關(guān)于培養(yǎng)“類比”思維的教學(xué)策略

田川

摘 要：類比思維的獲得除了學(xué)生自身的因素影響外，還離不開教師在長(zhǎng)期的課程教學(xué)中有目的、有計(jì)劃、系統(tǒng)地對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)。本文旨在體現(xiàn)類比思維培養(yǎng)的必要性，以及此過程中教師的主導(dǎo)地位。本文通過5個(gè)教學(xué)案例，體現(xiàn)“類比思維”的可進(jìn)行性。

關(guān)鍵詞：聯(lián)想；類比思維；教學(xué)策略

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）6-0016-3

“教育”這個(gè)詞在拉丁文是educatio，本意是引導(dǎo)[1]。在實(shí)際的課題教學(xué)中，怎樣引導(dǎo)不僅僅是技術(shù)更是藝術(shù)。蘇霍母林斯基認(rèn)為：“那些概括性的、抽象的知識(shí)，如果不經(jīng)過“直觀性”的鋪墊，很難在學(xué)生的腦袋中留下深刻的印象”[2]。

“類比思維”方法是解決陌生問題的一種常用策略。它讓我們充分開拓自己的思路，運(yùn)用已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)將陌生的、不熟悉的問題與已經(jīng)解決了的熟悉的問題或其他相似事物進(jìn)行類比，從而創(chuàng)造性地解決問題。英國(guó)的培根有一句名言：“類比聯(lián)想支配發(fā)明”。他把類比思維和聯(lián)想緊密相聯(lián)，有了聯(lián)想才能有類比思維，不論是尋找創(chuàng)造目標(biāo)，還是尋找解決的辦法都離不開類比的思維。

本文通過對(duì)五個(gè)教學(xué)片斷的分析，介紹類比思維在學(xué)生認(rèn)知過程中所起到的作用。通過類比實(shí)現(xiàn)從“直觀性”向“抽象性”的教學(xué)過渡。

1 黑體類比活性炭

活性炭具有吸附性，高中生對(duì)此有很深的印象。然而，絕大多數(shù)高中生在選修3-5的學(xué)習(xí)中，很難一下子就領(lǐng)悟“黑體”的概念。這時(shí)就需要教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)匿亯|。

活性炭具有很大的表面積，多孔，內(nèi)部相互交叉的孔道就像一個(gè)大迷宮，一些物質(zhì)的分子通過熱運(yùn)動(dòng)一旦進(jìn)入這個(gè)“大迷宮”就很難再出來。這時(shí)，我們就說，這個(gè)物質(zhì)的分子被活性炭吸附了，如圖1所示。

類比活性炭吸附物質(zhì)微粒的機(jī)理。在空腔上開一個(gè)很小的孔，若某個(gè)光子隨機(jī)地射入這個(gè)小孔，射入小孔的這個(gè)光子在空腔內(nèi)表面會(huì)發(fā)生多次反射和吸收，這個(gè)空腔就形成了一個(gè)黑體[3]，如圖2所示。

于是可以進(jìn)行類比歸納：活性炭吞噬飛進(jìn)它的微粒，黑體吞噬射向它的光子。

2 光的折射類比隊(duì)列的彎折

物理教育是一個(gè)螺旋上升式的發(fā)展過程，對(duì)于某些現(xiàn)象和規(guī)律，學(xué)生會(huì)存在知其然而不知其所以然的認(rèn)知困惑，這就需要教師在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候通過恰當(dāng)?shù)姆绞饺セ馄渲械囊恍├Щ?，而又不增加學(xué)生學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)。

以光的折射為例。當(dāng)光從空氣中斜射入玻璃中時(shí)發(fā)生折射現(xiàn)象，折射角小于入射角。為什么折射角小于入射角呢？我們知道光從空氣中射入玻璃，傳播速度會(huì)變小，這和折射角小于入射角有什么聯(lián)系呢？

比如，一個(gè)小孩和一個(gè)大人挽手前進(jìn)，大人前進(jìn)的速度大，結(jié)果隊(duì)列就會(huì)朝著小孩一側(cè)偏折[4]。

設(shè)想一束光斜射到介質(zhì)的表面上，如圖3所示，我們可以看出光束中的a點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入介質(zhì)2中，因此具有相對(duì)較小的速度，而光束中的b點(diǎn)尚在介質(zhì)1中，因此具有相對(duì)較大的速度。類比隊(duì)列的拐彎，就不難理解光束會(huì)發(fā)生朝向a的偏折，即靠近法線偏折。

通過以上的類比思維，不僅有助于學(xué)生理解光的折射，還可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到光的折射與光速的變化有關(guān)，有助于知識(shí)上的整合。

3 焦耳熱類比“滾彈珠”游戲

如圖4所示，將一顆彈珠從布滿柱子的斜面上滾下來，彈珠會(huì)隨機(jī)地與柱子發(fā)生碰撞，在碰撞的過程中將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞給被碰撞的柱子，柱子的晃動(dòng)變得更加劇烈。

通電的導(dǎo)體為何會(huì)產(chǎn)生熱量呢？這一現(xiàn)象又如何與“滾彈珠”游戲存在關(guān)聯(lián)呢？

以金屬為例，它是晶體，有規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)。在晶格周圍還有穿梭于晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由電子。用彈珠類比自由電子，用斜面上布滿的柱子類比規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。如圖5所示，當(dāng)導(dǎo)體兩端存在電壓時(shí)，電場(chǎng)便建立起來，因電場(chǎng)加速而獲得動(dòng)能的自由電子，通過與晶體結(jié)構(gòu)的隨機(jī)碰撞，將動(dòng)能傳遞給晶體結(jié)構(gòu)。于是，晶體結(jié)構(gòu)的晃動(dòng)變得更加劇烈，導(dǎo)體的溫度就升高了。

