关于培养“类比”思维的教学策略

田川

摘 要：类比思维的获得除了学生自身的因素影响外，还离不开教师在长期的课程教学中有目的、有计划、系统地对学生的培养。本文旨在体现类比思维培养的必要性，以及此过程中教师的主导地位。本文通过5个教学案例，体现“类比思维”的可进行性。

关键词：联想；类比思维；教学策略

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）6-0016-3

“教育”这个词在拉丁文是educatio，本意是引导[1]。在实际的课题教学中，怎样引导不仅仅是技术更是艺术。苏霍母林斯基认为：“那些概括性的、抽象的知识，如果不经过“直观性”的铺垫，很难在学生的脑袋中留下深刻的印象”[2]。

“类比思维”方法是解决陌生问题的一种常用策略。它让我们充分开拓自己的思路，运用已有的知识和经验将陌生的、不熟悉的问题与已经解决了的熟悉的问题或其他相似事物进行类比，从而创造性地解决问题。英国的培根有一句名言：“类比联想支配发明”。他把类比思维和联想紧密相联，有了联想才能有类比思维，不论是寻找创造目标，还是寻找解决的办法都离不开类比的思维。

本文通过对五个教学片断的分析，介绍类比思维在学生认知过程中所起到的作用。通过类比实现从“直观性”向“抽象性”的教学过渡。

1 黑体类比活性炭

活性炭具有吸附性，高中生对此有很深的印象。然而，绝大多数高中生在选修3-5的学习中，很难一下子就领悟“黑体”的概念。这时就需要教师进行适当的铺垫。

活性炭具有很大的表面积，多孔，内部相互交叉的孔道就像一个大迷宫，一些物质的分子通过热运动一旦进入这个“大迷宫”就很难再出来。这时，我们就说，这个物质的分子被活性炭吸附了，如图1所示。

类比活性炭吸附物质微粒的机理。在空腔上开一个很小的孔，若某个光子随机地射入这个小孔，射入小孔的这个光子在空腔内表面会发生多次反射和吸收，这个空腔就形成了一个黑体[3]，如图2所示。

于是可以进行类比归纳：活性炭吞噬飞进它的微粒，黑体吞噬射向它的光子。

2 光的折射类比队列的弯折

物理教育是一个螺旋上升式的发展过程，对于某些现象和规律，学生会存在知其然而不知其所以然的认知困惑，这就需要教师在适当的时候通过恰当的方式去化解其中的一些困惑，而又不增加学生学习的负担。

以光的折射为例。当光从空气中斜射入玻璃中时发生折射现象，折射角小于入射角。为什么折射角小于入射角呢？我们知道光从空气中射入玻璃，传播速度会变小，这和折射角小于入射角有什么联系呢？

比如，一个小孩和一个大人挽手前进，大人前进的速度大，结果队列就会朝着小孩一侧偏折[4]。

设想一束光斜射到介质的表面上，如图3所示，我们可以看出光束中的a点已经进入介质2中，因此具有相对较小的速度，而光束中的b点尚在介质1中，因此具有相对较大的速度。类比队列的拐弯，就不难理解光束会发生朝向a的偏折，即靠近法线偏折。

通过以上的类比思维，不仅有助于学生理解光的折射，还可以让学生认识到光的折射与光速的变化有关，有助于知识上的整合。

3 焦耳热类比“滚弹珠”游戏

如图4所示，将一颗弹珠从布满柱子的斜面上滚下来，弹珠会随机地与柱子发生碰撞，在碰撞的过程中将动能转化为热能传递给被碰撞的柱子，柱子的晃动变得更加剧烈。

通电的导体为何会产生热量呢？这一现象又如何与“滚弹珠”游戏存在关联呢？

以金属为例，它是晶体，有规则的微观结构。在晶格周围还有穿梭于晶体结构内的自由电子。用弹珠类比自由电子，用斜面上布满的柱子类比规则的晶体结构。如图5所示，当导体两端存在电压时，电场便建立起来，因电场加速而获得动能的自由电子，通过与晶体结构的随机碰撞，将动能传递给晶体结构。于是，晶体结构的晃动变得更加剧烈，导体的温度就升高了。

