物理教科书中类比策略的分析

温斯琼 潘苏东

摘 要：教科书编写者及教师常使用类比策略将物理抽象概念和学生已有的相关经验进行连接，从而促进物理概念的理解.新人教版高中物理教科书中的类比分析表明：（1）类比数目不多;（2）目标物多数为抽象概念;（3）类比物源自于学生已有的知识或经验;（4）图文并茂的类比数量不多;（5）具有结构、功能的相似性的类比数量远多于表面相似的类比;（6）类比的映射程度一般;（7）类比物和目标物的相对位置对知识的呈现效果不同;（8）缺乏对类比的相异性提示;（9）类比编写体现了对类比方法的隐性渗透和显化.在此基础上对物理教科书中类比的编写和教师在教学中类比的应用提出了建议.

关键词：人教版;高中物理;类比策略;类比物;目标物

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）09-0025-05

作者简介：温斯琼（1997-），女，广东广州人，硕士研究生，研究方向：中学物理教育教学研究;

潘苏东（1965-），男，江苏徐州人，博士，教授，博士生导师，研究方向：物理课程与教学.

新课程标准明确地把科学方法确定为高中物理的教学内容，类比属于科学方法中的一种.将学生熟悉的知识或经验称作类比物，欲学习的新知识称作目标物，如果类比物和目标物具有一些相同或相似的属性，就可以在它们之间建立“映射”的过程，这就是类比.类比可以使得陌生概念具体化、形象化，从而促进学生形成对这些概念的理解[1].虽然类比存有其危险性，然而，类比是帮助学生对陌生的物理观念达到初始了解的一种不可或缺的手段.物理教科书作为物理教学中的基本工具，如何在教科书中通过应用类比来介绍知识和关键概念，以及类比推理的使用是否正确是十分重要的.据此，本文对高中物理教科书中类比策略的编写进行初步分析，希望研究结果能够给类比教学和类比材料的编写提供一些参考.

1 研究设计

1.1 類比策略分析框架

在国外，Curtis和Reigeluth（1984），Orgill和Bogner（2006），Duit（1991），Gülten（2010）分别研究了多本中学科学教材、大学生物化学教材、中学物理教材以及中学化学教材中所使用的类比策略.本文在国外教科书类比分析框架的基础之上，结合物理的学科特点和考虑了实际操作性后，确立了理论分析框架[2].

1.2 研究对象

笔者初步研读2019年新版高中物理教材（必修第一、二、三册，选择性必修第一、二、三册，共六册）后，发现必修第一、二册中几乎没有出现类比的编写，故选择2019年新版高中物理教材必修第三册以及选择性必修系列为本文的研究对象.内容选择主要包括正文、注解和栏目，不涉及例题与习题.正文指教科书中以文字或图片形式呈现的正文部分内容;注解指旁注和脚注;栏目指除正文以外的材料，如“问题”“思考与讨论”和“科学漫步”等.

2 高中物理教科书中类比策略的分析

包括笔者在内的三位物理课程与教学论的研究生仔细研读本文所选择的四册教材，经多次讨论后一致同意教科书中清晰的类比为23个.利用本文的分析框架对新人教版高中物理教科书中的类比进行分析，统计结果见表2.

2.1 类比的内容

类比的内容包括类比物的内容和目标物的内容.教科书中类比所涉及的目标物中大部分与“电磁学”（包括静电场、电路、电磁感应和电磁波等内容，15个，占比65.2%）有关;其次是“热学”（包括分子动理论和热力学定律等内容，5个，占比21.7%）;力学（机械波，2个，占比8.7%）和近代物理学（原子结构，1个，占比4.3%）.目标物主要是较为抽象、难度较大和学生无法直接感知的概念.因此需要借用学生比较熟悉的类比物以降低目标物的抽象度和陌生感，形成学习的催化剂来帮助学生理解和思考.类比物主要来源于学生已有的学科知识（12个，占比52.2%）和社会、自然生活经验（11个，占比47.8%）.可见，类比可以唤起学生已有的知识或经验表象，对将要学习的知识提供一个相近的表象，实现知识的迁移.

