)容上)使用同一中方法,則可以達(dá)到加深理解物理方法的目的。

例如,應(yīng)用比值定義法定義某些物理量,如對(duì)速度、加速度、角速度等物理量的定義。這些物理量是通過簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)引入的:勻速(勻變速)直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)。它們具有的共同特征是:相等時(shí)間內(nèi),某物理量的變化量相等,用變化量與所用時(shí)間之比就可以表示變化快慢的特征。如速度就是位置的變化量與所用時(shí)間的比值來定義的。

比值法應(yīng)用的另一例子是對(duì)量度物質(zhì)本身屬性的物理量的定義,如電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電容、電阻等。它們的共同特征是:屬性由本身決定。由于它們能在與外界作用時(shí)顯示出一些性質(zhì),這就給我們提供了用外界因素來表示其特征的間接方式。以場(chǎng)強(qiáng)作為根據(jù),應(yīng)用類比,對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度、電容、電阻等進(jìn)行教學(xué),強(qiáng)調(diào)如何根據(jù)其性質(zhì)來表示其特征。學(xué)生不僅對(duì)這類概念的理解有融會(huì)貫通之感,且在不同方面的應(yīng)用中,對(duì)比值法的內(nèi)涵有了更深的理解。

四、類比在物理解題中的應(yīng)用

解題就是解決物理問題,是物理方法和知識(shí)的應(yīng)用過程,應(yīng)用類比于物理解題,其根據(jù)即是物理原型的特征。教學(xué)過程中通過分析尋找問題的特征,把它與已知的物理原型進(jìn)行類比,從而找到方法,解出習(xí)題。

下題可作為整體應(yīng)用牛頓第二定律的一個(gè)物理原型。

[原型]一只質(zhì)量為m的猴子,跳起來抓住懸在天花板上質(zhì)量為M的豎桿,當(dāng)猴子抓住木桿的一瞬間,懸木桿的繩子斷了。設(shè)木桿足夠長(zhǎng),由于猴子不斷地向上爬,可使猴子離地高度始終不變,求木桿下落的加速度?

[解析]把桿和猴子視為整體,線斷后,系統(tǒng)所有的合力為(m+M)g,猴子對(duì)地的加速度,a1=0.設(shè)桿的加速度為a2,對(duì)系統(tǒng)由牛頓第二定律:F合=ma1+Ma2得:(m+M)g=Ma2所以a2=(m+M)g/M,方向豎直向下。

此題的特征是:系統(tǒng)由兩物體組成,其中一物理加速度為零,若要求的量是系統(tǒng)所受的外力或系統(tǒng)內(nèi)物體的加速度,此特征就使我們得以用通常由牛頓第二定律求解單個(gè)物體的思路來解決系統(tǒng)問題。

許多形式不同的物理習(xí)題具有相同或相似的特征,只要理解、掌握了一個(gè)問題的特征和解法,應(yīng)用類比,這類問題就迎刃而解了。從一定意義上說,這是一個(gè)把學(xué)生從題海戰(zhàn)術(shù)中解放出來的較有效的方法。

類比方法符合人們認(rèn)識(shí)事物的規(guī)律和當(dāng)代教育學(xué)、心理學(xué)規(guī)律。應(yīng)用類比方法,不僅可把抽象的新知識(shí)納入到已有知識(shí)系統(tǒng)中來,變抽象為形象、變難為易、變煩為簡(jiǎn),同時(shí)又可激發(fā)學(xué)生聯(lián)想,具有啟發(fā)思路、舉一反三、觸類旁通的作用。所以不失為一種促進(jìn)學(xué)生知識(shí)“遷移”,提高學(xué)生素質(zhì)的有效方法。但由于類比是一種或多種可能性的推理,有時(shí)結(jié)論并不可靠,特別是以現(xiàn)象作為類比的根據(jù)時(shí),而這正是學(xué)生常犯的錯(cuò)誤。固物理教學(xué)中,應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)分析、比較、透過現(xiàn)象抓住與所研究的問題相對(duì)應(yīng)的特征,選擇恰當(dāng)?shù)念惐葘?duì)象,提高其結(jié)論的可靠程度,自覺地掌握和應(yīng)用類比方法。

作者單位:大同市第二技工學(xué)校