例談類比在物理教學中的應用

吳繼閣

摘 要：：類比作為重要的思維方法在物理教學中有廣泛的應用.通過類比可以將熟知的事物特性遷移到新事物上，以形象化手段幫助學生建構概念、規律，突破教學難點.本文即以具體實例來闡釋類比在物理教學中的應用.

關鍵詞：類比；想像；科學方法；知識建構

在人類思維的寶庫中，類比推理是被眾多哲學家和科學家所推崇的思維方式之一，其在科學推理中常常發揮著巨大的作用.數學家波利亞說：“類比是一個偉大的引路人.”哲學家康德說：“每當理智缺乏可靠論證的思路時，類比這個方法往往能指引我們前進.”可見類比方法作用和價值的巨大.

作為一種“從特殊推到特殊的科學方法”，類比法在物理教學中有著廣泛的應用.在物理教學中，將未知的物理知識和已知的物理知識或熟知的事物進行類比，運用形象類比的方法即可突破教學難點，在學生頭腦中建立概念、規律清晰的“影像”和認知.

本文即以具體實例來闡釋類比在物理教學中的應用.

1 利用類比、想象加深對物理概念、規律的理解

好多物理概念、規律在初步建立后，學生仍不容易理解和接受，不能夠真正內化為學生自己的認知，也就很難將其納入到學生原有的認知結構中.此時，恰當地運用類比，借助學生熟悉的相似場景和事物，類比理解概念和規律，將知識及時內化.

近年來，腦科學研究者對大腦左右半球的研究成果在揭示創造性思維的機制上有重要意義，科學家們提出了“思維運動的互補鏈”模型，如圖1所示.其中，想象力鏈包括“想象、直覺、類比和情感”，理解力鏈包括“抽象、概念、形推和理智”.可以看出想象力鏈和理解力鏈是相輔相成，相得益彰的.根據“思維運動的互補鏈”理論，為了更好地發揮類比的效果，在應用類比時要充分施展學生的想象力，以使新知識與類比源有效鏈接.

案例1 學生在學習彈力時，對彈力的存在、大小和方向等的認識很模糊，怎樣建立彈力的清楚認知呢？可以從壓彈簧、壓橡皮球等體驗活動入手，在體驗中感受和感悟彈力的存在、彈力的大小和彈力的方向等.在體驗的基礎上，發揮學生的想象力：哪里有壓迫，哪里就有反抗；萬物都有抵御外界的自我保護能力.依據類比與想象，就不難找到彈力的施力物體與受力物體、彈力的大小、彈力的方向以及彈力產生的原因等，學生的學習障礙得以順利突破.

案例2 學生在學習“額定功率與實際功率”時，對概念及其關系的理解上有困難，利用類比想象的辦法可以讓學生形成較為清晰的認識.將“功率”類比于人的“飯量”，對同一人來說，其飯量是一定的，對應于用電器額定功率是確定的；同一人在不同情況下實際吃的飯量可能是不同的，可能吃多，也可能吃少，吃多了，則超過了其“承載能力”，不舒服，對身體有損傷；吃少了，則不能滿足自身的需要和體現自身的潛能.對應于用電器在不同條件下的實際功率，功率大了，則有損電器，功率小了，則不能滿足電器的需要和體現電器的價值，且實際功率有可能等于額定功率.不同的人飯量一般不同，對應于不同用電器的額定功率一般不同.

案例3 學生在學習“汽化”時，對“水沸騰吸熱但溫度不變”難以理解，可以采用類比加想象的手法予以突破.液態時，水分子間距較小，處于較為穩定狀態，就像兩個分子之間有相互的連接棒一樣；水沸騰液態變成氣態，需要打破分子之間的較大作用力，就像用剪子剪斷連接棒一樣，需要一定的力量（能量），沸騰時吸收的熱量就用于“剪斷連接棒”，打破原有結構.因此，水沸騰吸熱不升溫.

