“類比聯(lián)想法”建構(gòu)模型在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：類比聯(lián)想法是物理教學(xué)的重要方法，模型建構(gòu)能力是科學(xué)思維的基礎(chǔ).本文闡述了類比聯(lián)想方法建構(gòu)物理模型，分析初中物理模型建構(gòu)現(xiàn)狀，最后從三個(gè)方面結(jié)合實(shí)例提出類比聯(lián)想方法在物理教學(xué)中的應(yīng)用，同時(shí)指出需要注意的四個(gè)誤區(qū).

關(guān)鍵詞：建構(gòu)模型；初中物理；類比聯(lián)想

中圖分類號(hào)：G632" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" "文章編號(hào)：1008-0333（2023）11-0072-03

收稿日期：2023-01-15

作者簡(jiǎn)介：張柯（1997-），女，江蘇省常州人，研究生，中學(xué)二級(jí)教師，從事物理教學(xué)研究.

新一輪中考改革的全面實(shí)施對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”素養(yǎng)明確提出了五種關(guān)鍵能力：理解、推理論證、模型建構(gòu)、實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新能力.模型建構(gòu)能力作為科學(xué)思維的基礎(chǔ)和工具，物理教學(xué)和時(shí)代發(fā)展對(duì)其提出了更高的要求.物理模型建構(gòu)常用的方法有：抽象概括、理想簡(jiǎn)化、類比聯(lián)想、等效替代和假設(shè)驗(yàn)證等［1］.初中階段讓學(xué)生掌握類比聯(lián)想物理模型建構(gòu)方法，對(duì)提升其學(xué)科核心素養(yǎng)具有很大的幫助作用.

1 類比聯(lián)想法建構(gòu)模型的概述

類比是從兩個(gè)對(duì)象某些相同或相似的性質(zhì)判斷它們是否在其他性質(zhì)上也有這種特點(diǎn)的推理形式.兩個(gè)事物有時(shí)看似不同，但由于某些性質(zhì)相似，對(duì)其中一個(gè)有理解后另一個(gè)也可以得到相同的規(guī)律.現(xiàn)實(shí)生活中這樣的物理模型數(shù)不勝數(shù).表1是初中階段常見的類比聯(lián)想法建構(gòu)物理模型的一些實(shí)例.

2 初中生模型建構(gòu)現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查，初中生在建構(gòu)物理模型時(shí)普遍存在這樣一些問(wèn)題：

（1）由于學(xué)習(xí)過(guò)程中很少接觸物理模型及建構(gòu)物理模型，因此對(duì)物理模型的概念認(rèn)識(shí)模糊，甚至?xí)绣e(cuò)誤觀念.

（2）繁重的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)讓學(xué)生普遍認(rèn)為建立物理模型意義就在于能更方便套用公式或解題模式來(lái)應(yīng)試.

（3）大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性不強(qiáng)，不會(huì)對(duì)所學(xué)的模型進(jìn)行分類、歸納與總結(jié)，沒(méi)有形成模型建構(gòu)的體系.

（4）學(xué)生對(duì)模型的遷移組織能力弱，缺少程序化訓(xùn)練，缺少模型建構(gòu)的體驗(yàn).

（5）學(xué)生在在物理模型架構(gòu)時(shí)，不會(huì)提取有用信息，無(wú)法將物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理模型.

3 類比聯(lián)想方法建構(gòu)模型在教學(xué)中的應(yīng)用

應(yīng)用類比聯(lián)想方法建構(gòu)物理模型可以幫助學(xué)生將抽象的物理問(wèn)題轉(zhuǎn)變成形象直觀的物理現(xiàn)象，促使學(xué)生越過(guò)思維障礙.

3.1 加強(qiáng)生活聯(lián)系，促使新舊知識(shí)的遷移

類比聯(lián)想法可以分為生活現(xiàn)象類比和物理理論類比，將陌生物理現(xiàn)象與貼近學(xué)生生活的現(xiàn)象進(jìn)行類比聯(lián)想從而建立模型，可以幫助學(xué)生找出聯(lián)系，生成概念理解規(guī)律.抽象性強(qiáng)的物理模型巧妙運(yùn)用理論類比，將物理知識(shí)中的抽象概念、規(guī)律和常見事物類比，找出某一方面的共同屬性，將新舊知識(shí)進(jìn)行遷移，完成模型的遷移.

