比喻与物理教学

翟彦芳 张抗抗 邢红军

摘要：物理教学有意无意地忽视了比喻，尤其是忽视了比喻所蕴含的智慧启迪和审美享受的重要价值，从而在一定程度上影响了物理教学的效果。对此，厘清从哲学领域中比喻到物理学领域中比喻的演进，发现比喻在物理概念教学、物理规律教学以及物理教学整体结构中的作用，阐述比喻重构物理教学的发生逻辑。

关键词：比喻；物理教学；物理学研究

本文系全国教育科学“十三五”规划2019年度国家一般课题“核心素養的关键能力构成及其表现研究”（编号：BBA190024）的阶段性研究成果。

为了改善物理教学的效果，人们采取了多种多样的方式，比如直观教学、科学探究等，但却有意无意地忽视了比喻，尤其是忽视了比喻能够使人们得到智慧启迪和审美享受的重要价值。物理学中的比喻是什么样子的？比喻对于物理教学有着怎样的价值？比喻在物理教学中如何运用？本文分享我们的思考与研究。

一、比喻与物理学研究

比喻本身是一个兼具认识论、方法论和价值论并具有广泛迁移力的思维方式和意义结构。其独特的结构性，决定了其在重塑物理知识传授逻辑、重构物理教学过程以及建构学生物理认知方面的重要作用。当前，物理教学中对于比喻价值的低估与遮蔽，很大程度上源于对其发生基础、认知价值的片面认识。因此，需要厘清比喻从哲学领域到物理学领域的演进，揭示比喻对于物理学研究、物理教育教学的“支点”意义。

（一）哲学领域中的比喻

人们往往使用常规思维去认识现实世界，即通过观察、感知、记忆，产生感性认知，继而形成概念，并在此基础上进行分析、推理、判断，从而获取对事物的认识。在这一过程中，虽然始终都没有脱离比较和联系，但这种比较和联系往往是理性的。而当人们采用比喻思维去认识事物时，思维的具体形态则变成了联想与想象。联想与想象的对象不仅与现实世界有关，还与心理世界有关。因此，当人们运用比喻思维去认识现实世界时，更多地是以形象思维和主观感受为驱动力和导向的。因而，比喻思维是非理性的和主观的，是一种非常规思维。运用常规思维与运用非常规思维所产生的结果不同：运用常规思维固然能够认识世界，把握世界的本质；运用非常规思维去认识世界，更能够逼近世界的本质。

作为一种思维方式，比喻主要被人类用于感知、思考、认识宇宙万象和自身。这种方式就是“通过与甲对象本质不同而又有相似之处的乙对象来婉转曲折地认识甲对象”进行思维，是一种创造性的心理行为方式，具有工具性意义和心理属性。这是因为，比喻思维的具体形态是联想和想象，而且，比喻还是一种重要的认知方式：将乙对象的意象图式投射到甲对象身上，通过概念转化、语义转移或语义映射，达到把握、认知甲对象的目的。它是一种认识世界的方式，因此，认知功能可以说是比喻的本质属性。［1］

哲学是追寻本质、意义、价值的学科，是对人生存、意义、价值的抽象性反思与表达。哲学研究中的文本大多充满概念论辩、逻辑推理、语言分析——这是哲学的典型方法和特色。因此，哲学家往往借助形象思维，把比喻引入哲学论述，通过比喻把复杂深奥的哲学命题化为易于领悟的意象，使读者豁然开朗。由此，比喻便成为完善哲学研究的重要方式。

（二）比喻对物理学研究的意义

哲学领域的比喻构成了物理学领域比喻的认识论基础，其对比喻的实践与探讨也为物理学领域比喻的理论与实践提供了范型。在国内，李醒民先生在科学哲学领域进行了比喻的开创性研究。他通过评介科学哲学历史上几个有名的比喻，如英国天文学家、物理学家、数学家爱丁顿的“渔网”比喻，奥地利哲学家纽拉特的“船只”比喻，英国科学哲学家、社会哲学家波普尔的“沼泽”比喻等，与读者分享了其中的悠远意境和幽微境界，同时带给物理学研究良多启示。

以爱丁顿的“渔网”比喻为例。为了清晰地阐述他的“选择主观论”，爱丁顿在《物理科学的哲学》一书中提出了这一妙趣横生的比喻：

我们假定，一位鱼类专家正想探究海洋中的生命。他舒臂撒网，而且捕获了一定数量的海洋生物。他检查了自己的捕获物……并由此作出了两项概括：（1）凡海洋生物皆长于5厘米。（2）凡海洋生物皆有鳃……捕获物相当于物理知识体系，网相当于我们运用的思维装置和感官工具，撒网意味着观察。［2］

