欧忠《浅谈类比教学法在中学物理教学中的应用》

浅谈类比教学法在中学物理教学中的应用广东省中山市仙逸中学欧忠[e-mail]建构主义认为，学习过程是一个能动的建构过程。知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情景中，借助其他人(包括教师和学习伙伴)的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。同时，信息加工理论也告诉我们，对输入信息的理解编码，使之符合已有知识体系，增加编码的适宜性，有助于记忆存储的准确性和持久性，才能在分析和解决新问题时，顺利检索和提取信息，最终达到顺利解决问题的目的。类比，是指在新事实同已知事物间具有类似方面作比较。类比法是人们所熟知的几种逻辑推理中，最富有创造性的。科学史上很多重大发现、发明，往往发端于类比。所谓的类比教学法，也就是根据类比法的特点而用类比法组织起来的教学，包括用类比法设计教案、教学等，在教学过程中向学生渗透类比思想。类比教学法是创设真实生动情景的最有效工具之一。教师运用类比法创设的问题情景，能有效地促使学生发现新知识、新方法。学生沉浸在由设问负载的类比教学情景中，将要探索的问题与已有经验联系起来，找到类比的对象，进而运用对此类比对象的研究所取得的成功经验、方法和结果等进行分析比较，建构类比以寻求规律，作出猜想并找出证明思路，为建构知识意义打下良好的基础。利用类比教学法能有效地帮助学生建构当前所学知识的意义。在物理教学中，教师运用类比的思想设计教案，创设问题情景，要求学生用类比法主动去分析有关的知识点，对所学习的问题要提出各种假设并努力加以验证。要求学生把当前学习内容所反映的知识尽量和自己已经知道的知识相联系，并对这种联系加以认真的思考。这样将原有的知识结构与新知识的学习有机地结合起来，促进了新旧知识的相互渗透，从而自觉地建构出当前所学知识的意义。在中学物理的教学中，能够应用类比方法教学的地方很多，根据其应用范围，大致可以分为以下几类：一．物理基本概念、基本规律的类比如讲静电力学的问题时，我们就可以用类比的方法来讲解以下几个问题：1、通过学生已知的“重力势能”来类比“电势能”。在重力场中，物体因受重力作用而相对于某点（参考点）具有重力势能，而在电场中，电荷因受电场力作用而相对于某点（参考点）具有电势能；在重力场中，物体在重力作用下从高处向低处移动时，重力做功，对同一物体，高度差越大，重力做功越多。与此类似，电荷在电场中移动时，电场力做功，同一个电荷从一点移动到另一点时，电场力做功越多，就说这两点间的电势差越大，从而讲清楚“电势差”（即电压）的概念；另外，说“电势”和说“高度”一样，得选一个高度的起点，即电势零点和高度的起点是可类比的，选了电势零点即可用电势差定义电场中各点的电势了。同理，可用“水位差”来类比“电位差”即电压。也可类比说明在特殊情况下，水流可以从低水位端流向高水位端，如抽水机抽水时，那是外力对水做了功。类似的，电流也可以从低电位端流向高电位端，如电源内部，那是非静电力做功的结果。2、通过学生已知的万有引力定律来类比库仑定律库仑定律的公式和万有引力定律的公式有着惊人的相似，库仑力和万有引力的大小都与两个物体之间距离的二次方成反比，与两个物体的质量或电荷量的乘积成正比，力的方向都在两个物体的连线上。利用这种相似性的类比，可以使学生更好地记住这两个公式，这种相似性也可以启发人们思考这样的问题：库仑力和万有引力之间有没有内在联系？从更深层次上看，会不会是同一种相互作用的不同的表现呢？从而激发学生的求知欲。3、左手定则，右手定则，右手螺旋定则和楞次定律的类比在讲电场、磁场时，当我们讲完了左手定则，右手定则，右手螺旋定则和楞次定律时，学生对这几个定则的应用是模湖的，混淆的，常常是该用左手定则的地方用右手定则，该用右手定则的地方又用左手定则，为消除学生的这种模湖和混淆，我们就必须把这几个定则放到一起进行比较，比较它们有哪些相似处和异同点，比较它们各自的用途和注意事项，从而使学生能准确地应用这几个定则。4、电容C和电阻R的类比在讲电容的结构及性质时，我们必然要讲电容量公式：C=Q∕U。