以光的折射為例，光從空氣斜射入水中時(shí)會(huì)發(fā)生偏折，折射角小于入射角.在傳統(tǒng)教學(xué)中是用激光筆多次從空氣斜射入水中，確定好入射角測(cè)量出折射角得出關(guān)系.短時(shí)間內(nèi)學(xué)生可以記住規(guī)律，但是根據(jù)艾賓浩斯遺忘曲線，時(shí)間一長(zhǎng)，折射規(guī)律就被遺忘［2］.因此，教師在教學(xué)時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想到“大人牽著小孩走路時(shí)，大人以自己的速度，不去配合小孩，會(huì)有什么現(xiàn)象呢？那么大人就會(huì)向小孩一側(cè)偏轉(zhuǎn).”類比到一束光斜射經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)，A點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入其他不同種類的介質(zhì)2，速度要發(fā)生改變，B仍在介質(zhì)1中，保持原來(lái)的速度，因此光斜射入不同介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生偏折，如圖1.

通過(guò)類別聯(lián)想，建立光的折射模型，不僅有助于學(xué)生對(duì)光折射的理解，還能促使學(xué)生聯(lián)想到光的折射與光速變化的關(guān)系，將已掌握的知識(shí)內(nèi)化、遷移并應(yīng)用.

3.2 發(fā)展聯(lián)想思維，培養(yǎng)推理能力和創(chuàng)造能力

科技的高速發(fā)展，對(duì)人才也有了更高的要求，新時(shí)代更注重發(fā)展學(xué)生聯(lián)想思維，提高思維能力、推理能力和創(chuàng)造能力.

伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)史上實(shí)驗(yàn)與推理結(jié)合的典范.那么伽利略是怎樣進(jìn)行他的推理的呢？如圖2所示，他想到：接觸面光滑的情況下，小球從一側(cè)斜面A無(wú)初速度滾下，不受摩擦，沒(méi)有能量的損失，最后它會(huì)到達(dá)斜面的另一側(cè)同樣高度的C.把斜面的傾角減小，情況同樣如此，小球會(huì)找到同樣的高度再滾下，推理到水平面，就是小球還會(huì)滾上另一側(cè)斜面，直到找到同樣的高度，但是小球找不到這樣的高度就會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去.

教授新課時(shí)教師適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生多聯(lián)想已有的知識(shí)，有助于幫助學(xué)生建構(gòu)起物理知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，由點(diǎn)及線，由線及面，構(gòu)造立體網(wǎng)絡(luò).

3.3 加強(qiáng)學(xué)科聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)學(xué)科整合

類比聯(lián)想方法建立模型，不僅可以在本學(xué)科的知識(shí)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，還可以與其他學(xué)科如生物、數(shù)學(xué)、體育等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)學(xué)科之間的整合，增強(qiáng)物理學(xué)科的趣味性.

籃球運(yùn)動(dòng)員傳球時(shí)，撞擊地面的籃球能準(zhǔn)確回到隊(duì)友手中嗎？籃球反彈的方向與哪些因素有關(guān)呢？將彈性小球類比籃球，壓縮的彈簧類比運(yùn)動(dòng)員施加在籃球上的力，由此建立起模型進(jìn)行猜想：①與小球撞擊地面前是否旋轉(zhuǎn)有關(guān)；②與小球撞擊地面時(shí)的入射方向有關(guān)；③與地面的粗糙程度有關(guān)（見圖3）.對(duì)于猜想①，聯(lián)想到旋轉(zhuǎn)的乒乓球打到球臺(tái)后，反彈的路線發(fā)生明顯變化，由此判斷猜想①是正確的.

為驗(yàn)證猜想②和③，教師可以設(shè)計(jì)如圖3所示的裝置，每次都讓彈性小球從壓縮了相同長(zhǎng)度的彈簧的下端，由靜止彈出并撞擊地面，分別改變地面的粗糙程度和小球的入射方向與地面的夾角α，測(cè)出小球撞擊地面后的反彈方向與地面的夾角β，記錄數(shù)據(jù)如表2.

