妙用類比方法 促進(jìn)物理學(xué)習(xí)お

于志林

“當(dāng)理智無法得到可靠的論證時，類比往往能引導(dǎo)著人類形成正確的認(rèn)識.”康德的這句話點明了類比法在科學(xué)研究中的地位.類比法也廣泛地運用于中學(xué)物理的教學(xué)中，具體的操作就是：把學(xué)生感到較為陌生的物理情境與他們所熟悉的類似情境進(jìn)行對比，進(jìn)而實現(xiàn)物理過程和有關(guān)現(xiàn)象的正確分析，從而讓學(xué)生實現(xiàn)相關(guān)物理規(guī)律的認(rèn)知.

類比法和認(rèn)知心理學(xué)派的“知識遷移”理論有所關(guān)聯(lián)，都是從學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗出發(fā)，通過對比和聯(lián)想來構(gòu)建新的認(rèn)知，具體說來，這應(yīng)該對應(yīng)心理學(xué)角度“正遷移”的概念.在物理教學(xué)中，類比法的使用可以分為以下三種類型.

1 通過學(xué)生對已有類似概念的認(rèn)知來學(xué)習(xí)新的概念，構(gòu)建新的認(rèn)知

高中物理中有的概念是從學(xué)生所熟知的物理環(huán)境里提煉而來，學(xué)生學(xué)起來比較輕松，但是有的概念源于科學(xué)方法抽象化地提煉，學(xué)生的理解較為費力，因此對于此類內(nèi)容，教師可以通過類比的手段搭建新授概念與已有知識基礎(chǔ)的橋梁，讓學(xué)生在比較中，學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)內(nèi)容.

例如，學(xué)習(xí)“點電荷”這一概念時，教師引導(dǎo)學(xué)生回憶一下質(zhì)點的概念.學(xué)生都知道質(zhì)點是“有質(zhì)量的點”，那么什么是“點電荷”呢，學(xué)生通過類比，就給出了“帶有電荷的點”這一定義.此外，有關(guān)電場強度的定義式的理解，該表達(dá)式中試探電荷q和試探電荷所受的力F并沒有直接影響到電場強度E，很多學(xué)生對這里面的因果關(guān)系認(rèn)識含糊，因此教師可以通過類比其他用比值定義的物理量進(jìn)行說明，比如速度定義式v學(xué)生在力學(xué)部分對這一系列表達(dá)式學(xué)得都很扎實，特別是加速度，學(xué)生對其中的因果關(guān)系很明確：力是產(chǎn)生加速度的原因，加速度是否變化由力來決定，與速度變化量和時間沒有關(guān)系.由此可類比出結(jié)論：電場強度由電場自身來決定，與試探電荷是否存在及大小無任何關(guān)系，因此它們之間的正反比關(guān)系更是無從談起.還比如：3-3模塊中，有關(guān)分子力的認(rèn)識（如圖1），因為發(fā)生在微觀世界，學(xué)生的模型建立也非常困難，有關(guān)認(rèn)識很是模糊.教師在教學(xué)時，可以將分子之間的作用力類比為彈簧模型（如圖2），[TP4GW84.TIF，X，BP#]分子之間的距離為r0時，則類比為原長形態(tài)的彈簧，不表示出作用力（即分子力為零）；當(dāng)分子之間的距離小于r0時，則類比為壓縮形態(tài)的彈簧，所表示出作用力為斥力；當(dāng)分子之間的距離大于r0時，則類比為拉伸形態(tài)的彈簧，所表示出作用力為引力；當(dāng)然既然是類比，就必須和學(xué)生說清楚差別，當(dāng)距離在r0的基礎(chǔ)上有所增加時，開始階段分子力與彈簧相似，距離拉大，力變大，但是超過一定限度，區(qū)別就出現(xiàn)，后階段引力會隨距離的變大而變小，達(dá)到10r0時，分子力會消失（說明分子力是一種短程力）.

