探討類比教學法及其在大學物理教學中的應用

洪濤 劉利輝 劉晃清

摘要：本文較為全面地闡述了類比教學法的起源、發(fā)展、類型和其在各個學科中的應用，并用實例專門討論了如何應用類比教學法在大學物理教學中教授概念、規(guī)律等內(nèi)容，以此供老師和學生們參考。

關鍵詞：類比教學法;起源;發(fā)展;應用;大學物理教學

一、類比教學法的起源

類比教學法起源于類比（Anology），所謂類比就是兩者不同但相似的事物之間的比較。古希臘稱之為相稱（proportionality）。類比的目的是通過對某一事物的認知來認識與它相似的另一事物。類比法已成為認知事物的一種強有力的輔助工具。它對解決問題、發(fā)明創(chuàng)造，決策決定和未來預見有著不可替代的作用。

在過去的幾十年里，專門研究認知的科學家對類比產(chǎn)生了濃厚的興趣，他們認為類比可對人們的理解和分析問題的能力有幫助。因此，在美國，類比曾被專門用在SAT測試中。SAT的全名是Scholastic AptifudeTest. 它是一種始于1926年專門用于美國大學生錄取的標準測試。古希臘哲學家曾視類比為共享抽象（Shared abstraction），其范圍延伸到主意、形狀、規(guī)律、哲理等許多較為抽象領域。一部分人視類比為一種誘導模式，即從已知的東西推導出未知的東西，這種誘導方式思維被廣泛地應用在科學、哲學等領域。

類比法已經(jīng)應用到各個領域。在語言領域里有時人們的想法和向往通常是通過類比的隱喻方式間接地向外界傳遞出去。在文學、詩歌、卡通片和喜劇表演中，類比的應用極為普遍，用它可吸引人們的注意力，為人們帶來歡樂;修飾和論證政治、理論、哲學等觀點等常常需要使用類比;在法律上，應用類比對那些懸而未決的或模棱兩可的事情可以達到滿意的解決效果，然而，如果對于明確的法律條文，類比是被禁止使用的，這是為了防止有人會借此鉆法律的空子，只有那些被法律允許的類比，稱之為合法類比，才被允許在法律中使用;在科學領域，類比的應用也非常廣泛，被公認為是獲得靈感，主意和假識的一個重要手段，且具有很強的啟發(fā)性功能，但必須指出的是，用類比僅僅是給出推論而不是下結論。要得出其結論，必須要通過有關實驗來驗證。類比不但能幫助科學家得出推論，其本身也可用于發(fā)現(xiàn)某些新事物，例如，德布羅意通過對光本性認識類比提出了實物粒子具有波粒二象性。現(xiàn)在類比已經(jīng)從理論上的應用轉到實踐中的應用，如類比耳朵即人工耳渦，就是科學家通過模仿耳朵在電子和機械的基礎上制成的。類比在人工智能方面也是不可缺少的，人們可以通過類比的思維來確定或刪除某些信息?；蚬δ茴A測也可以通過類比來實施。但這里需要指出的是類比在生物學領域的意思一般是指兩者事物的相似性而不是指它們之間有進化上的聯(lián)系。類比也可以用來分析解剖學中的功能性結構，例如昆蟲腳對動物腳。但解部學上類比結構和上述生物學領域中基因功能相似性一樣也是沒有進化上的聯(lián)系。其他領域如工程和計算機也常用類比來描述一些特定的性狀和現(xiàn)象?？傊?，類比的應用十分廣泛，其作用越來越多地被人們意識到。在教學領域里也不例外。下一節(jié)就專門討論類比在教學領域中的應用以及由此而誕生的一種新的教學方法稱之為類比教學法。

