物理教科書中類比策略的分析

溫斯瓊 潘蘇東

摘 要：教科書編寫者及教師常使用類比策略將物理抽象概念和學生已有的相關經驗進行連接，從而促進物理概念的理解.新人教版高中物理教科書中的類比分析表明：（1）類比數目不多;（2）目標物多數為抽象概念;（3）類比物源自于學生已有的知識或經驗;（4）圖文并茂的類比數量不多;（5）具有結構、功能的相似性的類比數量遠多于表面相似的類比;（6）類比的映射程度一般;（7）類比物和目標物的相對位置對知識的呈現效果不同;（8）缺乏對類比的相異性提示;（9）類比編寫體現了對類比方法的隱性滲透和顯化.在此基礎上對物理教科書中類比的編寫和教師在教學中類比的應用提出了建議.

關鍵詞：人教版;高中物理;類比策略;類比物;目標物

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）09-0025-05

作者簡介：溫斯瓊（1997-），女，廣東廣州人，碩士研究生，研究方向：中學物理教育教學研究;

潘蘇東（1965-），男，江蘇徐州人，博士，教授，博士生導師，研究方向：物理課程與教學.

新課程標準明確地把科學方法確定為高中物理的教學內容，類比屬于科學方法中的一種.將學生熟悉的知識或經驗稱作類比物，欲學習的新知識稱作目標物，如果類比物和目標物具有一些相同或相似的屬性，就可以在它們之間建立“映射”的過程，這就是類比.類比可以使得陌生概念具體化、形象化，從而促進學生形成對這些概念的理解[1].雖然類比存有其危險性，然而，類比是幫助學生對陌生的物理觀念達到初始了解的一種不可或缺的手段.物理教科書作為物理教學中的基本工具，如何在教科書中通過應用類比來介紹知識和關鍵概念，以及類比推理的使用是否正確是十分重要的.據此，本文對高中物理教科書中類比策略的編寫進行初步分析，希望研究結果能夠給類比教學和類比材料的編寫提供一些參考.

1 研究設計

1.1 類比策略分析框架

在國外，Curtis和Reigeluth（1984），Orgill和Bogner（2006），Duit（1991），Gülten（2010）分別研究了多本中學科學教材、大學生物化學教材、中學物理教材以及中學化學教材中所使用的類比策略.本文在國外教科書類比分析框架的基礎之上，結合物理的學科特點和考慮了實際操作性后，確立了理論分析框架[2].

1.2 研究對象

筆者初步研讀2019年新版高中物理教材（必修第一、二、三冊，選擇性必修第一、二、三冊，共六冊）后，發現必修第一、二冊中幾乎沒有出現類比的編寫，故選擇2019年新版高中物理教材必修第三冊以及選擇性必修系列為本文的研究對象.內容選擇主要包括正文、注解和欄目，不涉及例題與習題.正文指教科書中以文字或圖片形式呈現的正文部分內容;注解指旁注和腳注;欄目指除正文以外的材料，如“問題”“思考與討論”和“科學漫步”等.

2 高中物理教科書中類比策略的分析

包括筆者在內的三位物理課程與教學論的研究生仔細研讀本文所選擇的四冊教材，經多次討論后一致同意教科書中清晰的類比為23個.利用本文的分析框架對新人教版高中物理教科書中的類比進行分析，統計結果見表2.

2.1 類比的內容

類比的內容包括類比物的內容和目標物的內容.教科書中類比所涉及的目標物中大部分與“電磁學”（包括靜電場、電路、電磁感應和電磁波等內容，15個，占比65.2%）有關;其次是“熱學”（包括分子動理論和熱力學定律等內容，5個，占比21.7%）;力學（機械波，2個，占比8.7%）和近代物理學（原子結構，1個，占比4.3%）.目標物主要是較為抽象、難度較大和學生無法直接感知的概念.因此需要借用學生比較熟悉的類比物以降低目標物的抽象度和陌生感，形成學習的催化劑來幫助學生理解和思考.類比物主要來源于學生已有的學科知識（12個，占比52.2%）和社會、自然生活經驗（11個，占比47.8%）.可見，類比可以喚起學生已有的知識或經驗表象，對將要學習的知識提供一個相近的表象，實現知識的遷移.

