溫斯瓊 潘蘇東

摘 要：教科書編寫者及教師常使用類比策略將物理抽象概念和學(xué)生已有的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行連接，從而促進(jìn)物理概念的理解.新人教版高中物理教科書中的類比分析表明：（1）類比數(shù)目不多;（2）目標(biāo)物多數(shù)為抽象概念;（3）類比物源自于學(xué)生已有的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn);（4）圖文并茂的類比數(shù)量不多;（5）具有結(jié)構(gòu)、功能的相似性的類比數(shù)量遠(yuǎn)多于表面相似的類比;（6）類比的映射程度一般;（7）類比物和目標(biāo)物的相對(duì)位置對(duì)知識(shí)的呈現(xiàn)效果不同;（8）缺乏對(duì)類比的相異性提示;（9）類比編寫體現(xiàn)了對(duì)類比方法的隱性滲透和顯化.在此基礎(chǔ)上對(duì)物理教科書中類比的編寫和教師在教學(xué)中類比的應(yīng)用提出了建議.

關(guān)鍵詞：人教版;高中物理;類比策略;類比物;目標(biāo)物

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）09-0025-05

作者簡(jiǎn)介：溫斯瓊（1997-），女，廣東廣州人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理教育教學(xué)研究;

潘蘇東（1965-），男，江蘇徐州人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：物理課程與教學(xué).

新課程標(biāo)準(zhǔn)明確地把科學(xué)方法確定為高中物理的教學(xué)內(nèi)容，類比屬于科學(xué)方法中的一種.將學(xué)生熟悉的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)稱作類比物，欲學(xué)習(xí)的新知識(shí)稱作目標(biāo)物，如果類比物和目標(biāo)物具有一些相同或相似的屬性，就可以在它們之間建立“映射”的過程，這就是類比.類比可以使得陌生概念具體化、形象化，從而促進(jìn)學(xué)生形成對(duì)這些概念的理解[1].雖然類比存有其危險(xiǎn)性，然而，類比是幫助學(xué)生對(duì)陌生的物理觀念達(dá)到初始了解的一種不可或缺的手段.物理教科書作為物理教學(xué)中的基本工具，如何在教科書中通過應(yīng)用類比來介紹知識(shí)和關(guān)鍵概念，以及類比推理的使用是否正確是十分重要的.據(jù)此，本文對(duì)高中物理教科書中類比策略的編寫進(jìn)行初步分析，希望研究結(jié)果能夠給類比教學(xué)和類比材料的編寫提供一些參考.

1 研究設(shè)計(jì)

1.1 類比策略分析框架

在國(guó)外，Curtis和Reigeluth（1984），Orgill和Bogner（2006），Duit（1991），Gülten（2010）分別研究了多本中學(xué)科學(xué)教材、大學(xué)生物化學(xué)教材、中學(xué)物理教材以及中學(xué)化學(xué)教材中所使用的類比策略.本文在國(guó)外教科書類比分析框架的基礎(chǔ)之上，結(jié)合物理的學(xué)科特點(diǎn)和考慮了實(shí)際操作性后，確立了理論分析框架[2].

1.2 研究對(duì)象

筆者初步研讀2019年新版高中物理教材（必修第一、二、三冊(cè)，選擇性必修第一、二、三冊(cè)，共六冊(cè)）后，發(fā)現(xiàn)必修第一、二冊(cè)中幾乎沒有出現(xiàn)類比的編寫，故選擇2019年新版高中物理教材必修第三冊(cè)以及選擇性必修系列為本文的研究對(duì)象.內(nèi)容選擇主要包括正文、注解和欄目，不涉及例題與習(xí)題.正文指教科書中以文字或圖片形式呈現(xiàn)的正文部分內(nèi)容;注解指旁注和腳注;欄目指除正文以外的材料，如“問題”“思考與討論”和“科學(xué)漫步”等.

2 高中物理教科書中類比策略的分析

包括筆者在內(nèi)的三位物理課程與教學(xué)論的研究生仔細(xì)研讀本文所選擇的四冊(cè)教材，經(jīng)多次討論后一致同意教科書中清晰的類比為23個(gè).利用本文的分析框架對(duì)新人教版高中物理教科書中的類比進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2.

