地理模拟实验中类比推理的特征与教学意义

吴 斌

（首都师范大学 初等教育学院， 北京 100027）

地理模拟实验中类比推理的特征与教学意义

吴 斌

（首都师范大学 初等教育学院， 北京 100027）

通过对模拟实验与类比推理的内涵、特点分析，说明二者之间的关系；以地理学科为例，用实际教学案例阐述类比推理在教学操作过程中应注意的问题；从调动学生积极性、启发学生思维、便于发现科学本质等三方面说明类比推理作为模拟实验的思维方法在地理教学中的意义。

模拟实验；类比推理；地理学科

地理课堂上，教师经常利用地球仪与手电筒来演示地球自转的过程，进而解释昼夜交替的现象。这种以地球为原型，运用地球仪模拟地球运动、通过类比推理推导出相关地理意义的教学活动，通常被称作是模拟实验。

一、模拟实验与类比推理

1.模拟实验

实验方法是进行科学认识活动的重要基础。在中小学的教学过程中，教师常常采用实验的方法带领学生共同观察、研究某一事物的发生、发展规律。根据研究者和被研究对象之间的相互关系，即根据如何观察，可将实验方法分成自然观察、实验观察和模型实验观察。［1］其中模型实验观察不同于一般意义上的实验观察，属于一种通过对模型的观察，间接研究原型特点与性质的方法。

在科学实验中遇到因受客观条件限制而无法对某些自然现象进行直接试验时，人们便寻求间接试验的方法，如设计出与该自然现象或过程（称作原型）相似的模型，然后通过模型来间接地研究原型的规律性，这种实验方法称之为模拟实验。［2］即为上文所述的“模型实验观察”。模拟实验是地球科学主要的探究方法。教师利用地球仪的转动模拟地球的自转，手电筒放射出的光模拟太阳光照，就是为了让学生能够在有限的课堂教学过程中，更直观、简捷地理解昼夜交替现象。

2.类比推理及其特点

类比推理是日常思维中常用的推理形式之一，又称为类比法或类推法。它是根据两个或两类事物在某些属性上相同或相似，而其中一个或一类事物还具有另外某些属性，由此推出另一个（或一类）事物也具有这些属性的推理。［3］

类比推理的特点是由特殊到特殊，即从某一类对象的特殊知识推导出另一类对象的特殊知识的过程，其推理可如下。

美国加利福尼亚州与我国南方一些地区的地理环境，包括地形、水文、土壤是相似的；

美国加利福尼亚州与我国南方这些地区的气候情况，包括温度、光照、湿度也是相似的；

我国南方这些地区适合种植柑橘；

所以，美国加利福尼亚州也适合种植柑橘。

类比推理的结论具有或然性。例如，大陆漂移学说认为，地球表面的陆地曾经是一块整体的大陆，后期随着陆块的逐渐分裂漂移，演变成今天的海陆分布状况。在学习大陆漂移学说时，学生通过已经被撕碎的报纸片儿拼凑出完整报纸的过程，思考出拼报纸的方法，即根据每片碎报纸的边缘变化来拼出完整报纸，从而理解海岸线的变化是大陆漂移的有力证据。但是现今的海陆分布是经过漫长的地质年代不断变化而来的，研究者没有办法回到过去，跟随时间的脚步去观察地球表面状况的演变，因此大陆漂移学说属于一种假说，其本身就需要进一步的考察研究，因此其结论还无法判定真伪，具有或然性。

3.模拟实验与类比推理关系

在实验过程中，由于原型的某些结构或条件，不能在有限的空间与时间范围内实现，因此研究者有选择地创造在结构或功能等方面与原型类似的对象系统，即模型。而借制作的模型推导得出原型的特点与规律，符合类比推理的思维过程。因此，类比推理是作为一种逻辑思维过程体现在模拟实验中的。

