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        物理教學(xué)的類比思維策略

        2020-09-18 06:38:34楊華軍史獻(xiàn)計(jì)
        物理教師 2020年8期
        關(guān)鍵詞:類比推理電勢(shì)相似性

        楊華軍 史獻(xiàn)計(jì)

        (1. 南京市第二十九中學(xué)天潤(rùn)城分校,江蘇 南京 210031; 2. 南京市江北新區(qū)教育發(fā)展中心,江蘇 南京 210044)

        樂(lè)音與太陽(yáng)光似乎是完全不同的兩碼事,音樂(lè)是心靈的呼喚,色光是眼睛的感覺(jué).偉大的物理學(xué)家牛頓卻看到了兩者的相似性,用色光與樂(lè)音類比,完成了光的色散實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了光的色散現(xiàn)象.這正如德國(guó)哲學(xué)家康德(Immanuel Kant)所說(shuō),“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時(shí),類比這個(gè)方法往往指引我們前進(jìn)”.類比思維方法在物理學(xué)的發(fā)展中起到極其重要的作用.在物理教學(xué)中,類比思維方法同樣會(huì)觸動(dòng)學(xué)生思維的發(fā)生與發(fā)展,引導(dǎo)學(xué)生能夠有效地、深入地學(xué)習(xí).中學(xué)物理學(xué)的類比思維策略是如何發(fā)揮其獨(dú)特的功能的呢?本文將闡述類比思維在教學(xué)中的應(yīng)用策略.

        1 關(guān)于類比思維

        類比法實(shí)際上是一種由個(gè)別到個(gè)別或由一般到一般的推理,是根據(jù)兩個(gè)事物在某些方面的相同或相似,從而推出它們?cè)谄渌矫嬉部赡芟嗤蛳嗨频囊环N邏輯推理方法.類比是以比較為基礎(chǔ),通過(guò)聯(lián)想,把異常的、未知的對(duì)象與尋常的、熟悉的類比對(duì)象進(jìn)行對(duì)比,然后依據(jù)兩個(gè)對(duì)象之間存在著的某種相同或相似的關(guān)系,從而推出未知對(duì)象相應(yīng)具有已知對(duì)象所具有的某種性質(zhì).

        1.1 類比思維的基本環(huán)節(jié)

        類比思維有兩個(gè)基本環(huán)節(jié),一是選擇類比對(duì)象,二是進(jìn)行類比推理.在思考與研究過(guò)程中,根據(jù)研究目的,從研究方法、形成結(jié)構(gòu)、功能特征、因果聯(lián)系等方面相似性出發(fā),選擇熟悉的、生動(dòng)直觀的事物作為類比對(duì)象,為類比推理提供思維基礎(chǔ).類比推理是在比較的基礎(chǔ)上,通過(guò)聯(lián)想得出相應(yīng)的推理結(jié)果.其推理思維過(guò)程表述為:對(duì)象X有屬性a,對(duì)象Y有屬性a′;則對(duì)象X有屬性b時(shí),對(duì)象Y也可能有屬性b′.可以用數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表征為

        X(a):X(b) →Y(a′):Y(b′).

        例如,牛頓看到樂(lè)音是發(fā)聲物體振動(dòng)而發(fā)聲,光是發(fā)光體振動(dòng)而發(fā)出的;樂(lè)音由音調(diào)劃分為7種不同的音階,則可聯(lián)想到白光可劃分為7種不同顏色的光(后來(lái)發(fā)現(xiàn)是多種不同色光).這就是類比思維.

        1.2 類比思維的類型

        在中學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中,我們根據(jù)教學(xué)實(shí)際,以典型應(yīng)用分類方式,將類比思維劃分為物理相似類比、數(shù)學(xué)相似類比和模型相似類比3種類型.

        1.2.1 物理相似類比

        物理相似類比是指根據(jù)兩個(gè)物理對(duì)象中物理性質(zhì)或物理規(guī)律的相似而進(jìn)行的類比推理.如靜電場(chǎng)與重力場(chǎng)類比,研究靜電場(chǎng)的性質(zhì)與規(guī)律(如表1所示);電磁波類比機(jī)械波,探討電磁波的知識(shí)與特點(diǎn);電流類比水流,研究電流的相關(guān)規(guī)律等.通過(guò)類比,將學(xué)生已有的知識(shí)遷移到新學(xué)習(xí)的知識(shí)中,促進(jìn)學(xué)生理解與掌握新內(nèi)容.

        表1 靜電場(chǎng)與重力場(chǎng)類比

        1.2.2 數(shù)學(xué)相似類比

        表2 帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)與平拋運(yùn)動(dòng)的類比

        1.2.3 模型相似類比

        這是指根據(jù)現(xiàn)實(shí)模型與物理模型(物質(zhì)模型或理想模型)具有相似特征而進(jìn)行的類比推理.如用地圖上的等高線類比電場(chǎng)中的等勢(shì)面;用“微元法”將曲線分割成無(wú)數(shù)非常短的小段,而每一小段的處理方法類比于圓周運(yùn)動(dòng)等.以彈性小球模型中彈力變化類比分子力變化及相應(yīng)的彈性勢(shì)能類比分子勢(shì)能為例,類比如表3.

