浅谈类比法在中学物理教学中的渗透与应用

吴长春

摘 要：新课程的理念要求我们在物理教学过程中把知识生成过程传授给学生，以培养学生学习物理的思维。而类比法是一种重要的物理思想。文章讲述了科学家是如何利用类比思想，建立新的科学理论;教师在教学中如何降低教学难度，突破教学难点，让学生更好地掌握物理概念、规律。运用类比思想，可帮助学生建立起解题模型，提高解题能力和学习物理的信心。

关键词：类比法;创新;解题能力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 收稿日期：2019-03-19 文章编号：1674-120X（2019）13-0084-02

物理学是一门以观察和实验的基础学科，通过逻辑方法和数学方法进行一系列的科学抽象。从现象深入本质，从感性上升到理性，形成科学理论。因而要求我们在中学物理教学过程中，把知识生成过程传授给学生，来培养学生学习物理的思维方式。司南版教材编写过程中就很注重各种科学思维方法的渗透，其中就多处提到一种科学的思维方法——类比法。

类比法的基本流程为：B类对象也可能具有与d相同或相似的属性D，详见图1。因此，我们在教学的过程中应加强这种思想方法在物理教学中的渗透与应用。

一、挖掘教材中的相关素材，体会类比思想

培根有一句名言：“类比联想支配发明。”例如，在牛顿的万有引力定律的发现过程中，教材就较详细介绍了牛顿利用类比法的思想过程。牛顿认为物体落地是由于地球对物体的吸引，而地球与物体间的引力可能与天体间的引力有相同的性质。他通过计算月球绕地球公转的向心加速度恰好等于处在月球位置的物体重力加速度，证明了地球对月球的引力与地球对地面物体的引力是相同性质的，遵循同样的规律而確立万有引力定律，其出发点是世界的统一性。

又比如，卢瑟福把原子内部的情况和太阳系的结构相类比，原子核与电子间的吸引力以及太阳系与行星间的万有引力都遵循距离的平方成反比的规律。太阳系是由于核心的太阳和环绕它的一系列行星构成的。由此，卢瑟福提出了原子是由电子绕带正电荷的原子核组成的这样一个原子结构的行星模型假说。

二、利用类比法教学降低教学难度，突破教学难点

中学生由于抽象思维能力较弱，对那些缺少实验演示的抽象的物理概念规律非常害怕，不容易理解。教学中借助类比的思想，利用学生已有的认知，对将要学习的知识提供一个相近类似的表象，从而建立起新的知识模型，可以很好地降低学习知识难度，帮助学生增强学习的信心，提高学生学习的效率，让学生获得思维品质的提升。例如，在学习加速度这个概念时，我们可以从两方面通过类比法教学，使学生很好地理解加速度这个概念。

首先，从定义上与速度的概念类比，因为学生对速度这个概念相对比较熟悉，速度是表示位移对时间的变化快慢，而加速度是表示速度对时间的变化快慢，都是比值定义法。其次，通过过程的类比加深对加速度的概念理解，我们列举一物体做变加速直线运动，此过程中加速度不断减小最终为零时，速度如何变化呢？对此学生往往把速度与加速度混为一谈，认为加速度减小速度也减小。这时让学生与自己身体发育长高的过程进行类比，随着年龄的增长，每年长高的幅度在减小，但总的身高一直在增大直到停止。一个抽象的物理过程通过一个简单的类比而直观化了，降低了思维难度，增加了学生的学习信心。

又比如在学习电动势及闭合电路欧姆定律时，用抽水机的抽水过程类比电源对电荷的做功（电源中非                                       电场力做功）。

不同种类或型号的抽水机的抽水高度是不同的，类比不同的电源把其他形式的能转化为电能的本领是不同的（电动势不同），而用水的流动类比电荷的定向运动。因此，我们在导出闭合电路欧姆定律表达形式时，创设了以下两个相似的物理情境：①人工瀑布在重力的作用下由高处流向低处，再由抽水机克服水的重力做功抽水回高处。能量守恒WF-Wf=WG。②正电荷在电场力的作用下由高电势向低电势处运动，再由电源中非电场力做功，正电荷回到正极。（注意不是电荷真的从正极移到负极）能量守恒E-U内=U，引导学生的思维进行发散联想，通过对一个熟悉的对象与一陌生的对象相似的性质和规律进行类比，经过合乎逻辑的推理（在学生已理解电动势的物理意义和已掌握电势差的物理意义的基础上）自然推导出闭合电路欧姆定律的数学表达形式：E-U内=U外→E=U外+U内→E=I（R+r）。注意在教学中运用类比推理的过程，同时要告诉学生类比的逻辑根据是不充分的，得出的结论可能是对的，也可能是错的，必须经过实践的检验。

