類比整合思想在高三物理教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：中國傳統(tǒng)儒家“和而不同”的思想與物理學(xué)中追尋和諧統(tǒng)一的科學(xué)思想具有異曲同工之妙，旨在研究事物（或思想）之間的關(guān)聯(lián)之處，實(shí)為 “求同存異”。在高三物理教學(xué)中，教師可以通過實(shí)驗(yàn)方法類比、圖像法類比、物理規(guī)律與具體情境圖類比等形式將新教材及其他資源進(jìn)行類比整合，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，歸納物理方法，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：類比學(xué)習(xí)；物理方法；資源整合；高三學(xué)習(xí)

物理學(xué)家總是力圖在科學(xué)的海洋中探索和諧且統(tǒng)一的自然規(guī)律，當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)這些自然規(guī)律可以用數(shù)學(xué)工具呈現(xiàn)時(shí)，這種探索的熱情愈發(fā)高漲，麥克斯韋如此，愛因斯坦也是如此。君子和而不同，寓意著君子之間能夠和諧相處，且能彼此包容對(duì)方的不同意見，類似于“求同存異”的理念，表明自然哲學(xué)與儒家哲學(xué)在某些方面存在交集。

在新形勢(shì)下，引導(dǎo)學(xué)生掌握人教版六冊(cè)高中物理教材中的知識(shí)與方法，并將其內(nèi)化為自身的素養(yǎng)，是高三物理教師面臨的新挑戰(zhàn)。在高三這一年的時(shí)間里學(xué)生不能只是“刷題”，因?yàn)椤八㈩}”不等同于“問題解決”，前者是對(duì)后者的窄化和畸形理解。［1］因此，教師必須有規(guī)劃地做好教育教學(xué)研究工作，用好教材資源，實(shí)行高端備課，將學(xué)科知識(shí)有效整合并呈現(xiàn)于課堂。高三的學(xué)習(xí)更強(qiáng)調(diào)知識(shí)的系統(tǒng)性和方法的歸納。當(dāng)教師面對(duì)較多且分散的知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)資源時(shí)，不妨嘗試用“和而不同”的思想來進(jìn)行分類和梳理。

1 物理學(xué)中的類比

類比是一種邏輯推理方法，也是抽象思維中的一種形式。前輩們常通過聯(lián)想，先把異常的、未知的事物（研究對(duì)象）與尋常的、熟悉的事物（類比對(duì)象）進(jìn)行對(duì)比，然后基于兩者之間存在著的某種類似或相似的關(guān)系，從已知對(duì)象具有的某性質(zhì)推導(dǎo)出未知對(duì)象具有相應(yīng)的一種性質(zhì)。

正如愛因斯坦所說，在物理學(xué)上，人們往往因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了表面上看似無關(guān)的現(xiàn)象之間相互一致之點(diǎn)而加以類推，結(jié)果竟得到很重要的進(jìn)展。

一方面，類比學(xué)習(xí)能幫助我們基于已知事物的相關(guān)理論建立假說，以解釋新的事物；用某些已知的屬性來闡述未知的屬性，從而增強(qiáng)說服力，使人們?nèi)菀桌斫狻Ａ硪环矫?，物理學(xué)中的規(guī)律、方法、情境之間存在著諸多“神似”之處，而其中高度抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)式又有許多“形似”之處。教師在引領(lǐng)學(xué)生感知物理魅力的同時(shí)，應(yīng)適時(shí)將表達(dá)式進(jìn)行類比（如表1所示），求同存異，提升學(xué)習(xí)的效率，并促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理觀念的建構(gòu)。

2 將新教材資源進(jìn)行類比整合的案例

2.1 將“新增知識(shí)”與“舊版知識(shí)”進(jìn)行類比整合

2019～2020年人教版高中物理教材比2010年人教版高中物理教材新增了一些內(nèi)容，增大了知識(shí)的容量。這意味著教師一定要引導(dǎo)學(xué)生將新增的部分與原有的知識(shí)類比結(jié)合，形成新的知識(shí)框架；而通過物理方法進(jìn)行類比學(xué)習(xí)，是極佳的學(xué)習(xí)方式。

2.1.1 通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行類比整合

物理實(shí)驗(yàn)方法是前人經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，反復(fù)論證、檢驗(yàn)并再檢驗(yàn)所形成的。物理實(shí)驗(yàn)方法因其具有可重復(fù)性，使得我們可以通過實(shí)驗(yàn)方法建構(gòu)學(xué)習(xí)框架，對(duì)新增實(shí)驗(yàn)進(jìn)行類比學(xué)習(xí)。2019年人教版高中物理必修第二冊(cè)教材相比之前的2010年人教版高中物理必修2教材，增加了一個(gè)“探究向心力大小的表達(dá)式”的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。［2］這個(gè)實(shí)驗(yàn)是用控制變量法探究向心力與半徑、物體質(zhì)量、角速度的關(guān)系（如表2所示）。

當(dāng)一個(gè)物理量與多個(gè)變量（多個(gè)因素）有關(guān)時(shí)，常采用控制變量（因素）的方法，即每一次只改變其中的一個(gè)變量（因素），而控制其余所有的變量（因素）不變，把多重因素的大問題變成若干個(gè)單一因素的小問題分別加以研究，最后再整體解決。

這一研究方法可類比至不同知識(shí)模塊，如探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系；研究導(dǎo)體電阻與長度、橫截面積、材料之間的關(guān)系；探究單擺周期與擺球質(zhì)量、擺長、振幅之間的關(guān)系；探究一定質(zhì)量理想氣體的壓強(qiáng)與溫度和體積的關(guān)系；探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系等。

