淺析類比推理法在科普教育中的應用

侯易飛

[摘?要?]類比推理法是一種古老且思辨的科學方法，對于新知識、新概念的學習和理解有著很強的適用性。該文簡述了類比推理法的特點與發展，闡述了其與科普教育的契合之處，論述了其在科普教育領域如何為教育者傳播科學知識以及受教育者理解科學知識提供有效幫助，并基于案例分析了該方法在科普教育中的應用情景，說明了使用過程中的注意事項，為科普工作者使用此種方法提供參考。

[關鍵詞?]類比推理法?科普教育?應用情景?建構主義?學科交叉

[中圖分類號?]G315

一、類比推理法的起源與發展

“類比”這一詞匯最早出現在古希臘，其本義為“按比例”。類比推理法則最早應用自數學領域：古希臘數學家發現這樣一個規律，兩個尺寸不同的三角形如果三條邊的比例關系相同，那么這兩個三角形就是相似三角形。類比推理法是由兩個或兩類對象之間在某些方面的相似或相同，從而推出它們在其他方面也可能相似或相同的一種邏輯思維方法。相互類比的兩個事物（或現象）間必定存在某些相同或相似之處，將這兩種事物（或現象）間具有相同、相似的一些特征、性質等因素放在一起加以對照和比較，對熟悉事物（或現象）的已有經驗、知識，可遷移到對不熟悉事物（或現象）的認知?[1?]。

類比推理法是以世界的物質統一性為基礎的，它立足于已有知識，把未知事物（或現象）和已知事物（或現象）相對比，把陌生事物（或現象）和熟悉事物（或現象）相對比，把抽象事物（或現象）和具象事物（或現象）相對比，從而進一步發掘新的知識，熟悉新的概念。

經過不同領域的學者們不斷研究、發展和完善，現今的類比推理法已經遠遠超出它曾經的領域范疇，拓展到多種學科的方方面面。在語文修辭中，類比推理法可以化身為將一種事物對照為另一種事物的比喻手法。在仿生學中，類比推理法又可以利用生物系統的特性，將機械工程與自然界生物進行模擬;在我國公務員考試中，類比推理法帶來的邏輯推理題又成為考生們樂此不疲的難關挑戰。類比推理法更是科學研究中常用的方法之一，在科學發現中，科學家往往利用已知概念（或現象）類比有近似之處的未知概念（或現象），從而得到新的科學知識。時至今日，類比推理法已經潛移默化地滲透在人們生活的方方面面，但大多數情況我們已經不會意識到自己是在使用這種古老且具有思辨精神的科學方法了。

二、類比推理法與科普教育的契合點

《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》明確指出，在強化國家戰略科技力量層面，要“加強基礎研究、注重原始創新，優化學科布局和研發布局，推進學科交叉融合”;在建設高質量教育體系層面，要“健全學校家庭社會協同育人機制”?[2?]。其中所涉及的對學科融合、協同教育的指導意見，對類比推理法在科普教育中的應用具有重要的指導作用。

科普教育作為我國青少年素質教育中不可或缺的一環，是指導學生學習科學知識、掌握科學方法、培養科學思維、弘揚科學精神的重要途徑，也是社會教育的重要組成部分。科普與科研的不同之處在于，科研更多的是人與物之間的對話，而科普是人與人之間的對話，而且是一種自上而下的對話，包含了教育學、心理學、傳播學等層面技巧。如何能讓科普對象真正理解科普的內容并非易事。某個前沿領域科技術語的解釋往往伴生出更多的術語，不了解相關專業領域背景很難將其理解清楚。這種情況不僅在科普教育過程中經常出現，在學科教育中也時常困擾著教師，因為青少年的知識背景、認知體系都較為淺顯，想要說得清楚、說得明白較為不易。