二、類比教學法的發(fā)展和其在教學上的應用

將類比的手段用于教學自有紀錄以來就存在。但起初僅限于對兒童的概念教學，經(jīng)過不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，現(xiàn)已漸成為一種教學體系，稱之為類比教學法。它已用于教學所有年齡層次的人。類比教學法有四種主要模式，分別是搭橋式類比（Brown and Clement，1989）、類比教學模式（Dupin and Johsua， 1989），用類比教學模式（Teaching with nalogy TWA）（Glgnn，1991）和類比教學普通模式（General model for analogy teaching （GMAT）（Zeitoun，1984）。其中美國喬治亞大學的Shawn Glynn 教授發(fā)展的TWA模式較為流行。該模式細分為6個步驟：第一步給出所要講的話題，然后介紹該話題的一般性知識;第二步評估所要給出的類比事例以確定學生對是否熟悉、是否能夠認識到它和所要講的話題之間有聯(lián)系，即兩者之間的相似性;第三步找出類比案例和所要講的話題之間的相關性;第四步找出兩者之間所有相似性，并讓學生對它們進行比較、分析和理解;第五步找出相似性中的不同性;第六步在上述比較的基礎上推出結論。

TWA的模式特別適合教學科學概念，類比教學法的本質(zhì)就是把舊知識和新知識結合起來，通過引導語言或材料傳播講授新知識，更具體地說就是將課本中的概念、原理、定理和公式與記憶中的相似現(xiàn)象或結構等聯(lián)系起來，推理出課本中未知的新的概念等，從而使學生能夠對這些未知的東西有一個更深入的認知和掌握，達到事半功倍的效果。類比教學法的這些特點使其受到眾多老師的青睞和重視。歸納起來有下列四種主要原因：

1、有利于教師構建生動事例，吸引學生課堂注意力從而提高學生的學習興趣。學生學習的動因比較重要的就是好奇和自信。當學生看到老師給他們展示一幅畫、一個視頻、動畫或熟悉的東西時，或者聽到老師給他們講一個故事時，學生的注意力會頓時集中起來，以及會急于想了解畫的背景、內(nèi)容或故事的結果，或老師展示的目的是什么，由此會按老師的一步一步的引導聚精會神地進入所要學的內(nèi)容，而無任何泛意。這使老師的灌輸式教學化為學生的主動性學習。

2、有助于老師對抽象概念的教學以及學生對其深入理解。類比教學法的其中一個優(yōu)點就是它能將難理解的問題變成通俗易懂問題、混淆的概念變成清晰的概念，難記憶的知識變成易記憶的知識。

3、有助于學生發(fā)展求異思維能力和深化對授課內(nèi)容的掌握。類比事例能使學生產(chǎn)生好奇，發(fā)起聯(lián)想和加深思維。學生可通過事例對老師甚至對自己發(fā)問，以對其中的所有奧秘和疑問求得正確的答案。

4、有助于培養(yǎng)學生學習主動性。學生可通過老師給出的類比事例而能舉一反三，給出他們自己的類比事例，從而更進一步地提高學生的獨立思考、分析的能力。

當然，老師選用的類比事例一定要為學生所熟悉和感興趣。做到這一點，老師必須要對學生的知識背景和興趣有一定的了解。

用于類比教學的類比類型有很多種，但如下的14種類型最為常見：

1、同義和反義，如冷和熱。

2、部分和整體，如桌腿和桌子。

3、原因和影響，如電商的增加和店面的減少。

4、事情和功能，如不能使用暴力和法律。

5、事物和特征，如牛頓科學家和力學。

6、事物和背景，如田野和農(nóng)物。

7、事物和類型，如英雄人物和拍成的電影。

8、分類和亞分類，如形態(tài)和三角型。

9、物體和歸別，如火車和運輸工具。

10、不同的級別，如涼風和寒風。

11、事實和看法，如 水和很熱。

12、步驟和過程，如改稿和寫作。

13、問題和答案，如生病和治療。

14、符號和意義，如紅十字和慈善機構。

在這14種類型中，有的使用頻率較高，有的則較低。到底用什么類型，用多少類型，大多取決于老師的偏愛、課本中的話題、學生的知識面和學生的興趣。但無論選用哪種類型，所選用的類比事例一定要為學生所熟悉。否則學生的學習興趣很難被調(diào)動起來，有時學生還會因此產(chǎn)生抵觸情緒。所以，類比教學法進行教學并不是一件簡單容易的事情，它需要被不斷地探索和研究，以找出一條符合自己實情的路。

