例谈类比在物理教学中的应用

吴继阁

摘 要：：类比作为重要的思维方法在物理教学中有广泛的应用.通过类比可以将熟知的事物特性迁移到新事物上，以形象化手段帮助学生建构概念、规律，突破教学难点.本文即以具体实例来阐释类比在物理教学中的应用.

关键词：类比；想像；科学方法；知識建构

在人类思维的宝库中，类比推理是被众多哲学家和科学家所推崇的思维方式之一，其在科学推理中常常发挥着巨大的作用.数学家波利亚说：“类比是一个伟大的引路人.”哲学家康德说：“每当理智缺乏可靠论证的思路时，类比这个方法往往能指引我们前进.”可见类比方法作用和价值的巨大.

作为一种“从特殊推到特殊的科学方法”，类比法在物理教学中有着广泛的应用.在物理教学中，将未知的物理知识和已知的物理知识或熟知的事物进行类比，运用形象类比的方法即可突破教学难点，在学生头脑中建立概念、规律清晰的“影像”和认知.

本文即以具体实例来阐释类比在物理教学中的应用.

1 利用类比、想象加深对物理概念、规律的理解

好多物理概念、规律在初步建立后，学生仍不容易理解和接受，不能够真正内化为学生自己的认知，也就很难将其纳入到学生原有的认知结构中.此时，恰当地运用类比，借助学生熟悉的相似场景和事物，类比理解概念和规律，将知识及时内化.

近年来，脑科学研究者对大脑左右半球的研究成果在揭示创造性思维的机制上有重要意义，科学家们提出了“思维运动的互补链”模型，如图1所示.其中，想象力链包括“想象、直觉、类比和情感”，理解力链包括“抽象、概念、形推和理智”.可以看出想象力链和理解力链是相辅相成，相得益彰的.根据“思维运动的互补链”理论，为了更好地发挥类比的效果，在应用类比时要充分施展学生的想象力，以使新知识与类比源有效链接.

案例1 学生在学习弹力时，对弹力的存在、大小和方向等的认识很模糊，怎样建立弹力的清楚认知呢？可以从压弹簧、压橡皮球等体验活动入手，在体验中感受和感悟弹力的存在、弹力的大小和弹力的方向等.在体验的基础上，发挥学生的想象力：哪里有压迫，哪里就有反抗；万物都有抵御外界的自我保护能力.依据类比与想象，就不难找到弹力的施力物体与受力物体、弹力的大小、弹力的方向以及弹力产生的原因等，学生的学习障碍得以顺利突破.

案例2 学生在学习“额定功率与实际功率”时，对概念及其关系的理解上有困难，利用类比想象的办法可以让学生形成较为清晰的认识.将“功率”类比于人的“饭量”，对同一人来说，其饭量是一定的，对应于用电器额定功率是确定的；同一人在不同情况下实际吃的饭量可能是不同的，可能吃多，也可能吃少，吃多了，则超过了其“承载能力”，不舒服，对身体有损伤；吃少了，则不能满足自身的需要和体现自身的潜能.对应于用电器在不同条件下的实际功率，功率大了，则有损电器，功率小了，则不能满足电器的需要和体现电器的价值，且实际功率有可能等于额定功率.不同的人饭量一般不同，对应于不同用电器的额定功率一般不同.

案例3 学生在学习“汽化”时，对“水沸腾吸热但温度不变”难以理解，可以采用类比加想象的手法予以突破.液态时，水分子间距较小，处于较为稳定状态，就像两个分子之间有相互的连接棒一样；水沸腾液态变成气态，需要打破分子之间的较大作用力，就像用剪子剪断连接棒一样，需要一定的力量（能量），沸腾时吸收的热量就用于“剪断连接棒”，打破原有结构.因此，水沸腾吸热不升温.