显然，捕获物即物理知识，具有主观和客观的特征。因此，我们的知识不是绝对的，它在本质上是由我们的感官和思维机能的结构决定的。正是基于这种观点，爱丁顿晚年试图推导出先天的，即不依赖于经验的根本性的自然常数和自然法则。

与哲学家、科学哲学家相类似，物理学家在研究中也广泛地使用比喻来实现对物理知识的理解、生成与创造。埃伦费斯特夫妇用“跳蚤”来比喻“微观过程是可逆的，而宏观过程却不可逆”。薛定谔提出了“薛定谔的猫”的比喻，试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理问题。他巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观生活中猫的死活状态联系起来，以此求证观测介入时量子的存在形式。随着量子物理学的发展，“薛定谔的猫”的比喻还延伸出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。对于如何研究物理学，杨振宁先生说：“研究物理学好像看一幅很大的画。整个自然界的结构好比这幅画。看这一幅画可以有几种看法。一是必须在近距离仔细研究，因为这幅画画得很仔细，每一个部分不一样，因此你必须用放大镜仔细研究它的细部。二是你应当在远距离去看它。你可以看到在近距离看不到的Pattern——一种大范围的规律。当然还有中距离的看法。物理学需要近、中、远三种看法。当然，如果你能够一下子就看出远距离所能够看到的Pattern，这当然是大贡献。但是这种可能性很小，甚至不可能。所以必须从近距离开始。总之，知识的流向是由近到中再到远的，而不是反过来的。”［3］这一巧妙的比喻，淋漓尽致地展现了物理学研究的神韵。

二、比喻对于物理教学的价值

（一）揭示物理学的真谛

鉴于物理学的内容通常是违背人类直觉的（比如，正是因为具有摩擦力，才使得人们能够行走）。因此，一个精妙的比喻，往往可以帮助学生更好地理解那些违背人类直觉的物理概念与定律。首先，运用比喻的前提是比喻的双方具有相似性。由此，人们才能够利用已经掌握的物理知识去认识未知的物理知识。其次，运用比喻必须以内容的确定性和推理的逻辑性为基础。也就是说，比喻背后要蕴含确切的物理内涵，而在比喻的启发过后，还要以严格的逻辑规则进行推理。再次，运用比喻能够使物理教学化繁为简，化难为易。这是因为，比喻通常具有基本架构。比喻的基本架构包含两个主要方面，即源域与目标域，二者一一对应。源域将认知图式投射到目标域，即人们用已知的、具体的概念去表达未知的、抽象的概念。如果采用“A是B”的句式呈现，那么A就是目标域，B就是源域。需要强调的是，这一稳态的映射是单向不可逆的。［4］正是因为比喻能够用已知的、具体的概念去表达未知的、抽象的概念，才能够有效地揭示物理学的真谛。

（二）挖掘物理学的睿智

何谓“好的”物理教学？我们以为，挖掘物理学的睿智，启发学生的智慧，是最基本的答案。为了达成这样的教学目的，比喻的作用及其重要性不言而喻。这是因为，比喻的具体思维形态是联想和想象，这就有助于突破逻辑思维的局限。联想是指人脑记忆表象系统中，由于某种诱因导致不同表象之间发生联系的一种没有固定思维方向的自由思维活动。想象是人脑通过形象化的概括作用，对已有的记忆表象进行加工、改造或重组的思维活动。这两种不同于逻辑思维的思维方式，能够在一定程度上帮助学生体会物理学的睿智。越是伟大的物理学家，越是善于在物理学研究中彰显比喻“深入浅出”的教育价值———即用“浅”的喻体去说明“深”的本体。

（三）展现物理学的妙趣

物理教学的最高境界，就是使学生在学习物理之后产生审美体验，达成“余音绕梁，三日不绝”的审美感受。美的物理教学不仅能够让学生了解物理知识本身的内在美，而且能够让学生体会到物理学的精妙，并进一步把握物理思想，形成科學精神。

比如，玻耳兹曼曾经把物理学家和音乐家相比喻：“一个音乐家能从头几个音节辨别出莫扎特、贝多芬和舒伯特的作品，同样，一个数学家也可以只读一篇文章的头几页，就能分辨出柯西、高斯、雅可比、亥姆霍兹和基尔霍夫的文章。法国数学家的风度优雅卓群；而英国人，特别是麦克斯韦，则以非凡的判断力让人们吃惊。譬如说，有谁不知道麦克斯韦关于气体动力学理论的论文呢？……速度的变量在一开始就被庄严宏伟地展现出来，然后从一边切入了状态方程，从另一边又切入了有心力场的运动方程。公式的混乱程度有增不减。突然，定音鼓敲出了四个音节‘令n=5。不祥的精灵u（两个分子的相对速度）隐去了；同时，就如像音乐中的情形一样，一直很突出的低音突然沉寂了，原先似乎不可被超越的东西，如今被魔杖一挥而被排除……这时，你不必问为什么这样或为什么不那样。如果你不能理解这种天籁，就把文章放到一边去吧！麦克斯韦不写有注释的标题音乐……一个个的结论接踵而至；最后，意外的高潮突然降临，热平衡条件和输运系数的表达式出现；接着，大幕降落！”［5］

