試論類比法在物理教學(xué)中的應(yīng)用[1]

1、試論類比法在物理教學(xué)中的應(yīng)用江蘇省蘇州市吳中區(qū)西山中學(xué) （215111） 金茂峰摘 要：類比法是認(rèn)識(shí)事物的基本思維方法之一。在兩事物的物理量及描述該兩事物的數(shù)學(xué)模型具有相似性的條件下，我們可以通過(guò)類比研究一種事物之后類比知另一事物。類比法是中學(xué)物理中最具探索性和最富有創(chuàng)造性的一種思維方法，因而在物理教學(xué)中要加強(qiáng)應(yīng)用。本文主要闡述了類比法的一般概念；與歸納、演繹的區(qū)別；類比法的應(yīng)用在物理教學(xué)中的作用和意義；類比法在物理教學(xué)中的應(yīng)用舉例以及應(yīng)用類比法要注意的問(wèn)題，以便通過(guò)對(duì)學(xué)生思維方法的訓(xùn)練，提高學(xué)生的素質(zhì)，以適應(yīng)時(shí)代的需要。關(guān)鍵詞：類比法 物理 教學(xué) 應(yīng)用1 引 言素質(zhì)教育的核心就是創(chuàng)新教育。類

2、比法是中學(xué)物理中最具探索性和最富有創(chuàng)造性的一種思維方法，在科學(xué)探索中，類比法的價(jià)值為世界上許多科學(xué)家所稱道，開(kāi)普勒說(shuō)：“我珍視類比勝于任何別的東西，它是我最可信賴的老師，它能揭示自然界的秘密。”運(yùn)用物理類比思維可以把陌生的對(duì)象和熟悉的對(duì)象進(jìn)行對(duì)比，把未知的東西和已知的東西相對(duì)比，特別是在資料少，還不足以進(jìn)行歸納推理和演繹思維的情況下，類比更是得天獨(dú)厚，它可以啟發(fā)思路，提供線索，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)物理世界。因而在物理教學(xué)中運(yùn)用類比方法，提高類比能力是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新意識(shí)的重要途徑。2 類比法的一般概念21什么是類比法所謂類比法是指在兩事物的物理量及描述該兩事物的數(shù)學(xué)模型具有相似性的條件下，我們可

3、以通過(guò)類比研究一種事物之后類比知另一事物。22類比法的基本特征類比法是通過(guò)聯(lián)想，把異常的、未知的事物（研究對(duì)象）對(duì)比尋常的、熟悉的事物（類比對(duì)象），然后依據(jù)兩個(gè)對(duì)象之間存在著的某種類似或相似的關(guān)系，從已知對(duì)象具有的某種性質(zhì)推出未知對(duì)象具有相應(yīng)的一種性質(zhì)的方法。3 類比與歸納、演繹的區(qū)別類比法是一種從特殊到特殊的邏輯思維方法，它與從特殊到一般的歸納法和從一般到特殊的演繹法相比，類比法跳過(guò)了其中的過(guò)渡中介途徑，選擇了一條路徑更為簡(jiǎn)捷的推理思路，如圖1所示 一 般 （歸納） （演繹） （類比）特 殊 特 殊 圖1這種關(guān)系表明，類比有著比歸納法和演繹法更為簡(jiǎn)捷的特點(diǎn)，常能獨(dú)辟蹊徑，出奇制勝。因此，類比