模拟实验中的原型与类比方法中的类比物类似，而对模型的研究结论与推出物得到的相关功能相似。不难发现，模拟实验正是运用类比推理的思维方法进行研究的。

二、地理学科中类比推理应用的教学建议

地理学科是兼备自然科学与社会科学的综合性学科，其研究内容在时间和空间上的跨度都很大。尤其是在“地球与宇宙”领域方面的学习，需要较强的空间想象能力与逻辑思维能力，而这一领域的内容是无法在有限的课堂中通过真实实验进行探讨与研究的。因此，地理教师往往创造性地选择类比推理的方法，利用地理模拟实验，帮助学生获得感性认识。

那么类比推理在应用于地理教学时，其具体操作过程应注意哪些问题呢？

1.模型要尽可能地与原型相似，增强结论的可靠性与直观性

类比的结构可以认为是由原型与模型两个部分组成。类比的结论具有或然性，因此，成功的类比，需要模型尽可能地与原型相似。其相似度越高，类比得出的结论的可靠性就越高。

例如，地理教师为了能让学生更直观地感受到森林具有“保持水土、涵养水源”的作用，可以设计“植被保护土壤”的模拟实验。

第一组：取两块相同的木板斜放在水槽中里，坡度相同。

（1）直接选择光滑的木板面代表山坡，并且在倾斜的木板表面撒一层薄薄的粘土代表植被不良或裸露的山坡；

（2）除（1）中的基础之外，还要在粘土上覆盖一层粗糙的棉质毛巾用来表示山坡植被覆盖良好。

（3）请两位学生同时用洒水器向上述（1）与（2）的“山坡”洒水模拟大气降水，师生共同观察哪一“山坡”的水流出更快，哪一“山坡”的粘土被冲刷得更快。

第二组：

（1）在校园或者公园铲一些生长着茂盛草类的土壤，取土时要注意保护土壤中的植物根系。同时再另外铲一些表面没有植被的土壤，分装于两个不同的塑料袋中，带回学校备用。

（2）用木板将玻璃水槽一分为二，保证两部分体积相等，并用胶水固定密封。在水槽的两个侧面分别钻两个大小相同的孔作为出水口。

（3）将在室外收取的两种土壤分别置于两格的平板上，保证两部分土壤厚度相同。

（4）用洒水器均匀地向两侧不同的土壤洒水，用准备好的玻璃杯在出水口处接取流出的水，同时请学生分别记录出水时间、出水量，以及水的浑浊程度。

通过上述两组实验的对比发现，第二组实验的模型与实际自然环境中的土壤（即原型）相似度更高，获得的实验结果更明显，基本可以替代原型。学生可以利用第二组实验的定量分析，更直观地感受到植被覆盖对水土流失的影响。

2.有选择地设置模型才能更好地解释原型

创造模型的目的，是为了能够解释原型的一些特点或者功能，然而模型与原型毕竟是两个或两类不同的物体，在一些特点或者结构的表现上会存在差异性。因此，为了更好地解释原型的功能，得到的结论更容易被接受，在创造模型时，要有选择地设置模型的结构或条件。

例如，在进行“黄土高原水土流失”这一环节教学时，研究者发现，造成黄土高原水土流失的自然因素是短时间内降水强度大、地形坡度大、植被覆盖率低、土质疏松等。为了探究影响水土流失的自然因素，教师可以设计模拟实验。

地形坡度大小与水土流失关系

（1）准备两个木板，两份相同的土壤（保证土壤的颗粒大小、厚度，植被及其根系状况相同），两个相同的洒水器。

（2）A组：木板倾斜一定的角度，模拟坡度较小的地形；在木板表面覆盖一层准备好的土壤。

（3）B组：木板倾斜的角度要比A组的大一些，模拟坡度较大的地形；在木板表面覆盖一层准备好的土壤，土壤层的厚度要与A组一致。

（4）请两位同学用相同的洒水器向A、B两组土壤洒水，保证洒水的力度与次数相同，同时其他同学分别记录两组土壤的出水时间、出水量，以及水的浑浊程度。

上述实验，A组与B组是在降水强度、植被覆盖率、土壤土质三个变量相同的情况下进行的。控制好模型的其他三个条件，只研究其中一个条件的影响。有选择地设置了模型的构成条件，采用定量分析的方法进行观察，更有利于直观感受实验结果。