2 通過學(xué)生對已有規(guī)律認(rèn)知的類比來探究新的規(guī)律，并熟悉其內(nèi)涵

很多不同的物理情境之間存在相同或相近的特征，因此在對應(yīng)的物理規(guī)律上也存在著類比法適用的可行性.借助類比法，學(xué)生將抽象的情境與已經(jīng)熟悉的物理情境進(jìn)行對比，從而實現(xiàn)對規(guī)律內(nèi)涵的認(rèn)識.

例如，講解電場的時候，教師就經(jīng)常將其和重力場相對比，最典型的就是把電場力做功和重力做功放在一起，他們具有相同的特點：與路徑無關(guān)，只由始末位置有關(guān)；此外還將電場中電勢差類比為重力場中的高度差，電勢類比為高度，電勢能類比為重力勢能，一系列的類比幫助學(xué)生將抽象的電場模型理解得更加具體.其中，電場中有關(guān)電勢的概念是最抽象的，為了說清楚電勢和等勢面的有關(guān)概念，教師要靈活的組織語言，引導(dǎo)學(xué)生對比，比如為了將“勢”這個概念引入重力場，可以將“高度”講成“地勢”，將等勢線（如圖3）和地理上等高線（如圖4）放在一起，讓學(xué)生進(jìn)一步地理解：在同一個等高線上移動物體，重力不做功，重力勢能不變；在同一個等勢線上移動電荷，電場力不做功，電勢能不變，諸如此類的規(guī)律很快就能被學(xué)生所掌握.當(dāng)然類比的同時，教師更要引導(dǎo)學(xué)生看到差別，比如對重力場中的物體而言，可以說地勢越高，重力勢能越大，但是對于電場中的電荷，能否說電勢越高，電勢能就越大呢？教師這時要引導(dǎo)學(xué)生注意到，物體質(zhì)量是沒有正負(fù)的，但是帶電量卻是有正負(fù)的.因此類比的同時，又能看出差別，才算是更為全面而深刻地理解了規(guī)律.

3 通過學(xué)生對已有模型的類比來分析新的物理情境，實現(xiàn)知識的遷移.

物理規(guī)律的普適性也經(jīng)常表現(xiàn)為：不同的物理情境背后隱藏相同的物理模型，因此很多物理問題的分析，需要學(xué)生能通過類比從較為陌生的物理情境中提煉出較為熟悉的物理模型，從而實現(xiàn)相關(guān)問題的解決.現(xiàn)在很多物理習(xí)題中也采用類似的模式來構(gòu)建習(xí)題，幫助學(xué)生對已有規(guī)律進(jìn)行熟悉和鞏固，實現(xiàn)舉一反三的效果.

例如，有這樣一道習(xí)題：如圖5所示為光滑的圓弧軌道AB，其半徑為R，且已知A、B兩點等高，弧長遠(yuǎn)小于半徑，現(xiàn)將一小球（可視作質(zhì)點）從A點無初速地釋放，請計算其運動到B需要多長時間？本題中小球所受兩個力分別為重力和沿半徑方向的支持力，因此受力形式和單擺模型中的小球極為相似，而且題中強調(diào)弧長遠(yuǎn)小于半徑，即表明圓弧所對應(yīng)圓心角非常小，[TP4GW86.TIF，Y#]這也與單擺模型的成立條件完全一致，因此可判斷單擺的周期規(guī)律適用于本題，用類比的方法可求出由A點運動到B點為一半的單擺周期.此外，將垂直于電場方向打入平行板電容器的電荷的運動說成類平拋運動，其實也是用了類比的方法來處理.用類比的方法來分析問題既是一種知識和能力的遷移，也是學(xué)生建模能力的訓(xùn)練.

綜上所述，高中物理學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生依托已有的知識和經(jīng)驗用類比的方法對新的物理問題進(jìn)行探索和推測，有助于他們對新概念、新規(guī)律和新模型的認(rèn)識，同時類比過程也是學(xué)生對已有知識的內(nèi)涵進(jìn)行再一次的開發(fā)，有助于學(xué)生物理認(rèn)識的融會貫通，有助于他們邏輯思維能力的培養(yǎng)，更有助于他們物理知識體系的構(gòu)建.