物理教學(xué)的類比思維策略

楊華軍 史獻(xiàn)計(jì)

(1. 南京市第二十九中學(xué)天潤(rùn)城分校，江蘇 南京 210031； 2. 南京市江北新區(qū)教育發(fā)展中心，江蘇 南京 210044)

樂音與太陽(yáng)光似乎是完全不同的兩碼事，音樂是心靈的呼喚，色光是眼睛的感覺.偉大的物理學(xué)家牛頓卻看到了兩者的相似性，用色光與樂音類比，完成了光的色散實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了光的色散現(xiàn)象.這正如德國(guó)哲學(xué)家康德(Immanuel Kant)所說，“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時(shí)，類比這個(gè)方法往往指引我們前進(jìn)”.類比思維方法在物理學(xué)的發(fā)展中起到極其重要的作用.在物理教學(xué)中，類比思維方法同樣會(huì)觸動(dòng)學(xué)生思維的發(fā)生與發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生能夠有效地、深入地學(xué)習(xí).中學(xué)物理學(xué)的類比思維策略是如何發(fā)揮其獨(dú)特的功能的呢？本文將闡述類比思維在教學(xué)中的應(yīng)用策略.

1 關(guān)于類比思維

類比法實(shí)際上是一種由個(gè)別到個(gè)別或由一般到一般的推理，是根據(jù)兩個(gè)事物在某些方面的相同或相似，從而推出它們?cè)谄渌矫嬉部赡芟嗤蛳嗨频囊环N邏輯推理方法.類比是以比較為基礎(chǔ)，通過聯(lián)想，把異常的、未知的對(duì)象與尋常的、熟悉的類比對(duì)象進(jìn)行對(duì)比，然后依據(jù)兩個(gè)對(duì)象之間存在著的某種相同或相似的關(guān)系，從而推出未知對(duì)象相應(yīng)具有已知對(duì)象所具有的某種性質(zhì).

1.1 類比思維的基本環(huán)節(jié)

類比思維有兩個(gè)基本環(huán)節(jié)，一是選擇類比對(duì)象，二是進(jìn)行類比推理.在思考與研究過程中，根據(jù)研究目的，從研究方法、形成結(jié)構(gòu)、功能特征、因果聯(lián)系等方面相似性出發(fā)，選擇熟悉的、生動(dòng)直觀的事物作為類比對(duì)象，為類比推理提供思維基礎(chǔ).類比推理是在比較的基礎(chǔ)上，通過聯(lián)想得出相應(yīng)的推理結(jié)果.其推理思維過程表述為：對(duì)象X有屬性a，對(duì)象Y有屬性a′；則對(duì)象X有屬性b時(shí)，對(duì)象Y也可能有屬性b′.可以用數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表征為

X(a)：X(b) →Y(a′)：Y(b′).

例如，牛頓看到樂音是發(fā)聲物體振動(dòng)而發(fā)聲，光是發(fā)光體振動(dòng)而發(fā)出的；樂音由音調(diào)劃分為7種不同的音階，則可聯(lián)想到白光可劃分為7種不同顏色的光(后來發(fā)現(xiàn)是多種不同色光).這就是類比思維.

1.2 類比思維的類型

在中學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們根據(jù)教學(xué)實(shí)際，以典型應(yīng)用分類方式，將類比思維劃分為物理相似類比、數(shù)學(xué)相似類比和模型相似類比3種類型.

1.2.1 物理相似類比

物理相似類比是指根據(jù)兩個(gè)物理對(duì)象中物理性質(zhì)或物理規(guī)律的相似而進(jìn)行的類比推理.如靜電場(chǎng)與重力場(chǎng)類比，研究靜電場(chǎng)的性質(zhì)與規(guī)律(如表1所示)；電磁波類比機(jī)械波，探討電磁波的知識(shí)與特點(diǎn)；電流類比水流，研究電流的相關(guān)規(guī)律等.通過類比，將學(xué)生已有的知識(shí)遷移到新學(xué)習(xí)的知識(shí)中，促進(jìn)學(xué)生理解與掌握新內(nèi)容.

表1 靜電場(chǎng)與重力場(chǎng)類比

1.2.2 數(shù)學(xué)相似類比

表2 帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)與平拋運(yùn)動(dòng)的類比

1.2.3 模型相似類比

這是指根據(jù)現(xiàn)實(shí)模型與物理模型(物質(zhì)模型或理想模型)具有相似特征而進(jìn)行的類比推理.如用地圖上的等高線類比電場(chǎng)中的等勢(shì)面；用“微元法”將曲線分割成無數(shù)非常短的小段，而每一小段的處理方法類比于圓周運(yùn)動(dòng)等.以彈性小球模型中彈力變化類比分子力變化及相應(yīng)的彈性勢(shì)能類比分子勢(shì)能為例，類比如表3.