通過類比思維，有利于提高學(xué)生的微觀建模能力，而微觀建模也是重要的學(xué)科素養(yǎng)之一。

4 人體類比水柱

初中物理常常要考查估算題，其中有一題目的選項(xiàng)是：“一位中學(xué)生雙腳站立在地板上時(shí)，對(duì)地板的壓強(qiáng)大約是104 Pa?！边@是一個(gè)正確的選項(xiàng)，然而學(xué)生記住這個(gè)結(jié)論很快，忘得也快。怎樣將學(xué)生對(duì)這項(xiàng)內(nèi)容從生硬的“記憶”上升到巧妙的“理解”，怎樣從“知其然”過渡到“知其所以然”，這就需要培養(yǎng)學(xué)生的類比思維。因?yàn)槿梭w的密度與水相近，故可將站立的人與一個(gè)和人等高的水柱進(jìn)行類比。如圖6所示，用這個(gè)水柱對(duì)底部產(chǎn)生的壓強(qiáng)代替人站立時(shí)對(duì)地面產(chǎn)生的壓強(qiáng)不會(huì)產(chǎn)生能影響到數(shù)量級(jí)的誤差。

因此，可以看出一個(gè)人站立時(shí)對(duì)地面的壓強(qiáng)也應(yīng)該約為104 Pa。

5 單擺的中垂線上“釘釘子”類比斜面實(shí)驗(yàn)

伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)中十大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一。是物理學(xué)史上觀察實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理相結(jié)合的典范，是對(duì)學(xué)生科學(xué)方法教育的典型素材，是牛頓第一定律的關(guān)鍵點(diǎn)[6]。

我們不禁要問，伽利略是如何構(gòu)思這個(gè)實(shí)驗(yàn)的，他的靈感是什么？伽利略在他的著作中回答了這個(gè)問題。“設(shè)想這頁紙就是一面垂直的墻，其上釘進(jìn)一枚釘子；從釘子上以一根鉛直細(xì)線AB，比方說6英尺長(zhǎng)，懸掛1盎司的鉛彈，在這面墻上畫一條水平線DC，與鉛直線AB成直角，而鉛直線AB離墻大約有兩尺寬（如圖7所示）。現(xiàn)在把線AB與所系的球移到AC的位置然后使其自由；首先觀察到它沿著弧CBD下落，通過點(diǎn)B，然后沿著弧BD運(yùn)動(dòng)直到幾乎達(dá)到水平線CD，稍有偏差是由于空氣與弦的阻力造成的。由此，我們可以正確地推斷，球沿著弧CB下落，在到達(dá)點(diǎn)B時(shí)獲得了一個(gè)動(dòng)量，它剛好足以使球沿著一段類似的弧BD到達(dá)相同的高度。多次重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)后，讓我們現(xiàn)在在墻上靠近垂線AB釘入一枚釘子，比方說在E或F處，要讓它突出一些寬度，以便栓著子彈的線沿弧CB到達(dá)B時(shí)，可以碰著釘子E然后迫使它沿著以E為圓心的弧BG運(yùn)動(dòng)。因此，我們能夠看到，以前由點(diǎn)B開始沿著弧BD達(dá)到水平線CD的同一物體以同樣的動(dòng)量能夠做些什么?，F(xiàn)在，先生們，你們將會(huì)高興地觀察到這個(gè)球擺動(dòng)到水平線上的點(diǎn)G，并且如果障礙安置在下方的點(diǎn)，比方說在點(diǎn)F，你們會(huì)看到相同的事情，繞著它球會(huì)描出弧BI，球總是準(zhǔn)確地終止于CD線上[7]?！?/p>

根據(jù)單擺的等高擺動(dòng)，伽利略聯(lián)想到：如果一切接觸面都是光滑的，一個(gè)鋼珠從斜面的某一高度A處?kù)o止?jié)L下，由于只受重力，沒有阻力產(chǎn)生損耗，那么它必定到達(dá)另一斜面的同一高度C。如果把斜面放平緩一些，也會(huì)出現(xiàn)同樣的情況，如果斜面變成水平面，則鋼珠找不到同樣的高度就會(huì)一直保持一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，永不停止地運(yùn)動(dòng)下去[8]，如圖8所示。

可見，伽利略正是憑借科學(xué)的核心素養(yǎng)之一的類比思想，帶領(lǐng)我們進(jìn)入了那個(gè)激動(dòng)人心的科學(xué)革命的歲月。

參考文獻(xiàn)：

[1][中國(guó)臺(tái)灣]劉炯朗.讀三字經(jīng)[M].北京：中華書局，2015.

[2]王凌皓.蘇霍母林斯基教育名著導(dǎo)讀[M].長(zhǎng)春：吉林文史出版社，2014.

[3]張大昌，唐果南.物理選修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010：28.

[4]張?jiān)?，徐在?八年級(jí)物理第一冊(cè)[M].上海：上海教育出版社，2006：26.

[5][韓]金明振.物理這么簡(jiǎn)單[M].重慶：重慶出版社，2013：144.

[6]鄭曼瑤.牛頓第一定律教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2014，32（8）：66.

[7][意大利]伽利略.關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006：157.

[8]張同恂，彭前程.物理第一冊(cè)[M].北京：人民教育出版社，2006：43.

（欄目編輯 趙保鋼）