玻耳兹曼把麦克斯韦的论文比作一首壮丽的、美妙的交响乐，令人击节赞叹，妙不可言。这样的比喻，将原本毫不相干的物理学与交响乐结合在一起，尽显物理学的妙趣之处，贴切传神，惟妙惟肖，趣味盎然，让人叹为观止。

三、用比喻重构物理教学的发生逻辑

（一）以形象化的比喻驱动物理概念的传授

物理概念是客观事物的物理本质属性在人们头脑中的反映，是物理事物抽象、概括的结果。一直以来，物理概念都是学生学习物理的重要起点，是学生学习物理规律的基础，还是培养学生物理学习能力、发展学生物理核心素养的重要载体。由于物理概念自身具有抽象性、概括性、逻辑性等特点，导致学生在学习时常常感到困难。因此，研究物理教学中的比喻，对于学生把握物理概念的本质，具有重要的现实意义。

比如，在初中物理教学中，“电压”概念教学可以说是一个“老大难”问题。从20世纪50年代开始，中学物理教学界进行了逾半个世纪的讨论，主题就是如何给初中物理中的“电压”下一个定义。我国初中物理教材一直用水压做比喻引入电压，这种比喻方式存在的最大问题是，仍然没有给予电压明确的定义。有鉴于此，我们可以先引入“地势”概念，然后用“地势”比喻“电势”，再通过引入“电势”概念，给出初中“电压”的定义。［6］具体如下：

（1）引入“地势”铺垫“电势”。地势指地表形态起伏的高低与险峻的态势，包括地表形态的绝对高度和相对高度差或坡度的陡缓程度。为什么要在电势概念建立之前先引入地势概念？这是因为，电势与地势两者具有高度的相似性。立足初中生已经熟悉的地势概念，这样的相似概念引入，有利于他们在头脑中建立起电势概念的图景。

（2）比喻“地势”引入“电势”。在引入地势概念的基础上，教师可指出：地势描述的是地形的高低、陡峻与平缓，电路中也存在着类似“地势”的特征，也有高低与陡缓之分。于是，顺势给出比喻：电势就是电路中的“地势”。这是因为，在电路中电源的正极电势最高，负极电势最低。电流每流经一个电阻，电势都会降低。图１表示闭合电路中电势的升降情况。可以看到，闭合电路中电势的升降与地势的升降有相似之处，从中学生很容易就能对电势与地势形成形象化的联系。

（3）利用“电势”定义“电压”。当电势概念建立之后，电压概念呼之欲出：电路中的电势之差，即电势差，又称“电压”。为什么要引入电压概念？这是因为，只有电势还不能在电路中形成电流，还需要电势的差值（即电压）。在存在电压的电路中，电压的“陡峻”程度决定了推动电子作用力的大小。在这个意义上，也可以形象地把电势差（电压）比喻为在电路中形成了一个“斜面”（见图1）。而电子就好比斜面上的小球。所以，正是在电压的“推动”下，电子才得以运动，进而使电路中具有电流。

显而易见，“电势就是电路中的‘地势”“电压就是电路中的‘斜面”“电子好比‘斜面上的‘小球”三个精妙的比喻，使得长期以来初中“电压”概念的教学豁然开朗。这正是比喻在物理概念教学中作用的生动体现。

（二）以类比式的比喻演绎物理规律

物理规律反映了物理现象、物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的联系。在物理规律教学中，教师要创设发现问题、探索规律的物理情境，带领学生按照物理学的研究方法来探索物理规律。在此基础上，引导学生讨论物理规律的内涵与外延，最后组织学生运用物理规律解决问题。由于物理规律是观察、实验、思维和数学演算相结合的产物，物理规律的抽象性、概括性等一般会超越物理概念。因此，学生在探寻物理规律时所遇到的困难就更大。针对这种情况，比喻往往可以起到化难为易、化繁为简的作用，能够生动形象地演绎物理规律。

