指向深度学习的类比教学策略研究

【摘 要】“静电场”是高中物理的教学难点，类比教学往往能突破教学中的难点，使复杂、抽象的新知识迁移到简单、熟悉的旧知识中。但是在实际教学中，很多教师运用类比教学基本停留在浅层思维，甚至会给学生带来一些新的认知障碍。文章根据学生的年龄特点和认知水平，以培养学生的高阶思维为目的，对类比教学进行优化，帮助学生进行深度学习。

【关键词】静电场;类比教学;深度学习

【作者简介】姜庆荣，江苏省太仓市学科带头人，主要研究方向为物理学科教学。

深度学习是在理解性基础上的批判性学习。深度学习要求学生运用多样化的学习策略对知识进行深度加工，建立起新旧知识之间的联系，从而建构个人知识体系并迁移到实际情境中解决复杂问题。提升高级认知、培养高阶思维是深度学习的目的。在物理抽象概念的教学中，教学方式不当往往会导致学生停留在浅层学习，而不能真正内化知识。类比教学法可以有效地解决以上问题，把学生思维引向深层次[1]。笔者以“静电场”部分概念的教学为例，谈谈如何优化类比教学策略，促进学生的深度学习。

一、 巧借动漫形象类比，触发深层次“场”模型建构

人教版高中物理新教材必修3对电场的引入设计为：首先引用科学家法拉第关于电场的初步观点;然后提出“电荷A对电荷B的作用力，就是电荷A的电场对电荷B的作用……”的观点;最后提出“场也是物质存在的一种形式”的观点。教材的设计在科学性上并无争议，但学生在这之前几乎从未学习过类似“不可见物质”的知识，因而教材中这种陈述性的描述对学生来说比较晦涩难懂。另外，教材中关于电场强度概念建立的教学设计是通过一个场源电荷对试探电荷的作用力展开研究的，整个教学过程比较注重数理逻辑的推理，而对电场本身的描述相对抽象。为突破学生这种相对陌生的认知障碍，教师可以借助学生这个年龄段比较熟悉的动漫形象进行类比教学。因为生动形象的动漫形象能够帮助学生化抽象为形象，让学生有效搭建起新旧知识的桥梁，从而构建新的知识体系[2]。如以经典动漫《七龙珠》中的孙悟空形象为例，可以将动画情景与静电场模型进行有效类比。

教师播放一段《七龙珠》中孙悟空变身超级赛亚人的视频，让学生观察孙悟空变身后其周围环境的变化。可以看到：在孙悟空变身过程中，其周围的空气似乎在不断地波动，同时伴随有闪电，周围的敌人均受到了孙悟空变身所产生的“隔空”伤害。可以认为孙悟空周围产生了比较强大的气场，而这个气场对周围的人有力的作用，体现为气场对人具备力的属性。因此可以将孙悟空与场源电荷进行类比，气场与电场进行类比。具体而言，场源电荷通过自身产生的电场对试探电荷产生力的作用可类比为孙悟空通过自身产生的气场对敌人产生力的作用。另外，显而易见的是，当距离孙悟空越远时，气场也越弱;虽然周围没有“试探敌人”受到攻击，但是孙悟空产生的气场也依然存在，不因“试探敌人”的存在而变化。再比如，对于一个能力较弱的赛亚人，其周围产生的整体气场一定是弱于孙悟空的，这就与场源电荷的电荷量变少，其周围电场也是整体变弱的一样。

二、旧知新说，由浅入深引发深度思考

电场因其不可视的特点具有很强的抽象性，然而电场本身又是具体的真实存在的物质。这种“抽象性”和“具体性”的显性矛盾成为学生学习电场知识的主要难点。因此将新旧知识进行类比，实现有效的知识迁移是实现学生重构知识体系的有效手段。教学中比较常见的类比是将电场力与重力类比、电场强度与重力加速度类比、电势能与重力势能类比、电势与高度类比。然而电场强度与重力加速度的类比以及电势与高度的类比對学生而言是略显牵强的。因此，教师在教学中可以通过旧知新说的方式，即旧概念新描述，赋予旧的概念“新的生命”，这样有利于学生对新概念的建立和理解，进而引发学生进行深度思考。

（一） 引入重力场进行类比教学的有效性

笔者所在的物理教研组在研讨“电场强度”这一知识点时曾引发这样的争论：整个初、高中教材中均没有涉及关于重力场的任何描述，因此用重力场来类比电场则相当于用一个陌生的概念类比另外一个陌生的概念，这样的类比教学是否有效？

笔者认为这样的担忧是没有必要的。首先，教师在引入重力场进行类比教学时，往往不是在讲授电场强度的知识时直接类比，而是在学生对“场”已经具有一定的认识后，再将电场与重力场进行类比。从教学逻辑上讲，并不是将电场类比成重力场，而是先将重力场类比成电场。其次，重力场的引入往往出现在教学电势、电势能、电势差等概念时，相比电场的多变和晦涩难懂，重力场则简单很多。尽管重力场对于学生来说依然陌生，但是重力场中的高度、重力势能等概念是学生比较熟悉的。再结合笔者提出的气场类比教学，学生很容易理解重力场的存在。所以引入重力场对于帮助学生理解电势和电势能的概念是大有裨益的。这部分的教学逻辑如图1所示，先由电场引出重力场的“新描述”，再由重力场反过来类比电场，进而将重力场中的概念与电场中的概念进行类比教学。