4、法是科學(xué)研究中十分有用的一個(gè)方法。4 類比法的應(yīng)用在物理教學(xué)中的作用類比法是物理思維的一種重要形式。中學(xué)生的思維方法是以形象思維為主，抽象思維相對(duì)比較差。雖然物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，給人的感覺(jué)好象是比較實(shí)在，但是，物理的理論（概念、定義、定律、規(guī)律等）是對(duì)實(shí)驗(yàn)、事物實(shí)體等經(jīng)過(guò)抽象化而形成的。學(xué)生往往覺(jué)得物理理論很抽象，很難以理解和接受。而運(yùn)用類比方法教學(xué)，以舊帶新，能引導(dǎo)學(xué)生的思維從形象提高到抽象，幫助學(xué)生有效地把握物理知識(shí)、發(fā)展智力、培養(yǎng)能力。5 類比法在物理教學(xué)中的應(yīng)用舉例類比法在物理學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理過(guò)程中也總在不自覺(jué)地應(yīng)用類比的方法。但由于類比的盲目性和不恰當(dāng)性，常常出現(xiàn)錯(cuò)

5、誤。教師的任務(wù)就在于引導(dǎo)學(xué)生自覺(jué)地應(yīng)用類比，掌握類比在物理中的應(yīng)用方法。從物理學(xué)的角度看，不同的研究對(duì)象之間有許多相同或相似的特征，它們遵守著相同或相似的物理規(guī)律，對(duì)它們的研究所采用的物理方法也受其特征所制約，三者之間有著必然的內(nèi)在聯(lián)系。若抓住研究對(duì)象的特征作為根據(jù)，應(yīng)用類比，則既可進(jìn)行傳授知識(shí)和知識(shí)的應(yīng)用教學(xué)，又可進(jìn)行物理方法教學(xué)。51類比應(yīng)用于知識(shí)教學(xué)一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)研究對(duì)象從不同角度看有不同的特征。應(yīng)用類比于物理教學(xué)，其關(guān)鍵就是引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所研究的問(wèn)題的性質(zhì)來(lái)恰當(dāng)?shù)剡x取作為類比根據(jù)的兩個(gè)對(duì)象的對(duì)應(yīng)特征。例1、電勢(shì)能增減問(wèn)題。不少同學(xué)在分析正負(fù)電荷在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，電勢(shì)能的增減問(wèn)題時(shí)，不自覺(jué)地作

6、了如下的類比：因?yàn)?重力勢(shì)能一電勢(shì)能、高度一電勢(shì)、高度降低(升高)一重力勢(shì)能 減少(增加)，所以應(yīng)有：電勢(shì)降低(升高)一電勢(shì)能減少(增 加)。顯然，錯(cuò)誤在于類比的根據(jù)不恰當(dāng)。筆者在教學(xué)中進(jìn)行了如下的引導(dǎo)：?jiǎn)枺褐亓?duì)物體做功和電場(chǎng)力對(duì)電荷做功的特點(diǎn)是什么?答：與路徑無(wú)關(guān)。問(wèn)：功與能量有什么關(guān)系?答：功是能量轉(zhuǎn)化的量度。問(wèn)：?jiǎn)慰紤]勢(shì)能的變化，它由什么決定?答：由做功決定。至此，已找到了功與勢(shì)能變化的關(guān)系，即類比的根據(jù)。問(wèn)：重力對(duì)物體做正(負(fù))功，重力勢(shì)能怎樣變化?答：重力勢(shì)能降低(升高)。問(wèn)：那么，電場(chǎng)力對(duì)電荷做正(負(fù))功，電勢(shì)能又該怎樣變化?答案就自然出來(lái)了。再通過(guò)舉例說(shuō)明，絕大部分學(xué)生不再受正

7、負(fù)電荷這一因素的干擾，不僅輕松地掌握了這一內(nèi)容，且對(duì)如何應(yīng)用類比有了較深的印象。52類比應(yīng)用于物理方法教學(xué)物理方法實(shí)際上是研究和處理物理問(wèn)題的思路、方式，也即物理思想。加強(qiáng)物理方法的教育是提高學(xué)生素質(zhì)的必要手段，是當(dāng)代物理教育的發(fā)展趨勢(shì)。物理方法與物理知識(shí)一樣，需要經(jīng)過(guò)多次的在不同方面的應(yīng)用才能掌握。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)物理方法處理的是一類(或幾類)具有相同或相似特征的物理問(wèn)題。若教學(xué) 中抓住研究問(wèn)題的特征，通過(guò)類比，在不同領(lǐng)域內(nèi)(或不同內(nèi)容上)使用同一方法，則可達(dá)到加深理解物理方法的目的。例2、用于定義某些物理量的比值法。比值法應(yīng)用的一個(gè)例子是：對(duì)一類描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特征的物理量的定義，如速度、加