2.2 類比的呈現方式

按類比的呈現方式，可以將類比分為文字類比和圖文類比.物理教科書中僅以文字方式呈現的類比有16個，占比69.6%，以圖片文字相結合的類比為7個，占比30.4%.圖文并茂的類比在教科書中占比不大，均集中在學生無法直接感知的內容中，配圖的使用可以幫助學生快速建立起目標物與類比物之間的關聯.例如，必修第三冊P33中用地圖上的等高線類比電場中的等勢面，等高線圖的直觀性恰好可以使學生首先獲得對等勢面最基本的感性認識，再結合文字描述建立起等高線與電場中的等勢面之間的映射，從而幫助學生理解和掌握等勢面的相關性質.另外，圖像類比含有解釋功能，不僅避免冗長的文字敘述，而且以直觀、簡明的特點傳遞復雜、抽象的科學概念[3]，如選擇性必修第一冊P74在介紹多普勒效應時，用三幅圖直觀地向學生展示了“過人頻率”的模擬實驗（如圖1），同時也解釋了多普勒效應.配圖旁的文字說明也有助于學習者對圖像內容形成正確、迅速的理解.

2.3 類比的相似關系

類比的相似關系是指類比物與目標物之間相似屬性的關系，主要分三種：（1）表面上的相似性，即類比物與目標物在實體或語言表征上有對應關系，例如：選擇性必修第三冊P80介紹湯姆孫的原子模型時，把其稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”，這個類比以實體上具有相似性而呈現，為學生提供了一個形象化的原子模型;（2）結構上的相似性，即類比物和目標物之間的基本原理、結構或規則具有相似性，可以體現在兩物理概念使用相同結構的方法或公式來計算，例如，必修第三冊P26中“重力做功具有跟路徑無關的特點，靜電力做功是否也具有這一特點”“這跟重力做正功或負功時，重力勢能的變化情況相似”.將靜電場與重力場相類比，從而將重力做功和重力勢能變化的關系遷移到靜電力做功和電勢能變化的關系上;（3）功能上的相似性，即類比物和目標物之間是以“操作”時的功能為對應關系，可以體現在兩物理概念所使用的公式或方法能夠產生相同的功能.例如，選擇性必修第三冊P12在“氣體壓強的微觀解釋”這一部分，用豆粒均勻連續地倒在秤盤上來模擬大量氣體分子不斷撞擊器壁的過程，雖一個是宏觀過程，一個是微觀過程，但其產生了相同的功能，由此向學生展示氣體壓強的產生機理.

統計顯示，教科書中類比的相似關系為：表面上的相似性有3個（占比13.0%），結構上的相似性有10個（占比43.5%），功能上相似性為10個（占比43.5%）.教科書中多數類比關系是結構和功能的相似性，表面相似的類比較少.

2.4 類比的映射程度

類比的映射程度指類比物投射到目標物的相似屬性的清晰度，即類比物與目標物具有的共同特征越多，兩者相互對應的程度就越高，映射的建立將是清晰的.本文依據映射程度可將類比分為簡單的類比和復雜的類比.簡單的類比只陳述目標物像類比物，而沒有對共有特征做進一步的解釋.例如，選擇性必修第二冊P34“如用圖表示這樣的感應電流，看起來就像水中的旋渦，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流”，并未對其相似屬性加以比較和說明.豐富的類比是指描述了相似屬性的一種或以上的屬性，并進行了對應說明或解釋.例如，必修第三冊P38在介紹“電容器的電容”時，將電容類比于裝水的容器，兩者的各種比較見表3.

統計顯示，教科書中簡單的類比有9個（占比39.1%），復雜的類比有14個（占比60.9%），可見教科書中類比的映射程度一般，但對于大多數目標物較為抽象的類比，教科書對其目標物和類比物的相似屬性做了比較和說明.

