普通物理教學(xué)中的類比教學(xué)法

【摘要】類比法是一種重要的推理方法，是人們從已知世界認(rèn)識未知世界的重要手段。以物理教學(xué)實踐為基礎(chǔ)，討論了類比方法在大學(xué)物理教學(xué)中的重要作用及具體應(yīng)用，恰當(dāng)?shù)睦眠@一方法能有效改善課堂效果，提高教學(xué)效率。

【關(guān)鍵詞】普通物理 剛體力學(xué) 電學(xué) 磁學(xué) 類比教學(xué)

【基金項目】教育部高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會資助項目（No.WJZW-2010-36-xn）；重慶理工大學(xué)高教中心教改項目（2011003，2011004）。

【中圖分類號】O37【文獻標(biāo)識碼】B 【文章編號】2095-3089（2013）02-0162-02

1.引言

類比方法廣泛應(yīng)用于各門學(xué)科、各個領(lǐng)域和各種研究學(xué)習(xí)之中。類比法是一種常用的理論思維推理方法。根據(jù)事物相同或相似的屬性，推斷它們其他相同或相似的屬性的思維方法就是類比法。它是人們從已知事物認(rèn)識未知事物的一種常用的科學(xué)方法。面對新生事物，類比方法總是能啟發(fā)思路、提供線索，人們常常借助于熟悉事物進行類比從而實現(xiàn)舉一反三、觸類旁通，進而更好地認(rèn)識新生事物。大家都熟悉的例子就是：庫侖定律的形式就是類比萬有引力定律的方式得到的；再比如德布羅意波的提出，也是將實物粒子與光學(xué)粒子類比的結(jié)果；盧瑟福原子模型的建立、富蘭克林對雷電的認(rèn)識、麥克斯韋對電磁理論的統(tǒng)一等，都是科學(xué)類比的結(jié)果[4]。這些事例表明，在提出科學(xué)假設(shè)、探索新理論、解決實際問題等方面類比方法有十分重要的作用。普通物理是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是大一新生接觸的第一門專業(yè)課，由于微積分及矢量等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識的缺少，學(xué)生學(xué)習(xí)普通物理非常吃力，上課過程非常被動，課堂效果不好。但是如果在教學(xué)過程中，教師采用類比教學(xué)，將新知識與學(xué)生在中學(xué)都已經(jīng)非常熟悉的知識聯(lián)系起來，就會有利于學(xué)生的理解從而提高課堂教學(xué)效果。筆者結(jié)合自己講授普通物理的教學(xué)實踐，闡述了類比法在講解新的物理概念及物理規(guī)律方面的應(yīng)用。

2.類比法在普通物理之力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

剛體定軸轉(zhuǎn)動與質(zhì)點直線運動間的類比：

在力學(xué)中，剛體的定軸轉(zhuǎn)動是安排在質(zhì)點的運動學(xué)之后，它們在研究思路、定義方式、數(shù)學(xué)形式等方面非常相似。直線運動規(guī)律是學(xué)生早就熟悉的內(nèi)容，而剛體的轉(zhuǎn)動對大一學(xué)生來說是初次接觸，知識點相對比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較吃力，效果不好，但是如果我們利用學(xué)生熟悉直線運動規(guī)律這一特點，采用類比法進行授課，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果就會有明顯改善。

2.1 概念類比：

質(zhì)點： 忽略物體的大小和形狀而只考慮質(zhì)量的點；強調(diào)忽略物體的形狀和大小。

剛體：在外力作用下，物體的形狀和大小保持不變，即剛體內(nèi)任意兩點間的距離不變。這種理想物理模型稱為剛體。強調(diào)忽略物體與外界作用時物體形狀和大小的變化。

質(zhì)量：m， 物體慣性的量度；

轉(zhuǎn)動慣量：J=■mr■ ， 物體保持轉(zhuǎn)動慣性的量度；

動量：物體質(zhì)量和速度的乘積成為動量，表達式為

P = mv；

角動量：剛體的轉(zhuǎn)動慣量和角速度的乘積稱為角動量，表達式為L = Jω；方向與角速度的方向相同。

2.2 運動規(guī)律類比：

剛體的定軸轉(zhuǎn)動和質(zhì)點的運動學(xué)規(guī)律數(shù)學(xué)表達形式方面也是非常相似的，這在其他教輔資料或是文獻中也有報道[1，2]。具體如下表：

