畢曉微 胡銀泉

(江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院 江西 南昌 330022)

高中物理較為抽象，要求學(xué)生自身具有較高的想象能力和邏輯思維.因?yàn)閷W(xué)生的思維特點(diǎn)和認(rèn)知水平是不盡相同的，所以在教學(xué)過(guò)程中，需要運(yùn)用不同的教學(xué)方法來(lái)使學(xué)生更加深刻地了解與深化物理知識(shí).中學(xué)物理教學(xué)方法有很多，類比法就是其中一種.類比法就是指根據(jù)兩種事物在某些特征上有相似之處，從而可推理其他的特征也有可能是相似的.通過(guò)運(yùn)用類比法，可把一種事物或過(guò)程比作對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)較熟悉、有直觀感受或有趣的另一件事物或過(guò)程.在物理教學(xué)中運(yùn)用類比法，能使抽象的物理知識(shí)變得簡(jiǎn)單形象.在物理教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，可以用到類比法的地方有很多，但總的來(lái)說(shuō)切入點(diǎn)有3個(gè).

1 物理知識(shí)與日常經(jīng)驗(yàn)的類比

在教學(xué)過(guò)程中將生活現(xiàn)象與物理知識(shí)進(jìn)行類比，能夠?qū)⒊橄蟮奈锢砀拍罨蛭锢硪?guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生在生活中常見的、有直觀感受的事物，可降低物理學(xué)習(xí)的難度，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度，克服學(xué)生對(duì)物理的恐懼心理[1].下面用幾個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明.

1.1 滑板-滑塊模型與兩人上山的類比

滑動(dòng)摩擦力方向的定義為，“沿著接觸面，并且跟物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反.”當(dāng)物塊在一固定的粗糙平面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，物塊所受的滑動(dòng)摩擦力的方向較易判斷.但在“滑板-滑塊模型”中，由于滑板與滑塊相對(duì)地面都是運(yùn)動(dòng)的，學(xué)生在“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的判斷上不夠清楚，且摩擦力方向不可見，故而滑動(dòng)摩擦力方向的確定就很容易出錯(cuò).若將滑板與滑塊類比成兩個(gè)爬山的人，就可以讓學(xué)生對(duì)此模型中摩擦力的方向有直觀的感受.

如圖1所示，甲乙兩人上山，甲有力氣走得快，乙沒力氣走得慢，甲不想讓乙落后，需要拉著乙上山，此時(shí)，甲會(huì)感受到沿胳膊向后的拉力，乙會(huì)感受到沿胳膊向前的拉力.

將甲對(duì)應(yīng)A，乙對(duì)應(yīng)B，如圖2所示，即A,B同向運(yùn)動(dòng)且vA>vB，從而學(xué)生可以直觀感受到A,B之間摩擦力的方向：A所受到的B對(duì)A的摩擦力的方向沿接觸面向后，B所受到的A對(duì)B的摩擦力的方向沿接觸面向前.同理，可讓學(xué)生自己通過(guò)類比得出A與B同向且vAvB，A與B反向且vA

圖2 滑板-滑塊模型

1.2 s-t圖像與不同年齡身高的類比

初學(xué)s-t圖像時(shí)，學(xué)生經(jīng)常把s-t圖像的曲線當(dāng)作物體的運(yùn)動(dòng)軌跡.這是因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前學(xué)生只接觸過(guò)x-y平面圖或x-y-z立體圖，在這些圖像中，每個(gè)數(shù)軸上的點(diǎn)代表的都是位置坐標(biāo)，而s-t圖像卻與學(xué)生的原認(rèn)知不同，從而造成學(xué)生在認(rèn)知上的障礙.在學(xué)習(xí)此知識(shí)點(diǎn)時(shí)，除了對(duì)比出x-y與s-t的不同之處，還可以通過(guò)類比，加強(qiáng)學(xué)生的理解.

在2014年春晚上，王錚亮的一首《時(shí)間都去哪了》戳中了所有人的淚點(diǎn).背后的大屏幕上播放著大萌子從1歲到26歲和她父親的合照，隨著時(shí)間的推移，父親的身高不變，但大萌子卻越來(lái)越高.看到此處，我們可以作出以下假設(shè)來(lái)類比學(xué)習(xí)s-t圖像.