三、通过模拟实验的演示创设相似的物理情境

模拟方法是类比方法的具体运用。例如，“场”是极为抽象的概念，在讲到磁场时，我们让铁屑浮在油中模拟磁场的分布特点;讲到“与”“非”“门”时用开关的串并联来模拟电路特点。又比如光的折射现象，光从空气中斜射入另一种透明的介质中时，发生偏折。我们通过一个小小的模拟实验演示：让一个线轴从平滑桌面斜向滚入铺有布的粗糙区域。线轴发生了偏转，学生很容易理解两边的轮子，在不同粗糙区域速率不同，必然发生偏转，类比光从空气中斜射入另一种透明的介质中时，由于光在不同的介质中的传播速度是不同的，因而发生了偏折，而且偏折的程度是与光在不同介质中的传播速度有关的。学生通过直观的感受，抽象地理解了折射率这个物理量与速度的关联。

四、用类比教学法帮助学生总结、记忆公式以及加深对概念的理解运用

（1）例如在复习《静电场》这一章节时，对本章的三个重要基本的概念进行类比归纳：电场强度（E）、电势（U）电容（C）。上述三个概念都是用两个物理量的比值来定义的，用这种方式来定义概念在物理学中有很多，如电阻（）、磁感应强度（）等，区分概念的定义式和决定式是正确理解概念的关键。应明确概念的定义式是具有普遍意义的，而概念的决定式是有条件的。从而让学生系统化地掌握物理概念，培养分析、比较、归纳的能力。

（2）通过物理模型的类比，加强前后知识的联系，促进知识或经验的迁移，形成知识的网络，提高学生的综合归纳能力。例如地球——人造卫星的模型与氢原子模型的类比：相似之处：运动性质、向心力来源、线速度、角速度、周期和Ek与Ep的变化关系。不同之处：地球——人造卫星以地面为零势能位置，重力势能为正值，轨道半径可以连续变化;氢原子模型取无限远为零势能位置，电子的电势能为负值，轨道半径不可以连续变化。

（3）运用类比思想帮助学生建立起解题模型，提高解题能力。会解一道题，就会解答一类题目，达到从“厚”到“薄”的飞跃，起到举一反三、触类旁通的效果，让学生从题海中解放出来，实现能力素质的形成。中学物理的很多问题一般都是研究物体在各种运动状态的变化过程中各物理量的变化关系，因此通过过程模型的类比建立起解题模型，不失为一种加深对物理规律的掌握运用和提高解题能力的有效途径。过程模型的类比，一般分为两种情形。（详见图2）比如情形①：物理情境不同，但受力相似，运动过程相似。首先，汽车在一平直的公路上以恒定的功率P从静止开始加速行驶，地面的阻力为f，求此过程的最大速度。其次， 电阻不计的平行光滑金属导轨MN和OP放置在水平面内，MO间接有阻值为R的电阻，导轨相距L，其间有竖直向下的匀强磁场B，导体棒CD垂直于导轨放置，并接触良好，现用平行于 MN的恒力F向右拉动CD，求第一问中CD运动的最大速度是多少。通过以上类比研究，尽管物理情境不同，但是它们运动过程特征是一样的：都是变加速直线运动，加速度为零时速度达到最大。此过程模型经常出现在中学物理各类题型中。因此，学生若能对此过程模型中的受力特征、动力学方程、运动过程特征熟练掌握并形成解题模型于自己的头脑中，那么不管在做作业还是在各种考试中面对此类题型都能做到“兵来将挡、水来土掩”。情形②：相同的物理情境，但初始条件不同，受力不同，运动过程也不同。导体棒在磁场中切割磁感线运动，A导体棒匀速运动;B导体棒在恒定外力作用下由静止开始运动;C导体棒在恒定加速度作用下由静止开始运动;D导体棒在恒定功率作用下由静止开始运动。通过以上四种相似的物理情境，在对不同运动过程的类比分析中，学生对它们间的普遍联系和各自的特殊规律有了翔实的认识，深刻理解了导体棒在磁场中切割磁感线运动模型，使所学知识既有横向的联系，又有纵向的深度，形成一个知识网络。

（4）应用各种类比形式，提高解题能力，培养创新思维品质。通过在各个教学阶段应用概念類比、规律类比、因果类比、模型类比、过程类比、图像类比等各种形式类比方法，潜移默化地培养学生的归纳、联想、综合、逻辑推理等思维能力。例如：求长度为L的单摆在竖直加速下降或加速上升的电梯中的周期T，已知加速度为a。

思路：根据规律类比，地面上：  ，电梯中： 。

类比教学法应用于中学物理教学中，是以建构主义理论为依托，现代建构主义的学习论认为学习是一个以已有的知识和经验为基础的主动构建过程。而类比教学法以此为理论基础强调认识的主体性，在新旧知识间通过类比建立起知识间的联系的纽带，促进知识的迁移，完成知识的创新。

参考文献：

[1]杨新宇.类比法在中学物理教学中的应用[J].物理之友，2016（5）：23-24.

[2]吴玖阳.类比法在高中物理中的应用[J].物理通报，2018（5）：116.