比如，初中物理“物体内能改变”这部分内容，教材的编写是让学生通过“科学探究”得出改变物体内能的两种方式——做功与热传递。怎么样才能让学生理解改变物体内能的方式有且仅有两种？可以采用比喻的方式让学生信服。煤矿发生冒顶事故时，工人被困在井下，原来180斤的人，过了十几天被营救出来之后为什么变成了150斤？原来，煤矿井下温度较低（规定不得超过26℃）。人的体温一般为37℃，由于热量总是从高温热源向低温热源传递，因此，工人在井下就要消耗一部分能量。除此之外，人体做功也需要消耗一部分能量。为了保存体力，应该尽量避免不必要的能量损失。所以，在等待救援期间，工人需要平躺休息，不要走动，不要说话。但是，人的心脏跳动、呼吸则不能避免。也就是说，即使工人躺下不动，做功也是不可避免的。［7］

“物体内能改变”的规律很抽象，背后隐含的物理规律即热力学第一定律（U=Q+W）。该定律决定了改变内能的方式有且仅有两种。通过煤矿工人被困井下的比喻，能够让学生对“物体内能改变”的规律有更加清晰的认识，并在深入理解的基础上，体会其中的物理思想，进而很好地训练学生的思维能力。这正是比喻在物理规律教学中的重要价值。

（三）以图景式的比喻呈现物理知识全貌

在核心素养时代，怎样使学生在物理学习中把握物理知识的全貌，避免“一叶障目、不见泰山”，一直是物理教育教学关注的重要话题。受到杨振宁先生“研究物理好像看一幅画”比喻的启发，我们提出“物理学习如同看大树”的比喻。

第一，大树的树叶好比物理知识。树叶不仅数量多，而且醒目。这对应中学物理教学内容具有大量概念与规律的特点，并且通常都是以显性的形式呈现的。

第二，大树的树枝好比物理方法。这样进行比喻，是因为树叶与树枝恰当地表达了物理知识与物理方法的关系。一方面，每一片树叶都是从树枝上生长出来的，这就比喻物理知识需要经由物理方法的参与才能得出。另一方面，从远处看不到树枝，是因为树枝往往被树叶所遮蔽，这生动地说明了物理知识显性而物理方法隐性的特点。

第三，大树的树干好比物理思想。物理思想是在物理学发展过程中由研究共同体对物理知识、物理方法进一步概括而形成的关于物理本质的深层认识。它的形成是一个从物理学家“个人的物理科学”到共同体“公开的物理科学”的历程。物理思想的内容主要包括对称思想、守恒思想、等效思想、（不）可逆思想、假说思想、比较思想、转化思想、相干思想、量子化思想、相对性思想等。在物理学习中，如果学生学习了物理知识，但没有形成物理思想，那么，只能说学生学习过物理，而没有领略到物理学的真谛。

第四，大树的树根好比物理观念。物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动和相互作用、能量等内容的总体认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华。物理观念包括物质观念、运动和相互作用观念、能量观念等要素。［8］物理知识、物理方法、物理思想是在物理观念的根基之上生长出来的，由物理知识、物理方法、物理思想吸收而来的营养反过来促进物理观念的发展，稳固根基。

第五，大树生长需要的阳光和水好比科学精神与人文精神。它不构成大树本身，但却是大树生长不可或缺的因素。可以说，缺少了阳光和水的树苗是断然不能长成参天大树的。［9］

如此，学生从物理学习之树的树叶（物理知识），到树枝（物理方法），再到树干（物理思想），最终抵达树根（物理观念），并在阳光与水（科学精神与人文精神）的滋润下，让物理学习之树茁壮成长。显然，借助这一比喻，不仅能够形象而又符合逻辑地展现物理学习的全貌，而且能够提醒我们关注物理教育的每一个组成内容，使我们对物理教育的应有内容有了全新的认识。

参考文献：

［1］聂焱.比喻的认知功能［J］.西北第二民族学院学报（哲学社会科学版），2006（2）：44-49.

［2］李醒民.科学哲学中的几个精妙比喻［J］.哲学动态，2002（10）：34-35.

［3］宁平治，唐贤民，张庆华.杨振宁演讲集［M］.天津：南开大学出版社，1989：151-152.

［4］黄华新.认知科学视域中隐喻的表达与理解［J］.中国社会科学，2020（5）：48-64.

［5］杨建邺.物理学之美［M］.北京：北京大学出版社，2011：绪言.

［6］邢红军，胡扬洋.初中“电压”教学的重新审视［J］.物理通报，2015（1）：2-4.

［7］张婷玉，邢红军，刘锐.初中物理“物体内能改变”的高端备课［J］.物理教学探讨，2013（12）：75-76.

［8］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：4.

［9］邢红军，张抗抗.论物理思想的教育价值及其启示［J］.教育科学研究，2016（08）：61-68.

（翟彦芳，首都师范大学教育学院。主要研究方向：课程与教学论、物理教学论。张抗抗，河南大学物理与电子学院。主要研究方向：課程与教学论、教师教育。邢红军，首都师范大学教师教育学院，教授，博士生导师。主要研究方向：物理教学论、教师专业发展。）