表3 分子模型與彈性小球模型的類比

2 物理教學(xué)中的類比思維應(yīng)用

2.1 猜想與假設(shè)的類比思維

“猜想與假設(shè)”的教學(xué)環(huán)節(jié)中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生要么瞎猜、要么沉默，學(xué)生的思維很難打開.這個(gè)時(shí)候運(yùn)用類比往往會(huì)收到不錯(cuò)的效果.例如，猜想電場(chǎng)強(qiáng)度與哪些物理量有關(guān)時(shí)，可以用質(zhì)量、電阻等概念類比，如表4所示.

表4 場(chǎng)強(qiáng)與質(zhì)量、電阻的類比

類比推理提出猜想與假設(shè)一方面降低了學(xué)生思維的臺(tái)階；一方面是借助學(xué)生已知的圖景、經(jīng)驗(yàn)來面對(duì)未知的圖景與現(xiàn)實(shí)，為思維的進(jìn)一步發(fā)展提供基礎(chǔ)思維素材.

2.2 物理概念教學(xué)的類比思維

自然世界的諸多現(xiàn)象和過程間的相互聯(lián)系或多或少有些相似性，為類比思維提供了很多客觀條件.恰當(dāng)運(yùn)用類比可幫助學(xué)生更好地內(nèi)化知識(shí)，深度學(xué)透、學(xué)活知識(shí).例如，電勢(shì)能與電勢(shì)概念教學(xué)中，借助靜電力做功類比重力做功，為方便引入電勢(shì)能概念奠定了基礎(chǔ).在此基礎(chǔ)上，再用“重力勢(shì)”與“電勢(shì)”進(jìn)行對(duì)比，學(xué)生學(xué)習(xí)電勢(shì)的概念就要比理論分析與推導(dǎo)容易一些，同時(shí)也為學(xué)生后續(xù)應(yīng)用“勢(shì)”的概念來解決問題提供了一種思維方式.

再如，LC振蕩過程的抽象性會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)能、電場(chǎng)能、電流、電荷量、總電荷量的變化形成學(xué)習(xí)困難.教學(xué)中，借助單擺振動(dòng)與LC電路進(jìn)行類比，兩者有著相同的概念“周期和頻率”和相似的振動(dòng)過程與振動(dòng)圖像.因此，用LC振蕩電路的磁場(chǎng)能、電場(chǎng)能、電流、電荷量、總電荷量類比單擺振動(dòng)中的動(dòng)能、重力勢(shì)能、振動(dòng)速度、位移、振幅，就會(huì)讓學(xué)生能夠理解其中的本質(zhì)屬性.

2.3 物理規(guī)律教學(xué)的類比思維

物理規(guī)律是物理現(xiàn)象、過程在一定條件下發(fā)生、發(fā)展和變化的本質(zhì)聯(lián)系.既然是聯(lián)系那么規(guī)律間有時(shí)就會(huì)有它的相似性.這種相似性為類比思維的教學(xué)提供了可能性.例如，講解光的波動(dòng)性時(shí)，可以借助聲現(xiàn)象進(jìn)行類比教學(xué)，如表5所示.

表5 光的波動(dòng)性與聲現(xiàn)象的類比

2.4 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的類比思維

實(shí)驗(yàn)既是物理教學(xué)內(nèi)容也是教學(xué)手段，實(shí)驗(yàn)離不開思維方法，類比思維常常用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程之中.例如，學(xué)生難以理解“汽車前進(jìn)時(shí)給地面水平向后摩擦力”，運(yùn)用類比的方法可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，讓學(xué)生體驗(yàn)，通過體驗(yàn)加深對(duì)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的理解，為深入理解摩擦力的作用是相互的提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)，如表6所示.

表6 相互作用力的類比

2.5 物理問題解決的類比思維

總之，類比思維的過程是調(diào)動(dòng)學(xué)生原有認(rèn)知促進(jìn)知識(shí)和能力遷移的過程，符合最近發(fā)展區(qū)教育理論，能夠促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知能力最大化發(fā)展，促進(jìn)知識(shí)的有序建構(gòu).所以類比推理是物理學(xué)習(xí)中要凸顯的能力要求，教師在教學(xué)過程中要有意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生類比推理能力，引導(dǎo)學(xué)生利用類比法解決物理實(shí)際問題，促進(jìn)學(xué)生物理思維能力全面發(fā)展，達(dá)到提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目的.但也需要注意的是在物理教學(xué)中運(yùn)用類比思維策略時(shí)，要注意其局限性，否則就會(huì)導(dǎo)致得出的結(jié)論可信度降低或完全失去應(yīng)有的價(jià)值.