我們假設(shè)小明從出生開始，每次生日都去同一位置拍一張站立的照片，多年以后拿出這些照片，將腳對(duì)齊，按年份依次排開，如圖3所示.我們用一平滑的曲線將小明的頭連起來(lái)，就可得到小明的身高生長(zhǎng)曲線.將“身高”換成“位移s”，將“年”換成“時(shí)間t”，即得到我們需要學(xué)習(xí)的物理知識(shí)s-t圖像，如圖4所示.學(xué)生都知道將小明的腳放在身高零點(diǎn)位置，身體是向上生長(zhǎng)的，也就是頭頂位置是沿著身高軸向上生長(zhǎng)的，而不是沿著圖3的曲線生長(zhǎng)，圖3只是將每個(gè)時(shí)刻的身高按時(shí)間順序依次水平鋪開.通過(guò)類比，學(xué)生即可深刻地理解s-t圖像中的曲線并不是物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，而是將物體每時(shí)每刻的位置拍下照片后，將照片依次鋪開，從而得出s-t圖像就是隨著時(shí)間的推移，物體位置在一條直線上的變化.我們還可以從小明的生長(zhǎng)曲線中看出各個(gè)年齡段生長(zhǎng)的快慢程度，得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的大致身高，以及每個(gè)身高值所對(duì)應(yīng)的大概年齡.類比生長(zhǎng)曲線，讓學(xué)生自己分析s-t圖像中不同時(shí)間段速度的大小以及曲線上某個(gè)點(diǎn)所代表的物理意義.

圖3 身高生長(zhǎng)曲線

圖4 s-t圖像

物理知識(shí)與生活經(jīng)驗(yàn)類比的例子還有很多，比如說(shuō)將電容大小類比成杯子的儲(chǔ)水能力，將分子和物體類比成蜜蜂和裝滿蜂巢的集裝箱，將電流類比成水流，將電源類比成水泵，將試探電荷類比成測(cè)風(fēng)向的小旗子[2]，將a與v類比成往杯子中加、抽水的快慢程度與杯子中的總水量，等等.將物理知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比，能夠有效地將抽象的知識(shí)具體化，不僅可以使教學(xué)過(guò)程變得輕松，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更加深刻，還可以在此過(guò)程中提升學(xué)生的創(chuàng)新能力.

2 物理新舊知識(shí)的類比

物理各知識(shí)之間存在著某些相同或相似的特征，我們可以利用已學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)類比新知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)之間的遷移.在類比過(guò)程中不僅可以讓學(xué)生更快地接受新知識(shí)，還可以對(duì)已學(xué)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)鞏固.下面以平拋運(yùn)動(dòng)與帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的類比為例進(jìn)行說(shuō)明.

在學(xué)習(xí)帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先是進(jìn)行受力分析，當(dāng)受力示意圖畫出后，可讓學(xué)生觀察帶電粒子的初速度和受力特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生將此過(guò)程和平拋運(yùn)動(dòng)的速度、受力情況進(jìn)行對(duì)比，然后通過(guò)類比，讓學(xué)生自己得到表1所示內(nèi)容.除了表格中的規(guī)律以外，學(xué)生還可通過(guò)類比得出帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的分速度大小、合速度大小與方向、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等知識(shí)點(diǎn).

在物理教學(xué)中，新舊知識(shí)的類比應(yīng)用非常多.在學(xué)習(xí)物質(zhì)波時(shí)，經(jīng)常用機(jī)械波進(jìn)行類比；學(xué)習(xí)內(nèi)能時(shí)，又常以機(jī)械能進(jìn)行類比；微觀的靜電相互作用又可類比成宏觀狀態(tài)的萬(wàn)有引力.將新舊知識(shí)進(jìn)行類比，除了可方便教學(xué)、對(duì)舊知識(shí)進(jìn)行鞏固外，還可使學(xué)生總結(jié)出知識(shí)的框架結(jié)構(gòu)，掌握物理知識(shí)的內(nèi)部聯(lián)系，化繁瑣為條理，促進(jìn)知識(shí)正遷移.

表1 平拋運(yùn)動(dòng)與帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的類比

3 物理知識(shí)與故事內(nèi)容的類比

當(dāng)一個(gè)抽象的物理過(guò)程很難被學(xué)生理解的時(shí)候，教師可以通過(guò)故事類比的方式敘述此物理過(guò)程，將抽象的過(guò)程變得生動(dòng)活潑，降低了學(xué)生的抵觸心理，讓學(xué)生在有趣的故事情節(jié)中學(xué)到物理知識(shí).我們以光電效應(yīng)與“精靈逃脫”故事的類比為例[3].

在一片原始森林里，有一個(gè)巫師，他捉了很多精靈并將它們關(guān)在了高高的圍欄里，精靈想要翻過(guò)圍欄需要W0的能量值.有一天，有個(gè)仙女帶著很多附上了不同魔法能量hν(h為常量，ν各不相同)的蘋果來(lái)到圍欄外.仙女將這些蘋果拋進(jìn)圍欄內(nèi)，但每個(gè)精靈最多可獲得一個(gè)蘋果，且拿到的蘋果中含有的能量值hν大于等于W0的精靈才能翻越圍欄逃出去.那些能逃脫的精靈獲得的總能量為hν，翻越圍欄消耗了W0，于是剩余的能量Ek=hν-W0，精靈將剩余能量全部轉(zhuǎn)化為逃跑的動(dòng)能，即

光電效應(yīng)現(xiàn)象指的是照射在金屬表面的光線可以使得金屬內(nèi)的電子從金屬表面逸出，逸出的電子被稱為光電子.如圖5所示，光電子從陰極K逸出，被陽(yáng)極A所吸收，在電路中就形成了光電流.