2.2 类比的呈现方式

按类比的呈现方式，可以将类比分为文字类比和图文类比.物理教科书中仅以文字方式呈现的类比有16个，占比69.6%，以图片文字相结合的类比为7个，占比30.4%.图文并茂的类比在教科书中占比不大，均集中在学生无法直接感知的内容中，配图的使用可以帮助学生快速建立起目标物与类比物之间的关联.例如，必修第三册P33中用地图上的等高线类比电场中的等势面，等高线图的直观性恰好可以使学生首先获得对等势面最基本的感性认识，再结合文字描述建立起等高线与电场中的等势面之间的映射，从而帮助学生理解和掌握等势面的相关性质.另外，图像类比含有解释功能，不仅避免冗长的文字叙述，而且以直观、简明的特点传递复杂、抽象的科学概念[3]，如选择性必修第一册P74在介绍多普勒效应时，用三幅图直观地向学生展示了“过人频率”的模拟实验（如图1），同时也解释了多普勒效应.配图旁的文字说明也有助于学习者对图像内容形成正确、迅速的理解.

2.3 类比的相似关系

类比的相似关系是指类比物与目标物之间相似属性的关系，主要分三种：（1）表面上的相似性，即类比物与目标物在实体或语言表征上有对应关系，例如：选择性必修第三册P80介绍汤姆孙的原子模型时，把其称为“西瓜模型”或“枣糕模型”，这个类比以实体上具有相似性而呈现，为学生提供了一个形象化的原子模型;（2）结构上的相似性，即类比物和目标物之间的基本原理、结构或规则具有相似性，可以体现在两物理概念使用相同结构的方法或公式来计算，例如，必修第三册P26中“重力做功具有跟路径无关的特点，静电力做功是否也具有这一特点”“这跟重力做正功或负功时，重力势能的变化情况相似”.将静电场与重力场相类比，从而将重力做功和重力势能变化的关系迁移到静电力做功和电势能变化的关系上;（3）功能上的相似性，即类比物和目标物之间是以“操作”时的功能为对应关系，可以体现在两物理概念所使用的公式或方法能够产生相同的功能.例如，选择性必修第三册P12在“气体压强的微观解释”这一部分，用豆粒均匀连续地倒在秤盘上来模拟大量气体分子不断撞击器壁的过程，虽一个是宏观过程，一个是微观过程，但其产生了相同的功能，由此向学生展示气体压强的产生机理.

统计显示，教科书中类比的相似关系为：表面上的相似性有3个（占比13.0%），结构上的相似性有10个（占比43.5%），功能上相似性为10个（占比43.5%）.教科书中多数类比关系是结构和功能的相似性，表面相似的类比较少.

2.4 类比的映射程度

类比的映射程度指类比物投射到目标物的相似属性的清晰度，即类比物与目标物具有的共同特征越多，两者相互对应的程度就越高，映射的建立将是清晰的.本文依据映射程度可将类比分为简单的类比和复杂的类比.简单的类比只陈述目标物像类比物，而没有对共有特征做进一步的解释.例如，选择性必修第二册P34“如用图表示这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流”，并未对其相似属性加以比较和说明.丰富的类比是指描述了相似属性的一种或以上的属性，并进行了对应说明或解释.例如，必修第三册P38在介绍“电容器的电容”时，将电容类比于装水的容器，两者的各种比较见表3.

统计显示，教科书中简单的类比有9个（占比39.1%），复杂的类比有14个（占比60.9%），可见教科书中类比的映射程度一般，但对于大多数目标物较为抽象的类比，教科书对其目标物和类比物的相似属性做了比较和说明.

