夏輝

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物理系，江蘇 徐州 221116)

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生活化類比在物理教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用舉例

夏輝

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物理系，江蘇 徐州 221116)

類比法是物理學(xué)研究和教學(xué)中的重要思維方法。在大學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用生活化類比，能增加學(xué)生對(duì)抽象概念的理解和學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到提高物理教學(xué)效果的目的。

生活化類比；大學(xué)物理；教學(xué)實(shí)踐

類比方法是科學(xué)思維的一種重要邏輯推理方法，也是科學(xué)探索和認(rèn)識(shí)過程中的一種重要方法，其基本思想是：在存異處中尋求相似點(diǎn)，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律性的東西；在相似處中尋求相異點(diǎn)，從中找出各個(gè)事物和規(guī)律的特征[1]。類比方法是立足在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)陌生事物的一種有效的捷徑，它的價(jià)值歷來為國(guó)內(nèi)外許多著名學(xué)者所稱道。比如，德國(guó)天文學(xué)家開普勒曾說過：“我珍視類比勝于任何別的東西，它是我最可信賴的老師， 它能揭示自然的秘密?！倍瑸榈聡?guó)的思想家康德說得更發(fā)人深思：“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時(shí)，類比這個(gè)方法往往能指引我們前進(jìn)?！鳖惐确軉l(fā)和開拓人們認(rèn)識(shí)世界的思維，能給人們提供解決問題的線索，因而人們?cè)诳茖W(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)和研究過程中廣泛的應(yīng)用這種方法。

1　類比方法在物理學(xué)發(fā)展和物理教學(xué)中的作用

類比方法在物理研究和物理教學(xué)中的重要作用也是毋容置疑的，因?yàn)檫@種推理方法極具創(chuàng)造性、啟發(fā)性、靈活性。由于自然界的物質(zhì)和過程表現(xiàn)為現(xiàn)象相似、結(jié)構(gòu)相似、形態(tài)相似、性質(zhì)相似等，這些相似性為類比方法的應(yīng)用提供了客觀依據(jù)[2]。掌握好該方法有助于未知物理問題的探索和研究，而且可以擴(kuò)展人們對(duì)物理研究的視野和領(lǐng)域，對(duì)物理本質(zhì)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)更加深刻。而在物理教學(xué)中運(yùn)用類比方法，借助于學(xué)生已有的物理知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生的思路，來學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)未知的物理世界，達(dá)到觸類旁通、舉一反三的目的，從而培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的想象空間和思維能力，提高學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)和探索的積極性。所以，類比方法得到了廣大物理科研和教育工作者的認(rèn)同和青睞，并得到了廣泛的應(yīng)用和實(shí)踐。

事實(shí)上，在物理學(xué)的發(fā)展過程中，類比法就起到了重要作用[3]。比如，從物理概念的建立，到物理定律的發(fā)現(xiàn)，以及很多物理基礎(chǔ)理論的創(chuàng)立和發(fā)展都離不開類比方法。物理學(xué)史上比較經(jīng)典的類比實(shí)例比比皆是，如讀者比較熟悉的行星模型與原子模型的對(duì)比。著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家盧瑟福對(duì)原子模型曾經(jīng)有過這樣的描述：“原子的全部正電荷集中在原子中心的一個(gè)非常小的區(qū)域內(nèi)，電子則象行星一樣圍繞著原子核作橢圓運(yùn)動(dòng)”。由微小的原子聯(lián)想到巨大的太陽系，太陽系中行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，那么原子中的核外電子也可能象行星一樣圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過類比思維，提出了行星原子模型。愛因斯坦在光電效應(yīng)的研究中，受到量子論的奠基人，德國(guó)物理學(xué)家普朗克的能量量子化概念的啟發(fā)，類比電磁波與基本粒子的行為，提出了光子概念。再比如物質(zhì)波假說的建立也是彰顯類比方法巨大威力的典型代表，在物理學(xué)發(fā)展史上留下了傳奇色彩的一筆。1924年法國(guó)物理學(xué)家德布羅意在普朗克的量子化假說，以及愛因斯坦的光具有波粒二象性這些前瞻性思想的啟發(fā)下，結(jié)合自己所認(rèn)識(shí)到的X射線時(shí)而像波、時(shí)而像粒子的獨(dú)特性質(zhì)，大膽設(shè)想是否實(shí)物粒子(如電子)也同樣具有波動(dòng)性呢？ 德布羅意曾經(jīng)做過如下描述：“如果光的性質(zhì)是這樣的(波粒二象性)，那么我們?yōu)槭裁床豢梢约俣?，這種情況也同時(shí)適用于物質(zhì)？我們是否能得出這樣的結(jié)論，即正如光子不能同自己的波分開一樣，物質(zhì)粒子也永遠(yuǎn)同自己的波不可分？” 在此想法的基礎(chǔ)上，德布羅意運(yùn)用類比方法進(jìn)一步發(fā)展了他的假說：既然實(shí)物粒子和光都具有波粒二象性，那么光波波長(zhǎng)的計(jì)算公式也應(yīng)該適用于實(shí)物粒子波長(zhǎng)的計(jì)算。根據(jù)這一推測(cè)，德布羅意預(yù)言，對(duì)于一個(gè)中等速度的電子波長(zhǎng)與X射線的波長(zhǎng)應(yīng)該屬于同一數(shù)量級(jí)，并提出了用電子在晶體上做衍射實(shí)驗(yàn)的設(shè)想。這個(gè)電子衍射的預(yù)言于1927 年被美國(guó)物理學(xué)家戴維森、革末，以及1928年英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜也相繼通過實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)，德布羅意也于1929 年因物質(zhì)波假說獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