8、速度、角速度等。這些物理量是通過(guò)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)引入的：勻速 (勻變速)直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)。它們具有的共同特征是：相等時(shí)間內(nèi)，某物理量的變化量相等，用變化量與所用時(shí)間之比 就可表示變化快慢的特征。如速度就是用位置的變化量與所用時(shí)間的比值來(lái)定義的。筆者在教學(xué)中用速度的定義過(guò)程作類比的根據(jù)，對(duì)加速度、角速度等進(jìn)行類比，許多學(xué)生都掌握了如何用比值法來(lái)定義這類物理量的方法。53類比應(yīng)用于物理解題解題，就是解決物理問(wèn)題，是物理方法和知識(shí)的應(yīng)用過(guò)程。 故是實(shí)現(xiàn)“知識(shí)遷移”的重要一環(huán)，是物理教學(xué)的重要組成部分。應(yīng)用類比于物理解題，其根據(jù)即是物理原型的特征。教學(xué)中通過(guò)分析待求問(wèn)題的特征，把它與已知的物理原型進(jìn)行類

9、比，從而找到方法，解出習(xí)題。例3、下題可作為整體應(yīng)用牛頓第二定律的一個(gè)物理原型。原型一只質(zhì)量為m的小貓，跳起來(lái)抓住懸在天花板上質(zhì)量為M的豎桿，當(dāng)小貓抓住木桿的一瞬間，懸木桿的繩斷了。設(shè)木桿足夠長(zhǎng)，由于小貓不斷地向上爬，可使小貓離地高度始終不變，求木桿下落的加速度?解析把桿和貓視為一整體，線斷后，系統(tǒng)所受的合外力 為(M十m)g，小貓對(duì)地的加速度a10。設(shè)桿的加速度為a2，對(duì)系統(tǒng)由牛頓第二定律：F合外mal十Ma2得：(M十m)gMa2所以a2=(M十m)gM方向豎直向下。此題的特征是：系統(tǒng)由兩物體組成，其中一物體加速度為零，若要求的量是系統(tǒng)所受的外力或系統(tǒng)內(nèi)物體的加速度，此特征就使我們得以用通

10、常由牛頓第二定律求解單個(gè)物體的思路來(lái)求解系統(tǒng)問(wèn)題。例(全國(guó)高考題)質(zhì)量為M10千克的木楔ABC靜置于水平地面上，滑動(dòng)摩擦系數(shù)=002。在木楔的傾角為30°的斜面上，有一質(zhì)量m10千克的物塊由靜止開(kāi)始沿斜面下滑(如圖2)。當(dāng)滑行路程S14 m時(shí)，其速度V14 ms 。在這過(guò)程中木楔沒(méi)有動(dòng)。求地面對(duì)木楔的摩擦力的大小和方向。解析顯然，此題特征與上面原型同，故可用整體法求解。 這是一個(gè)已知運(yùn)動(dòng)求受力的問(wèn)題。 A yB C x 圖2 圖3物塊m沿斜面下滑的加速度al由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：V2V02十2a1S ，且V0=0，得：a1V2(2S)142(2×14)07(m/s2)把m和M看作一