2.5 类比物和目标物的相对位置

根据类比物和目标物的相对位置，可以将类比分为先行组织者类比、嵌入式类比和后设类比：（1）先行组织者类比：表现为类比物是在呈现目标物之前引入的.先行组织者类比经常出现在物理教科书的“问题”这一栏目当中.例如，必修第三册P31在引入“电势差”这一重要概念之前，用到了一个类比：“如果我们要从6楼走到8楼，影响我们做功多少的因素是这两层楼的高度差而不是楼的高度.某个电荷在确定的电场中由A点移动到B点，影响静电力做功多少的因素可能是A点或B点的电势值呢？还是A、B两点之间的电势差呢？”在引入新的概念之前先提供一个学生比较熟悉的情境或话题，这样既能够引起学生的兴趣，又有助于学生将新概念与其原有的知识经验建立联系，从而更好地展开教学.（2）嵌入式类比：表现为类比物是在引入目标物之后且在目标物得出结论之前呈现.例如，必修第三册P6在引入“库仑定律”时，先通过书上的演示实验得到“电荷之间的作用力随着电荷量的增大而增大，随着距离的增大而减小”的结果，这时教科书中提出“电荷之间的作用力会不会与万有引力具有相似的形式呢”，将电荷之间的作用力与万有引力进行类比，为学生学习库仑定律提供了脚手架，大大降低了难度.故嵌入式类比能够更有效地帮助学生建立新的物理概念.（3）后设类比：表现为类比物是在对目标物进行了完整的阐述之后才呈现.例如，选择性必修第二册P41在描述自感电动势影响线圈电流大小的现象时，在最后引用了一个类比，提到线圈能够体现电的“惯性”.学生在此之前已经学习了自感的相关知识，设这样一个类比可以加强学生对自感的感性认识.如果学生对前面用物理术语阐释的自感概念不理解，则可以参考这一类比.

对该教材中的23个类比的分析发现，大多数为先行组织者类比，有11个（占比47.8%）;其次有7个（占比30.4%）为嵌入式类比;5个（占比21.7%）为后设类比.且先行组织者类比经常出现在物理教科书的“问题”这一栏目当中，起到了一个很好的引入作用.

2.6 类比的相异性的提示

类比物和目标物之间具有一些相同或相似的属性，就可以在它们之间建立一定的映射，但是类比物并不是目标物本身，两者必定存在相异的属性.若学生在使用类比时将类比物和目标物“一视同仁”，反而会产生迷思概念.对物理教科书中23个类比进行分析，发现仅有3处（占比13.0%）有类比的相异性提示.例如，必修第三册P34的“思考与讨论”提出了类比：“电势的高低跟重力场中位置的高低的含义有相似之处.某处位置的高低跟放在该处物体的质量无关，某点电势的高低跟放在该点的试探电荷的电荷量无关.”随后提出了类比的相异性：“由于电荷有正负之分，这就造成了两者的含义有所不同.質量相等的物体，处于较高位置的重力势能比较大，那么电荷量数值相等的正负电荷，处于电势较高位置的电势能一定较大吗？”通过提问引导学生自发地思考，避免了过度类比.而大多数类比（20个，占比87%）没有指出类比的相异性，也没有提醒类比的局限性.

2.7 类比方法的显化

新课程标准明确地把科学方法确定为高中物理教学内容的一部分，此次课程改革也强调了“过程与方法”作为教学目标的重要性，这无疑要求根据新课标所编制的新版物理教科书对科学方法的呈现给予重视[4].类比方法属于科学方法中的一种，新版的物理教材在类比的编写上，大部分时候使用一些关键词，例如“相似”“类似”“相当于”来实现类比方法的隐性渗透.例如，必修第三册P7中“点电荷类似于力学的质点”，选择性必修第二册P70中“传感器的功能与人的视觉、听觉、嗅觉等功能相似”.值得注意的是，新版物理教材在类比的编写上也遵循了凸显科学方法的重要性这一要求，在使用类比方法引入“库仑定律”的正文内容附近，以旁批的方式介绍了类比的作用以及意义：“类比在库仑定律的建立过程中发挥了重要作用.类比会引起人们的联想.但是类比不是严格的推理，不一定正确，由类比而提出的猜想是否正确需要时间的检验”（必修第三册P6）.以旁注的形式来显化类比方法，使学生处于有意识地接受科学方法知识的状态，有助于学生正确使用类比来理解新的概念.

