“類比聯想法”建構模型在初中物理教學中的應用

張 柯

(蘇州大學物理科學與技術學院,江蘇 蘇州 215006)

新一輪中考改革的全面實施對物理學科核心素養中的“科學思維”素養明確提出了五種關鍵能力:理解、推理論證、模型建構、實驗探究和創新能力.模型建構能力作為科學思維的基礎和工具,物理教學和時代發展對其提出了更高的要求.物理模型建構常用的方法有:抽象概括、理想簡化、類比聯想、等效替代和假設驗證等[1].初中階段讓學生掌握類比聯想物理模型建構方法,對提升其學科核心素養具有很大的幫助作用.

1 類比聯想法建構模型的概述

類比是從兩個對象某些相同或相似的性質判斷它們是否在其他性質上也有這種特點的推理形式.兩個事物有時看似不同,但由于某些性質相似,對其中一個有理解后另一個也可以得到相同的規律.現實生活中這樣的物理模型數不勝數.表1是初中階段常見的類比聯想法建構物理模型的一些實例.

表1 類比聯想建構物理模型表

2 初中生模型建構現狀

據調查,初中生在建構物理模型時普遍存在這樣一些問題:

(1)由于學習過程中很少接觸物理模型及建構

物理模型,因此對物理模型的概念認識模糊,甚至會有錯誤觀念.

(2)繁重的學業負擔讓學生普遍認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應試.

(3)大多數學生學習的主動性不強,不會對所學的模型進行分類、歸納與總結,沒有形成模型建構的體系.

(4)學生對模型的遷移組織能力弱,缺少程序化訓練,缺少模型建構的體驗.

(5)學生在在物理模型架構時,不會提取有用信息,無法將物理問題轉化為物理模型.

3 類比聯想方法建構模型在教學中的應用

應用類比聯想方法建構物理模型可以幫助學生將抽象的物理問題轉變成形象直觀的物理現象,促使學生越過思維障礙.

3.1 加強生活聯系,促使新舊知識的遷移

類比聯想法可以分為生活現象類比和物理理論類比,將陌生物理現象與貼近學生生活的現象進行類比聯想從而建立模型,可以幫助學生找出聯系,生成概念理解規律.抽象性強的物理模型巧妙運用理論類比,將物理知識中的抽象概念、規律和常見事物類比,找出某一方面的共同屬性,將新舊知識進行遷移,完成模型的遷移.

以光的折射為例,光從空氣斜射入水中時會發生偏折,折射角小于入射角.在傳統教學中是用激光筆多次從空氣斜射入水中,確定好入射角測量出折射角得出關系.短時間內學生可以記住規律,但是根據艾賓浩斯遺忘曲線,時間一長,折射規律就被遺忘[2].因此,教師在教學時可以引導學生聯想到“大人牽著小孩走路時,大人以自己的速度,不去配合小孩,會有什么現象呢?那么大人就會向小孩一側偏轉.”類比到一束光斜射經過不同介質,A點已經進入其他不同種類的介質2,速度要發生改變,B仍在介質1中,保持原來的速度,因此光斜射入不同介質時會發生偏折,如圖1.

圖1 光的折射

通過類別聯想,建立光的折射模型,不僅有助于學生對光折射的理解,還能促使學生聯想到光的折射與光速變化的關系,將已掌握的知識內化、遷移并應用.

3.2 發展聯想思維,培養推理能力和創造能力

科技的高速發展,對人才也有了更高的要求,新時代更注重發展學生聯想思維,提高思維能力、推理能力和創造能力.

伽利略理想斜面實驗是物理學史上實驗與推理結合的典范.那么伽利略是怎樣進行他的推理的呢?如圖2所示,他想到:接觸面光滑的情況下,小球從一側斜面A無初速度滾下,不受摩擦,沒有能量的損失,最后它會到達斜面的另一側同樣高度的C.把斜面的傾角減小,情況同樣如此,小球會找到同樣的高度再滾下,推理到水平面,就是小球還會滾上另一側斜面,直到找到同樣的高度,但是小球找不到這樣的高度就會一直運動下去.

