类比整合思想在高三物理教学中的应用

摘 要：中国传统儒家“和而不同”的思想与物理学中追寻和谐统一的科学思想具有异曲同工之妙，旨在研究事物（或思想）之间的关联之处，实为 “求同存异”。在高三物理教学中，教师可以通过实验方法类比、图像法类比、物理规律与具体情境图类比等形式将新教材及其他资源进行类比整合，构建知识网络，归纳物理方法，提升学生科学素养。

关键词：类比学习；物理方法；资源整合；高三学习

物理学家总是力图在科学的海洋中探索和谐且统一的自然规律，当他们发现这些自然规律可以用数学工具呈现时，这种探索的热情愈发高涨，麦克斯韦如此，爱因斯坦也是如此。君子和而不同，寓意着君子之间能够和谐相处，且能彼此包容对方的不同意见，类似于“求同存异”的理念，表明自然哲学与儒家哲学在某些方面存在交集。

在新形势下，引导学生掌握人教版六册高中物理教材中的知识与方法，并将其内化为自身的素养，是高三物理教师面临的新挑战。在高三这一年的时间里学生不能只是“刷题”，因为“刷题”不等同于“问题解决”，前者是对后者的窄化和畸形理解。［1］因此，教师必须有规划地做好教育教学研究工作，用好教材资源，实行高端备课，将学科知识有效整合并呈现于课堂。高三的学习更强调知识的系统性和方法的归纳。当教师面对较多且分散的知识点和教学资源时，不妨尝试用“和而不同”的思想来进行分类和梳理。

1 物理学中的类比

类比是一种逻辑推理方法，也是抽象思维中的一种形式。前辈们常通过联想，先把异常的、未知的事物（研究对象）与寻常的、熟悉的事物（类比对象）进行对比，然后基于两者之间存在着的某种类似或相似的关系，从已知对象具有的某性质推导出未知对象具有相应的一种性质。

正如爱因斯坦所说，在物理学上，人们往往因为发现了表面上看似无关的现象之间相互一致之点而加以类推，结果竟得到很重要的进展。

一方面，类比学习能帮助我们基于已知事物的相关理论建立假说，以解释新的事物；用某些已知的属性来阐述未知的属性，从而增强说服力，使人们容易理解。另一方面，物理学中的规律、方法、情境之间存在着诸多“神似”之处，而其中高度抽象的数学表达式又有许多“形似”之处。教师在引领学生感知物理魅力的同时，应适时将表达式进行类比（如表1所示），求同存异，提升学习的效率，并促进学生对物理观念的建构。

2 将新教材资源进行类比整合的案例

2.1 将“新增知识”与“旧版知识”进行类比整合

2019～2020年人教版高中物理教材比2010年人教版高中物理教材新增了一些内容，增大了知识的容量。这意味着教师一定要引导学生将新增的部分与原有的知识类比结合，形成新的知识框架；而通过物理方法进行类比学习，是极佳的学习方式。

2.1.1 通过实验方法进行类比整合

物理实验方法是前人经过大量的实验，反复论证、检验并再检验所形成的。物理实验方法因其具有可重复性，使得我们可以通过实验方法建构学习框架，对新增实验进行类比学习。2019年人教版高中物理必修第二册教材相比之前的2010年人教版高中物理必修2教材，增加了一个“探究向心力大小的表达式”的实验装置示意图如图1所示。［2］这个实验是用控制变量法探究向心力与半径、物体质量、角速度的关系（如表2所示）。

当一个物理量与多个变量（多个因素）有关时，常采用控制变量（因素）的方法，即每一次只改变其中的一个变量（因素），而控制其余所有的变量（因素）不变，把多重因素的大问题变成若干个单一因素的小问题分别加以研究，最后再整体解决。

这一研究方法可类比至不同知识模块，如探究加速度与力和质量的关系；研究导体电阻与长度、横截面积、材料之间的关系；探究单摆周期与摆球质量、摆长、振幅之间的关系；探究一定质量理想气体的压强与温度和体积的关系；探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系等。

2.1.2 通过图像法进行类比整合

数形结合是一种将抽象问题直观化、可视化的思想方法。图像法是科学探究中数据处理的重要方法。对于高中物理来说，图像是学生在没有学过微积分的情况下，理解物理规律并对现象进行分析的重要工具。2020年人教版高中物理选择性必修第一册“动量定理”一节，相比之前的2010年版新增了一个变力的冲量图，如表3中所示的第一个图，其渗透了微元法及面积法的思想。我们可以对图像进行类比整合。教学中常用到的直（曲）线与横轴包围的面积和直（曲）线的斜率相关图像进行类比，归类整合如表3所示。

2.2 将物理规律与具体情境图类比

教材是教与学的基本材料，绝不是教辅资料能代替的。但教材也不是唯一教学资源，许多的物理规律是从现象中总结出来的，现象是物理的根源。［10］当有些现象确实难以观察时，我们可以将抽象的事物（或规律）与具体情境图类比，使前者变得形象、直观。具体情境图可以是实景图，也可以是漫画。［11］而教材由于篇幅的限制，不可能将所有情境图一一配齐。因此，教师需要拓展开发教材，广泛寻找类比学习的资源。