通过类比思维，有利于提高学生的微观建模能力，而微观建模也是重要的学科素养之一。

4 人体类比水柱

初中物理常常要考查估算题，其中有一题目的选项是：“一位中学生双脚站立在地板上时，对地板的压强大约是104 Pa。”这是一个正确的选项，然而学生记住这个结论很快，忘得也快。怎样将学生对这项内容从生硬的“记忆”上升到巧妙的“理解”，怎样从“知其然”过渡到“知其所以然”，这就需要培养学生的类比思维。因为人体的密度与水相近，故可将站立的人与一个和人等高的水柱进行类比。如图6所示，用这个水柱对底部产生的压强代替人站立时对地面产生的压强不会产生能影响到数量级的误差。

因此，可以看出一个人站立时对地面的压强也应该约为104 Pa。

5 单摆的中垂线上“钉钉子”类比斜面实验

伽利略的理想斜面实验是物理学中十大经典实验之一。是物理学史上观察实验与科学推理相结合的典范，是对学生科学方法教育的典型素材，是牛顿第一定律的关键点[6]。

我们不禁要问，伽利略是如何构思这个实验的，他的灵感是什么？伽利略在他的著作中回答了这个问题。“设想这页纸就是一面垂直的墙，其上钉进一枚钉子；从钉子上以一根铅直细线AB，比方说6英尺长，悬挂1盎司的铅弹，在这面墙上画一条水平线DC，与铅直线AB成直角，而铅直线AB离墙大约有两尺宽（如图7所示）。现在把线AB与所系的球移到AC的位置然后使其自由；首先观察到它沿着弧CBD下落，通过点B，然后沿着弧BD运动直到几乎达到水平线CD，稍有偏差是由于空气与弦的阻力造成的。由此，我们可以正确地推断，球沿着弧CB下落，在到达点B时获得了一个动量，它刚好足以使球沿着一段类似的弧BD到达相同的高度。多次重复这个实验后，让我们现在在墙上靠近垂线AB钉入一枚钉子，比方说在E或F处，要让它突出一些宽度，以便栓着子弹的线沿弧CB到达B时，可以碰着钉子E然后迫使它沿着以E为圆心的弧BG运动。因此，我们能够看到，以前由点B开始沿着弧BD达到水平线CD的同一物体以同样的动量能够做些什么。现在，先生們，你们将会高兴地观察到这个球摆动到水平线上的点G，并且如果障碍安置在下方的点，比方说在点F，你们会看到相同的事情，绕着它球会描出弧BI，球总是准确地终止于CD线上[7]。”

根据单摆的等高摆动，伽利略联想到：如果一切接触面都是光滑的，一个钢珠从斜面的某一高度A处静止滚下，由于只受重力，没有阻力产生损耗，那么它必定到达另一斜面的同一高度C。如果把斜面放平缓一些，也会出现同样的情况，如果斜面变成水平面，则钢珠找不到同样的高度就会一直保持一种运动状态，永不停止地运动下去[8]，如图8所示。

可见，伽利略正是凭借科学的核心素养之一的类比思想，带领我们进入了那个激动人心的科学革命的岁月。

参考文献：

[1][中国台湾]刘炯朗.读三字经[M].北京：中华书局，2015.

[2]王凌皓.苏霍母林斯基教育名著导读[M].长春：吉林文史出版社，2014.

[3]张大昌，唐果南.物理选修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010：28.

[4]张越，徐在新.八年级物理第一册[M].上海：上海教育出版社，2006：26.

[5][韩]金明振.物理这么简单[M].重庆：重庆出版社，2013：144.

[6]郑曼瑶.牛顿第一定律教学的创新设计[J].物理教学探讨，2014，32（8）：66.

[7][意大利]伽利略.关于两门新科学的对话[M].北京：北京大学出版社，2006：157.

[8]张同恂，彭前程.物理第一册[M].北京：人民教育出版社，2006：43.

（栏目编辑 赵保钢）