为了讲清楚电容量与电量Q及电压U无关，我们还必须进一步说明平行板电容器的容量公式：C=εS∕（4d），即电容量与平行板电容器的正对面积成正比，与两板间的距离成反比，并与两板间的介质有关，这一点与电阻很类似：导体的电阻与导体的长度成正比，而与导体的横截面积成反比，并与构成导体的材料有关。不仅如此，在电阻电路中，由欧姆定律变形可得到：R=U∕I，这给出了一种测量电阻的方法，并不能说明R与U成正比，与I成反比，事实上电阻与电压和电流的大小无关，与此类似，电容公式：C=Q∕U，并不能说明C与Q成正比而与U成反比，同理，电容量C与电量Q和电压U是无关的，通过与电阻的类比，我们不难说明一个物理的数量关系和决定关系是不同的。与此类似的物理量还有场强E、磁感应强度B、电势差U、密度ρ等等。二．物理过程的类比1、通过学生已知的简谐振动过程来类比电磁振荡过程由于电磁振荡和简谐振动具有完全相似的数学方程，故教学中可引导学生自己得出下列物理之间的对应关系：势能-电能、动能-磁场能、位移-电容上的电压或电荷、速度-振荡电流再进一步引导学生，将简谐振动中各物理量的时间图象迁移到电磁振荡的各物理量上。通过结合图象的多方面类比，学生获得了电磁振荡过程中各物理量的变化规律，对电磁振荡过程就有了较全面的认识。2、具有收尾速度的变加速直线运动过程的类比比如说雨滴的下降过程、机车的恒定功率起动过程、通电导体在磁场中竖直轨道上下落过程等，都具有最后阶段做匀速直线运动的收尾速度。它们的共同点都是加速度逐渐减小的变加速直线运动，并且都是某个力逐渐增大或减小，导致合外力减小，从而引起加速度减小，但速度却逐渐增大的过程。在类比过程中要注意让学生区别在各个过程中是哪个力在变化，它是在增大还是在减小，以及该力的方向与运动方向相同还是相反等。三．物理实验方法的类比中学物理实验中经常运用的实验方法主要有：控制变量法、间接测量法、比较法、放大法、图象法、理想化法等。比如说控制变量法，在牛顿第二定律、探究平抛物体运动规律、验证动量守恒定律等实验中都有体现；又比如理想化法，在单摆实验、验证机械能守恒实验、伏安法测电阻等实验中都有体现。经常对实验方法进行类比总结，一方面有助于学生对这些实验方面的理解和掌握，更重要的是要让学生在探究学习过程中能够运用这些实验方法进行实验设计，甚至在以后的生活、工作实践中也能运用这些基本的实验方法去解决实际问题。四．数学知识和方法的应用类比运用数学知识来分析和解决物理问题，是中学物理教学的一个重要目标。例如，力学中的弹簧串联有1/K=1/K1+1/K2，静电场中串联电容器有1/C=1/C1+1/C2，稳恒电路中串联电阻有1/R=1/R1+1/R2，它们具有相同的数学形式和运算规律。通过类比，学生们对公式记得牢，使用条件清晰，运算起来也就熟练了。再如图线教学中，V-t图线下的面积表示位移，F-t图线下的面积表示冲量，I-t图线下的面积表示电量，P-V图线下的面积表示功，F-S图线下的面积表示功。通过这些图线的类比，学生们对图线的物理意义有了深刻的认识。如果要求电容器的带电量，我们可以作电容器的放电电流I随时间t的变化规律图线，再由图线面积求电量Q。在恒定电流一章中有两个U-I图，一个是对定值电阻两端电压随流经它的电流的变化规律的描述，遵循部分电路欧姆定律，导体电阻不同则图线斜率不同；另一个是全电路中，路端电压随整个电路的总电流变化的规律。它们的研究对象不同，变化规律不同，物理意义也不同。通过类比能较好地弄清它们的使用条件和变化规律，使用起来也不会出现差错。中学物理中应用数学知识和方法的场合俯拾皆是，数学中比例关系、解三角形、求极值、各种函数图象等，在物理问题的描述和解决过程中具有举足轻重的地位和作用。经常对应用相似数学知识的物理问题进行类比，有助于学生理解物理过程的本质，也有助于学生更好地掌握运用数学这个工具。综上所述，类比教学法在中学物理教学中确实具有广泛而重要的应用，它具有严格的逻辑推理难以取代的功效。但在使用类比教学法时，要注意各种不同事物和过程之间的差异和区别，这样，才能使学生更好地理解所学习的内容，启发学生的思维和培养学生的问题意识，在教学中起到举一反三和提高教学效率的好效果。