纠正高中物理学习中不当类比的策略

张莹+袁海泉

摘 要：不当类比产生的学习障碍在高中物理学习中广泛存在，纠正不当类比可以促进知识的迁移，提升学生的科学思维品质.

关键词：不当类比；教学策略；高中物理

作者简介：张 莹（1992-），女，江苏高邮人，研究生在读，主究方向：中学物理教学.

袁海泉（1962-），男，江苏苏州人，副教授，研究生导师，研究方向：中学物理课程与教学、物理教育心理.类比推理是高中物理学习中常用的思维方法[1].类比可以把易混淆的概念变得清晰，把抽象的知识变得容易理解，正确运用类比，可以达到事半功倍的效果.但由于学生在类比过程中的盲目性和不恰当性，经常会得出错误的结论，这不仅影响了对该问题的理解，更影响了对于新知识的同化和顺应.因此纠正不当类比产生的错误是学生有效学习、举一反三的关键.本文概括了高中物理学习中不当类比的类型，并且给出了纠正不当类比的策略，以此来引导学生正确应用类比，掌握科学的类比思维方法.

1 学生不当类比的类型分析

类比方法在高中物理中有着广泛的应用，类比具有不同的类型，同样不当类比也存在着不同的类型.[2]

1.1 不当的因果类比

因果类比是以某一个类比对象的各个属性之间存在的因果联系为纽带而进行的类比判断，即将A与B进行比较后，发现B的属性b′与A的诸多属性a1′ ，a2′，……，an′ 都有因果关系，因此推断出A也具有b属性.例如物理学家惠更斯将光和声进行因果类比，发现光与声都具有直线传播、反射、折射等属性，推断光也应该与声一样具有波动性，于是他第一个提出了光的波动说.

学生进行因果类比时，物理公式数学化常常会导致不当因果类比的错误.学生在解决物理问题的过程中，经常忽略公式与其物理现象之间的因果联系，机械地运用数学逻辑来代替物理关系.例如教科书中对于“电场强度”、“功率”等的定义都采用了比值法，学生往往受表面现象迷惑，易将其与相应的数学关系k=yx进行机械类比，以数学关系来代替物理因果联系，而不去考虑“电场强度”、“功率”的物理意义，常常错误地认为场强E正比于试探电荷受力F或反比于试探电荷电量q；认为功率P正比于功W或反比于时间t.

1.2 不当的模型类比

模型类比就是依据不同的模型在某些属性上存在相似性，从而推断它们在另外一些属性上也可能存在相似性的类比推理，模型类比包括对象模型类比和过程模型类比[1].例如卢瑟福将原子结构与太阳行星模型进行类比，成功建立起原子结构模型，这属于对象模型类比；又如教材在描述电流时，以水流系统作类比，以帮助学生理解抽象的电流概念，这属于过程模型类比.

高中物理新课标的核心素养中要求学生要具有构建理想模型的意识与能力，在建模的过程中要注意理想化条件成立的依据.但一些学生在进行模型类比时，不注意有的物理模型实际上形同而质异，盲目代入已知的模型求解.以不当的对象模型类比为例，一根轻质弹簧下悬挂一个小球并处于静止状态，如图1所示，问剪断弹簧的瞬间小球如何运动？

部分学生在考虑这个问题时会倾向于用头脑中比较熟悉的细绳—小球模型来类比，如图2所示，而不会深入考虑在弹簧断开的瞬间，弹簧形变存在，弹簧作用力仍旧存在，小球的加速度依然为零；而细绳断开瞬间，绳上的作用力立刻消失，小球将会做自由落体运动，加速度为g.

1.3 不当的协变类比

协变类比是在两个对象具有若干相似属性的情况下，同时它们在数学形式或图象上也具有相似性，从而推断它们的其它属性也具有相似的类比推理.例如，太阳与行星之间的万有引力F=GMmr2和原子核与核外电子之间的库仑力F=kQqr2都属于有心力，且它们在数学公式上也具有相似性，卢瑟福将二者进行协变类比，成功推断出原子结构的行星模型假说.

学生在进行协变类比时，常常会拘泥于表面的相似性，犯机械类比的错误.例如，根据v-t图象求位移的面积法可以类比到很多相似的问题中，我们可以利用I-t图象面积求电荷量q， F-x图象面积求功W等，但把它用到U-I面积求电功率P， a-m图象面积求合力F上显然是错误的，因为U与I、a与m之间不存在相互约束关系，所以在进行类比前要弄清楚类比的特征依据，不能盲目类比.

1.4 不当概念类比

概念类比是发现待识事物B与已知事物A在某些特征上具有诸多相似性，已知物体A的某一属性可以用a来表示，那么待识事物B相应的属性也应该可以用a′表示[1].例如，高中物理学习中有些概念极易混淆，如“重力”和“地球引力”、“位移”和 “路程”、 “电压”和“电动势”等，有经验的教师就会从各个角度来类比分析这些易混淆的概念，找出相同点，突出强调不同点，以促进知识的迁移，提高教学质量.

学生在进行概念类比时，往往以“形似”为“实似”，泛泛地认为二者的所有属性都一一对应.例如对于速度v=ΔxΔt和加速度a=ΔvΔt这两个概念在形式上具有很大的相似性，部分学生对于加速度和速度变化趋势理解不深刻，在进行概念类比时，认为二者的变化趋势应该始终保持一致，加速度增大，速度就会随着增大.这样不抓住类比对象的本质联系随意類比，就会在界定不清的情况下造成知识的负迁移.