2.1 類比的內(nèi)容

類比的內(nèi)容包括類比物的內(nèi)容和目標(biāo)物的內(nèi)容.教科書中類比所涉及的目標(biāo)物中大部分與“電磁學(xué)”（包括靜電場(chǎng)、電路、電磁感應(yīng)和電磁波等內(nèi)容，15個(gè)，占比65.2%）有關(guān);其次是“熱學(xué)”（包括分子動(dòng)理論和熱力學(xué)定律等內(nèi)容，5個(gè)，占比21.7%）;力學(xué)（機(jī)械波，2個(gè)，占比8.7%）和近代物理學(xué)（原子結(jié)構(gòu)，1個(gè)，占比4.3%）.目標(biāo)物主要是較為抽象、難度較大和學(xué)生無法直接感知的概念.因此需要借用學(xué)生比較熟悉的類比物以降低目標(biāo)物的抽象度和陌生感，形成學(xué)習(xí)的催化劑來幫助學(xué)生理解和思考.類比物主要來源于學(xué)生已有的學(xué)科知識(shí)（12個(gè)，占比52.2%）和社會(huì)、自然生活經(jīng)驗(yàn)（11個(gè)，占比47.8%）.可見，類比可以喚起學(xué)生已有的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)表象，對(duì)將要學(xué)習(xí)的知識(shí)提供一個(gè)相近的表象，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移.

2.2 類比的呈現(xiàn)方式

按類比的呈現(xiàn)方式，可以將類比分為文字類比和圖文類比.物理教科書中僅以文字方式呈現(xiàn)的類比有16個(gè)，占比69.6%，以圖片文字相結(jié)合的類比為7個(gè)，占比30.4%.圖文并茂的類比在教科書中占比不大，均集中在學(xué)生無法直接感知的內(nèi)容中，配圖的使用可以幫助學(xué)生快速建立起目標(biāo)物與類比物之間的關(guān)聯(lián).例如，必修第三冊(cè)P33中用地圖上的等高線類比電場(chǎng)中的等勢(shì)面，等高線圖的直觀性恰好可以使學(xué)生首先獲得對(duì)等勢(shì)面最基本的感性認(rèn)識(shí)，再結(jié)合文字描述建立起等高線與電場(chǎng)中的等勢(shì)面之間的映射，從而幫助學(xué)生理解和掌握等勢(shì)面的相關(guān)性質(zhì).另外，圖像類比含有解釋功能，不僅避免冗長(zhǎng)的文字?jǐn)⑹?，而且以直觀、簡(jiǎn)明的特點(diǎn)傳遞復(fù)雜、抽象的科學(xué)概念[3]，如選擇性必修第一冊(cè)P74在介紹多普勒效應(yīng)時(shí)，用三幅圖直觀地向?qū)W生展示了“過人頻率”的模擬實(shí)驗(yàn)（如圖1），同時(shí)也解釋了多普勒效應(yīng).配圖旁的文字說明也有助于學(xué)習(xí)者對(duì)圖像內(nèi)容形成正確、迅速的理解.

2.3 類比的相似關(guān)系

類比的相似關(guān)系是指類比物與目標(biāo)物之間相似屬性的關(guān)系，主要分三種：（1）表面上的相似性，即類比物與目標(biāo)物在實(shí)體或語(yǔ)言表征上有對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如：選擇性必修第三冊(cè)P80介紹湯姆孫的原子模型時(shí)，把其稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”，這個(gè)類比以實(shí)體上具有相似性而呈現(xiàn)，為學(xué)生提供了一個(gè)形象化的原子模型;（2）結(jié)構(gòu)上的相似性，即類比物和目標(biāo)物之間的基本原理、結(jié)構(gòu)或規(guī)則具有相似性，可以體現(xiàn)在兩物理概念使用相同結(jié)構(gòu)的方法或公式來計(jì)算，例如，必修第三冊(cè)P26中“重力做功具有跟路徑無關(guān)的特點(diǎn)，靜電力做功是否也具有這一特點(diǎn)”“這跟重力做正功或負(fù)功時(shí)，重力勢(shì)能的變化情況相似”.將靜電場(chǎng)與重力場(chǎng)相類比，從而將重力做功和重力勢(shì)能變化的關(guān)系遷移到靜電力做功和電勢(shì)能變化的關(guān)系上;（3）功能上的相似性，即類比物和目標(biāo)物之間是以“操作”時(shí)的功能為對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以體現(xiàn)在兩物理概念所使用的公式或方法能夠產(chǎn)生相同的功能.例如，選擇性必修第三冊(cè)P12在“氣體壓強(qiáng)的微觀解釋”這一部分，用豆粒均勻連續(xù)地倒在秤盤上來模擬大量氣體分子不斷撞擊器壁的過程，雖一個(gè)是宏觀過程，一個(gè)是微觀過程，但其產(chǎn)生了相同的功能，由此向?qū)W生展示氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生機(jī)理.