2.5 類比物和目標物的相對位置

根據類比物和目標物的相對位置，可以將類比分為先行組織者類比、嵌入式類比和后設類比：（1）先行組織者類比：表現為類比物是在呈現目標物之前引入的.先行組織者類比經常出現在物理教科書的“問題”這一欄目當中.例如，必修第三冊P31在引入“電勢差”這一重要概念之前，用到了一個類比：“如果我們要從6樓走到8樓，影響我們做功多少的因素是這兩層樓的高度差而不是樓的高度.某個電荷在確定的電場中由A點移動到B點，影響靜電力做功多少的因素可能是A點或B點的電勢值呢？還是A、B兩點之間的電勢差呢？”在引入新的概念之前先提供一個學生比較熟悉的情境或話題，這樣既能夠引起學生的興趣，又有助于學生將新概念與其原有的知識經驗建立聯系，從而更好地展開教學.（2）嵌入式類比：表現為類比物是在引入目標物之后且在目標物得出結論之前呈現.例如，必修第三冊P6在引入“庫侖定律”時，先通過書上的演示實驗得到“電荷之間的作用力隨著電荷量的增大而增大，隨著距離的增大而減小”的結果，這時教科書中提出“電荷之間的作用力會不會與萬有引力具有相似的形式呢”，將電荷之間的作用力與萬有引力進行類比，為學生學習庫侖定律提供了腳手架，大大降低了難度.故嵌入式類比能夠更有效地幫助學生建立新的物理概念.（3）后設類比：表現為類比物是在對目標物進行了完整的闡述之后才呈現.例如，選擇性必修第二冊P41在描述自感電動勢影響線圈電流大小的現象時，在最后引用了一個類比，提到線圈能夠體現電的“慣性”.學生在此之前已經學習了自感的相關知識，設這樣一個類比可以加強學生對自感的感性認識.如果學生對前面用物理術語闡釋的自感概念不理解，則可以參考這一類比.

對該教材中的23個類比的分析發現，大多數為先行組織者類比，有11個（占比47.8%）;其次有7個（占比30.4%）為嵌入式類比;5個（占比21.7%）為后設類比.且先行組織者類比經常出現在物理教科書的“問題”這一欄目當中，起到了一個很好的引入作用.

2.6 類比的相異性的提示

類比物和目標物之間具有一些相同或相似的屬性，就可以在它們之間建立一定的映射，但是類比物并不是目標物本身，兩者必定存在相異的屬性.若學生在使用類比時將類比物和目標物“一視同仁”，反而會產生迷思概念.對物理教科書中23個類比進行分析，發現僅有3處（占比13.0%）有類比的相異性提示.例如，必修第三冊P34的“思考與討論”提出了類比：“電勢的高低跟重力場中位置的高低的含義有相似之處.某處位置的高低跟放在該處物體的質量無關，某點電勢的高低跟放在該點的試探電荷的電荷量無關.”隨后提出了類比的相異性：“由于電荷有正負之分，這就造成了兩者的含義有所不同.質量相等的物體，處于較高位置的重力勢能比較大，那么電荷量數值相等的正負電荷，處于電勢較高位置的電勢能一定較大嗎？”通過提問引導學生自發地思考，避免了過度類比.而大多數類比（20個，占比87%）沒有指出類比的相異性，也沒有提醒類比的局限性.

2.7 類比方法的顯化

新課程標準明確地把科學方法確定為高中物理教學內容的一部分，此次課程改革也強調了“過程與方法”作為教學目標的重要性，這無疑要求根據新課標所編制的新版物理教科書對科學方法的呈現給予重視[4].類比方法屬于科學方法中的一種，新版的物理教材在類比的編寫上，大部分時候使用一些關鍵詞，例如“相似”“類似”“相當于”來實現類比方法的隱性滲透.例如，必修第三冊P7中“點電荷類似于力學的質點”，選擇性必修第二冊P70中“傳感器的功能與人的視覺、聽覺、嗅覺等功能相似”.值得注意的是，新版物理教材在類比的編寫上也遵循了凸顯科學方法的重要性這一要求，在使用類比方法引入“庫侖定律”的正文內容附近，以旁批的方式介紹了類比的作用以及意義：“類比在庫侖定律的建立過程中發揮了重要作用.類比會引起人們的聯想.但是類比不是嚴格的推理，不一定正確，由類比而提出的猜想是否正確需要時間的檢驗”（必修第三冊P6）.以旁注的形式來顯化類比方法，使學生處于有意識地接受科學方法知識的狀態，有助于學生正確使用類比來理解新的概念.