以布朗运动为例，教师在分析悬浮微粒的无规则运动时，可以用“酒鬼走路”位移的无规则性来形象描述悬浮微粒的运动（如图2所示）。在学习卢瑟福的原子核式结构模型时，教师可用“荔枝果”的剖面来做比喻（如图3所示），中间的“果核”类似于“原子核”。在研究静电场中的等势线时，教师可以借用地理学科中的等高线来表示；而电场线由高电势指向低电势就自然可以类比于水流方向由高到低（如图4所示）。

另外，教师还可以将跨年级的知识类比整合。对于高一所学的“相对论时空观与牛顿力学的局限性”和高二所学的“粒子的波动性和量子力学的建立”这两节所讲述的内容较为深奥。然而，实际上这两节的内容对高中阶段学生并无过多的要求。教师可以将这两节的内涵整合，并绘制一张“适用范围图”（如图5所示），以此方式呈现，将使这些深奥概念变得清晰直观。

2.3 “多维度类比学习”的典型案例——重力场与静电场

科学作为一个结构，是通过观念之间的斗争与渗透成长起来的。在学习物理的过程中，我们会发现有些之前学过的知识，会反复渗透在其他许多类似的描述和定律中，比如保守力场。以重力（万有引力）场和静电场类比学习为例（如表4所示），教师要引导学生对两种场的多个对应量进行类比学习。学生只要对两种场中多个物理量的关系进行多维度的类比学习，就会有一种豁然开朗的感觉。

3 对类比学习的反思及教学启示

类比学习，是将类似的知识与方法联系起来，实现知识与方法的迁移。这一点对高三物理教学相当有利，类比学习不仅可以提高教与学的效率，还能鼓励学生在培养自我类比记忆能力和形成良好学习的习惯过程中，将类比方法内化为学生自身的素养，从而使学生能够用类比的方法解决新的问题。但每一种方法都有局限性，因此类比学习时需注意以下事项：第一是类比是有条件的，要审视条件，切不可勉强类比，更不可胡乱类比；第二是类比要注意求同存异，做到具体问题具体分析，毕竟不同研究对象，有着各自的属性或具体的内涵；第三是类比要注重借鉴彼此的研究方法和思维方式。

在完成新授课任务进入高三时，教师应该致力于“问题解决”，尊重学科特点，以人为本，从更宽阔的视野出发，对繁多且分散的知识进行类比梳理，达到和而不同、求同存异。物理概念以及物理量之间关系的表达，要借助于数学式或图像等手段。［14］教师还要充分发挥自己的创造力，对教材资源进行拓展开发，将抽象之物变得更形象、更直观。［15］当我们置身于一棵大树旁，我们无法看到森林的全貌；可当我们从较远处，以更宏观、更开阔的视野来看森林，我们对整体的布局、类比分类及规划会更加清晰。物理教学亦是如此。

参考文献

［1］童大振，杨洁，胡扬洋. 走向“丰富”的物理问题解决教学——国际研究进展与启示［J］. 中小学教材教学，2022（7）：49-54．

［2］人民教育出版社 课程教材研究所 物理课程教材研究开发中心. 普通高中教科书 物理 必修 第二册［M］. 北京：人民教育出版社，2019：29．

［3］人民教育出版社 课程教材研究所 物理课程教材研究开发中心. 普通高中教科书 物理 选择性必修 第一册［M］. 北京：人民教育出版社，2020：7．

［4］［7］人民教育出版社 课程教材研究所 物理课程教材研究开发中心. 普通高中教科书 物理 必修 第一册［M］. 北京：人民教育出版社，2020：45，39．

［5］［13］人民教育出版社 课程教材研究所 物理课程教材研究开发中心. 普通高中教科书 物理 必修 第三册［M］. 北京：人民教育出版社，2020：39，33．

［6］［8］［9］人民教育出版社 课程教材研究所 物理课程教材研究开发中心. 普通高中教科书 物理 选择性必修 第三册［M］. 北京：人民教育出版社，2020：11，74，24．

［10］杨振宁. 读书教学四十年［M］. 香港：三联书店（香港）分店，1985：18．

［11］方武增. 善取教学资源 巧设趣味物理——由高三教室一幅励志漫画引起的趣味物理教学尝试［J］. 物理教学探讨，2019，37（12）：63-64，68．

［12］［美］乔治·伽莫夫. 从一到无穷大［M］.阳曦，泽.天津：天津人民出版社，2019：30．

［14］乔际平. 物理学习心理学［M］. 北京：高等教育出版社，1991：226．

［15］方武增. 对“居高临下”物理教学的研究及践行——以将初中教材资源作为高中物理教学“情境素材”为例［J］. 物理教师，2022，43（7）：26-30．