淺談類比法在中學物理教學中的滲透與應用

吳長春

摘 要：新課程的理念要求我們在物理教學過程中把知識生成過程傳授給學生，以培養(yǎng)學生學習物理的思維。而類比法是一種重要的物理思想。文章講述了科學家是如何利用類比思想，建立新的科學理論;教師在教學中如何降低教學難度，突破教學難點，讓學生更好地掌握物理概念、規(guī)律。運用類比思想，可幫助學生建立起解題模型，提高解題能力和學習物理的信心。

關(guān)鍵詞：類比法;創(chuàng)新;解題能力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 收稿日期：2019-03-19 文章編號：1674-120X（2019）13-0084-02

物理學是一門以觀察和實驗的基礎(chǔ)學科，通過邏輯方法和數(shù)學方法進行一系列的科學抽象。從現(xiàn)象深入本質(zhì)，從感性上升到理性，形成科學理論。因而要求我們在中學物理教學過程中，把知識生成過程傳授給學生，來培養(yǎng)學生學習物理的思維方式。司南版教材編寫過程中就很注重各種科學思維方法的滲透，其中就多處提到一種科學的思維方法——類比法。

類比法的基本流程為：B類對象也可能具有與d相同或相似的屬性D，詳見圖1。因此，我們在教學的過程中應加強這種思想方法在物理教學中的滲透與應用。

一、挖掘教材中的相關(guān)素材，體會類比思想

培根有一句名言：“類比聯(lián)想支配發(fā)明。”例如，在牛頓的萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程中，教材就較詳細介紹了牛頓利用類比法的思想過程。牛頓認為物體落地是由于地球?qū)ξ矬w的吸引，而地球與物體間的引力可能與天體間的引力有相同的性質(zhì)。他通過計算月球繞地球公轉(zhuǎn)的向心加速度恰好等于處在月球位置的物體重力加速度，證明了地球?qū)υ虑虻囊εc地球?qū)Φ孛嫖矬w的引力是相同性質(zhì)的，遵循同樣的規(guī)律而確立萬有引力定律，其出發(fā)點是世界的統(tǒng)一性。

又比如，盧瑟福把原子內(nèi)部的情況和太陽系的結(jié)構(gòu)相類比，原子核與電子間的吸引力以及太陽系與行星間的萬有引力都遵循距離的平方成反比的規(guī)律。太陽系是由于核心的太陽和環(huán)繞它的一系列行星構(gòu)成的。由此，盧瑟福提出了原子是由電子繞帶正電荷的原子核組成的這樣一個原子結(jié)構(gòu)的行星模型假說。

二、利用類比法教學降低教學難度，突破教學難點

中學生由于抽象思維能力較弱，對那些缺少實驗演示的抽象的物理概念規(guī)律非常害怕，不容易理解。教學中借助類比的思想，利用學生已有的認知，對將要學習的知識提供一個相近類似的表象，從而建立起新的知識模型，可以很好地降低學習知識難度，幫助學生增強學習的信心，提高學生學習的效率，讓學生獲得思維品質(zhì)的提升。例如，在學習加速度這個概念時，我們可以從兩方面通過類比法教學，使學生很好地理解加速度這個概念。

首先，從定義上與速度的概念類比，因為學生對速度這個概念相對比較熟悉，速度是表示位移對時間的變化快慢，而加速度是表示速度對時間的變化快慢，都是比值定義法。其次，通過過程的類比加深對加速度的概念理解，我們列舉一物體做變加速直線運動，此過程中加速度不斷減小最終為零時，速度如何變化呢？對此學生往往把速度與加速度混為一談，認為加速度減小速度也減小。這時讓學生與自己身體發(fā)育長高的過程進行類比，隨著年齡的增長，每年長高的幅度在減小，但總的身高一直在增大直到停止。一個抽象的物理過程通過一個簡單的類比而直觀化了，降低了思維難度，增加了學生的學習信心。

又比如在學習電動勢及閉合電路歐姆定律時，用抽水機的抽水過程類比電源對電荷的做功（電源中非 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 電場力做功）。

不同種類或型號的抽水機的抽水高度是不同的，類比不同的電源把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)是不同的（電動勢不同），而用水的流動類比電荷的定向運動。因此，我們在導出閉合電路歐姆定律表達形式時，創(chuàng)設(shè)了以下兩個相似的物理情境：①人工瀑布在重力的作用下由高處流向低處，再由抽水機克服水的重力做功抽水回高處。能量守恒WF-Wf=WG。②正電荷在電場力的作用下由高電勢向低電勢處運動，再由電源中非電場力做功，正電荷回到正極。（注意不是電荷真的從正極移到負極）能量守恒E-U內(nèi)=U，引導學生的思維進行發(fā)散聯(lián)想，通過對一個熟悉的對象與一陌生的對象相似的性質(zhì)和規(guī)律進行類比，經(jīng)過合乎邏輯的推理（在學生已理解電動勢的物理意義和已掌握電勢差的物理意義的基礎(chǔ)上）自然推導出閉合電路歐姆定律的數(shù)學表達形式：E-U內(nèi)=U外→E=U外+U內(nèi)→E=I（R+r）。注意在教學中運用類比推理的過程，同時要告訴學生類比的邏輯根據(jù)是不充分的，得出的結(jié)論可能是對的，也可能是錯的，必須經(jīng)過實踐的檢驗。