11、個(gè)系統(tǒng)，在豎直方向受到向下的重力和豎 直向上的支持力。在水平方向受到摩擦力f，方向待定。把a(bǔ)1分解為水平分量a1x和豎直分量a1y，如圖3。對(duì)m和M整體的水平方向應(yīng)用牛頓第二定律FX外ma1x十Ma2x得：fma1xma1cos30°10×07×32061(N)，方向沿X軸正方向。此類問(wèn)題若用常規(guī)的隔離方法將是很麻煩的。許多形式不同的物理習(xí)題具有相同或相似的特征，只要理解、掌握了一個(gè)問(wèn)題的特征和解法，應(yīng)用類比，這類問(wèn)題就迎刃而解了。從一定意義上說(shuō)，這是一個(gè)把學(xué)生從題海戰(zhàn)術(shù)中解放出來(lái)的較有效的方法。6 應(yīng)用類比法應(yīng)注意的問(wèn)題61牢固的基礎(chǔ)知識(shí)是運(yùn)用類比法的前提類比法

12、是要把兩個(gè)相似的數(shù)學(xué)模型中，一個(gè)數(shù)學(xué)模型的屬性遷移到另一數(shù)學(xué)模型中去。假如學(xué)生對(duì)已知的數(shù)學(xué)模型的屬性含糊不清的，則無(wú)法進(jìn)行聯(lián)想和類比。因此，必須要使學(xué)生牢固地掌握好基礎(chǔ)知識(shí)，這是類比的前提。62糾正錯(cuò)誤的類比，形成正確的認(rèn)識(shí)類比法就其本質(zhì)來(lái)講是一種發(fā)現(xiàn)的方法，而非嚴(yán)格的推理。它在科學(xué)探索過(guò)程中走了捷徑。學(xué)生容易接受和喜歡這種方法，自覺(jué)或不自覺(jué)地進(jìn)行各種各樣的類比。比起其它的科學(xué)推理方法來(lái)，更利于創(chuàng)新。但是，教師應(yīng)該讓學(xué)生知道類比的可靠性較小，由此得到的結(jié)論還要通過(guò)邏輯論證的檢驗(yàn)。同時(shí)要對(duì)學(xué)生中不正確的類比及時(shí)給予糾正，防止知識(shí)的負(fù)遷移，形成正確的知識(shí)體系。7總 結(jié)類比法符合人們認(rèn)識(shí)事物的規(guī)律和

13、當(dāng)代教育學(xué)、心理學(xué)規(guī)律。應(yīng)用類比方法，不僅可把抽象的新知識(shí)納入到已有知識(shí)系統(tǒng)中來(lái)，變抽象為形象、變難為易、變繁為簡(jiǎn)，同時(shí)又可激發(fā)學(xué)生聯(lián)想，具有啟發(fā)思路、舉一反三、觸類旁通的作用。所以不失為一種促進(jìn)學(xué)生知識(shí)“遷移”，提高學(xué)生素質(zhì)的有效方法。但由于類比是一種或然性的推理，有時(shí)結(jié)論并不可靠，特別是以現(xiàn)象作為類比的根據(jù)時(shí)。而這正是學(xué)生常犯的錯(cuò)誤。故物理教學(xué)中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)分析、比較，透過(guò)現(xiàn)象抓住與所研究的問(wèn)題相對(duì)應(yīng)的特征，選擇恰當(dāng)?shù)念惐葘?duì)象，提高其結(jié)論的可靠程度，自覺(jué)地掌握和應(yīng)用類比方法。在人們意識(shí)到“創(chuàng)新是一個(gè)民族乃至一個(gè)國(guó)家的靈魂”的時(shí)候，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，是我們教育工作者刻不容緩的任務(wù)。教師必須不斷更新教育觀念，充分利用教材的思想性，改革教法，開(kāi)發(fā)學(xué)生潛能，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才而努力。主要參考文獻(xiàn)：1 王溢然、張耀久著類比，河南教育出版社，1993年8月第1版。2 張善賢著中學(xué)物理教學(xué)研究與實(shí)踐，蘇州大學(xué)出版社，2000年9月第1版。3 許國(guó)梁主編中學(xué)物理教學(xué)法，高等教育出版社，1981年1月