同樣地，類比方法也貫穿于整個(gè)物理教學(xué)過程中。在具體的物理教學(xué)中，除了以上涉及到的行星模型與原子模型類比，光的波粒二象性與物質(zhì)的波粒二象性類比之外，物理教育工作者也常將電磁學(xué)體系與力學(xué)體系類比，描述物體的平動(dòng)的物理量與運(yùn)動(dòng)規(guī)律與描述轉(zhuǎn)動(dòng)的物理量以及規(guī)律之間的類比，庫(kù)侖定律與萬有引力定律類比，電勢(shì)能與重力勢(shì)能之間的類比，等等，本文不再一一贅述?？傊?，在物理教學(xué)過程中，應(yīng)用類比方法不僅能使物理概念清晰易懂，還可以培養(yǎng)學(xué)生的基本科學(xué)素養(yǎng)。

以上所涉及到的類比方法都是經(jīng)典例子，在中學(xué)和大學(xué)階段的物理課程的學(xué)習(xí)過程中，均已成為“老生常談”的類比實(shí)例，不再能引起大多數(shù)學(xué)生的興趣。筆者在多年來大學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，若能將學(xué)生比較陌生、抽象的物理概念和原理與其熟悉的日常生活中的常見的人、事、物之間能進(jìn)行巧妙類比的話，則會(huì)起到意想不到的效果，使物理教學(xué)生動(dòng)、活潑，起到增強(qiáng)學(xué)生聽課興趣、提高學(xué)習(xí)效率的效果，從而達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。

2　生活化類比在物理教學(xué)過程中的應(yīng)用舉例

筆者結(jié)合自身在大學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐的心得體會(huì)，生活化地探討一些淺顯而又生動(dòng)的實(shí)例，詮釋類比方法在工科大學(xué)物理中的應(yīng)用，希望能對(duì)從事物理教育的同行們起到拋磚引玉的效果。

