類比法在教學中的應用

楊世洲　顏凌云　包宗賢　李輝

[摘 要] 為了促進材料成型理論課堂教學效果的提高，采用類比法對課程的各個知識點進行講解，實現了理論知識的遷移，深化了教學內容，提高了教學效率和學生學習的興趣及樂趣。

[關鍵詞] 類比法；材料成型理論；課堂教學

如何在課堂有限的時間里完成教學任務并達到良好的教學效果？這是大多數教學工作者需要思考的問題。要提高教學效率及效果的方式、方法有很多，但并不是所有的方式、方法都能起到良好的作用。因此，眾多教學工作者在不厭其煩地探索各種教學方式、方法，以求獲得行之有效的教學手段。材料成型理論課是材料成型專業的一門專業基礎課，里面的很多內容理論性強、很抽象。再加之授課對象是高職高專的學生，他們的基礎普遍較差，理解上缺乏融會貫通，并缺乏舉一反三的學習能力，特別是部分文科生學習理科課程就更感困難。如何尋求一種行之有效的教學方法應用于材料成型理論課的課堂教學中，以達到事半功倍的效果呢？

類比法便是作者在教學過程中經常使用的教學方法之一。所謂類比法是指在新事物與已知事物之間具有類似方面作比較并加以遷移的邏輯推理和科學研究方法。在材料成型理論課中，許多自然科學的理論在我們日常生活中經常遇到，只不過我們平時沒有注意其中蘊藏的道理，所以在學習自然科學方面的課程時也不能與我們日常生活的事情結合起來而感覺到學習的知識枯燥、抽象，進一步失去了學習的興趣和樂趣。下面談談類比法在材料成型理論課各個知識點教學過程中應用的一些例子。

一、金屬晶體中原子規則排列與隊列的類比

晶體的原子在空間上是按規則的幾何圖形排列。這個規律是用來區別非晶體結構材料。金屬晶體中原子的尺度很小，以埃為單位（1埃=103nm）。金屬晶體的微觀結構，需借助高端的檢測設備，將其放大幾十萬倍，甚至一百多萬倍才能分辨出原子。如何才能讓學生了解晶體原子具有規則排列規律呢？這里我們可以將軍隊隊列訓練時，方正里士兵的規則排列進行類比。每排對齊，每列對齊，每條斜線對齊。每個士兵在方正里都有固定位置。隊列在彎曲的公路上行走時，這個隊形就會呈現不同的形狀。這個過程與金屬在模具中進行塑性流動很類似。經過這樣的類比，學生就能很容易理解金屬中原子排列的規律性以及金屬在外力作用下可以進行塑性變形的流動。

二、液態金屬中的非均質形核與雨滴的形核類比

所謂非均質形核就是原子或分子依附在液相中某種固體表面（外來夾雜物或容器壁上）形核的過程。這個概念實際上已經包括了空氣中雨滴的形成條件，以及人工增雨的原理。由于平時大家對生活中的事物沒有過多的加以思考，所以沒有與自然科學原理聯系起來。實際生產中，液態金屬在進行結晶時都是按照非均質形核進行結晶。因為非均質形核所需要的過冷度下，臨界形核功小。結合這個理論，我們就可以理解當空氣中粉塵（外來質點）較多，濕度較大（水分達到過飽和狀態）時，就很容易下雨。同理也可以理解為何在人工增雨時需向天空中打催雨彈，其實質就是增加空氣中雨滴形核的外來質點。

三、有關溫度對液態金屬流動性影響的類比

液態金屬的流動性實際受粘度的影響。溫度的升高主要是降低了液態金屬的粘度（在保證不吸氣和金屬液不被氧化的前提下）。粘度實質是反映液態物體中物質相互移動的內摩擦力大小。粘度越大，液態物體就越不容易流動。可要理解這個概念是比較困難的。我們可以通過鋪設瀝青公路的操作來解釋。在鋪設瀝青公路時，首先是將固態的瀝青放在一個桶中加熱熔化，熔化后的瀝青就具有足夠的流動性并能順利地與砂石及其它添加物進行混合，然后再將混合物鋪設在公路地基上。瀝青在加熱后熔化并具有足夠流動性的原因就是大分子碳氫化合物在加熱后支鏈活動能力增強并舒展開去，減少了大分子與大分子之間相互移動的阻力，同時主鏈的活動能力也增強，也是其流動性增加的原因之一。液態金屬隨溫度升高，流動性增加也是因為金屬原子間距增加，活動能力增強造成粘度降低的緣故。通過類比，學生就很容易對這個問題進行理解。