3.以原型为出发点说明结论

设计模型，由模型实验结果类推出原型的规律或者通过物质模型、理论模型来研究真实自然环境的时候，都需要运用类比推理的方法。然而，在课堂上进行模拟实验，师生通过对模型的观察、分析得到的实验结果需要站在原型的角度作出判断。

例如，在学习“地球自转规律”这一内容时，教材中常用“傅科摆”的案例来介绍科学家是如何证明地球自转的。19世纪，法国科学家傅科，在一个巨大的沙盘上，用一根60多米长的金属丝悬挂一个28公斤重的铁球，做成一个摆，并在摆锤下方安置一个金属针，使之能在沙盘上留下摆摆动的痕迹。这就是著名的“傅科摆”。为了帮助学生理解“傅科摆”的原理，教师通常会在课堂上制作一个简易摆来模拟“傅科摆”。在这个模拟实验中，“傅科摆”作为原型具有客观存在性，而课堂上制作的简易摆只能在一定程度上模仿“傅科摆”，并不能诠释科学道理。因此，在实验完成后，教师应带领学生从原型的角度去分析，理解“傅科摆”的意义是证明地球自转。

三、类比推理对地理学科的教学意义

在现今课堂中，地理模拟实验已成为一种重要的教学实践活动，其目的是帮助学生获得和验证地理知识，掌握地理实验的操作技能和研究方法，进而使学生在能力、情感、态度和价值观等方面获得提升。因此，类比推理作为模拟实验的思维方法在地理学习过程中有着重要的教学意义。

1.调动学生学习积极性，提高课堂活动的参与性

类比推理的过程，就是在明确原型与模型之间关系的基础上，观察、分析模型的发展变化，进而推导出原型的结构或功能。在推理过程中，观察和分析是必要的思维过程，调动学生参与课堂活动的主动性。而且在课堂教学中，教师设计的模拟实验可以通过学生的分组活动完成，进一步提高学生的参与性与动手能力，真正转变为学习的主人。

2.启发学生的创造性思维

人类探索真理、发现真理的长河中，类比推理作为重要手段帮助许多人获得了科学领域的启发。例如，牛顿看到苹果落地后得到启发类推出万有引力；卢瑟福通过行星围绕太阳公转提出了电子围绕原子核旋转的观点等。一系列的事例都说明类比是启发联想、引导科学探索的重要工具。

在实际的课堂教学中，教师借助类比推理，根据客观事实， 运用实验的方法探究物质的本质及其变化规律，在实验过程中锻炼学生提出问题、观察分析问题、解决问题的能力，培养学生的想象力与创造性。

3.直观、生动地再现地理事物发展的过程，便于发现其本质特点

类比推理是由特殊到特殊，模拟实验运用类比的方法，将地理事物的发生发展过程以直观的方式呈现于课堂。在有选择地创造模型时，通过对客观存在的模拟，能够使学生迅速获得相关知识，发现地理事物的本质特点。

例如，课堂教学中经常用到的地球仪，其本质就是地球的缩影，模拟客观存在的地球。学生通过观察地球仪，能够了解海陆分布状况、地球形状及其运动后产生的地理意义等内容。

［1］ 刘大椿.科学哲学［M］.北京∶中国人民大学出版社，2011.

［2］ 江美华.小学科学教材中不同类型的实验［J］.小学实验与装备，2008，18（1）∶6-7.

［3］ 姜全吉，迟维东.逻辑学［M］.北京∶高等教育出版社，2005.