表1 質(zhì)點直線運動和剛體轉(zhuǎn)動的運動學(xué)及動力學(xué)規(guī)律類比

通過類比，學(xué)生應(yīng)該很快就能理解和掌握剛體運動的規(guī)律及剛體轉(zhuǎn)動的動力學(xué)原理，對于比較難以理解的轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)動定律及角動量定理、角動量守恒等都能理解并掌握。

3.類比法在電磁學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

靜電場和穩(wěn)恒磁場教學(xué)中的類比：

磁場和電場在提出問題、解決問題的思路和研究方法上也有很多相似之處。學(xué)生對靜電場要熟悉些，而相對的對穩(wěn)恒磁場則比較陌生，所以在講授穩(wěn)恒磁場的時候，可以對照學(xué)過的靜電場有關(guān)知識采用類比法進行講解，這樣學(xué)生能更好的理解和掌握。電磁學(xué)中先講授電場然后學(xué)習(xí)磁場，在講授磁場部分的時候，就可以類比電場的物理概念、物理規(guī)律進行講解，通過舊知識的復(fù)習(xí)新出新的概念知識，達到溫故而知新的目的。

在具體的教學(xué)過程中我們可以對以下概念類比，電場線和磁場線類比，電荷元和電流元類比，電場強度和磁感應(yīng)強度類比，電位移矢量和磁場強度矢量類比，電荷元產(chǎn)生的電場和電流元產(chǎn)生的磁場類比，電通量和磁通量類比以及電偶極矩和分子磁矩、電介質(zhì)和磁介質(zhì)、電場能量密度和磁場能量密度等等進行類比，這樣學(xué)生接觸到新的物理量會感到似曾相識，對新知識易于接受，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為接下來物理規(guī)律的講解打好鋪墊，從而提高普通物理的教學(xué)效果，真正讓學(xué)生做到舉一反三，融會貫通。

電學(xué)和磁學(xué)規(guī)律類比：

和概念類似，在物理規(guī)律上也可以采用對比法，因為靜電場和穩(wěn)恒磁場的許多定理、定律及公式有著高對應(yīng)性[3]。詳細(xì)如表2所示：

表2 靜電場和穩(wěn)恒磁場規(guī)律類比表

4.類比方法的局限性

人們認(rèn)識自然的過程總是建立在已有知識經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上，學(xué)習(xí)過程也是如此，由淺入深、由具體到抽象。如果我們不考慮這個規(guī)律而強行填鴨，肯定是事倍功半。但是如果我們通過新舊事物的類比，循序漸進的講授，就可以加快學(xué)生對新知識的接受，促進學(xué)生對新規(guī)律的認(rèn)知。任何事物都具有兩面性，類比法也不例外。在教學(xué)方面類比確實具有其他嚴(yán)格推理難以取代的功效，但是類比也有某些不可忽視的局限性。由類比推出的結(jié)論可能正確也可能錯誤，具體正確與否，必須用實驗去證實或否定。例如：變化的磁場能激發(fā)電場，反過來變化的電場是否能激發(fā)磁場？ 麥克斯韋用類比思維提出了“位移電流”激發(fā)磁場的假說，最終用四個方程即麥克斯韋方程組概括了電磁場的普遍規(guī)律。麥克斯韋從麥克斯韋方程組出發(fā)，從理論上預(yù)言電磁波的存在，赫茲實驗證實電磁波真實存在。類比正確。歷史上也有通過類比提出光是通過“以太”媒質(zhì)傳播的，但后來“以太”假說被試驗否定，類比無效。由上可見，類比并非萬能的，不恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用類比也會得到錯誤的結(jié)論。因此，一定要注意類比法的局限性，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用類比法來分析問題和解決問題。只有這樣，才能使學(xué)生更好地理解所學(xué)的內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生的思維，更好地培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力，讓學(xué)生在思維力上更上一層樓，真正實現(xiàn)“授人以漁”。

參考文獻：

[1]張清. 類比法在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，19（2）107

[2]蘭冰潔. 類比法在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 運城學(xué)院學(xué)報，2010，28（5）35

[3]陳修芳. 類比法在大學(xué)物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用 [J]. 科技信息，2010，21，25

[4]王德全，陳林峰. 類比法在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用 [J]. 中國電力教育，2011，8，94