統(tǒng)計(jì)顯示，教科書中類比的相似關(guān)系為：表面上的相似性有3個(gè)（占比13.0%），結(jié)構(gòu)上的相似性有10個(gè)（占比43.5%），功能上相似性為10個(gè)（占比43.5%）.教科書中多數(shù)類比關(guān)系是結(jié)構(gòu)和功能的相似性，表面相似的類比較少.

2.4 類比的映射程度

類比的映射程度指類比物投射到目標(biāo)物的相似屬性的清晰度，即類比物與目標(biāo)物具有的共同特征越多，兩者相互對(duì)應(yīng)的程度就越高，映射的建立將是清晰的.本文依據(jù)映射程度可將類比分為簡(jiǎn)單的類比和復(fù)雜的類比.簡(jiǎn)單的類比只陳述目標(biāo)物像類比物，而沒有對(duì)共有特征做進(jìn)一步的解釋.例如，選擇性必修第二冊(cè)P34“如用圖表示這樣的感應(yīng)電流，看起來就像水中的旋渦，所以把它叫作渦電流，簡(jiǎn)稱渦流”，并未對(duì)其相似屬性加以比較和說明.豐富的類比是指描述了相似屬性的一種或以上的屬性，并進(jìn)行了對(duì)應(yīng)說明或解釋.例如，必修第三冊(cè)P38在介紹“電容器的電容”時(shí)，將電容類比于裝水的容器，兩者的各種比較見表3.

統(tǒng)計(jì)顯示，教科書中簡(jiǎn)單的類比有9個(gè)（占比39.1%），復(fù)雜的類比有14個(gè)（占比60.9%），可見教科書中類比的映射程度一般，但對(duì)于大多數(shù)目標(biāo)物較為抽象的類比，教科書對(duì)其目標(biāo)物和類比物的相似屬性做了比較和說明.

2.5 類比物和目標(biāo)物的相對(duì)位置

根據(jù)類比物和目標(biāo)物的相對(duì)位置，可以將類比分為先行組織者類比、嵌入式類比和后設(shè)類比：（1）先行組織者類比：表現(xiàn)為類比物是在呈現(xiàn)目標(biāo)物之前引入的.先行組織者類比經(jīng)常出現(xiàn)在物理教科書的“問題”這一欄目當(dāng)中.例如，必修第三冊(cè)P31在引入“電勢(shì)差”這一重要概念之前，用到了一個(gè)類比：“如果我們要從6樓走到8樓，影響我們做功多少的因素是這兩層樓的高度差而不是樓的高度.某個(gè)電荷在確定的電場(chǎng)中由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，影響靜電力做功多少的因素可能是A點(diǎn)或B點(diǎn)的電勢(shì)值呢？還是A、B兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差呢？”在引入新的概念之前先提供一個(gè)學(xué)生比較熟悉的情境或話題，這樣既能夠引起學(xué)生的興趣，又有助于學(xué)生將新概念與其原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)建立聯(lián)系，從而更好地展開教學(xué).（2）嵌入式類比：表現(xiàn)為類比物是在引入目標(biāo)物之后且在目標(biāo)物得出結(jié)論之前呈現(xiàn).例如，必修第三冊(cè)P6在引入“庫(kù)侖定律”時(shí)，先通過書上的演示實(shí)驗(yàn)得到“電荷之間的作用力隨著電荷量的增大而增大，隨著距離的增大而減小”的結(jié)果，這時(shí)教科書中提出“電荷之間的作用力會(huì)不會(huì)與萬(wàn)有引力具有相似的形式呢”，將電荷之間的作用力與萬(wàn)有引力進(jìn)行類比，為學(xué)生學(xué)習(xí)庫(kù)侖定律提供了腳手架，大大降低了難度.故嵌入式類比能夠更有效地幫助學(xué)生建立新的物理概念.（3）后設(shè)類比：表現(xiàn)為類比物是在對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行了完整的闡述之后才呈現(xiàn).例如，選擇性必修第二冊(cè)P41在描述自感電動(dòng)勢(shì)影響線圈電流大小的現(xiàn)象時(shí)，在最后引用了一個(gè)類比，提到線圈能夠體現(xiàn)電的“慣性”.學(xué)生在此之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了自感的相關(guān)知識(shí)，設(shè)這樣一個(gè)類比可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)自感的感性認(rèn)識(shí).如果學(xué)生對(duì)前面用物理術(shù)語(yǔ)闡釋的自感概念不理解，則可以參考這一類比.