案例4 學生學習內能、熱量時，對“熱傳遞是從高溫傳向低溫，而不是從內能多的傳向內能少的”“熱傳遞傳遞的是能量，而不是溫度”“熱傳遞的結果是溫度相同，而不是內能相同”等問題模糊不清.為此，采用類比的方式，將“熱能的傳遞”比作“河水匯入江海”，將“小河、江海的水量”比作“內能少和內能多的”，將“小河、江海的水位”比作“高溫、低溫物體”，如圖2所示.自此，很容易理解：熱傳遞的方向是高溫向低溫，而不在于內能的多少（高水位向低水位，而不在于水量的多少）；熱傳遞傳遞的是能量，而不是溫度（水流流的是水，而不是水位）；熱傳遞的結果是溫度相同，而不是內能相同（水流的結果是水位相同，而不是水量相同）.利用如圖3所示的連通器原理，則更容易理解上述概念、規律.

2 利用模擬、擬人等手法來類比、想像，突破教學難點

對于抽象的物理知識，可以通過實物模型模擬或擬人手法描述等形式進行類比、想象，從而建立與之相關的物理概念，這要比直接對抽象的物理知識進行理解容易得多，因為人們對實物可以直接感知，由感官直接認知是人們理解科學最為直接的一種方式.

模擬是對真實事物或者過程的虛擬.模擬要抓住事物的關鍵特征，采用簡化的形式，通過實物模型或擬人話語將物理知識的主要特征表現出來.

案例5 在用小磁針探究磁場特征時，用通俗和擬人的話語形象生動地呈現知識.將小磁針放在磁體周圍某一點，用手撥動小磁針一端，使其轉動，觀察小磁針北極指向；再次撥動，觀察結果.教師用形象的語言描述：小磁針很拗、很任性.將多個小磁針放在磁體周圍不同位置，發現小磁針北極指向很有規律性.教師用形象擬人的語言描述：就像孩子們在排隊一樣，很有秩序.擬人話語讓課堂學習更加生動活潑，學生學習更加輕松愉快.

磁場是立體的，對學生來說是理解和想像都有困難.為了突破這一難點，通過直觀形象的擬人活動來增強學生想象力.如圖4所示，一人扮演磁體（紅色為北極），每小組各選一位同學手拿模擬磁針（紅色為北極），在磁體所在平面內不同位置放好，形成磁場的一個平面；再在“磁體”周圍不同位置放好“小磁針”，形成磁體的立體空間.將各組代表放置“小磁針”的情況作為評價小組在游戲中表現的依據，小組內同學可以相互糾正.學生對這樣的活動很感興趣，課堂非常活躍，立體磁場在學生頭腦中就自然建立起來了.

在電動機和發電機教學時，學生對平衡位置難以理解，其根源是對線圈所在平面缺少空間想象.為此，采用模擬來類比突破難點.如圖5所示，很多書摞在一起，相當于線圈，每本書相當于一圈，拿起一本書，讓學生觀察找到其中的“線圈四邊”和“線圈平面”，再想象整個線圈的線圈平面，在實際電動機和發電機中找到平衡位置.

案例6 物理知識中還有很多難點可用模擬類比方法突破.如，對浮力的大小跟排開液體重力有關，即與排開液體的體積和液體密度有關的認識，可以通過模擬類比想象來理解.把與物體接觸的液體看成很多只“手”，液體對物體的浮力就象人托起重物一樣，人越多，托起物體的手越多，物體浸入液體越多，液體中托起物體的“手”越多，托起的力越大，能托起的重物就越大.與液體密度的關系，就像更大、更有力的手來托重物一樣.

3 結束語

類比是促進人類認識不斷深化的創新性方法，是溝通新舊知識的紐帶，是深化認知的助推器.應用類比方法教學可以增添課堂活力與靈動性，對抽象難懂的知識，利用類比充分發揮想象和創造力，突破學生認知上的障礙.但是，類比并不能解決所有問題或完全解決問題，在應用類比時，要注意類比的局限性，在關注事物相似性時，還要關注類比對象間的差異，避免類比造成認知的誤區和偏差.比如，分子引力模擬實驗，要讓學生明白分子間并沒有“彈簧”，分子間的兩種力是同時存在的，避免因類比事物其它因素的干擾而形成認知偏差.備課和教學準備時要做好教學可能性分析和預判，科學合理地利用類比解決教學疑難問題.

參考文獻：

[1] 黃曉，高培杰.論類比在物理教學中的應用[J].中學物理教學參考，2015（4）：53-56.