浅析类比推理法在科普教育中的应用

2021-08-30侯易飞

学会 2021年5期

侯易飞

[摘要 ]类比推理法是一种古老且思辨的科学方法，对于新知识、新概念的学习和理解有着很强的适用性。该文简述了类比推理法的特点与发展，阐述了其与科普教育的契合之处，论述了其在科普教育领域如何为教育者传播科学知识以及受教育者理解科学知识提供有效帮助，并基于案例分析了该方法在科普教育中的应用情景，说明了使用过程中的注意事项，为科普工作者使用此种方法提供参考。

[关键词 ]类比推理法科普教育应用情景建构主义学科交叉

[中图分类号 ]G315

一、类比推理法的起源与发展

“类比”这一词汇最早出现在古希腊，其本义为“按比例”。类比推理法则最早应用自数学领域：古希腊数学家发现这样一个规律，两个尺寸不同的三角形如果三条边的比例关系相同，那么这两个三角形就是相似三角形。类比推理法是由两个或两类对象之间在某些方面的相似或相同，从而推出它们在其他方面也可能相似或相同的一种逻辑思维方法。相互类比的两个事物（或现象）间必定存在某些相同或相似之处，将这两种事物（或现象）间具有相同、相似的一些特征、性质等因素放在一起加以对照和比较，对熟悉事物（或现象）的已有经验、知识，可迁移到对不熟悉事物（或现象）的认知 [1 ]。

类比推理法是以世界的物质统一性为基础的，它立足于已有知识，把未知事物（或现象）和已知事物（或现象）相对比，把陌生事物（或现象）和熟悉事物（或现象）相对比，把抽象事物（或现象）和具象事物（或现象）相对比，从而进一步发掘新的知识，熟悉新的概念。

经过不同领域的学者们不断研究、发展和完善，现今的类比推理法已经远远超出它曾经的领域范畴，拓展到多种学科的方方面面。在语文修辞中，类比推理法可以化身为将一种事物对照为另一种事物的比喻手法。在仿生学中，类比推理法又可以利用生物系统的特性，将机械工程与自然界生物进行模拟;在我国公务员考试中，类比推理法带来的逻辑推理题又成为考生们乐此不疲的难关挑战。类比推理法更是科学研究中常用的方法之一，在科学发现中，科学家往往利用已知概念（或现象）类比有近似之处的未知概念（或现象），从而得到新的科学知识。时至今日，类比推理法已经潜移默化地渗透在人们生活的方方面面，但大多数情况我们已经不会意识到自己是在使用这种古老且具有思辨精神的科学方法了。

二、类比推理法与科普教育的契合点

《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》明确指出，在强化国家战略科技力量层面，要“加强基础研究、注重原始创新，优化学科布局和研发布局，推进学科交叉融合”;在建设高质量教育体系层面，要“健全学校家庭社会协同育人机制” [2 ]。其中所涉及的对学科融合、协同教育的指导意见，对类比推理法在科普教育中的应用具有重要的指导作用。

科普教育作为我国青少年素质教育中不可或缺的一环，是指导学生学习科学知识、掌握科学方法、培养科学思维、弘扬科学精神的重要途径，也是社会教育的重要组成部分。科普与科研的不同之处在于，科研更多的是人与物之间的对话，而科普是人与人之间的对话，而且是一种自上而下的对话，包含了教育学、心理学、传播学等层面技巧。如何能让科普对象真正理解科普的内容并非易事。某个前沿领域科技术语的解释往往伴生出更多的术语，不了解相关专业领域背景很难将其理解清楚。这种情况不仅在科普教育过程中经常出现，在学科教育中也时常困扰着教师，因为青少年的知识背景、认知体系都较为浅显，想要说得清楚、说得明白较为不易。