對(duì)該教材中的23個(gè)類比的分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)為先行組織者類比，有11個(gè)（占比47.8%）;其次有7個(gè)（占比30.4%）為嵌入式類比;5個(gè)（占比21.7%）為后設(shè)類比.且先行組織者類比經(jīng)常出現(xiàn)在物理教科書的“問題”這一欄目當(dāng)中，起到了一個(gè)很好的引入作用.

2.6 類比的相異性的提示

類比物和目標(biāo)物之間具有一些相同或相似的屬性，就可以在它們之間建立一定的映射，但是類比物并不是目標(biāo)物本身，兩者必定存在相異的屬性.若學(xué)生在使用類比時(shí)將類比物和目標(biāo)物“一視同仁”，反而會(huì)產(chǎn)生迷思概念.對(duì)物理教科書中23個(gè)類比進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)僅有3處（占比13.0%）有類比的相異性提示.例如，必修第三冊(cè)P34的“思考與討論”提出了類比：“電勢(shì)的高低跟重力場(chǎng)中位置的高低的含義有相似之處.某處位置的高低跟放在該處物體的質(zhì)量無關(guān)，某點(diǎn)電勢(shì)的高低跟放在該點(diǎn)的試探電荷的電荷量無關(guān).”隨后提出了類比的相異性：“由于電荷有正負(fù)之分，這就造成了兩者的含義有所不同.質(zhì)量相等的物體，處于較高位置的重力勢(shì)能比較大，那么電荷量數(shù)值相等的正負(fù)電荷，處于電勢(shì)較高位置的電勢(shì)能一定較大嗎？”通過提問引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)地思考，避免了過度類比.而大多數(shù)類比（20個(gè)，占比87%）沒有指出類比的相異性，也沒有提醒類比的局限性.

2.7 類比方法的顯化

新課程標(biāo)準(zhǔn)明確地把科學(xué)方法確定為高中物理教學(xué)內(nèi)容的一部分，此次課程改革也強(qiáng)調(diào)了“過程與方法”作為教學(xué)目標(biāo)的重要性，這無疑要求根據(jù)新課標(biāo)所編制的新版物理教科書對(duì)科學(xué)方法的呈現(xiàn)給予重視[4].類比方法屬于科學(xué)方法中的一種，新版的物理教材在類比的編寫上，大部分時(shí)候使用一些關(guān)鍵詞，例如“相似”“類似”“相當(dāng)于”來實(shí)現(xiàn)類比方法的隱性滲透.例如，必修第三冊(cè)P7中“點(diǎn)電荷類似于力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)”，選擇性必修第二冊(cè)P70中“傳感器的功能與人的視覺、聽覺、嗅覺等功能相似”.值得注意的是，新版物理教材在類比的編寫上也遵循了凸顯科學(xué)方法的重要性這一要求，在使用類比方法引入“庫(kù)侖定律”的正文內(nèi)容附近，以旁批的方式介紹了類比的作用以及意義：“類比在庫(kù)侖定律的建立過程中發(fā)揮了重要作用.類比會(huì)引起人們的聯(lián)想.但是類比不是嚴(yán)格的推理，不一定正確，由類比而提出的猜想是否正確需要時(shí)間的檢驗(yàn)”（必修第三冊(cè)P6）.以旁注的形式來顯化類比方法，使學(xué)生處于有意識(shí)地接受科學(xué)方法知識(shí)的狀態(tài)，有助于學(xué)生正確使用類比來理解新的概念.