四、晶體生長平面的宏觀與微觀類比

液態金屬在凝固過程中固—液界面結構最終決定晶體的生長形態。當固—液界面是平面形態時，晶體長成平面晶；當固—液界面凹凸不平時，晶體長成胞狀晶，甚至發展成樹枝晶。在這里，固—液界面是在宏觀層面上來區分其結構，其尺度是以微米為單位。當固—液界面從微觀層面，即原子尺度上區分時，劃分為粗糙界面和光滑界面。此時我們能夠看到原子的排列結構。微觀的固—液界面結構是由不同的材料性質決定的。金屬材料大多以粗糙界面結晶，有機物及無機非金屬材料大多以光滑界面結晶。通過固—液界面宏觀與微觀的對比，我們就很容易了解它們的應用場合。

五、液態金屬中氣泡與水中氣泡的類比

液態金屬中氣泡的上浮速度可用斯托克斯公式（如下式）進行解釋。從此公式我們可以看出，液態金屬中氣泡的上浮速度與液態金屬的密度p1與氣泡的密度p2之差成正比，與氣泡半徑r的平方成正比，與液態金屬的粘度%`成反比。但如何才能形象地了解到公式中各參數對氣泡上升速度的影響呢？這里我們可以用水中氣泡的上浮速度進行類比。

斯托克斯公式同樣適用于水中氣泡的上浮過程。當我們向清澈的池底丟一石頭時，在池底會激起一些氣泡，這些氣泡由于密度比水的密度輕而開始慢慢上浮。隨著氣泡的上升，氣泡變得越來越大，同時氣泡的上浮速度也越來越快。當氣泡上浮到水面時，會以一個大氣泡的形式而爆裂在水面上。產生這個現象的原因完全可以用斯托克斯公式進行解釋。氣泡在池底產生時，由于氣泡周圍的水壓大而造成氣泡長大緩慢，同時氣泡半徑也小，因此上升速度小。隨著氣泡的上升，其周圍的水壓減小，氣泡內外壓力不平衡而造成氣泡長大，由于氣泡半徑的增加促使其上升速度增加。氣泡離水面越近，其周圍水壓越小越有利于它的長大和上浮。最后，一個大氣泡以很快的上升速度爆裂在水面。需要注意的是水的粘度比液態金屬小，更促進了氣泡在水中的上浮。

六、各種連接方法的類比

在我們的生產、生活中連接方式或方法無處不在。但當我們接觸到這些事物時，是否對這些連接的方式進行過思考和對比呢？可能大多數人對這些情況都沒有認真去思考過。那我們遇到的方式有哪些？它們有何區別？各種連接方式又在哪些場合適用呢？

根據連接的性質，通常可以分為機械連接、焊接、膠接這三類。機械連接包括螺紋連接、銷連接、鍵連接等，這種連接方法的優點在于各個零部件能進行拆卸及重新組裝，這便于我們機器的安裝和維修，它的缺點是涉及的零部件多，需要加工，連接的強度沒有焊接接頭高（相同尺寸情況下）。焊接是通過冶金結合的形式將兩分離的物體在接合處連接起來的方法。它的優點是連接強度高，連接工藝靈活（由簡單件連接成復雜件），同時可以實現不同材料的連接；它的缺點是連接處不可拆分，接頭處存在應力，工件容易變形、開裂。焊接往往適用于鋼材料的連接，在機械、汽車、火車、輪船，石油化學、航空航天等領域都大量使用。膠接是通過粘結劑的物理化學反應將兩分離的物體在連接處連接起來的一種工藝。膠接的優點是適用于各種材料的連接，它主要的缺點是接頭處強度不高，還有在粘結前需對接頭處進行處理，接頭壽命短。膠接主要用在受力不大的場合進行連接，像修補輪胎、書的裝訂，裱貼，零件表面的修復，塑料管道的連接等。

總之，通過類比可以將書本上抽象的、復雜的問題簡單化、直觀化，用熟悉的事物去理解未知的事物，有助于學生的消化、理解，同時也提高了學生學習的興趣和樂趣。類比教學法不僅在材料成型理論課教學中運用有效，而且在其他學科知識的教學過程中也一樣有效。如果類比的事物是我們日常生活中經常遇到的，那教學的效果會更好。但如何恰當、正確地進行類比，也是我們教學過程中需要思考的問題。選擇的類比事物不恰當，效果可能適得其反。因此，類比法作為教學的一種方式或方法，還值得我們在教學過程中不斷摸索和思考。

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作者簡介：楊世洲（1972—），男，四川眉山人，博士，副教授，四川建筑職業技術學院，研究方向：教學和科研。