圖5 光電效應(yīng)模型

由于沒有可辨別方向的參照物，所以逃出來(lái)的精靈就有可能回不了家.仙女和巫師分別施法，仙女越強(qiáng)大，回到家的精靈數(shù)量就越多；巫師越強(qiáng)大，回到家的精靈數(shù)量越少.精靈回到家的數(shù)量在零和逃出圍欄的總數(shù)之間.將仙女和巫師施法能力類比外電壓大小，光電流隨外電壓的變化而變化.如圖6所示，當(dāng)巫師能力比仙女強(qiáng)到某一程度時(shí)，所有逃出來(lái)的精靈都不能回家，即U=-U′時(shí)，光電流恰好為零，此電壓稱為遏止電壓；當(dāng)仙女比巫師強(qiáng)到某一程度時(shí)，所有逃出來(lái)的精靈都能回到家，即U=U0時(shí)，光電流恰好達(dá)到飽和電流Imax，此時(shí)所有光電子都參與了導(dǎo)電.

圖6 光電流隨外電壓變化規(guī)律

在光電效應(yīng)現(xiàn)象中涉及截止頻率、遏止電壓和飽和電流等知識(shí)點(diǎn)，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)較為生澀難懂，不易理解.將此物理過(guò)程轉(zhuǎn)換成一個(gè)有趣的“精靈逃脫”故事，把各個(gè)物理量和物理過(guò)程轉(zhuǎn)化成有趣的故事情節(jié)，可幫助學(xué)生理解及記憶.

在物理教學(xué)中，用故事來(lái)類比物理過(guò)程的例子并不多，但值得繼續(xù)研究與創(chuàng)新.比如將凸透鏡成像規(guī)律類比成警察抓小偷也只是大致類比了物距與像距的關(guān)系，而對(duì)其他的成像規(guī)律沒有很好地進(jìn)行類比，所以意義不大.除了物理以外，其他學(xué)科也有運(yùn)用故事類比的例子，比如凱庫(kù)勒就是在睡覺時(shí)夢(mèng)到了一條蛇咬住它自己的尾巴，才有了苯環(huán)結(jié)構(gòu)的靈感.再比如生物學(xué)科中常將一些生理過(guò)程擬人化，通過(guò)講故事的形式來(lái)進(jìn)行生物教學(xué).故事類比法在物理教學(xué)中的應(yīng)用不僅可以活躍課堂氣氛，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還可提供靈感，所以此類類比值得我們繼續(xù)探究.

4 類比法的注意事項(xiàng)

學(xué)習(xí)的方法多種多樣，只要運(yùn)用得當(dāng)，就可起到良好的教學(xué)作用.類比法被譽(yù)為科學(xué)活動(dòng)中的“偉大領(lǐng)路人”，我們可以把新知識(shí)與熟悉的知識(shí)進(jìn)行類比，也可通過(guò)已知知識(shí)來(lái)類比未知領(lǐng)域，通過(guò)類比可啟發(fā)思維，提供新思路.類比法其本質(zhì)就是一種發(fā)現(xiàn)的方法，并非嚴(yán)格的推理過(guò)程，在運(yùn)用類比法時(shí)要類比得當(dāng).此外，應(yīng)用類比的時(shí)機(jī)不同也會(huì)對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生不同的影響后果.

4.1 物理知識(shí)與日常經(jīng)驗(yàn)類比的注意事項(xiàng)

用日常生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)類比物理知識(shí)的好處在于可將抽象的知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體形象的事物，使學(xué)生對(duì)陌生的、抽象的物理知識(shí)產(chǎn)生直觀的感受，從而促進(jìn)學(xué)生的理解，加深學(xué)生的認(rèn)知.但在此種類比過(guò)程中就要求教師選擇學(xué)生很熟悉的東西，比如在學(xué)習(xí)電源電壓時(shí)，常將電源電壓類比成水泵，但現(xiàn)在的學(xué)生在生活中接觸水泵的機(jī)會(huì)越來(lái)越少，更有很多學(xué)生都沒有聽說(shuō)過(guò)水泵，所以這個(gè)類比就越來(lái)越不合時(shí)宜.除了要選擇學(xué)生熟悉的事物進(jìn)行類比以外，還應(yīng)注意選擇的事物與物理知識(shí)的類比過(guò)程是否恰當(dāng).有些物理過(guò)程是有條件限制的，在類比時(shí)應(yīng)格外注意，以免讓學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤的理解.