3 總結及建議

3.1 物理教科書中類比編寫的建議

通過分析新版物理教材中所使用的類比，可以發現物理教科書中：（1）類比數目不多，約為每冊4.9個;（2）目標物多數為抽象概念;（3）類比物源自于學生已有的知識或經驗;（4）圖文并茂的類比數量不多;（5）具有結構、功能的相似性的類比數量遠多于表面相似的類比;（6）類比的映射程度一般;（7）類比物和目標物的相對位置對知識的呈現效果不同;（8）缺乏對類比的相異性提示;（9）類比編寫體現了對類比方法的隱性滲透和顯化.

類比就像一座概念的橋梁，幫助學生連接抽象概念和與其相關的先驗概念，達到化陌生為熟悉、化抽象為具體的效果.教科書作為師生互動的、最有影響力的教學資料，類比的使用情況具有不容低估的意義.因此，對物理教科書中類比的編寫提出以下建議：

第一，適當增加教科書中類比的數量.類比被證實可以增進學生的學習成效.物理教科書中“近代物理學”相關的知識抽象程度較高，與經典物理學的概念的理解有一定差異，建議教科書中在介紹此部分概念時，適當使用類比，用通俗易懂的事實類比說明這類抽象概念.另外，圖像是建立類比的有效工具，善用和巧用圖像來進行類比應該成為教科書編寫者一個值得注意的地方.

第二，注意對類比物與目標物的相異性的提示.類比是一把雙刃劍，過度類比定然會使學生產生迷思概念，因此教科書在使用類比時需要謹慎，必要時給予適當的提醒.但礙于教科書篇幅有限，因此盡量不選擇具有較大爭議的類比進行編寫.此外，對于類比所導致的迷思概念的實證研究對于教科書中類比的編寫具有很大的參考意義.

第三，廣泛借鑒范例優秀的類比案例.一個好的類比設計的產生需要考慮相當多的因素，首先選擇什么事物作為類比物就需要設計者的深思熟慮和觀察，因此可以借鑒國外物理教科書中優秀的類比案例，為我國教科書類比的編寫提供啟發性的思路.

3.2 物理教師教學中應用類比的建議

應用類比法實施教學在許多文獻中已被證實為有效的教學方法，然而在復雜的教學情境中，物理教師如何將類比明確地傳達給學生是值得關注的地方.Glynn提出的“TWA（Teaching With Analogy）”的類比教學模式為一線物理教師提供了清晰簡單的教學模板，包括以下6個步驟：（1）介紹目標物; （2） 回顧類比物; （3） 識別兩者間的相似特征; （4） 進行類比映射; （5） 指出類比失效處; （6） 得出結論[5].結合本文對教科書中類比應用的分析可知，物理教科書中類比并非是具有完整結構的類比，而教科書作為最有影響力的教學資料，教師在使用時應先適當地分析教科書，以便在教學過程中要適時地給予說明和補充，著重講解目標物與類比物間正確的對應關系.對教科書類比中并未呈現的相異性，教師應該時刻提醒學生注意類比的失效處，以免產生不恰當的過度類比.

參考文獻：

[1]錢榮根.類比推理在物理概念教學中的應用—以《電勢能與電勢》教學為例[J].科學大眾（科學教育），2019（11）：15.

[2]R.B.Thiele，et a1.The nature and extent of analogies in secondary chemistry textbooks[J].Instruction Science，1994，22（01）：61-74.

[3]杜愛慧，盧美枝.中學物理教材插圖中的隱性知識及其運用策略探討[J].教育理論與實踐，2014，34（29）：56-57.

[4]何靜，邢紅軍，鄭鵡.高中物理教材中科學方法的顯化研究[J].教學與管理，2009（16）：74-76.

[5]麥裕華，陳徽，錢揚義.“圖像類比”在教科書中的應用——以人教版高中化學選修模塊教科書為例[J].化學教育，2009，30（08）：22-24+80.

（收稿日期：2020-12-21）