大學物理是老師和學生公認的一門難懂的課程。我在教學大學物理時，對不同的內(nèi)容采用不同類型的類比教學法。具體舉例如下。

1、引入新概念時用類比內(nèi)容、情境和事例進行鋪墊，此法能夠很好地提高學生對新概念的接受和理解。

例如，在介紹動量概念時，如果先問一個問題：哪一個落體會傷到人，是石頭還是樹葉。學生的興趣會被立刻地激發(fā)出來，他們會異口同聲地回答是石頭，因為石頭比樹葉重得多，而且下落速度快得多。這時，老師引入動量概念并給出其表達式 ，學生會很容易明白石頭的動量大而樹葉的動量小，動量是描述物體運動狀態(tài)的物理量，是物體的質(zhì)量和速度的乘積。

2、采用知識點的類比設問，可以使新的結論輕松松松地呈現(xiàn)出來。

例如，在講到質(zhì)點轉動效應時，學生已經(jīng)知道了力是質(zhì)點運動及運動狀態(tài)發(fā)生變化的動因，動量是描述質(zhì)點平動的物理量、是和平動相聯(lián)系的守恒量，動量隨時間的變化率等于質(zhì)點所受的合外力，其數(shù)學表達式為 （質(zhì)點動量定理的微分形式）。那么，角動量隨時間的變化率又取決于什么呢？當在黑板上寫下角動量隨時間的變化率的表達式 ，右邊的第二項 為零，而得出 ，其中， 就是質(zhì)點所受的力對固定點的力矩 ，即 （質(zhì)點的角動量定理的微分形式），質(zhì)點對固定點的角動量隨時間的變化率等于質(zhì)點所受的合外力對同一個固定點的力矩。此時水到渠成即得出力矩的定義及質(zhì)點的角動量定理，質(zhì)點所受的力矩是質(zhì)點繞點轉動的動因，從而幫助于學生對結論的理解和掌握。這里采用類比的方法提出問題，為新的結論做出了很好的鋪墊。

3、用之前學過的舊知識和將要學的新知識作為類比能帶來雙倍的效果，使學生既能夠溫習和鞏固知識，又能夠理解和掌握新知識，并且領會到類比思維方法的重要作用。

例如，在講授庫侖定律時，讓學生比較牛頓引力定律及庫侖定律表達式，并引入物理學家揚振寧于1978年7月6日在上海物理學會演講的一段話：“我曾經(jīng)把庫侖的文章拿來看了一看，發(fā)現(xiàn)他寫出的那個公式同實驗的誤差達到30%以上，估計他寫這個公式，一部分是猜出來的。猜測的道理是因為他已知道牛頓的公式。之所以要和大家講這一點，是因為所有物理和數(shù)學最前沿的研究工作，很大一部分力量要花在猜想上。在別的方面可能也是這樣，則不過我不太熟悉罷了。當然這并不是說可以亂猜，猜必須建筑在過去的一些知識上面。你過去的知識愈正確、愈廣泛，那么猜到正確答案的可能性就愈大”。這一段關于由引力定律類比出庫侖定律的一段話，能很好地促使學生在學習過程中去學習和領悟思維方法。同時，通過具體計算，讓學生了解萬有引力和靜電力之間差異，了解引力場和靜電場。通過對引力和電力之間相同點和不同點的比較，學生不僅了解靜電場的特征，同時又溫習了牛頓引力場的特征。

4、用類比的方法提出新的理論假設，有助于學生了解新理論產(chǎn)生的時代背景、加深對新理論精髓的理解、進一步拓展了學生的科學的思維方法以及學習科學家大膽創(chuàng)新的精神。

例如，在討論實物粒子的波粒二象性時，回顧人類對光本性的認識歷程，而自然地意設到人們對實物粒子的認識是否也具有片面性呢？由此順風順水、環(huán)環(huán)相扣、循循善誘引導出德布羅意的實物粒子的波粒二象性假設。