在现代教育学领域中广泛应用的建构主义理论认为，青少年的认知发展是一种“自我建构”的过程：他们在成长过程中，不断将自身获得的个体经验与环境因素和社会活动带来的外部经验相协同、平衡，达到自我建构的目的 [3 ]。我们也可以这样理解：每个青少年都并不是一张白纸，他们各自的个体经验与外部经验都会形成独特的认知架构。因此，如果能够找到特定青少年群体共有的认知架构，并准确、恰当地使用类比推理法，就有可能更好地幫助青少年架设新旧知识之间的桥梁，帮助他们更好地认知未知的科学领域。例如，在小学科学教材中，就有运用类比推理法使学生感受水和空气两种无色无味且具有流动性物质的例子;在中学生物中，类比推理法也用“厂房”“动力”“原料”来形容光合作用中的叶绿体、光能、二氧化碳和水的作用 [4 ]。在校外教育中，科技馆作为社会科普的重要场所，在形式多样、内容丰富的展品和活动中也使用了类比推理法。中国科技馆巨大的DNA双螺旋雕塑就是用类比推理法将人类手牵手的艺术创造形象地类比微观的DNA双螺旋结构，利用巨大的视觉冲击使观众对结构本身产生深刻印象，加深了对DNA结构的理解。这些类比案例之所以能够得到学校、科技馆的认同，正是由于找到了学生群体和参观观众认知架构的共性，准确、恰当地使用了类比推理法。

三、类比推理法在科普教育中的应用情境

无论是学校科普教育还是校外科普教育，类比推理法不仅适用于讲解新概念和新规律，更可以扩展其适用范围，有意识地培养教育者甚至学生合理使用其提出的科学设想，探索科学本质以及解释前沿科学理论，发掘出有科学家潜质的青少年。其应用情境可以有以下几种。

（一）基于已知事实，提出科学设想

在科普过程中有意识地培养学生在已知事实基础上，使用类比推理法来提出科学设想，可以完善学生的自我建构，温故而知新，培养科学思维，学会像科学家一样思考问题。类比的过程就是寻找类比模型，找到相似点，加以推理和论证，对探究式教学发展形成重要影响。

例如，在地球所在的太阳系中，太阳作为恒星，占有了整个太阳系99%以上的体积，质量却很小，而八大行星及其他星体、物质均围绕着太阳这个中心，在自己的轨道上做规则运动，不但体积很小，质量也同样很小。1909年，新西兰物理学家卢瑟福在英国曼彻斯特大学同他的学生用α粒子撞击一片薄金箔，他发现大部分的粒子都能通过金箔，只有极少数会跳回。因此，他将原子结构与太阳系系统进行类比，提出了一个类似于太阳系行星系统的原子模型，认为原子空间大都是空的，电子像行星围绕原子核旋转，推翻了当时所使用的梅子布丁原子模型，开拓了研究原子结构的新途径，为原子科学的发展立下了不朽的功勋。

（二）基于具象物质，理解抽象概念

类比推理法在概念理解方面也有很强的应用性，能够让科普对象利用具象的物质，通过科学的视角和思维去思考科学概念甚至是哲学概念问题，对于科学方法、科学逻辑都有良好的体现。

例如，国际科技馆领域声名显赫的巴黎发现宫曾有一个探究“科学究竟是什么？”的主题活动，使笔者备受启发。活动所使用的道具非常简单，只有一个密封住的不透明塑料盒子，无法从外部观察到内部情况。盒子里放置了一些硬质颗粒，当我们拿起盒子摇晃，就能听到里面“嘎啦嘎啦”的响声。

活动开始时，辅导员会将参与人员进行分组，每个小组3～4个人，每个小组通过传递使塑料盒子到达每一位组员手中。第一步，组员可以通过观察、聆听、触摸等方式对盒子进行操作，然后将自己对盒子里面究竟放置了什么物品进行猜测。第二步，组员们分享自己的猜测结果，并详细阐述猜测的理由，进行小组交流。第三步，再次传递和观察盒子，综合组员们的猜测结果，由小组形成统一意见。第四步，小组间将结果进行全班共享，重复第三步形成最终意见。第五步，也是最有趣的一步，当我们以为辅导员会使用特殊方式打开盒子揭晓答案之时，辅导员却一反常态，将最终的全班意见重点圈划，告诉大家：这就是科学，科学即是人类通过观察、实验、思考、论证、交流，根据自身经验进行判断和取舍，对客观世界进行的总结和描述，而真正的客观世界的规律就像塑料盒子里装的物品，我们永远也无法获取100%正确的答案，因为盒子无法被打开。