（二）重力场强度与电场强度类比的科学性

教师在教学过程中经常将重力和电场力进行类比。根据公式的书写方式，电场力qE中的q应该用mg中的m进行类比，因此电场强度E应该用重力加速度g进行类比。在教学过程中，将q和m进行类比学生比较容易接受，二者都是描述物质属性的物理量。但将E和g进行类比似乎有些牵强，因为E是描述电场这个物质属性的物理量，而g是一个运动学物理量。因此建议将“重力加速度g”的说法改成“重力场强度g”。在地球的不同位置，重力场强度也是不一样的，如赤道附近的重力场强度比两极的要小。不同的天体表面，重力场强度也不同，如月球表面的重力场强度是地球表面的16。重力场强度取决于天体本身所产生的重力场，所以传统意义上的重力加速度可以用来描述天体所产生的重力场的强弱，故可称之为重力场强度。与电场强度类似，它是描述重力场这个物质属性的物理量。因此，将重力场强度与电场强度进行类比的教学方法是科学的。

（三）迎合电势的概念，改高度为地势的尝试

教材是从比值定义法的角度来定义电势的，对电势具体的物理意义，教材没有做太多说明，因此加大了学生对电势概念理解的难度。电势是描述电场中“位置”的物理量，笔者在教学过程中发现，学生更容易从“位置”的角度接受电势这个新概念，因此可以将这种电场“位置”与重力场中的空间位置进行类比。教学中常以高度来类比电势，从实际教学效果来说这样的类比略显生硬。在日常生活中常以地势高低来描述某地的高度，所以建议引入地势的说法，其意义类似于高度，将重力场中的地势与电场中的电势进行类比，更加切合学生的理解水平。比如：顺着重力场线地势降低，顺着电场线电势降低;重力场中等地势线垂直于重力场线，电场中等势线垂直于电场线。

三、从宇宙视角看重力场，突破类比空间局限，激发深度学习

在“静电场”的类比教学中，教师往往以地面附近的匀强重力场来类比匀强电场，进而引出各个电场中的概念。这样可以起到不错的效果，但是也给学生带来了一定的困惑。因为这样的类比仅仅局限在匀强电场的学习中，而高中涉及的很大一部分电场题型都是非匀强的，此时若仍以匀强重力场进行类比则显得有些牵强。笔者认为，若将视角提升至宇宙尺度，从更高的视角审视地球和地球重力场，再将其与非匀强电场进行类比，则能有效解决以上困惑。

环节一：让学生画出地表水平面上方的重力场线，同时画出等地势线（如图2）。

环节二：让学生设想自己从地球表面不断升高，直至地球在眼中呈现出适当大小的球状。让学生画出此时地球周围的重力场线分布，同时画出等高线（等地势线）。此时的重力场线呈发散状分布且指向地心，等地势线也不是平行的水平线，而是以地心为圆心的同心圆（如图3）。

环节三：电势不能简单地用高度进行类比，应赋予地势新的定义。电势能的公式是Ep=φq，重力势能的表达式是Ep=mgh，学生仅从公式中就不难发现电势φ应与gh进行类比，因此将电势与高度进行类比似乎不妥。此时可以赋予地势新的定义，如地球表面的地势可表示成Φ=gh，地势差则表示为ΔΦ=gΔh，重力势能的表达式即演变成Ep=Φm，此时再去类比则更加容易被学生接受。

环节四：在学生所画的等地势线的基础上进行修正，画出等差等地势线。教师通过有效的设问，引导学生得出：离地面越高，重力加速度越小，从而无法根据公式ΔΦ=gΔh直接计算地球上空的地势差。在定性分析的基础上，学生不难得出：当高度升高时，重力加速度变小，所以地势差相同的情况下，等差等地势线之间的距离越来越大，即越来越稀疏。教师再引导学生将地球上空的等差等地势线与负点电荷周围的等差等电势线进行类比，学生能更深刻地掌握电势、电势能等概念的物理意义。

通过以上四个环节，步步深入，摆脱了传统的空间类比。用高度类比电势是浅层次的空间化类比，对地势重新解读后再进行类比能够启发学生的高阶思维。构建宇宙视角地球模型可以为学生从浅层学习通向深度学习搭建台阶。对地势的深层次解构让学生明白电势这个概念不是简单地描述电场中的位置，而是一个关于位置和能量性质的物理量。学生在空间想象和数学推理中不断深入，最终达成对电势、电势能等概念的深度理解。对于学生水平较高的班级，教师可以从微积分的角度解读地势差和电势差的概念，让学生达到更深层次的知识内化。

深度学习倡导多渠道获取信息，关注新旧知识的融合。类比教学能够有效帮助学生搭建学习新知识的桥梁，从而更高效地建立起新旧知识之间的联系。学生通过类比学习不仅能够对旧知识进行再加工，还能在面对新知识时能够变被动机械的浅层学习为积极主动的深层学习，从而有效地建立起更完善的知识体系。实践证明，电场知识的教学中采用类比教学法能提升学生抽象思维、形象思维的能力，进而促进学生进行深度学习。

参考文献：

[1]陈志军.“静电场”的类比法教学探讨[J].中学物理教学参考，2016（6）：38-41.

[2]雍振华.情境中類比 方法中建构：以“电场强度”教学为例[J].物理教学探讨，2015（2）：65-67，70.

（责任编辑：罗小荧）