案例4 学生学习内能、热量时，对“热传递是从高温传向低温，而不是从内能多的传向内能少的”“热传递传递的是能量，而不是温度”“热传递的结果是温度相同，而不是内能相同”等问题模糊不清.为此，采用类比的方式，将“热能的传递”比作“河水汇入江海”，将“小河、江海的水量”比作“内能少和内能多的”，将“小河、江海的水位”比作“高温、低温物体”，如图2所示.自此，很容易理解：热传递的方向是高温向低温，而不在于内能的多少（高水位向低水位，而不在于水量的多少）；热传递传递的是能量，而不是温度（水流流的是水，而不是水位）；热传递的结果是温度相同，而不是内能相同（水流的结果是水位相同，而不是水量相同）.利用如图3所示的连通器原理，则更容易理解上述概念、规律.

2 利用模拟、拟人等手法来类比、想像，突破教学难点

对于抽象的物理知识，可以通过实物模型模拟或拟人手法描述等形式进行类比、想象，从而建立与之相关的物理概念，这要比直接对抽象的物理知识进行理解容易得多，因为人们对实物可以直接感知，由感官直接认知是人们理解科学最为直接的一种方式.

模拟是对真实事物或者过程的虚拟.模拟要抓住事物的关键特征，采用简化的形式，通过实物模型或拟人话语将物理知识的主要特征表现出来.

案例5 在用小磁针探究磁场特征时，用通俗和拟人的话语形象生动地呈现知识.将小磁针放在磁体周围某一点，用手拨动小磁针一端，使其转动，观察小磁针北极指向；再次拨动，观察结果.教师用形象的语言描述：小磁针很拗、很任性.将多个小磁针放在磁体周围不同位置，发现小磁针北极指向很有规律性.教师用形象拟人的语言描述：就像孩子们在排队一样，很有秩序.拟人话语让课堂学习更加生动活泼，学生学习更加轻松愉快.

磁场是立体的，对学生来说是理解和想像都有困难.为了突破这一难点，通过直观形象的拟人活动来增强学生想象力.如图4所示，一人扮演磁体（红色为北极），每小组各选一位同学手拿模拟磁针（红色为北极），在磁体所在平面内不同位置放好，形成磁场的一个平面；再在“磁体”周围不同位置放好“小磁针”，形成磁体的立体空间.将各组代表放置“小磁针”的情况作为评价小组在游戏中表现的依据，小组内同学可以相互纠正.学生对这样的活动很感兴趣，课堂非常活跃，立体磁场在学生头脑中就自然建立起来了.

在电动机和发电机教学时，学生对平衡位置难以理解，其根源是对线圈所在平面缺少空间想象.为此，采用模拟来类比突破难点.如图5所示，很多书摞在一起，相当于线圈，每本书相当于一圈，拿起一本书，让学生观察找到其中的“线圈四边”和“线圈平面”，再想象整个线圈的线圈平面，在实际电动机和发电机中找到平衡位置.

案例6 物理知识中还有很多难点可用模拟类比方法突破.如，对浮力的大小跟排开液体重力有关，即与排开液体的体积和液体密度有关的认识，可以通过模拟类比想象来理解.把与物体接触的液体看成很多只“手”，液体对物体的浮力就象人托起重物一样，人越多，托起物体的手越多，物体浸入液体越多，液体中托起物体的“手”越多，托起的力越大，能托起的重物就越大.与液体密度的关系，就像更大、更有力的手来托重物一样.

3 结束语

类比是促进人类认识不断深化的创新性方法，是沟通新旧知识的纽带，是深化认知的助推器.应用类比方法教学可以增添课堂活力与灵动性，对抽象难懂的知识，利用类比充分发挥想象和创造力，突破学生认知上的障碍.但是，类比并不能解决所有问题或完全解决问题，在应用类比时，要注意类比的局限性，在关注事物相似性时，还要关注类比对象间的差异，避免类比造成认知的误区和偏差.比如，分子引力模拟实验，要让学生明白分子间并没有“弹簧”，分子间的两种力是同时存在的，避免因类比事物其它因素的干扰而形成认知偏差.备课和教学准备时要做好教学可能性分析和预判，科学合理地利用类比解决教学疑难问题.

参考文献：

[1] 黄晓，高培杰.论类比在物理教学中的应用[J].中学物理教学参考，2015（4）：53-56.