妙用類比方法 促進物理學習お

于志林

“當理智無法得到可靠的論證時，類比往往能引導著人類形成正確的認識.”康德的這句話點明了類比法在科學研究中的地位.類比法也廣泛地運用于中學物理的教學中，具體的操作就是：把學生感到較為陌生的物理情境與他們所熟悉的類似情境進行對比，進而實現物理過程和有關現象的正確分析，從而讓學生實現相關物理規律的認知.

類比法和認知心理學派的“知識遷移”理論有所關聯，都是從學生已有的知識和經驗出發，通過對比和聯想來構建新的認知，具體說來，這應該對應心理學角度“正遷移”的概念.在物理教學中，類比法的使用可以分為以下三種類型.

1 通過學生對已有類似概念的認知來學習新的概念，構建新的認知

高中物理中有的概念是從學生所熟知的物理環境里提煉而來，學生學起來比較輕松，但是有的概念源于科學方法抽象化地提煉，學生的理解較為費力，因此對于此類內容，教師可以通過類比的手段搭建新授概念與已有知識基礎的橋梁，讓學生在比較中，學習和掌握相關內容.

例如，學習“點電荷”這一概念時，教師引導學生回憶一下質點的概念.學生都知道質點是“有質量的點”，那么什么是“點電荷”呢，學生通過類比，就給出了“帶有電荷的點”這一定義.此外，有關電場強度的定義式的理解，該表達式中試探電荷q和試探電荷所受的力F并沒有直接影響到電場強度E，很多學生對這里面的因果關系認識含糊，因此教師可以通過類比其他用比值定義的物理量進行說明，比如速度定義式v學生在力學部分對這一系列表達式學得都很扎實，特別是加速度，學生對其中的因果關系很明確：力是產生加速度的原因，加速度是否變化由力來決定，與速度變化量和時間沒有關系.由此可類比出結論：電場強度由電場自身來決定，與試探電荷是否存在及大小無任何關系，因此它們之間的正反比關系更是無從談起.還比如：3-3模塊中，有關分子力的認識（如圖1），因為發生在微觀世界，學生的模型建立也非常困難，有關認識很是模糊.教師在教學時，可以將分子之間的作用力類比為彈簧模型（如圖2），[TP4GW84.TIF，X，BP#]分子之間的距離為r0時，則類比為原長形態的彈簧，不表示出作用力（即分子力為零）；當分子之間的距離小于r0時，則類比為壓縮形態的彈簧，所表示出作用力為斥力；當分子之間的距離大于r0時，則類比為拉伸形態的彈簧，所表示出作用力為引力；當然既然是類比，就必須和學生說清楚差別，當距離在r0的基礎上有所增加時，開始階段分子力與彈簧相似，距離拉大，力變大，但是超過一定限度，區別就出現，后階段引力會隨距離的變大而變小，達到10r0時，分子力會消失（說明分子力是一種短程力）.

2 通過學生對已有規律認知的類比來探究新的規律，并熟悉其內涵

很多不同的物理情境之間存在相同或相近的特征，因此在對應的物理規律上也存在著類比法適用的可行性.借助類比法，學生將抽象的情境與已經熟悉的物理情境進行對比，從而實現對規律內涵的認識.

例如，講解電場的時候，教師就經常將其和重力場相對比，最典型的就是把電場力做功和重力做功放在一起，他們具有相同的特點：與路徑無關，只由始末位置有關；此外還將電場中電勢差類比為重力場中的高度差，電勢類比為高度，電勢能類比為重力勢能，一系列的類比幫助學生將抽象的電場模型理解得更加具體.其中，電場中有關電勢的概念是最抽象的，為了說清楚電勢和等勢面的有關概念，教師要靈活的組織語言，引導學生對比，比如為了將“勢”這個概念引入重力場，可以將“高度”講成“地勢”，將等勢線（如圖3）和地理上等高線（如圖4）放在一起，讓學生進一步地理解：在同一個等高線上移動物體，重力不做功，重力勢能不變；在同一個等勢線上移動電荷，電場力不做功，電勢能不變，諸如此類的規律很快就能被學生所掌握.當然類比的同時，教師更要引導學生看到差別，比如對重力場中的物體而言，可以說地勢越高，重力勢能越大，但是對于電場中的電荷，能否說電勢越高，電勢能就越大呢？教師這時要引導學生注意到，物體質量是沒有正負的，但是帶電量卻是有正負的.因此類比的同時，又能看出差別，才算是更為全面而深刻地理解了規律.

3 通過學生對已有模型的類比來分析新的物理情境，實現知識的遷移.

物理規律的普適性也經常表現為：不同的物理情境背后隱藏相同的物理模型，因此很多物理問題的分析，需要學生能通過類比從較為陌生的物理情境中提煉出較為熟悉的物理模型，從而實現相關問題的解決.現在很多物理習題中也采用類似的模式來構建習題，幫助學生對已有規律進行熟悉和鞏固，實現舉一反三的效果.

例如，有這樣一道習題：如圖5所示為光滑的圓弧軌道AB，其半徑為R，且已知A、B兩點等高，弧長遠小于半徑，現將一小球（可視作質點）從A點無初速地釋放，請計算其運動到B需要多長時間？本題中小球所受兩個力分別為重力和沿半徑方向的支持力，因此受力形式和單擺模型中的小球極為相似，而且題中強調弧長遠小于半徑，即表明圓弧所對應圓心角非常小，[TP4GW86.TIF，Y#]這也與單擺模型的成立條件完全一致，因此可判斷單擺的周期規律適用于本題，用類比的方法可求出由A點運動到B點為一半的單擺周期.此外，將垂直于電場方向打入平行板電容器的電荷的運動說成類平拋運動，其實也是用了類比的方法來處理.用類比的方法來分析問題既是一種知識和能力的遷移，也是學生建模能力的訓練.

綜上所述，高中物理學習過程中，學生依托已有的知識和經驗用類比的方法對新的物理問題進行探索和推測，有助于他們對新概念、新規律和新模型的認識，同時類比過程也是學生對已有知識的內涵進行再一次的開發，有助于學生物理認識的融會貫通，有助于他們邏輯思維能力的培養，更有助于他們物理知識體系的構建.