在現代教育學領域中廣泛應用的建構主義理論認為，青少年的認知發展是一種“自我建構”的過程：他們在成長過程中，不斷將自身獲得的個體經驗與環境因素和社會活動帶來的外部經驗相協同、平衡，達到自我建構的目的?[3?]。我們也可以這樣理解：每個青少年都并不是一張白紙，他們各自的個體經驗與外部經驗都會形成獨特的認知架構。因此，如果能夠找到特定青少年群體共有的認知架構，并準確、恰當地使用類比推理法，就有可能更好地幫助青少年架設新舊知識之間的橋梁，幫助他們更好地認知未知的科學領域。例如，在小學科學教材中，就有運用類比推理法使學生感受水和空氣兩種無色無味且具有流動性物質的例子;在中學生物中，類比推理法也用“廠房”“動力”“原料”來形容光合作用中的葉綠體、光能、二氧化碳和水的作用?[4?]。在校外教育中，科技館作為社會科普的重要場所，在形式多樣、內容豐富的展品和活動中也使用了類比推理法。中國科技館巨大的DNA雙螺旋雕塑就是用類比推理法將人類手牽手的藝術創造形象地類比微觀的DNA雙螺旋結構，利用巨大的視覺沖擊使觀眾對結構本身產生深刻印象，加深了對DNA結構的理解。這些類比案例之所以能夠得到學校、科技館的認同，正是由于找到了學生群體和參觀觀眾認知架構的共性，準確、恰當地使用了類比推理法。

三、類比推理法在科普教育中的應用情境

無論是學校科普教育還是校外科普教育，類比推理法不僅適用于講解新概念和新規律，更可以擴展其適用范圍，有意識地培養教育者甚至學生合理使用其提出的科學設想，探索科學本質以及解釋前沿科學理論，發掘出有科學家潛質的青少年。其應用情境可以有以下幾種。

（一）基于已知事實，提出科學設想

在科普過程中有意識地培養學生在已知事實基礎上，使用類比推理法來提出科學設想，可以完善學生的自我建構，溫故而知新，培養科學思維，學會像科學家一樣思考問題。類比的過程就是尋找類比模型，找到相似點，加以推理和論證，對探究式教學發展形成重要影響。

例如，在地球所在的太陽系中，太陽作為恒星，占有了整個太陽系99%以上的體積，質量卻很小，而八大行星及其他星體、物質均圍繞著太陽這個中心，在自己的軌道上做規則運動，不但體積很小，質量也同樣很小。1909年，新西蘭物理學家盧瑟福在英國曼徹斯特大學同他的學生用α粒子撞擊一片薄金箔，他發現大部分的粒子都能通過金箔，只有極少數會跳回。因此，他將原子結構與太陽系系統進行類比，提出了一個類似于太陽系行星系統的原子模型，認為原子空間大都是空的，電子像行星圍繞原子核旋轉，推翻了當時所使用的梅子布丁原子模型，開拓了研究原子結構的新途徑，為原子科學的發展立下了不朽的功勛。

（二）基于具象物質，理解抽象概念

類比推理法在概念理解方面也有很強的應用性，能夠讓科普對象利用具象的物質，通過科學的視角和思維去思考科學概念甚至是哲學概念問題，對于科學方法、科學邏輯都有良好的體現。

例如，國際科技館領域聲名顯赫的巴黎發現宮曾有一個探究“科學究竟是什么？”的主題活動，使筆者備受啟發。活動所使用的道具非常簡單，?只有一個密封住的不透明塑料盒子，無法從外部觀察到內部情況。盒子里放置了一些硬質顆粒，當我們拿起盒子搖晃，就能聽到里面“嘎啦嘎啦”的響聲。

活動開始時，輔導員會將參與人員進行分組，每個小組3～4個人，每個小組通過傳遞使塑料盒子到達每一位組員手中。第一步，組員可以通過觀察、聆聽、觸摸等方式對盒子進行操作，然后將自己對盒子里面究竟放置了什么物品進行猜測。第二步，組員們分享自己的猜測結果，并詳細闡述猜測的理由，進行小組交流。第三步，再次傳遞和觀察盒子，綜合組員們的猜測結果，由小組形成統一意見。第四步，小組間將結果進行全班共享，重復第三步形成最終意見。第五步，也是最有趣的一步，當我們以為輔導員會使用特殊方式打開盒子揭曉答案之時，輔導員卻一反常態，將最終的全班意見重點圈劃，告訴大家：這就是科學，科學即是人類通過觀察、實驗、思考、論證、交流，根據自身經驗進行判斷和取舍，對客觀世界進行的總結和描述，而真正的客觀世界的規律就像塑料盒子里裝的物品，我們永遠也無法獲取100%正確的答案，因為盒子無法被打開。