以上物理情境新穎、有趣，具有生活化、趣味化的特點(diǎn)，小球入射及撞擊到地面后的反射路徑也可以與所學(xué)的光的反射類比；小球與不同粗糙程度的地面撞擊后反射的角度不同，聯(lián)想到探究摩擦力的影響因素中的接觸面粗糙程度.像這樣的類比聯(lián)想模型在不同學(xué)科之間還有很多：傳感器可以類比聯(lián)想到生物中的反射弧，電場(chǎng)等勢(shì)線可以類比聯(lián)想到地理等高線，運(yùn)動(dòng)學(xué)中的參考系可以類比聯(lián)想到語(yǔ)文中“游云西行而謂之東馳”的古詩(shī)詞，等.只有學(xué)生參與了這些建模過(guò)程，才可以體會(huì)到類比聯(lián)想方法建立物理模型的魅力所在，既加強(qiáng)了學(xué)科橫向聯(lián)系又促進(jìn)了學(xué)科整合.

4 類比聯(lián)想法建構(gòu)物理模型注意誤區(qū)

4.1 避免“抽象化”

類比聯(lián)想法建構(gòu)的物理模型常常是貼近學(xué)生實(shí)際生活的形象化事物或現(xiàn)象，不能把抽象類比抽象，也就是說(shuō)不能讓學(xué)生接觸到的類比的對(duì)象是不熟悉的或是頭腦中沒(méi)有這個(gè)概念的.比如，教師在幫助學(xué)生理解原子核所占原子的大小時(shí)，是將原子比作乒乓球，原子核只有針尖般大小.乒乓球和針尖都是初中生了解的，這樣的類別也就自然而然，但是如果將原子核比作蘋果大小，那么原子大概就有地球那么大，這樣的類比對(duì)初中生來(lái)說(shuō)還是抽象的，地球很大，學(xué)生沒(méi)有這個(gè)概念，無(wú)法想象地球到底多大，那么也就不能聯(lián)想原子核到底多小.

4.2 避免“簡(jiǎn)單化”

類比聯(lián)想法建立模型目的就是為了簡(jiǎn)化思維過(guò)程，通過(guò)形象化的事物習(xí)得抽象化的規(guī)律，但是這并不意味為追求簡(jiǎn)單而失去正確性.比如，物質(zhì)的密度與組成這類物質(zhì)的分子質(zhì)量和分子間排列緊密程度有關(guān)，若以為相同就認(rèn)為密度一樣，這樣的類比方法就是錯(cuò)誤的.

4.3 避免“復(fù)雜化”

為了降低教學(xué)的難度，選擇類比的事物要簡(jiǎn)單且原理明晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔.比如，教科書上的水通過(guò)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和電流通過(guò)燈泡發(fā)光類比，簡(jiǎn)潔明了地體現(xiàn)了它們的共同點(diǎn).但如果真的把復(fù)雜的自來(lái)水供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖展示在學(xué)生面前，學(xué)生面對(duì)著龐雜的模型圖也只會(huì)一頭霧水.教科書上電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作原理模型圖給出也十分簡(jiǎn)練，學(xué)生只要理解了一匝線圈在磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)，多匝線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)情況類似，聯(lián)想電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的實(shí)物，通過(guò)類比聯(lián)想的方法就建立起合理的物理模型.

4.4 避免“孤立化”

類比聯(lián)想法建立的物理模型大多是推論，正確性有待考查，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)或理論推導(dǎo)來(lái)驗(yàn)證.因此類比聯(lián)想建立模型的局限就在于建立的模型需要和實(shí)驗(yàn)觀察、事實(shí)陳述、理論推理、計(jì)算證明相結(jié)合，絕不能將其孤立使用.例如在學(xué)習(xí)固體壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)聯(lián)想到氣體是否存在壓強(qiáng)時(shí)，不能因?yàn)楣腆w和液體存在壓強(qiáng)就確定氣體也存在，而是需要通過(guò)覆杯實(shí)驗(yàn)，加熱的易拉罐變癟實(shí)驗(yàn)和馬德堡半球等實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證.

總之，教學(xué)實(shí)踐證明，在初中物理教學(xué)中運(yùn)用類比聯(lián)想建構(gòu)物理模型，通過(guò)加強(qiáng)生活聯(lián)系，發(fā)展聯(lián)想思維，加強(qiáng)學(xué)科聯(lián)系，幫助學(xué)生將抽象的物理知識(shí)具象化、形象化，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng).參考文獻(xiàn)：

［1］ 田川.關(guān)于培養(yǎng)“類比”思維的教學(xué)策略［J］.物理教學(xué)探討，2018，36（06）：16-18.

［2］ 吳敏.巧用對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，提高物理教學(xué)效率［J］.初中生世界，2015（28）：59-60.

［責(zé)任編輯：李 璟］