5、在知識板塊的學習構建中，類比法的應用有利于學生對所學知識觸類旁通。

例如，從質(zhì)點運動遵循的規(guī)律中，采用類比法，可以直接寫出剛體定軸轉動所遵循的規(guī)律。還有從靜電學包括真空中的靜電場、靜電場中的導體和電解質(zhì)的性質(zhì)和規(guī)律中，采用類比法，容易得出靜磁場包括真空中的靜磁場、靜磁場中磁介質(zhì)的性質(zhì)和規(guī)律。所有這些類比法的應用有助于學生知識點的遷移、幫助學生學習過程中活學活用、融會貫通。

由上述例子可以看出，在大學物理教學中引入類比教學法能明顯地幫助學生認識和理解新知識，提高他們的學習解題能力以及學習大學物理的興趣。然而需要指出的是并不是所有的話題都可以引入類比教學法或所有的事例都可以用作類比教學法中的類比事例。若類比事例引入不當，則可能取得相反效果。學生可能會由此產(chǎn)生認識上的錯誤，這對老師的后續(xù)教學增加難度。因此使用類比教學法一定要慎重。注意類比事例與所要教學的內(nèi)容相匹配，要了解學生對類比事例的熟悉程度和理解程度，另外也要注意引入的方式。一般說來常見的引入方式有下列幾種，直接類比法、因果類比法、對稱類比法和擬人類比法，針對特定的物理話題還可以繼續(xù)分為對概念的類比，規(guī)律建立時的類比、演示實驗類比和探究實驗活動類比等引入方式。了解什么樣的引入方式是最恰當?shù)?、學生所熟悉的的類比事例，以及什么樣的類比事例是學生最為最喜歡的，對提高大學物理教學質(zhì)量至關重要。要做到這些，老師必須要在課前作一番調(diào)查研究。只有這樣，才能真正發(fā)揮出類比教學法的優(yōu)勢，使其在大學物理教學中產(chǎn)生更好的效果。

結束語

高校的教學質(zhì)量是衡量優(yōu)劣的一項關鍵指標，因此每個學校尤其是高校都在注重改進教學方法以提高教學質(zhì)量。類比教學法在實踐中已被證明對教學質(zhì)量的提高有顯著的幫助，它可以使學生溫故知新，對新知識有較強的理解能力、分析能力和記憶能力、并增加學生學習興趣，學習能力及提升老師的教學效果;另一方面采用類比教學法也省時省力，是一種經(jīng)濟實效的教學方法。正因為如此，現(xiàn)已被廣泛地用于各門學科的教學中，然而如何更有效地運用類比教學法使其發(fā)揮出更好的作用對我們來說仍是一個挑戰(zhàn)。這是因為如前所述，并不是所有的教學內(nèi)容都可以引入類比教學法或者類比教學法可以被簡單地直接地采用到教學當中去，我們因此需要通過反復研究、實踐找出對我們課程最合適的類比教學法、類比類型以及類比教學法引入方式。一般說來在眾多的類比教學法當中，Glynn的TWA模式可能對大學物理教學更加合適，因為它相對來說較注重類比事例和所要教學的內(nèi)容的相關聯(lián)系，它能從這些相關聯(lián)系中解釋新教學的內(nèi)容即新知識，學生能從這種模式中溫習鞏固舊知識、又可理解和掌握新知識，這對提升學生的學習物理興趣和能力有著極大的幫助.達到了一箭雙雕的效果。因此，建議老師如有可能應盡量采用TWA模式教學大學物理。最后愿本文能夠起到一種拋磚引玉作用，使我們的教學水平和質(zhì)量更上一層樓。

參考文獻：

[1]Brown， D.E.， & Clement， J. （1989）. Overcoming misconceptions via analogical reasoning： Abstract transfer vs. explanatory model construction. Instructional Science， 18， 237-261.

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[3]Zeitoun， H. H. （1984）. Teaching scientific analogies： A proposed model. Research in Science & Technological Education， 2（2）， 107-125.