“类比联想法”建构模型在初中物理教学中的应用

张 柯

(苏州大学物理科学与技术学院,江苏 苏州 215006)

新一轮中考改革的全面实施对物理学科核心素养中的“科学思维”素养明确提出了五种关键能力:理解、推理论证、模型建构、实验探究和创新能力.模型建构能力作为科学思维的基础和工具,物理教学和时代发展对其提出了更高的要求.物理模型建构常用的方法有:抽象概括、理想简化、类比联想、等效替代和假设验证等[1].初中阶段让学生掌握类比联想物理模型建构方法,对提升其学科核心素养具有很大的帮助作用.

1 类比联想法建构模型的概述

类比是从两个对象某些相同或相似的性质判断它们是否在其他性质上也有这种特点的推理形式.两个事物有时看似不同,但由于某些性质相似,对其中一个有理解后另一个也可以得到相同的规律.现实生活中这样的物理模型数不胜数.表1是初中阶段常见的类比联想法建构物理模型的一些实例.

表1 类比联想建构物理模型表

2 初中生模型建构现状

据调查,初中生在建构物理模型时普遍存在这样一些问题:

(1)由于学习过程中很少接触物理模型及建构

物理模型,因此对物理模型的概念认识模糊,甚至会有错误观念.

(2)繁重的学业负担让学生普遍认为建立物理模型意义就在于能更方便套用公式或解题模式来应试.

(3)大多数学生学习的主动性不强,不会对所学的模型进行分类、归纳与总结,没有形成模型建构的体系.

(4)学生对模型的迁移组织能力弱,缺少程序化训练,缺少模型建构的体验.

(5)学生在在物理模型架构时,不会提取有用信息,无法将物理问题转化为物理模型.

3 类比联想方法建构模型在教学中的应用

应用类比联想方法建构物理模型可以帮助学生将抽象的物理问题转变成形象直观的物理现象,促使学生越过思维障碍.

3.1 加强生活联系,促使新旧知识的迁移

类比联想法可以分为生活现象类比和物理理论类比,将陌生物理现象与贴近学生生活的现象进行类比联想从而建立模型,可以帮助学生找出联系,生成概念理解规律.抽象性强的物理模型巧妙运用理论类比,将物理知识中的抽象概念、规律和常见事物类比,找出某一方面的共同属性,将新旧知识进行迁移,完成模型的迁移.

以光的折射为例,光从空气斜射入水中时会发生偏折,折射角小于入射角.在传统教学中是用激光笔多次从空气斜射入水中,确定好入射角测量出折射角得出关系.短时间内学生可以记住规律,但是根据艾宾浩斯遗忘曲线,时间一长,折射规律就被遗忘[2].因此,教师在教学时可以引导学生联想到“大人牵着小孩走路时,大人以自己的速度,不去配合小孩,会有什么现象呢?那么大人就会向小孩一侧偏转.”类比到一束光斜射经过不同介质,A点已经进入其他不同种类的介质2,速度要发生改变,B仍在介质1中,保持原来的速度,因此光斜射入不同介质时会发生偏折,如图1.

图1 光的折射

通过类别联想,建立光的折射模型,不仅有助于学生对光折射的理解,还能促使学生联想到光的折射与光速变化的关系,将已掌握的知识内化、迁移并应用.

3.2 发展联想思维,培养推理能力和创造能力

科技的高速发展,对人才也有了更高的要求,新时代更注重发展学生联想思维,提高思维能力、推理能力和创造能力.

伽利略理想斜面实验是物理学史上实验与推理结合的典范.那么伽利略是怎样进行他的推理的呢?如图2所示,他想到:接触面光滑的情况下,小球从一侧斜面A无初速度滚下,不受摩擦,没有能量的损失,最后它会到达斜面的另一侧同样高度的C.把斜面的倾角减小,情况同样如此,小球会找到同样的高度再滚下,推理到水平面,就是小球还会滚上另一侧斜面,直到找到同样的高度,但是小球找不到这样的高度就会一直运动下去.

图2 伽利略理想斜面

教授新课时教师适当引导学生多联想已有的知识,有助于帮助学生建构起物理知识点之间的联系,由点及线,由线及面,构造立体网络.