2.1.2 通過圖像法進(jìn)行類比整合

數(shù)形結(jié)合是一種將抽象問題直觀化、可視化的思想方法。圖像法是科學(xué)探究中數(shù)據(jù)處理的重要方法。對(duì)于高中物理來說，圖像是學(xué)生在沒有學(xué)過微積分的情況下，理解物理規(guī)律并對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析的重要工具。2020年人教版高中物理選擇性必修第一冊(cè)“動(dòng)量定理”一節(jié)，相比之前的2010年版新增了一個(gè)變力的沖量圖，如表3中所示的第一個(gè)圖，其滲透了微元法及面積法的思想。我們可以對(duì)圖像進(jìn)行類比整合。教學(xué)中常用到的直（曲）線與橫軸包圍的面積和直（曲）線的斜率相關(guān)圖像進(jìn)行類比，歸類整合如表3所示。

2.2 將物理規(guī)律與具體情境圖類比

教材是教與學(xué)的基本材料，絕不是教輔資料能代替的。但教材也不是唯一教學(xué)資源，許多的物理規(guī)律是從現(xiàn)象中總結(jié)出來的，現(xiàn)象是物理的根源。［10］當(dāng)有些現(xiàn)象確實(shí)難以觀察時(shí)，我們可以將抽象的事物（或規(guī)律）與具體情境圖類比，使前者變得形象、直觀。具體情境圖可以是實(shí)景圖，也可以是漫畫。［11］而教材由于篇幅的限制，不可能將所有情境圖一一配齊。因此，教師需要拓展開發(fā)教材，廣泛尋找類比學(xué)習(xí)的資源。

以布朗運(yùn)動(dòng)為例，教師在分析懸浮微粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以用“酒鬼走路”位移的無規(guī)則性來形象描述懸浮微粒的運(yùn)動(dòng)（如圖2所示）。在學(xué)習(xí)盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型時(shí)，教師可用“荔枝果”的剖面來做比喻（如圖3所示），中間的“果核”類似于“原子核”。在研究靜電場(chǎng)中的等勢(shì)線時(shí)，教師可以借用地理學(xué)科中的等高線來表示；而電場(chǎng)線由高電勢(shì)指向低電勢(shì)就自然可以類比于水流方向由高到低（如圖4所示）。

另外，教師還可以將跨年級(jí)的知識(shí)類比整合。對(duì)于高一所學(xué)的“相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性”和高二所學(xué)的“粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立”這兩節(jié)所講述的內(nèi)容較為深?yuàn)W。然而，實(shí)際上這兩節(jié)的內(nèi)容對(duì)高中階段學(xué)生并無過多的要求。教師可以將這兩節(jié)的內(nèi)涵整合，并繪制一張“適用范圍圖”（如圖5所示），以此方式呈現(xiàn)，將使這些深?yuàn)W概念變得清晰直觀。

2.3 “多維度類比學(xué)習(xí)”的典型案例——重力場(chǎng)與靜電場(chǎng)

科學(xué)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)，是通過觀念之間的斗爭(zhēng)與滲透成長起來的。在學(xué)習(xí)物理的過程中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有些之前學(xué)過的知識(shí)，會(huì)反復(fù)滲透在其他許多類似的描述和定律中，比如保守力場(chǎng)。以重力（萬有引力）場(chǎng)和靜電場(chǎng)類比學(xué)習(xí)為例（如表4所示），教師要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)兩種場(chǎng)的多個(gè)對(duì)應(yīng)量進(jìn)行類比學(xué)習(xí)。學(xué)生只要對(duì)兩種場(chǎng)中多個(gè)物理量的關(guān)系進(jìn)行多維度的類比學(xué)習(xí)，就會(huì)有一種豁然開朗的感覺。

3 對(duì)類比學(xué)習(xí)的反思及教學(xué)啟示

類比學(xué)習(xí)，是將類似的知識(shí)與方法聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)知識(shí)與方法的遷移。這一點(diǎn)對(duì)高三物理教學(xué)相當(dāng)有利，類比學(xué)習(xí)不僅可以提高教與學(xué)的效率，還能鼓勵(lì)學(xué)生在培養(yǎng)自我類比記憶能力和形成良好學(xué)習(xí)的習(xí)慣過程中，將類比方法內(nèi)化為學(xué)生自身的素養(yǎng)，從而使學(xué)生能夠用類比的方法解決新的問題。但每一種方法都有局限性，因此類比學(xué)習(xí)時(shí)需注意以下事項(xiàng)：第一是類比是有條件的，要審視條件，切不可勉強(qiáng)類比，更不可胡亂類比；第二是類比要注意求同存異，做到具體問題具體分析，畢竟不同研究對(duì)象，有著各自的屬性或具體的內(nèi)涵；第三是類比要注重借鑒彼此的研究方法和思維方式。

在完成新授課任務(wù)進(jìn)入高三時(shí)，教師應(yīng)該致力于“問題解決”，尊重學(xué)科特點(diǎn)，以人為本，從更寬闊的視野出發(fā)，對(duì)繁多且分散的知識(shí)進(jìn)行類比梳理，達(dá)到和而不同、求同存異。物理概念以及物理量之間關(guān)系的表達(dá)，要借助于數(shù)學(xué)式或圖像等手段。［14］教師還要充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，對(duì)教材資源進(jìn)行拓展開發(fā)，將抽象之物變得更形象、更直觀。［15］當(dāng)我們置身于一棵大樹旁，我們無法看到森林的全貌；可當(dāng)我們從較遠(yuǎn)處，以更宏觀、更開闊的視野來看森林，我們對(duì)整體的布局、類比分類及規(guī)劃會(huì)更加清晰。物理教學(xué)亦是如此。

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