2.1PN結(jié)的生活化類比

對(duì)霍爾效應(yīng)現(xiàn)象的描述以及霍爾電勢(shì)差的推導(dǎo)都是讓學(xué)生比較容易理解和接受的，但是當(dāng)涉及到P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，以及PN結(jié)的單向?qū)щ娦詴r(shí)，大多數(shù)同學(xué)還是比較迷惑的。為此筆者根據(jù)一個(gè)典型的社會(huì)問題做類比，就能很好地解釋上述的困擾，而且也活躍了課堂氣氛。筆者的描述思路是：首先對(duì)半導(dǎo)體向?qū)W生做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，所謂的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體是指在純凈半導(dǎo)體晶體點(diǎn)陣?yán)铮驌饺肷倭科渌氐脑佣蔀殡s質(zhì)半導(dǎo)體，其可分成電子半導(dǎo)體(N型半導(dǎo)體)和空穴半導(dǎo)體(P型半導(dǎo)體)兩大類。常溫下，單獨(dú)的N型半導(dǎo)體電子多、空穴少；相反，單獨(dú)的P型半導(dǎo)體空穴多、電子少。當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，由于P型半導(dǎo)體中空穴濃度大，而N型半導(dǎo)體中自由電子濃度大，N型半導(dǎo)體中的電子要向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散，P型半導(dǎo)體中的空穴向N型半導(dǎo)體中擴(kuò)散。電荷轉(zhuǎn)移的結(jié)果在交界面兩側(cè)出現(xiàn)正負(fù)電荷的積累，在P型半導(dǎo)體一側(cè)是負(fù)電，N型半導(dǎo)體一側(cè)是正電。這些電荷在交界面處形成電偶層，這就是所謂的P-N結(jié)。以上內(nèi)容對(duì)大多數(shù)工科本科學(xué)生而言是比較抽象的，較難理解，如何用通俗易懂的方法解釋這個(gè)理論？這是教師在教學(xué)過程中需要思考的一個(gè)問題。為此，筆者結(jié)合PN結(jié)的特點(diǎn)，提出了“城市-農(nóng)村模型”的生活化類比：我們把人口比做電子，而房子則看成空穴。城市人口密集住房緊張，類似N型半導(dǎo)體；農(nóng)村人口稀疏空房相對(duì)較多，類似P型半導(dǎo)體。在城市和農(nóng)村的交界區(qū)域就是大家所熟知的城中村(城鄉(xiāng)結(jié)合部)，這個(gè)區(qū)域的人口、住房相對(duì)穩(wěn)定，達(dá)到一種相對(duì)平衡，恰好類似于PN結(jié)。通常在P-N結(jié)兩端加上正向電壓：即正極接到P型，負(fù)極接到N型，便會(huì)形成正向宏觀電流。反之，如果把負(fù)極接到P型，即反向連接，則N型中的電子很難通過阻擋層，即不能導(dǎo)電。這里仍可采用“城市-農(nóng)村模型”類比，當(dāng)今人口從農(nóng)村(P型)大量流向城市(N型)形成人口流動(dòng)，恰如正向電壓形成的正向宏觀電流，反之，城市人口不愿意、也很難向農(nóng)村轉(zhuǎn)移，從而形成不了反向的人口移動(dòng)，這恰好與在P-N結(jié)加上反向電壓而不導(dǎo)電是一個(gè)道理的。不難發(fā)現(xiàn)，由于PN結(jié)的單向?qū)щ娦蕴攸c(diǎn)和“城市-農(nóng)村模型”特點(diǎn)有一定的相似性，將二者進(jìn)行類比，該問題也迎刃而解?？梢?，通過生活化類比，能幫助學(xué)生更直觀真實(shí)地認(rèn)識(shí)和理解較難的物理術(shù)語和知識(shí)，起到事半功倍的效果。