活動的選題視角十分獨特，直接選擇了“科學是什么”這樣直擊科學本質的概念。活動過程則利用無法打開的塑料盒和能聽不能看的未知物品進行了類比，選擇非常巧妙，既展現了科學的論證過程，又體現了客觀世界規律“未知”的內核。活動最終結論的開放性與辯證性十分類似“薛定諤的貓”假設理論，展示出了科學自身不斷前進、發展的特點，能引發參與者的思考，有種恍然大悟的感覺。活動所呈現的對科學本質的探究和理解恰好對應了諾曼·萊德曼教授所提出的K-12年級學生應該具備的科學本質觀，體現了科學本質的暫定性、主觀性、觀察與推論和科學基于論證四個維度?[5?]。

（三）基于日常生活，解釋前沿理論

類比推理法還善于利用貼近生活的物質、現象、理論去解釋前沿領域中的高深、晦澀的知識，降低科學理解的門檻。精準使用類比能夠展示出卓越、有效的科普效果，體現類比推理法對于學科融合、領域交叉起到的恰當聯結和對創造性思維能力的培養。

例如，科幻作品《三體III死神永生》中，云天明將曲率驅動飛船在自己編造的故事中用肥皂泡包裹的小木船進行了非常巧妙的類比，主人公程心破譯了云天明的暗號，給人類逃離三體控制提供了生機。我們不得不佩服作者劉慈欣在故事中使用的這個類比案例，將深奧、晦澀的科學前沿理論與有趣且容易實施的物理小實驗結合起來，不僅完成了小說中故事情節的準確塑造，同時又對讀者進行了生動的科普，達到了一舉兩得的效果。這之后，很多國內的科技場館、科學媒體、科普公眾號也都利用視頻對該類比案例進行了復原，實驗效果顯著。

四、類比推理法應用注意事項

通過上述案例分析可以看出，類比推理法在提出科學設想、理解抽象概念以及解釋前沿理論方向的效果非常顯著。對于教育者而言，類比推理法是很好的科普工具，能夠將抽象、微觀或未知的理論或案例進行生動形象、便于理解的轉化;對于受教育者而言，類比推理法又是一種很好的科學方法，能夠幫助對象舉一反三、學科交叉，從科學的視角觀察問題，用科學的邏輯解決問題。

綜合類比推理法在學科教學和科學探究上的優勢，學校和科普場所可以有意識地準確對其進行使用，但使用過程中也要注意以下幾點。

（一）正確認知類比對象之間的屬性異同

在選取類比對象時要深入理解比對雙方的屬性關系，充分學習、全面考慮，減少科學性錯誤的發生。例如惠更斯在研究光時，曾經因為光和聲波均具備直線傳播、反射、折射等相似現象而類比推理出了光的波動性，卻因為忽略了二者分別為橫、縱波的差異特質，導致學說失敗，間接造成了人類對光認知產生了延滯?[6?]。

（二）正確認知科普對象的知識架構

在面對學生等科普對象時，我們也應當遵循建構主義原則，充分調研學生的知識架構，了解學生的生活習慣、愛好，還要考慮年齡差距、地域文化差異、城鄉差異等客觀條件因素，選取恰當的類比對象，以避免信息傳遞出現不對等，產生認知偏差。

（三）正確利用實踐檢驗推理結論

類比推理法同樣有著自身的缺陷，即所推論的結論缺乏實踐驗證，越是前沿領域對象的類比，越是難以用可行的手段進行驗證，因此在結論論述時一定要慎重，并且應當與時俱進，時刻關注前沿科學概念和理論的修正。

總而言之，類比推理法作為一種重要的物理思想方法，其特質非常適合運用在科普教育中，但也要認清其優缺點，正確、準確地應用該方法，要符合物質的客觀事實，貼合學生的知識體系建構，培養學生對科學方法的運用和對科學思維的理解，嚴謹、科學地為科普教育提供良好途徑。

參考文獻

[1?]沈強運用類比法促進初中科學概念轉變的教學策略研究?[D?]杭州：杭州師范大學，2016

[2?]新華社中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議?[EB/OL?]?[2020-11-03?]https：//baijiahaobaiducom/s？id=1682348904309598011

[3?]隋俊宇，石卉建構主義學習理論簡析?[J?]教育現代化，2019（98）：33-35

[4?]雷明類比法在小學科學教學中的應用價值?[J?]求學，2021（3）：37-38

[5?]李秀菊，薛松，崔鴻低學段小學生科學本質觀現狀調查研究——以四省調查結果為例?[J?]上海教育科研，2020（11）：39-44

[6?]徐付林“雙刃劍”類比教學法的運用與約束修正?[J?]物理教學，2016（4）：22-24