三、通過模擬實驗的演示創(chuàng)設(shè)相似的物理情境

模擬方法是類比方法的具體運用。例如，“場”是極為抽象的概念，在講到磁場時，我們讓鐵屑浮在油中模擬磁場的分布特點;講到“與”“非”“門”時用開關(guān)的串并聯(lián)來模擬電路特點。又比如光的折射現(xiàn)象，光從空氣中斜射入另一種透明的介質(zhì)中時，發(fā)生偏折。我們通過一個小小的模擬實驗演示：讓一個線軸從平滑桌面斜向滾入鋪有布的粗糙區(qū)域。線軸發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，學生很容易理解兩邊的輪子，在不同粗糙區(qū)域速率不同，必然發(fā)生偏轉(zhuǎn)，類比光從空氣中斜射入另一種透明的介質(zhì)中時，由于光在不同的介質(zhì)中的傳播速度是不同的，因而發(fā)生了偏折，而且偏折的程度是與光在不同介質(zhì)中的傳播速度有關(guān)的。學生通過直觀的感受，抽象地理解了折射率這個物理量與速度的關(guān)聯(lián)。

四、用類比教學法幫助學生總結(jié)、記憶公式以及加深對概念的理解運用

（1）例如在復習《靜電場》這一章節(jié)時，對本章的三個重要基本的概念進行類比歸納：電場強度（E）、電勢（U）電容（C）。上述三個概念都是用兩個物理量的比值來定義的，用這種方式來定義概念在物理學中有很多，如電阻（）、磁感應強度（）等，區(qū)分概念的定義式和決定式是正確理解概念的關(guān)鍵。應明確概念的定義式是具有普遍意義的，而概念的決定式是有條件的。從而讓學生系統(tǒng)化地掌握物理概念，培養(yǎng)分析、比較、歸納的能力。

（2）通過物理模型的類比，加強前后知識的聯(lián)系，促進知識或經(jīng)驗的遷移，形成知識的網(wǎng)絡(luò)，提高學生的綜合歸納能力。例如地球——人造衛(wèi)星的模型與氫原子模型的類比：相似之處：運動性質(zhì)、向心力來源、線速度、角速度、周期和Ek與Ep的變化關(guān)系。不同之處：地球——人造衛(wèi)星以地面為零勢能位置，重力勢能為正值，軌道半徑可以連續(xù)變化;氫原子模型取無限遠為零勢能位置，電子的電勢能為負值，軌道半徑不可以連續(xù)變化。

（3）運用類比思想幫助學生建立起解題模型，提高解題能力。會解一道題，就會解答一類題目，達到從“厚”到“薄”的飛躍，起到舉一反三、觸類旁通的效果，讓學生從題海中解放出來，實現(xiàn)能力素質(zhì)的形成。中學物理的很多問題一般都是研究物體在各種運動狀態(tài)的變化過程中各物理量的變化關(guān)系，因此通過過程模型的類比建立起解題模型，不失為一種加深對物理規(guī)律的掌握運用和提高解題能力的有效途徑。過程模型的類比，一般分為兩種情形。（詳見圖2）比如情形①：物理情境不同，但受力相似，運動過程相似。首先，汽車在一平直的公路上以恒定的功率P從靜止開始加速行駛，地面的阻力為f，求此過程的最大速度。其次， 電阻不計的平行光滑金屬導軌MN和OP放置在水平面內(nèi)，MO間接有阻值為R的電阻，導軌相距L，其間有豎直向下的勻強磁場B，導體棒CD垂直于導軌放置，并接觸良好，現(xiàn)用平行于 MN的恒力F向右拉動CD，求第一問中CD運動的最大速度是多少。通過以上類比研究，盡管物理情境不同，但是它們運動過程特征是一樣的：都是變加速直線運動，加速度為零時速度達到最大。此過程模型經(jīng)常出現(xiàn)在中學物理各類題型中。因此，學生若能對此過程模型中的受力特征、動力學方程、運動過程特征熟練掌握并形成解題模型于自己的頭腦中，那么不管在做作業(yè)還是在各種考試中面對此類題型都能做到“兵來將擋、水來土掩”。情形②：相同的物理情境，但初始條件不同，受力不同，運動過程也不同。導體棒在磁場中切割磁感線運動，A導體棒勻速運動;B導體棒在恒定外力作用下由靜止開始運動;C導體棒在恒定加速度作用下由靜止開始運動;D導體棒在恒定功率作用下由靜止開始運動。通過以上四種相似的物理情境，在對不同運動過程的類比分析中，學生對它們間的普遍聯(lián)系和各自的特殊規(guī)律有了翔實的認識，深刻理解了導體棒在磁場中切割磁感線運動模型，使所學知識既有橫向的聯(lián)系，又有縱向的深度，形成一個知識網(wǎng)絡(luò)。

（4）應用各種類比形式，提高解題能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維品質(zhì)。通過在各個教學階段應用概念類比、規(guī)律類比、因果類比、模型類比、過程類比、圖像類比等各種形式類比方法，潛移默化地培養(yǎng)學生的歸納、聯(lián)想、綜合、邏輯推理等思維能力。例如：求長度為L的單擺在豎直加速下降或加速上升的電梯中的周期T，已知加速度為a。

思路：根據(jù)規(guī)律類比，地面上： ?，電梯中： 。

類比教學法應用于中學物理教學中，是以建構(gòu)主義理論為依托，現(xiàn)代建構(gòu)主義的學習論認為學習是一個以已有的知識和經(jīng)驗為基礎(chǔ)的主動構(gòu)建過程。而類比教學法以此為理論基礎(chǔ)強調(diào)認識的主體性，在新舊知識間通過類比建立起知識間的聯(lián)系的紐帶，促進知識的遷移，完成知識的創(chuàng)新。

參考文獻：

[1]楊新宇.類比法在中學物理教學中的應用[J].物理之友，2016（5）：23-24.

[2]吳玖陽.類比法在高中物理中的應用[J].物理通報，2018（5）：116.