2.2不確定關(guān)系的生活化類比

海森伯位置和動(dòng)量的不確定關(guān)系是大學(xué)物理課程中的一個(gè)較抽象的知識(shí)點(diǎn)，即便對(duì)于多數(shù)物理專業(yè)的本科生同樣如此。如何在較短時(shí)間內(nèi)讓他們來學(xué)習(xí)不確定關(guān)系，僅僅靠照本宣科地講解恐怕很難做到。為此，筆者嘗試借助于類比法，先對(duì)不確定關(guān)系的建立過程進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)要介紹，然后借助電子單縫的夫瑯和費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)加以說明，再根據(jù)電子的波動(dòng)原理，粗略估算出電子的位置和動(dòng)量之間的不確定關(guān)系式[4]。此時(shí)，為了加深學(xué)生對(duì)不確定關(guān)系的印象和理解，筆者通過一個(gè)生活化的實(shí)例來類比：運(yùn)動(dòng)電子的動(dòng)量和位置可以粗略地類比為人的思想和身體自由度，電子的動(dòng)量(或速度)比作人的思維范疇，而電子的位置相對(duì)于人身自由。當(dāng)一個(gè)人的人身自由受到了限制(相當(dāng)于電子的位置不確定范圍很小)，那么此人的思維將比行動(dòng)自由人的思維更加活躍(相當(dāng)于電子的動(dòng)量不確定范圍很大)。比如犯罪分子被抓坐牢、人身自由失去的時(shí)候，那么他的思想則會(huì)無限度得到發(fā)揮，百感交集，各種想法在心頭，用“一夜愁白頭”來表述一點(diǎn)也不夸張。而對(duì)于能量和時(shí)間也存在類似的不確定關(guān)系，比如原子各激發(fā)態(tài)的能級(jí)寬度與它在該激發(fā)態(tài)的平均壽命之間存在著不確定關(guān)系[4]。講到這里，我們也可以不失時(shí)機(jī)地舉例類比之：微觀粒子的能量可以比作一個(gè)人或家庭的財(cái)富數(shù)目，那么能量不確定度比作可以支配的資金數(shù)目，若一個(gè)人能自由支配的資金越多，那么決定購(gòu)買一件商品的糾結(jié)程度或平均購(gòu)買時(shí)間也相應(yīng)地越短；換言之，在通常情況下相較于較富裕家庭，生活比較拮據(jù)的家庭購(gòu)買同類商品時(shí)做決定購(gòu)買所需的平均時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，這與原子處在激發(fā)態(tài)的時(shí)間不確定度(平均壽命)可以做形象的類比。通過以上物理內(nèi)容的講解過程，以及所采用的類比實(shí)例，能讓學(xué)生感受到物理課程很多時(shí)候還可以是生動(dòng)形象的，同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)，采用生活類比法，同學(xué)們對(duì)所學(xué)物理內(nèi)容更易于理解，從而提高了學(xué)習(xí)物理的興趣。

2.3電動(dòng)勢(shì)和位移電流的生活化類比

在電磁學(xué)章節(jié)中，位移電流和電動(dòng)勢(shì)是兩個(gè)重要且比較抽象的概念。為此，筆者也運(yùn)用了生活常識(shí)化類比法來進(jìn)行講解。根據(jù)電流的定義I=dq/dt，我們可以把電流(電荷的流動(dòng))比作水流(水的流動(dòng))，其中電量q可以比作一個(gè)水庫(kù)的水容量，那么水流可以看成單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入或流出該水庫(kù)的量。對(duì)于電動(dòng)勢(shì)又該如何理解呢？根據(jù)基本常識(shí)，我們都清楚地知道水受外力場(chǎng)的作用可以由高水位自動(dòng)地向低水位處流動(dòng)，但是由低水位處再到高水位處時(shí)，則必然要依靠外力(如水泵)克服外力場(chǎng)做功，才能形成一個(gè)完整循環(huán)的水流。電流與水流相似，電荷受到電場(chǎng)力的作用可以由高電勢(shì)處定向移動(dòng)到低電勢(shì)，但不能再靠電場(chǎng)力的作用由低電勢(shì)處自動(dòng)回到高電勢(shì)處。此時(shí)必須依靠電源克服靜電場(chǎng)力(類似水泵克服重力場(chǎng))的作用來實(shí)現(xiàn)這一過程，從而形成一個(gè)連續(xù)循環(huán)的電流。這里，水流與電流、重力勢(shì)與電動(dòng)勢(shì)、非重力場(chǎng)與非靜電場(chǎng)、克服重力場(chǎng)做功與克服靜電場(chǎng)作用等均可以一一對(duì)應(yīng)。以上討論表明，通過電流與水流的類比，我們會(huì)很自然地引出電流、電源、電動(dòng)勢(shì)及電源中的非靜電力等概念，因此可以很容易地讓學(xué)生對(duì)電磁學(xué)中的這些概念有一個(gè)簡(jiǎn)單、形象而又不失為深刻的理解。那么位移電流如何理解呢，我們?nèi)匀豢梢杂盟鱽碜鲱惐取Ｖ徊贿^現(xiàn)在我們可以發(fā)揮一下想象力：如果水流運(yùn)動(dòng)到一個(gè)極高溫區(qū)域，傳統(tǒng)意義上的液態(tài)水流消失，取而代之的是等量的水蒸氣流。類似地，在RC回路中電容器充放電過程，導(dǎo)線中的傳導(dǎo)電流在電容器兩板間消失，類似水蒸氣流，傳導(dǎo)電流被取而代之，與其等量的恰是位移電流。一語中的，無需累述。