        表3 分子模型與彈性小球模型的類比

        2 物理教學(xué)中的類比思維應(yīng)用

        2.1 猜想與假設(shè)的類比思維

        “猜想與假設(shè)”的教學(xué)環(huán)節(jié)中,發(fā)現(xiàn)學(xué)生要么瞎猜、要么沉默,學(xué)生的思維很難打開(kāi).這個(gè)時(shí)候運(yùn)用類比往往會(huì)收到不錯(cuò)的效果.例如,猜想電場(chǎng)強(qiáng)度與哪些物理量有關(guān)時(shí),可以用質(zhì)量、電阻等概念類比,如表4所示.

        表4 場(chǎng)強(qiáng)與質(zhì)量、電阻的類比

        類比推理提出猜想與假設(shè)一方面降低了學(xué)生思維的臺(tái)階;一方面是借助學(xué)生已知的圖景、經(jīng)驗(yàn)來(lái)面對(duì)未知的圖景與現(xiàn)實(shí),為思維的進(jìn)一步發(fā)展提供基礎(chǔ)思維素材.

        2.2 物理概念教學(xué)的類比思維

        自然世界的諸多現(xiàn)象和過(guò)程間的相互聯(lián)系或多或少有些相似性,為類比思維提供了很多客觀條件.恰當(dāng)運(yùn)用類比可幫助學(xué)生更好地內(nèi)化知識(shí),深度學(xué)透、學(xué)活知識(shí).例如,電勢(shì)能與電勢(shì)概念教學(xué)中,借助靜電力做功類比重力做功,為方便引入電勢(shì)能概念奠定了基礎(chǔ).在此基礎(chǔ)上,再用“重力勢(shì)”與“電勢(shì)”進(jìn)行對(duì)比,學(xué)生學(xué)習(xí)電勢(shì)的概念就要比理論分析與推導(dǎo)容易一些,同時(shí)也為學(xué)生后續(xù)應(yīng)用“勢(shì)”的概念來(lái)解決問(wèn)題提供了一種思維方式.

        再如,LC振蕩過(guò)程的抽象性會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)能、電場(chǎng)能、電流、電荷量、總電荷量的變化形成學(xué)習(xí)困難.教學(xué)中,借助單擺振動(dòng)與LC電路進(jìn)行類比,兩者有著相同的概念“周期和頻率”和相似的振動(dòng)過(guò)程與振動(dòng)圖像.因此,用LC振蕩電路的磁場(chǎng)能、電場(chǎng)能、電流、電荷量、總電荷量類比單擺振動(dòng)中的動(dòng)能、重力勢(shì)能、振動(dòng)速度、位移、振幅,就會(huì)讓學(xué)生能夠理解其中的本質(zhì)屬性.

        2.3 物理規(guī)律教學(xué)的類比思維

        物理規(guī)律是物理現(xiàn)象、過(guò)程在一定條件下發(fā)生、發(fā)展和變化的本質(zhì)聯(lián)系.既然是聯(lián)系那么規(guī)律間有時(shí)就會(huì)有它的相似性.這種相似性為類比思維的教學(xué)提供了可能性.例如,講解光的波動(dòng)性時(shí),可以借助聲現(xiàn)象進(jìn)行類比教學(xué),如表5所示.

        表5 光的波動(dòng)性與聲現(xiàn)象的類比

        2.4 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的類比思維

        實(shí)驗(yàn)既是物理教學(xué)內(nèi)容也是教學(xué)手段,實(shí)驗(yàn)離不開(kāi)思維方法,類比思維常常用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程之中.例如,學(xué)生難以理解“汽車(chē)前進(jìn)時(shí)給地面水平向后摩擦力”,運(yùn)用類比的方法可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證,讓學(xué)生體驗(yàn),通過(guò)體驗(yàn)加深對(duì)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的理解,為深入理解摩擦力的作用是相互的提供實(shí)驗(yàn)證據(jù),如表6所示.

        表6 相互作用力的類比

        2.5 物理問(wèn)題解決的類比思維

        總之,類比思維的過(guò)程是調(diào)動(dòng)學(xué)生原有認(rèn)知促進(jìn)知識(shí)和能力遷移的過(guò)程,符合最近發(fā)展區(qū)教育理論,能夠促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知能力最大化發(fā)展,促進(jìn)知識(shí)的有序建構(gòu).所以類比推理是物理學(xué)習(xí)中要凸顯的能力要求,教師在教學(xué)過(guò)程中要有意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生類比推理能力,引導(dǎo)學(xué)生利用類比法解決物理實(shí)際問(wèn)題,促進(jìn)學(xué)生物理思維能力全面發(fā)展,達(dá)到提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目的.但也需要注意的是在物理教學(xué)中運(yùn)用類比思維策略時(shí),要注意其局限性,否則就會(huì)導(dǎo)致得出的結(jié)論可信度降低或完全失去應(yīng)有的價(jià)值.

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