物理教学的类比思维策略

杨华军 史献计

(1. 南京市第二十九中学天润城分校，江苏 南京 210031； 2. 南京市江北新区教育发展中心，江苏 南京 210044)

乐音与太阳光似乎是完全不同的两码事，音乐是心灵的呼唤，色光是眼睛的感觉.伟大的物理学家牛顿却看到了两者的相似性，用色光与乐音类比，完成了光的色散实验，发现了光的色散现象.这正如德国哲学家康德(Immanuel Kant)所说，“每当理智缺乏可靠论证的思路时，类比这个方法往往指引我们前进”.类比思维方法在物理学的发展中起到极其重要的作用.在物理教学中，类比思维方法同样会触动学生思维的发生与发展，引导学生能够有效地、深入地学习.中学物理学的类比思维策略是如何发挥其独特的功能的呢？本文将阐述类比思维在教学中的应用策略.

1 关于类比思维

类比法实际上是一种由个别到个别或由一般到一般的推理，是根据两个事物在某些方面的相同或相似，从而推出它们在其他方面也可能相同或相似的一种逻辑推理方法.类比是以比较为基础，通过联想，把异常的、未知的对象与寻常的、熟悉的类比对象进行对比，然后依据两个对象之间存在着的某种相同或相似的关系，从而推出未知对象相应具有已知对象所具有的某种性质.

1.1 类比思维的基本环节

类比思维有两个基本环节，一是选择类比对象，二是进行类比推理.在思考与研究过程中，根据研究目的，从研究方法、形成结构、功能特征、因果联系等方面相似性出发，选择熟悉的、生动直观的事物作为类比对象，为类比推理提供思维基础.类比推理是在比较的基础上，通过联想得出相应的推理结果.其推理思维过程表述为：对象X有属性a，对象Y有属性a′；则对象X有属性b时，对象Y也可能有属性b′.可以用数学结构表征为

X(a)：X(b) →Y(a′)：Y(b′).

例如，牛顿看到乐音是发声物体振动而发声，光是发光体振动而发出的；乐音由音调划分为7种不同的音阶，则可联想到白光可划分为7种不同颜色的光(后来发现是多种不同色光).这就是类比思维.

1.2 类比思维的类型

在中学物理教学实验中，我们根据教学实际，以典型应用分类方式，将类比思维划分为物理相似类比、数学相似类比和模型相似类比3种类型.

1.2.1 物理相似类比

物理相似类比是指根据两个物理对象中物理性质或物理规律的相似而进行的类比推理.如静电场与重力场类比，研究静电场的性质与规律(如表1所示)；电磁波类比机械波，探讨电磁波的知识与特点；电流类比水流，研究电流的相关规律等.通过类比，将学生已有的知识迁移到新学习的知识中，促进学生理解与掌握新内容.

表1 静电场与重力场类比

1.2.2 数学相似类比

表2 带电粒子在电场中运动与平抛运动的类比

1.2.3 模型相似类比

这是指根据现实模型与物理模型(物质模型或理想模型)具有相似特征而进行的类比推理.如用地图上的等高线类比电场中的等势面；用“微元法”将曲线分割成无数非常短的小段，而每一小段的处理方法类比于圆周运动等.以弹性小球模型中弹力变化类比分子力变化及相应的弹性势能类比分子势能为例，类比如表3.

表3 分子模型与弹性小球模型的类比

2 物理教学中的类比思维应用

2.1 猜想与假设的类比思维

“猜想与假设”的教学环节中，发现学生要么瞎猜、要么沉默，学生的思维很难打开.这个时候运用类比往往会收到不错的效果.例如，猜想电场强度与哪些物理量有关时，可以用质量、电阻等概念类比，如表4所示.

表4 场强与质量、电阻的类比

类比推理提出猜想与假设一方面降低了学生思维的台阶；一方面是借助学生已知的图景、经验来面对未知的图景与现实，为思维的进一步发展提供基础思维素材.

2.2 物理概念教学的类比思维

自然世界的诸多现象和过程间的相互联系或多或少有些相似性，为类比思维提供了很多客观条件.恰当运用类比可帮助学生更好地内化知识，深度学透、学活知识.例如，电势能与电势概念教学中，借助静电力做功类比重力做功，为方便引入电势能概念奠定了基础.在此基础上，再用“重力势”与“电势”进行对比，学生学习电势的概念就要比理论分析与推导容易一些，同时也为学生后续应用“势”的概念来解决问题提供了一种思维方式.

再如，LC振荡过程的抽象性会导致学生对磁场能、电场能、电流、电荷量、总电荷量的变化形成学习困难.教学中，借助单摆振动与LC电路进行类比，两者有着相同的概念“周期和频率”和相似的振动过程与振动图像.因此，用LC振荡电路的磁场能、电场能、电流、电荷量、总电荷量类比单摆振动中的动能、重力势能、振动速度、位移、振幅，就会让学生能够理解其中的本质属性.

2.3 物理规律教学的类比思维

物理规律是物理现象、过程在一定条件下发生、发展和变化的本质联系.既然是联系那么规律间有时就会有它的相似性.这种相似性为类比思维的教学提供了可能性.例如，讲解光的波动性时，可以借助声现象进行类比教学，如表5所示.

表5 光的波动性与声现象的类比

2.4 物理实验教学的类比思维

实验既是物理教学内容也是教学手段，实验离不开思维方法，类比思维常常用在实验教学过程之中.例如，学生难以理解“汽车前进时给地面水平向后摩擦力”，运用类比的方法可以设计实验来进行验证，让学生体验，通过体验加深对实验本质的理解，为深入理解摩擦力的作用是相互的提供实验证据，如表6所示.

表6 相互作用力的类比

2.5 物理问题解决的类比思维

总之，类比思维的过程是调动学生原有认知促进知识和能力迁移的过程，符合最近发展区教育理论，能够促进学生认知能力最大化发展，促进知识的有序建构.所以类比推理是物理学习中要凸显的能力要求，教师在教学过程中要有意识培养学生类比推理能力，引导学生利用类比法解决物理实际问题，促进学生物理思维能力全面发展，达到提升学生物理核心素养的目的.但也需要注意的是在物理教学中运用类比思维策略时，要注意其局限性，否则就会导致得出的结论可信度降低或完全失去应有的价值.