3.3 加强学科联系,实现学科整合

类比联想方法建立模型,不仅可以在本学科的知识系统内进行,还可以与其他学科如生物、数学、体育等结合,实现学科之间的整合,增强物理学科的趣味性.

篮球运动员传球时,撞击地面的篮球能准确回到队友手中吗?篮球反弹的方向与哪些因素有关呢?将弹性小球类比篮球,压缩的弹簧类比运动员施加在篮球上的力,由此建立起模型进行猜想:①与小球撞击地面前是否旋转有关;②与小球撞击地面时的入射方向有关;③与地面的粗糙程度有关(见图3).对于猜想①,联想到旋转的乒乓球打到球台后,反弹的路线发生明显变化,由此判断猜想①是正确的.

图3 弹性小球类比“篮球”

为验证猜想②和③,教师可以设计如图3所示的装置,每次都让弹性小球从压缩了相同长度的弹簧的下端,由静止弹出并撞击地面,分别改变地面的粗糙程度和小球的入射方向与地面的夹角α,测出小球撞击地面后的反弹方向与地面的夹角β,记录数据如表2.

表2 夹角记录数据

以上物理情境新颖、有趣,具有生活化、趣味化的特点,小球入射及撞击到地面后的反射路径也可以与所学的光的反射类比;小球与不同粗糙程度的地面撞击后反射的角度不同,联想到探究摩擦力的影响因素中的接触面粗糙程度.像这样的类比联想模型在不同学科之间还有很多:传感器可以类比联想到生物中的反射弧,电场等势线可以类比联想到地理等高线,运动学中的参考系可以类比联想到语文中“游云西行而谓之东驰”的古诗词,等.只有学生参与了这些建模过程,才可以体会到类比联想方法建立物理模型的魅力所在,既加强了学科横向联系又促进了学科整合.

4 类比联想法建构物理模型注意误区

4.1 避免“抽象化”

类比联想法建构的物理模型常常是贴近学生实际生活的形象化事物或现象,不能把抽象类比抽象,也就是说不能让学生接触到的类比的对象是不熟悉的或是头脑中没有这个概念的.比如,教师在帮助学生理解原子核所占原子的大小时,是将原子比作乒乓球,原子核只有针尖般大小.乒乓球和针尖都是初中生了解的,这样的类别也就自然而然,但是如果将原子核比作苹果大小,那么原子大概就有地球那么大,这样的类比对初中生来说还是抽象的,地球很大,学生没有这个概念,无法想象地球到底多大,那么也就不能联想原子核到底多小.

4.2 避免“简单化”

类比联想法建立模型目的就是为了简化思维过程,通过形象化的事物习得抽象化的规律,但是这并不意味为追求简单而失去正确性.比如,物质的密度与组成这类物质的分子质量和分子间排列紧密程度有关,若以为相同就认为密度一样,这样的类比方法就是错误的.

4.3 避免“复杂化”

为了降低教学的难度,选择类比的事物要简单且原理明晰,结构简洁.比如,教科书上的水通过水轮机转动和电流通过灯泡发光类比,简洁明了地体现了它们的共同点.但如果真的把复杂的自来水供水系统结构图展示在学生面前,学生面对着庞杂的模型图也只会一头雾水.教科书上电动机和发电机的工作原理模型图给出也十分简练,学生只要理解了一匝线圈在磁场中的转动,多匝线圈的转动情况类似,联想电动机和发电机的实物,通过类比联想的方法就建立起合理的物理模型.

4.4 避免“孤立化”

类比联想法建立的物理模型大多是推论,正确性有待考查,需要通过实验或理论推导来验证.因此类比联想建立模型的局限就在于建立的模型需要和实验观察、事实陈述、理论推理、计算证明相结合,绝不能将其孤立使用.例如在学习固体压强、液体压强联想到气体是否存在压强时,不能因为固体和液体存在压强就确定气体也存在,而是需要通过覆杯实验,加热的易拉罐变瘪实验和马德堡半球等实验来验证.

总之,教学实践证明,在初中物理教学中运用类比联想建构物理模型,通过加强生活联系,发展联想思维,加强学科联系,帮助学生将抽象的物理知识具象化、形象化,构建知识网络的同时,培养学生的科学思维素养.