3 总结及建议

3.1 物理教科书中类比编写的建议

通过分析新版物理教材中所使用的类比，可以发现物理教科书中：（1）类比数目不多，约为每册4.9个;（2）目标物多数为抽象概念;（3）类比物源自于学生已有的知识或经验;（4）图文并茂的类比数量不多;（5）具有结构、功能的相似性的类比数量远多于表面相似的类比;（6）类比的映射程度一般;（7）类比物和目标物的相对位置对知识的呈现效果不同;（8）缺乏对类比的相异性提示;（9）类比编写体现了对类比方法的隐性渗透和显化.

类比就像一座概念的桥梁，帮助学生连接抽象概念和与其相关的先验概念，达到化陌生为熟悉、化抽象为具体的效果.教科书作为师生互动的、最有影响力的教学资料，类比的使用情况具有不容低估的意义.因此，对物理教科书中类比的编写提出以下建议：

第一，适当增加教科书中类比的数量.类比被证实可以增进学生的学习成效.物理教科书中“近代物理学”相关的知识抽象程度较高，与经典物理学的概念的理解有一定差异，建议教科书中在介绍此部分概念时，适当使用类比，用通俗易懂的事实类比说明这类抽象概念.另外，图像是建立类比的有效工具，善用和巧用图像来进行类比应该成为教科书编写者一个值得注意的地方.

第二，注意对类比物与目标物的相异性的提示.类比是一把双刃剑，过度类比定然会使学生产生迷思概念，因此教科书在使用类比时需要谨慎，必要时给予适当的提醒.但碍于教科书篇幅有限，因此尽量不选择具有较大争议的类比进行编写.此外，对于类比所导致的迷思概念的实证研究对于教科书中类比的编写具有很大的参考意义.

第三，广泛借鉴范例优秀的类比案例.一个好的类比设计的产生需要考虑相当多的因素，首先选择什么事物作为类比物就需要设计者的深思熟虑和观察，因此可以借鉴国外物理教科书中优秀的类比案例，为我国教科书类比的编写提供启发性的思路.

3.2 物理教师教学中应用类比的建议

应用类比法实施教学在许多文献中已被证实为有效的教学方法，然而在复杂的教学情境中，物理教师如何将类比明确地传达给学生是值得关注的地方.Glynn提出的“TWA（Teaching With Analogy）”的类比教学模式为一线物理教师提供了清晰简单的教学模板，包括以下6个步骤：（1）介绍目标物; （2） 回顾类比物; （3） 识别两者间的相似特征; （4） 进行类比映射; （5） 指出类比失效处; （6） 得出结论[5].结合本文对教科书中类比应用的分析可知，物理教科书中类比并非是具有完整结构的类比，而教科书作为最有影响力的教学资料，教师在使用时应先适当地分析教科书，以便在教学过程中要适时地给予说明和补充，着重讲解目标物与类比物间正确的对应关系.对教科书类比中并未呈现的相异性，教师应该时刻提醒学生注意类比的失效处，以免产生不恰當的过度类比.

参考文献：

[1]钱荣根.类比推理在物理概念教学中的应用—以《电势能与电势》教学为例[J].科学大众（科学教育），2019（11）：15.

[2]R.B.Thiele，et a1.The nature and extent of analogies in secondary chemistry textbooks[J].Instruction Science，1994，22（01）：61-74.

[3]杜爱慧，卢美枝.中学物理教材插图中的隐性知识及其运用策略探讨[J].教育理论与实践，2014，34（29）：56-57.

[4]何静，邢红军，郑鹉.高中物理教材中科学方法的显化研究[J].教学与管理，2009（16）：74-76.

[5]麦裕华，陈徽，钱扬义.“图像类比”在教科书中的应用——以人教版高中化学选修模块教科书为例[J].化学教育，2009，30（08）：22-24+80.

（收稿日期：2020-12-21）