3 總結(jié)及建議

3.1 物理教科書中類比編寫的建議

通過分析新版物理教材中所使用的類比，可以發(fā)現(xiàn)物理教科書中：（1）類比數(shù)目不多，約為每?jī)?cè)4.9個(gè);（2）目標(biāo)物多數(shù)為抽象概念;（3）類比物源自于學(xué)生已有的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn);（4）圖文并茂的類比數(shù)量不多;（5）具有結(jié)構(gòu)、功能的相似性的類比數(shù)量遠(yuǎn)多于表面相似的類比;（6）類比的映射程度一般;（7）類比物和目標(biāo)物的相對(duì)位置對(duì)知識(shí)的呈現(xiàn)效果不同;（8）缺乏對(duì)類比的相異性提示;（9）類比編寫體現(xiàn)了對(duì)類比方法的隱性滲透和顯化.

類比就像一座概念的橋梁，幫助學(xué)生連接抽象概念和與其相關(guān)的先驗(yàn)概念，達(dá)到化陌生為熟悉、化抽象為具體的效果.教科書作為師生互動(dòng)的、最有影響力的教學(xué)資料，類比的使用情況具有不容低估的意義.因此，對(duì)物理教科書中類比的編寫提出以下建議：

第一，適當(dāng)增加教科書中類比的數(shù)量.類比被證實(shí)可以增進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效.物理教科書中“近代物理學(xué)”相關(guān)的知識(shí)抽象程度較高，與經(jīng)典物理學(xué)的概念的理解有一定差異，建議教科書中在介紹此部分概念時(shí)，適當(dāng)使用類比，用通俗易懂的事實(shí)類比說明這類抽象概念.另外，圖像是建立類比的有效工具，善用和巧用圖像來進(jìn)行類比應(yīng)該成為教科書編寫者一個(gè)值得注意的地方.

第二，注意對(duì)類比物與目標(biāo)物的相異性的提示.類比是一把雙刃劍，過度類比定然會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生迷思概念，因此教科書在使用類比時(shí)需要謹(jǐn)慎，必要時(shí)給予適當(dāng)?shù)奶嵝?但礙于教科書篇幅有限，因此盡量不選擇具有較大爭(zhēng)議的類比進(jìn)行編寫.此外，對(duì)于類比所導(dǎo)致的迷思概念的實(shí)證研究對(duì)于教科書中類比的編寫具有很大的參考意義.

第三，廣泛借鑒范例優(yōu)秀的類比案例.一個(gè)好的類比設(shè)計(jì)的產(chǎn)生需要考慮相當(dāng)多的因素，首先選擇什么事物作為類比物就需要設(shè)計(jì)者的深思熟慮和觀察，因此可以借鑒國(guó)外物理教科書中優(yōu)秀的類比案例，為我國(guó)教科書類比的編寫提供啟發(fā)性的思路.

3.2 物理教師教學(xué)中應(yīng)用類比的建議

應(yīng)用類比法實(shí)施教學(xué)在許多文獻(xiàn)中已被證實(shí)為有效的教學(xué)方法，然而在復(fù)雜的教學(xué)情境中，物理教師如何將類比明確地傳達(dá)給學(xué)生是值得關(guān)注的地方.Glynn提出的“TWA（Teaching With Analogy）”的類比教學(xué)模式為一線物理教師提供了清晰簡(jiǎn)單的教學(xué)模板，包括以下6個(gè)步驟：（1）介紹目標(biāo)物; （2） 回顧類比物; （3） 識(shí)別兩者間的相似特征; （4） 進(jìn)行類比映射; （5） 指出類比失效處; （6） 得出結(jié)論[5].結(jié)合本文對(duì)教科書中類比應(yīng)用的分析可知，物理教科書中類比并非是具有完整結(jié)構(gòu)的類比，而教科書作為最有影響力的教學(xué)資料，教師在使用時(shí)應(yīng)先適當(dāng)?shù)胤治鼋炭茣?，以便在教學(xué)過程中要適時(shí)地給予說明和補(bǔ)充，著重講解目標(biāo)物與類比物間正確的對(duì)應(yīng)關(guān)系.對(duì)教科書類比中并未呈現(xiàn)的相異性，教師應(yīng)該時(shí)刻提醒學(xué)生注意類比的失效處，以免產(chǎn)生不恰當(dāng)?shù)倪^度類比.

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（收稿日期：2020-12-21）