類比在技工學校物理教學中的應用

張海梅

類比法既是一種修辭手法,又是一種思維方法。它是指人們在研究和說明問題時借用已經認識熟悉的,了解掌握的相似相近的知識對未知的和生疏的問題進行研究和說明。從而達到由此及彼,觸類旁通的作用。從物理學的角度看,不同的研究對象之間有許多相同或相似的特征,它們遵守著相同或相似的物理規律,對它們的研究所采用的物理方法也受其特征所制約,它們之間有著必然的聯系。若抓住研究對象的特征作為依據,應用類比,則既可以進行傳授知識和知識的應用教學,又可以進行物理方法的教學。物理課堂教學中的類比法是指老師在課堂教學中針對所講授的新內容,借用學生已有的相似,相近或部分知識,引導學生對新內容首先建立一個直觀的印象,然后層層剖析,步步深入,使學生掌握新問題的本質。

一、生活經驗與物理規律的類比

學生在日常學習生活中積累了一定的生活經驗。用學生身邊的事例進行類比,可啟發學生的思維,調動學生學習的積極性,培養學生在生活中觀察和分析事物的能力。

如講電勢差時,可用瀑布來作為例子,瀑布的水量越大,落到底部的動能越大;而瀑布落差越大,落到底部的動能也越大,動能是由重力勢能轉化獲得的,即瀑布的重力勢能與瀑布的水量、落差有關。讓學生自己類比得出:電勢能與電荷量和電勢差有關:ε=qu

介紹彈簧振子的振動時,振子向平衡位置方向運動為變加速運動,學生不能理解加速度減小而物體速度增加這一現象,可用人的身高增長作類比:人從出生到成人,其身高逐漸增高。當人的年齡接近成人階段,其身高增長速度將逐漸減慢,但人的身高卻仍在繼續增高,只是增高變緩了,而并非人越長越短。當身高停止增長,人的身高達到了他一生中的最大身高。學生從這一簡單的類比中高很易理解:加速度在減小,只意味著速度的增量在逐漸的減少,但物體的速度值卻在增加,為變加速運動。

二、類比在知識教學中的應用

應用類比于物理教學中,其關鍵就是引導學生根據所研究的問題的性質來恰當地選取作為類比根據的兩個對象的對應特征。

1.“場”問題

真空中兩點電荷之間雖然不接觸,卻又相互作用是通過電場這種無形的卻又客觀存在的物質來相互作用的。類比于磁體之間雖然不接觸,也存在著一種無形物質,也就是我們說的磁場。這樣,通過引導分析,學生對“場”這一抽象概念有了比較具體的認識。

2.“電勢差”的問題

物體在重力的作用下從高處向低處運動時,重力做功。對同一物體,高度差越大,重力做功就越多。與此類比,電荷在電場中移動,電場力做功,同一個電荷從一點移動到另一點時,電場力做功越多,說明這兩點的電勢差就越大。再通過舉例說明,絕大部分學生通過對熟悉概念的類比,不僅輕松地掌握了這一內容,且對如何應用類比有了較深刻的印象。

三、類比在物理方法中的應用

物理方法實際上是研究和處理物理問題的思路、方式,也是即物理思想。物理方法和物理知識一樣,經過多次在不同方面的應用才能掌握。一般來說,一個物理方法處理的是一類(或幾類)具有相同或相似特征的物理問題。若教學中抓住研究問題的特征,通過類比,在不同領域內(或在不同內容上)使用同一中方法,則可以達到加深理解物理方法的目的。

例如,應用比值定義法定義某些物理量,如對速度、加速度、角速度等物理量的定義。這些物理量是通過簡單運動引入的:勻速(勻變速)直線運動、勻速圓周運動。它們具有的共同特征是:相等時間內,某物理量的變化量相等,用變化量與所用時間之比就可以表示變化快慢的特征。如速度就是位置的變化量與所用時間的比值來定義的。

比值法應用的另一例子是對量度物質本身屬性的物理量的定義,如電場強度、磁感應強度、電容、電阻等。它們的共同特征是:屬性由本身決定。由于它們能在與外界作用時顯示出一些性質,這就給我們提供了用外界因素來表示其特征的間接方式。以場強作為根據,應用類比,對磁感應強度、電容、電阻等進行教學,強調如何根據其性質來表示其特征。學生不僅對這類概念的理解有融會貫通之感,且在不同方面的應用中,對比值法的內涵有了更深的理解。

四、類比在物理解題中的應用

解題就是解決物理問題,是物理方法和知識的應用過程,應用類比于物理解題,其根據即是物理原型的特征。教學過程中通過分析尋找問題的特征,把它與已知的物理原型進行類比,從而找到方法,解出習題。

下題可作為整體應用牛頓第二定律的一個物理原型。

[原型]一只質量為m的猴子,跳起來抓住懸在天花板上質量為M的豎桿,當猴子抓住木桿的一瞬間,懸木桿的繩子斷了。設木桿足夠長,由于猴子不斷地向上爬,可使猴子離地高度始終不變,求木桿下落的加速度?

[解析]把桿和猴子視為整體,線斷后,系統所有的合力為(m+M)g,猴子對地的加速度,a1=0.設桿的加速度為a2,對系統由牛頓第二定律:F合=ma1+Ma2得:(m+M)g=Ma2所以a2=(m+M)g/M,方向豎直向下。

此題的特征是:系統由兩物體組成,其中一物理加速度為零,若要求的量是系統所受的外力或系統內物體的加速度,此特征就使我們得以用通常由牛頓第二定律求解單個物體的思路來解決系統問題。

許多形式不同的物理習題具有相同或相似的特征,只要理解、掌握了一個問題的特征和解法,應用類比,這類問題就迎刃而解了。從一定意義上說,這是一個把學生從題海戰術中解放出來的較有效的方法。

類比方法符合人們認識事物的規律和當代教育學、心理學規律。應用類比方法,不僅可把抽象的新知識納入到已有知識系統中來,變抽象為形象、變難為易、變煩為簡,同時又可激發學生聯想,具有啟發思路、舉一反三、觸類旁通的作用。所以不失為一種促進學生知識“遷移”,提高學生素質的有效方法。但由于類比是一種或多種可能性的推理,有時結論并不可靠,特別是以現象作為類比的根據時,而這正是學生常犯的錯誤。固物理教學中,應引導學生仔細分析、比較、透過現象抓住與所研究的問題相對應的特征,選擇恰當的類比對象,提高其結論的可靠程度,自覺地掌握和應用類比方法。

作者單位:大同市第二技工學校