物理教學的類比思維策略

楊華軍 史獻計

(1. 南京市第二十九中學天潤城分校，江蘇 南京 210031； 2. 南京市江北新區教育發展中心，江蘇 南京 210044)

樂音與太陽光似乎是完全不同的兩碼事，音樂是心靈的呼喚，色光是眼睛的感覺.偉大的物理學家牛頓卻看到了兩者的相似性，用色光與樂音類比，完成了光的色散實驗，發現了光的色散現象.這正如德國哲學家康德(Immanuel Kant)所說，“每當理智缺乏可靠論證的思路時，類比這個方法往往指引我們前進”.類比思維方法在物理學的發展中起到極其重要的作用.在物理教學中，類比思維方法同樣會觸動學生思維的發生與發展，引導學生能夠有效地、深入地學習.中學物理學的類比思維策略是如何發揮其獨特的功能的呢？本文將闡述類比思維在教學中的應用策略.

1 關于類比思維

類比法實際上是一種由個別到個別或由一般到一般的推理，是根據兩個事物在某些方面的相同或相似，從而推出它們在其他方面也可能相同或相似的一種邏輯推理方法.類比是以比較為基礎，通過聯想，把異常的、未知的對象與尋常的、熟悉的類比對象進行對比，然后依據兩個對象之間存在著的某種相同或相似的關系，從而推出未知對象相應具有已知對象所具有的某種性質.

1.1 類比思維的基本環節

類比思維有兩個基本環節，一是選擇類比對象，二是進行類比推理.在思考與研究過程中，根據研究目的，從研究方法、形成結構、功能特征、因果聯系等方面相似性出發，選擇熟悉的、生動直觀的事物作為類比對象，為類比推理提供思維基礎.類比推理是在比較的基礎上，通過聯想得出相應的推理結果.其推理思維過程表述為：對象X有屬性a，對象Y有屬性a′；則對象X有屬性b時，對象Y也可能有屬性b′.可以用數學結構表征為

X(a)：X(b) →Y(a′)：Y(b′).

例如，牛頓看到樂音是發聲物體振動而發聲，光是發光體振動而發出的；樂音由音調劃分為7種不同的音階，則可聯想到白光可劃分為7種不同顏色的光(后來發現是多種不同色光).這就是類比思維.

1.2 類比思維的類型

在中學物理教學實驗中，我們根據教學實際，以典型應用分類方式，將類比思維劃分為物理相似類比、數學相似類比和模型相似類比3種類型.

1.2.1 物理相似類比

物理相似類比是指根據兩個物理對象中物理性質或物理規律的相似而進行的類比推理.如靜電場與重力場類比，研究靜電場的性質與規律(如表1所示)；電磁波類比機械波，探討電磁波的知識與特點；電流類比水流，研究電流的相關規律等.通過類比，將學生已有的知識遷移到新學習的知識中，促進學生理解與掌握新內容.

表1 靜電場與重力場類比

1.2.2 數學相似類比

表2 帶電粒子在電場中運動與平拋運動的類比

1.2.3 模型相似類比

這是指根據現實模型與物理模型(物質模型或理想模型)具有相似特征而進行的類比推理.如用地圖上的等高線類比電場中的等勢面；用“微元法”將曲線分割成無數非常短的小段，而每一小段的處理方法類比于圓周運動等.以彈性小球模型中彈力變化類比分子力變化及相應的彈性勢能類比分子勢能為例，類比如表3.

表3 分子模型與彈性小球模型的類比

2 物理教學中的類比思維應用

2.1 猜想與假設的類比思維

“猜想與假設”的教學環節中，發現學生要么瞎猜、要么沉默，學生的思維很難打開.這個時候運用類比往往會收到不錯的效果.例如，猜想電場強度與哪些物理量有關時，可以用質量、電阻等概念類比，如表4所示.

表4 場強與質量、電阻的類比

類比推理提出猜想與假設一方面降低了學生思維的臺階；一方面是借助學生已知的圖景、經驗來面對未知的圖景與現實，為思維的進一步發展提供基礎思維素材.

2.2 物理概念教學的類比思維

自然世界的諸多現象和過程間的相互聯系或多或少有些相似性，為類比思維提供了很多客觀條件.恰當運用類比可幫助學生更好地內化知識，深度學透、學活知識.例如，電勢能與電勢概念教學中，借助靜電力做功類比重力做功，為方便引入電勢能概念奠定了基礎.在此基礎上，再用“重力勢”與“電勢”進行對比，學生學習電勢的概念就要比理論分析與推導容易一些，同時也為學生后續應用“勢”的概念來解決問題提供了一種思維方式.

再如，LC振蕩過程的抽象性會導致學生對磁場能、電場能、電流、電荷量、總電荷量的變化形成學習困難.教學中，借助單擺振動與LC電路進行類比，兩者有著相同的概念“周期和頻率”和相似的振動過程與振動圖像.因此，用LC振蕩電路的磁場能、電場能、電流、電荷量、總電荷量類比單擺振動中的動能、重力勢能、振動速度、位移、振幅，就會讓學生能夠理解其中的本質屬性.

2.3 物理規律教學的類比思維

物理規律是物理現象、過程在一定條件下發生、發展和變化的本質聯系.既然是聯系那么規律間有時就會有它的相似性.這種相似性為類比思維的教學提供了可能性.例如，講解光的波動性時，可以借助聲現象進行類比教學，如表5所示.

表5 光的波動性與聲現象的類比

2.4 物理實驗教學的類比思維

實驗既是物理教學內容也是教學手段，實驗離不開思維方法，類比思維常常用在實驗教學過程之中.例如，學生難以理解“汽車前進時給地面水平向后摩擦力”，運用類比的方法可以設計實驗來進行驗證，讓學生體驗，通過體驗加深對實驗本質的理解，為深入理解摩擦力的作用是相互的提供實驗證據，如表6所示.

表6 相互作用力的類比

2.5 物理問題解決的類比思維

總之，類比思維的過程是調動學生原有認知促進知識和能力遷移的過程，符合最近發展區教育理論，能夠促進學生認知能力最大化發展，促進知識的有序建構.所以類比推理是物理學習中要凸顯的能力要求，教師在教學過程中要有意識培養學生類比推理能力，引導學生利用類比法解決物理實際問題，促進學生物理思維能力全面發展，達到提升學生物理核心素養的目的.但也需要注意的是在物理教學中運用類比思維策略時，要注意其局限性，否則就會導致得出的結論可信度降低或完全失去應有的價值.