3　結(jié)語

綜上所述，類比方法對(duì)大學(xué)物理教學(xué)起著積極的推動(dòng)作用，若能恰當(dāng)利用好類比方法，通過基本物理概念、規(guī)律的相似性比較，物理教師可以少費(fèi)些口舌，化抽象枯燥為具體生動(dòng)，讓學(xué)生對(duì)初次接觸到的物理概念和思想既有似曾相識(shí)的親切感，又覺得新鮮而有趣，從而激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[5-7]。

以我們學(xué)校為例，作為一個(gè)以工科為主的院校，面向的授課對(duì)象是大一下學(xué)期和大二上學(xué)期的工科本科生，由于來自不同的工科專業(yè)，對(duì)物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)和興趣也參差不齊，有很大比例的學(xué)生積極性不高，學(xué)習(xí)被動(dòng)，而且多數(shù)同學(xué)的形象思維仍占主導(dǎo)地位，抽象思維能力不強(qiáng)。一旦碰到抽象難懂且不易向?qū)W生描述清楚的物理概念，如果直接就物理問題去講，學(xué)生掌握得往往不深刻，甚至可能是勉強(qiáng)被動(dòng)地接受，甚至呈現(xiàn)出抵觸心理和厭學(xué)情緒。如果能恰當(dāng)應(yīng)用類比方法，把學(xué)生日常生活中熟悉的事例與新物理問題加以類比，抽象問題會(huì)迎刃而解，而且還能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的非智力因素。在以往的教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生對(duì)課程的反饋信息中，均反應(yīng)出采用生活化類比法對(duì)教學(xué)效果是很有幫助的，這也激發(fā)了我們?cè)诮窈蟮恼n堂教學(xué)中用好類比法的信心。因此物理教師在教學(xué)實(shí)踐過程中掌握恰當(dāng)?shù)念惐确椒ǎ瑢?duì)于大學(xué)物理的教與學(xué)均大有裨益。我們建議物理教師在講課時(shí)應(yīng)該根據(jù)具體內(nèi)容，結(jié)合一些生活常識(shí)性的實(shí)例來類比抽象的物理問題，以達(dá)到啟發(fā)學(xué)生的思考和興趣的目的。

最后需要指出的是，將以生活化常識(shí)為實(shí)例的類比方法引入課堂教學(xué)，雖然可以激發(fā)學(xué)生的聽課熱情，但有些時(shí)候會(huì)存在欠精準(zhǔn)和嚴(yán)謹(jǐn)之嫌，此時(shí)任課教師應(yīng)及時(shí)抓住已經(jīng)激起的學(xué)生好奇心，進(jìn)一步更準(zhǔn)確地闡明所要講授的物理內(nèi)容，與學(xué)生們一道保質(zhì)保量地完成好我們的物理教學(xué)任務(wù)。

[1] 張憲魁，王欣．物理學(xué)方法論[M]．西安:陜西人民教育出版社,1992．

[2] 徐克服，張忠有．物理教學(xué)中的類比方法[J]．物理通報(bào),1994(5)：5-8．

[3] 郭奕玲，沈慧君．物理學(xué)史(第二版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005．

[4] 程守洙，江之永．普通物理學(xué)(第六版)[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[5] 劉喜蓮．淺談物理學(xué)中的類比方法[J]．物理與工程,2001，11(5)：50-52．

[6] 章登宏，房毅，張孟．淺談物理學(xué)研究和應(yīng)用中的類比法[J]．物理與工程,2009，9(5)：24-26．

[7] 嚴(yán)嘉琳，莊應(yīng)烘．大學(xué)物理滲透科學(xué)思維方法的教學(xué)與運(yùn)用[J]．高教論壇,2010(5)：26-28．

(責(zé)任校對(duì)王小飛)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.08.024

20160407

教育部高等學(xué)校物理學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)計(jì)算物理課程教學(xué)研究項(xiàng)目(JZW-15-JW-01)；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與建設(shè)課題項(xiàng)目 (2014YB37)

夏輝 ( 1976-)，男，河南永城人，教授，博士，主要從事非平衡統(tǒng)計(jì)物理、非線性動(dòng)力學(xué)的理論研究以及大學(xué)物理、計(jì)算物理的教學(xué)研究。

G642.4

A

1674-5884(2016)08-0074-04