活动的选题视角十分独特，直接选择了“科学是什么”这样直击科学本质的概念。活动过程则利用无法打开的塑料盒和能听不能看的未知物品进行了类比，选择非常巧妙，既展现了科学的论证过程，又体现了客观世界规律“未知”的内核。活动最终结论的开放性与辩证性十分类似“薛定谔的猫”假设理论，展示出了科学自身不断前进、发展的特点，能引发参与者的思考，有种恍然大悟的感觉。活动所呈现的对科学本质的探究和理解恰好对应了诺曼·莱德曼教授所提出的K-12年级学生应该具备的科学本质观，体现了科学本质的暂定性、主观性、观察与推论和科学基于论证四个维度 [5 ]。

（三）基于日常生活，解释前沿理论

类比推理法还善于利用贴近生活的物质、现象、理论去解释前沿领域中的高深、晦涩的知识，降低科学理解的门槛。精准使用类比能够展示出卓越、有效的科普效果，体现类比推理法对于学科融合、领域交叉起到的恰当联结和对创造性思维能力的培养。

例如，科幻作品《三体III死神永生》中，云天明将曲率驱动飞船在自己编造的故事中用肥皂泡包裹的小木船进行了非常巧妙的类比，主人公程心破译了云天明的暗号，给人类逃离三体控制提供了生机。我们不得不佩服作者刘慈欣在故事中使用的这个类比案例，将深奥、晦涩的科学前沿理论与有趣且容易实施的物理小实验结合起来，不仅完成了小说中故事情节的准确塑造，同时又对读者进行了生动的科普，达到了一举两得的效果。这之后，很多国内的科技场馆、科学媒体、科普公众号也都利用视频对该类比案例进行了复原，实验效果显著。

四、类比推理法应用注意事项

通过上述案例分析可以看出，类比推理法在提出科学设想、理解抽象概念以及解释前沿理论方向的效果非常显著。对于教育者而言，类比推理法是很好的科普工具，能够将抽象、微观或未知的理论或案例进行生动形象、便于理解的转化;对于受教育者而言，类比推理法又是一种很好的科学方法，能够帮助对象举一反三、学科交叉，从科学的视角观察问题，用科学的逻辑解决问题。

综合类比推理法在学科教学和科学探究上的优势，学校和科普场所可以有意识地准确对其进行使用，但使用过程中也要注意以下几点。

（一）正确认知类比对象之间的属性异同

在选取类比对象时要深入理解比对双方的属性关系，充分学习、全面考虑，减少科学性错误的发生。例如惠更斯在研究光时，曾经因为光和声波均具备直线传播、反射、折射等相似现象而类比推理出了光的波动性，却因为忽略了二者分别为横、纵波的差异特质，导致学说失败，间接造成了人类对光认知产生了延滞 [6 ]。

（二）正确认知科普对象的知识架构

在面对学生等科普对象时，我们也应当遵循建构主义原则，充分调研学生的知识架构，了解学生的生活习惯、爱好，还要考虑年龄差距、地域文化差异、城乡差异等客观条件因素，选取恰当的类比对象，以避免信息传递出现不对等，产生认知偏差。

（三）正確利用实践检验推理结论

类比推理法同样有着自身的缺陷，即所推论的结论缺乏实践验证，越是前沿领域对象的类比，越是难以用可行的手段进行验证，因此在结论论述时一定要慎重，并且应当与时俱进，时刻关注前沿科学概念和理论的修正。

总而言之，类比推理法作为一种重要的物理思想方法，其特质非常适合运用在科普教育中，但也要认清其优缺点，正确、准确地应用该方法，要符合物质的客观事实，贴合学生的知识体系建构，培养学生对科学方法的运用和对科学思维的理解，严谨、科学地为科普教育提供良好途径。

参考文献

[1 ]沈强运用类比法促进初中科学概念转变的教学策略研究 [D ]杭州：杭州师范大学，2016

[2 ]新华社中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议 [EB/OL ] [2020-11-03 ]https：//baijiahaobaiducom/s？id=1682348904309598011

[3 ]隋俊宇，石卉建构主义学习理论简析 [J ]教育现代化，2019（98）：33-35