圖2 伽利略理想斜面

教授新課時教師適當引導學生多聯想已有的知識,有助于幫助學生建構起物理知識點之間的聯系,由點及線,由線及面,構造立體網絡.

3.3 加強學科聯系,實現學科整合

類比聯想方法建立模型,不僅可以在本學科的知識系統內進行,還可以與其他學科如生物、數學、體育等結合,實現學科之間的整合,增強物理學科的趣味性.

籃球運動員傳球時,撞擊地面的籃球能準確回到隊友手中嗎?籃球反彈的方向與哪些因素有關呢?將彈性小球類比籃球,壓縮的彈簧類比運動員施加在籃球上的力,由此建立起模型進行猜想:①與小球撞擊地面前是否旋轉有關;②與小球撞擊地面時的入射方向有關;③與地面的粗糙程度有關(見圖3).對于猜想①,聯想到旋轉的乒乓球打到球臺后,反彈的路線發生明顯變化,由此判斷猜想①是正確的.

圖3 彈性小球類比“籃球”

為驗證猜想②和③,教師可以設計如圖3所示的裝置,每次都讓彈性小球從壓縮了相同長度的彈簧的下端,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,測出小球撞擊地面后的反彈方向與地面的夾角β,記錄數據如表2.

表2 夾角記錄數據

以上物理情境新穎、有趣,具有生活化、趣味化的特點,小球入射及撞擊到地面后的反射路徑也可以與所學的光的反射類比;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.像這樣的類比聯想模型在不同學科之間還有很多:傳感器可以類比聯想到生物中的反射弧,電場等勢線可以類比聯想到地理等高線,運動學中的參考系可以類比聯想到語文中“游云西行而謂之東馳”的古詩詞,等.只有學生參與了這些建模過程,才可以體會到類比聯想方法建立物理模型的魅力所在,既加強了學科橫向聯系又促進了學科整合.

4 類比聯想法建構物理模型注意誤區

4.1 避免“抽象化”

類比聯想法建構的物理模型常常是貼近學生實際生活的形象化事物或現象,不能把抽象類比抽象,也就是說不能讓學生接觸到的類比的對象是不熟悉的或是頭腦中沒有這個概念的.比如,教師在幫助學生理解原子核所占原子的大小時,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,這樣的類比對初中生來說還是抽象的,地球很大,學生沒有這個概念,無法想象地球到底多大,那么也就不能聯想原子核到底多小.

4.2 避免“簡單化”

類比聯想法建立模型目的就是為了簡化思維過程,通過形象化的事物習得抽象化的規律,但是這并不意味為追求簡單而失去正確性.比如,物質的密度與組成這類物質的分子質量和分子間排列緊密程度有關,若以為相同就認為密度一樣,這樣的類比方法就是錯誤的.

4.3 避免“復雜化”

為了降低教學的難度,選擇類比的事物要簡單且原理明晰,結構簡潔.比如,教科書上的水通過水輪機轉動和電流通過燈泡發光類比,簡潔明了地體現了它們的共同點.但如果真的把復雜的自來水供水系統結構圖展示在學生面前,學生面對著龐雜的模型圖也只會一頭霧水.教科書上電動機和發電機的工作原理模型圖給出也十分簡練,學生只要理解了一匝線圈在磁場中的轉動,多匝線圈的轉動情況類似,聯想電動機和發電機的實物,通過類比聯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,需要通過實驗或理論推導來驗證.因此類比聯想建立模型的局限就在于建立的模型需要和實驗觀察、事實陳述、理論推理、計算證明相結合,絕不能將其孤立使用.例如在學習固體壓強、液體壓強聯想到氣體是否存在壓強時,不能因為固體和液體存在壓強就確定氣體也存在,而是需要通過覆杯實驗,加熱的易拉罐變癟實驗和馬德堡半球等實驗來驗證.

總之,教學實踐證明,在初中物理教學中運用類比聯想建構物理模型,通過加強生活聯系,發展聯想思維,加強學科聯系,幫助學生將抽象的物理知識具象化、形象化,構建知識網絡的同時,培養學生的科學思維素養.