2 纠正高中物理学习中不当类比的策略

使物理课堂变得活动化、情境化、生活化是新课标强调的重要目标.成功的纠正策略应使学生对学习活动产生积极的动机，唤醒学生的求知欲.克服不当类比造成的思维障碍，对促进知识的整合，提高学生的思维能力具有重要的意义.

2.1 巧用正反案例，深究概念本质

教材对于物理概念往往只是从正面下定义并且举例说明，这导致学生对概念理解不透，习惯地采取常见的现象进行类比，强化物理概念，而不考虑相反的案例.对此，反例的适当运用，能够促使学生从不同的方面深入理解概念的内涵和外延，抓住概念的本质，从根本上改变原有的错误观念.endprint

例如，教材上虽然将摩擦力界定为“阻碍物体相对运动或相对运动趋势的力”，但是举的例子基本都是摩擦力阻碍物体运动，“关闭发动机的车子行驶一段时间就会停下来”、“旋转的陀螺会越转越慢”等，学生会下意识地将这些常见的生活实例进行类比强化，从而得出结论：摩擦力总是阻碍物体运动；摩擦力的方向应该与物体的运动方向相反；滑动摩擦力总是对物体做负功.对此，教师可以列举如图3所示的反例来纠正学生的错误理解.

速度恒为v的水平传送带上静止释放一物块（如图3甲所示），在物块与传送带一起做匀速直线运动（如图3乙所示）的过程中，由受力分析可知，物块所受滑动摩擦力的方向与物块运动方向一致，摩擦力做正功.通过反例的强化，学生能够更加深入地理解相对运动和相对运动趋势，理解摩擦力既可以是动力，也可以是阻力；既可做正功，也可以做负功.

2.2 采用以问引问，弥补认知不足

以问引问即通过教师的提问，学生对该问题进行思考的同时发现并解决新的问题.在不断的提问与发现问题、解决问题的循环过程中，学生的认知结构逐渐浮出水面，从而教师可以针对学生认知上的不足来引领提问的方向，引导学生参与质疑，对自己由于不当类比形成的错误观念进行反思，并根据教师的反馈信息调整自己的错误理解.

部分同学在分析电势能的增减问题时，常常会受正负电荷的干扰而作如下类比：电势类比高度、电势能类比重力势能，由于高度增加（降低）会引起重力势能增加（降低），所以电势增加（降低）也必然会引起电势能增加（降低）.显然，学生由于不当类比得出了错误的结论，对此，教师可以进行如下引导：

问题1：功与能量的关系是什么？答：功是能量转化的量度.

问题2：势能的变化由什么决定？答：由物体做功决定.至此教师要向学生强调，面对势能变化的问题，应该从做功的角度来思考.

问题3：如果重力对物体做正（负）功，重力势能将如何变化？答：重力势能降低（升高）.

问题4：那么，电场力对电荷做正（负）功，电势能又该怎样变化？

答案自然而然就出来了，通过以问引问，绝大多数学生能够把握住电场力做功与电势能增减的关系，不再受正负电荷的干扰.

2.3 优化习题教学，挖掘错误根源

习题教学在高中物理学习中有着举足轻重的地位.习题教学不仅要讲明正确做法，更要挖掘错误根源，强调学生之所以类比不当的深层次原因，引导学生反思自己的错误观念与正确答案的实质性区别，从根本上扭转学生的错误认识.

例 当一束单色光从水中射入到空气中时，对其波长和速度判断正确的是[3]

A.波长变大，速度变小 B.波长变小，速度变大

C.波长和速度都变 D.波长和速度都变大

很多同学在解答此题时，会将光波与声波进行类比.声波是机械波，当从水中射入到空气中时，波速v变小，频率f保持不变，根据v=λf可知波长也变小.因此进行该项类比的学生选择了C选项.教师在对此题作分析时，必须突出强调学生错误类比的根源：声波属于机械波，是借助介质的相互作用传播的，介质会促进其传播；而光波属于电磁波，是依靠自身磁场的相互转化传播的，介质反而会阻碍其传播.声波和光波在介质中传播的原理大相径庭，因此二者不适合作类比分析.如果不考虑两者的本质差异，滥用类比，就很容易得出错误结论.

2.4 培养思维习惯，突破直觉类比

类比法是一种或然性的推理，有时也会得出错误的结论，这使得类比法存在一定的局限.教师应该引导学生分析比较类比对象的特征，引导学生在草稿纸上画出草图，认真审题、仔细分析、谨慎类比，不被表面的相似性所迷惑，突破直觉类比，提高学生类比思维素质.

例如，在前面提及的不当的模型类比中，学生遇到此问题的第一感觉就是将弹簧—小球模型与头脑中相对比较熟悉的细绳—小球模型进行类比，这两个模型在表面上具有很大的相似性，但如果能将剪断弹簧和细绳瞬间的受力分析图画出来进行对比（图4和图5），就能发现这一类比的错误所在，突破直觉类比的局限.

对于弹簧—小球模型，在剪断弹簧瞬间，弹簧上的弹力依旧存在，小球受重力和弹力作用，仍處于平衡状态；对于细绳—弹簧模型，在剪断细绳的瞬间，绳上的作用力立刻消失，小球只受重力作用.在受力分析图的指导下，模型类比的不当跃然纸上.

参考文献：

[1]张丙宏.类比法在初中物理教学中的应用[J]. 中学物理， 2011， 29（12）：37-38.

[2]徐荣广.高中物理教学中凸显类比方法的研究[M]. 南京：南京师范大学出版社，2015.12-14.

[3]郁建石.走出类比推理的误区[J]. 教育研究与评论·中学教育教学，2016（3）：86-90.endprint