因?yàn)橹挥性谖锢碇R(shí)理解的非常透徹的基礎(chǔ)上，才能在生活中找到與之相應(yīng)的類比物，所以此種類比的最初創(chuàng)新一般是由教師來(lái)完成，再在教授新知識(shí)時(shí)傳授給學(xué)生，以幫助學(xué)生理解新物理知識(shí).在類比過(guò)程中，也可使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到加強(qiáng)，以便于學(xué)生在學(xué)習(xí)了新知識(shí)點(diǎn)后，可自己創(chuàng)造新的類比，舉一反三，使對(duì)物理知識(shí)的理解更加深刻.

4.2 物理新舊知識(shí)類比的注意事項(xiàng)

在將物理新舊知識(shí)對(duì)比過(guò)程中，不僅能降低新知識(shí)的教學(xué)難度，還能對(duì)舊知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固.但需要注意的是，將新舊知識(shí)放在一起類比時(shí)，如果學(xué)生本身對(duì)舊知識(shí)掌握得就不夠牢固，那在類比過(guò)程中不僅不會(huì)有助于學(xué)生學(xué)習(xí)，還會(huì)適得其反.比如，電容器串聯(lián)

彈簧串聯(lián)

電阻并聯(lián)

電容器并聯(lián)

C=C1+C2

彈簧并聯(lián)

κ=κ1+κ2

電阻串聯(lián)

R=R1+R2

以上這些相似的公式進(jìn)行類比，如果學(xué)生掌握得較為扎實(shí)，會(huì)讓學(xué)生在類比過(guò)程中將各知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，形成知識(shí)框架.但如果學(xué)生在學(xué)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)就掌握得不太牢固，再將這些知識(shí)點(diǎn)合在一起進(jìn)行類比，那只會(huì)加重學(xué)生的認(rèn)知混亂.所以在將物理新舊知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行類比前，教師應(yīng)該先了解學(xué)生對(duì)舊知識(shí)的掌握程度.在將新舊知識(shí)進(jìn)行類比時(shí)，我們的目的是為了學(xué)習(xí)新知識(shí)，所以在類比過(guò)程中，除了將兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)的相同之處進(jìn)行類比以外，還要特意將不同之處進(jìn)行甄別.

通過(guò)類比的物理新舊知識(shí)一般為小知識(shí)點(diǎn)和知識(shí)體系兩類.如果是小知識(shí)點(diǎn)類比，則在學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)需要教師在學(xué)生學(xué)習(xí)了新知識(shí)點(diǎn)之后，再提示或告訴學(xué)生新知識(shí)與某個(gè)舊知識(shí)的相似之處.但如果新舊知識(shí)點(diǎn)為知識(shí)體系，教師就可以在引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比新舊知識(shí)體系中的一兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，讓學(xué)生自己對(duì)余下的知識(shí)進(jìn)行猜想與驗(yàn)證.

4.3 物理知識(shí)與故事內(nèi)容類比的注意事項(xiàng)

當(dāng)某個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程沒有可與之類比的已學(xué)物理過(guò)程或生活經(jīng)驗(yàn)時(shí)，就可以用講故事的方式進(jìn)行類比.通過(guò)這種類比的目的是為了將抽象的物理過(guò)程借用有趣的故事情節(jié)來(lái)闡述，所以故事內(nèi)容應(yīng)該生動(dòng)活潑，能吸引學(xué)生.除此之外，也要保證故事內(nèi)容要嚴(yán)謹(jǐn)，不能隨意編造，要符合所類比的物理知識(shí)，不能讓學(xué)生因?yàn)楣适聝?nèi)容而對(duì)所學(xué)的物理知識(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤的理解.

此類類比具有較大的發(fā)展空間，教師在教學(xué)中可以發(fā)揮想象力，創(chuàng)作出有趣又有意義的故事類比，以豐富課堂教學(xué)過(guò)程.

5 結(jié)束語(yǔ)

類比法是種重要的思維方法，在中學(xué)物理教學(xué)中運(yùn)用類比法可將知識(shí)化抽象為形象，幫助學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)，總結(jié)知識(shí)框架結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生分析問題的能力，并培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維與遷移能力.在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生掌握此方法，這對(duì)學(xué)生以后的學(xué)習(xí)有重要的意義，所以在物理教學(xué)中能恰當(dāng)?shù)厥褂妙惐确ㄊ敲恳晃晃锢斫處煴貍涞哪芰?并在教學(xué)實(shí)踐中，不斷提高自己的教學(xué)水平.

“教學(xué)有法，教無(wú)定法，貴在得法”，教學(xué)方法各有特點(diǎn)，教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該合理的選擇，并通過(guò)不斷地調(diào)整與整合，將各種教學(xué)方法融匯一體，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，這樣才能得到最有效的教學(xué)作用，收到最好的教學(xué)結(jié)果.