胡春梅

【摘 要】 類(lèi)比推理是科學(xué)推理的重要組成部分.關(guān)于類(lèi)比推理的理論有很多，本文主要研究了類(lèi)比推理結(jié)構(gòu)映射理論在高中物理教學(xué)中應(yīng)用，列舉了一些高中物理類(lèi)比的案例，基于類(lèi)比推理結(jié)構(gòu)映射理論的教學(xué)，首先，可以促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的整合，幫助學(xué)生形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率;其次，可以幫助學(xué)生的思維由具體化向抽象化轉(zhuǎn)化，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解;最后，可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力.

【關(guān)鍵詞】 類(lèi)比推理、結(jié)構(gòu)映射理論

類(lèi)比推理在物理中應(yīng)用廣泛.很多物理概念、規(guī)律都是通過(guò)類(lèi)比得到的，如卡諾在1824年通過(guò)類(lèi)比瀑布來(lái)解釋熱流;荷蘭物理學(xué)家惠更斯，他發(fā)現(xiàn)光和聲這兩類(lèi)物理現(xiàn)象具有很多相同的性質(zhì)：它們都遵循直線傳播規(guī)律，都有反射、 折射和干涉現(xiàn)象，而“聲”是一種波動(dòng)，由此他推出結(jié)論：光可能也是一種波動(dòng);法國(guó)著名青年物理學(xué)家德布羅意就是在將實(shí)物粒子與光子進(jìn)行類(lèi)比的基礎(chǔ)上得出了“實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性”這一物理學(xué)史上具有劃時(shí)代意義的科學(xué)論斷;還有軌道量子化中啟旋量子數(shù)的得出，都是類(lèi)比推論的結(jié)果.科學(xué)家們用類(lèi)比建立已知和未知之間的橋梁.事實(shí)上，許多科學(xué)家都聲稱(chēng)某些類(lèi)比的形成有助于他們的科學(xué)發(fā)現(xiàn).正如這些例子所表明的，富有成果的類(lèi)比可能基于兩個(gè)非常不同的領(lǐng)域之間關(guān)系的映射.

我們現(xiàn)在有許多類(lèi)比推理的模型和理論，它們表明類(lèi)比如何在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮作用.[1]關(guān)于類(lèi)比推理的理論研究有很多，如結(jié)構(gòu)理論、成分理論、結(jié)構(gòu)映射理論、實(shí)用圖式理論、多重限制理論、高水平知覺(jué)理論.

1 類(lèi)比推理結(jié)構(gòu)映射理論概述

傳統(tǒng)的類(lèi)比包含了類(lèi)比推理的兩個(gè)組成部分：目標(biāo)和來(lái)源.目標(biāo)是科學(xué)家試圖解釋或解決的概念或問(wèn)題，來(lái)源是科學(xué)家用來(lái)理解目標(biāo)或向他人解釋目標(biāo)的另一種已知的知識(shí).當(dāng)科學(xué)家進(jìn)行類(lèi)比時(shí)，他或她所做的是將源的特征映射到目標(biāo)的特征上.通過(guò)將源的特征映射到目標(biāo)上，可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的新特征，或者可以重新排列目標(biāo)的特征，以便發(fā)明一個(gè)新的概念和一個(gè)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn).類(lèi)比的核心過(guò)程是映射：使用一個(gè)案例來(lái)解釋和預(yù)測(cè)另一個(gè)案例的過(guò)程.在映射中，將一個(gè)熟悉的模型進(jìn)行推理用于目標(biāo)類(lèi)似物.最初關(guān)注這一過(guò)程的理論之一是結(jié)構(gòu)映射理論.D.Gentner在結(jié)構(gòu)映射理論中提出，類(lèi)比是一種推斷，即通常適用于一個(gè)域的關(guān)系結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于另一個(gè)域.[2]簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，類(lèi)比推理結(jié)構(gòu)映射理論強(qiáng)調(diào)類(lèi)比是一種關(guān)系轉(zhuǎn)移.在結(jié)構(gòu)映射理論中，類(lèi)比傳達(dá)了一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)體系，而不僅僅是一系列獨(dú)立的事實(shí).該理論的中心主張是，從來(lái)源到目標(biāo)，類(lèi)比的特點(diǎn)是對(duì)象之間的關(guān)系映射，而不是對(duì)象的屬性.在類(lèi)比推理結(jié)構(gòu)映射理論中，結(jié)構(gòu)映射將類(lèi)比分解為三個(gè)階段[3]：（1）檢索，給定當(dāng)前的目標(biāo)情況，從長(zhǎng)期記憶中檢索另一個(gè)描述，即與目標(biāo)相似的基本描述.（2）映射和推理，構(gòu)建一個(gè)由來(lái)源和目標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系組成的映射，這個(gè)映射可以包括通過(guò)類(lèi)比得到的一些候選推理，它指定了來(lái)源中哪些額外的知識(shí)可以潛在地傳遞給目標(biāo).（3）評(píng)估和使用，估計(jì)類(lèi)比的質(zhì)量.

2 在高中物理教學(xué)中的具體應(yīng)用

在高中物理教學(xué)中，類(lèi)比的分類(lèi)很多，例如現(xiàn)象類(lèi)比、形式類(lèi)比、圖像類(lèi)比、模型類(lèi)比.[4]類(lèi)比推理結(jié)構(gòu)映射理論中的類(lèi)比是一種關(guān)系類(lèi)比.即將一個(gè)物理知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系系統(tǒng)推理到另一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系系統(tǒng)，這種類(lèi)比不是單一的類(lèi)比，它不僅包括一系列現(xiàn)象類(lèi)比、形式類(lèi)比、圖像類(lèi)比，也包括一些模型類(lèi)比，在高中物理教學(xué)中有很多知識(shí)點(diǎn)都可以通過(guò)這種類(lèi)比進(jìn)行教學(xué).

本文具體闡述了太陽(yáng)系與原子之間的類(lèi)比、萬(wàn)有引力定律與庫(kù)侖定律之間的類(lèi)比、機(jī)械能與內(nèi)能之間的類(lèi)比.

2.1 太陽(yáng)系與原子之間的類(lèi)比

在太陽(yáng)系中存在以下幾個(gè)關(guān)系：

A.距離（太陽(yáng)，行星）.

B.吸引力（太陽(yáng)，行星）.

C.圍繞（行星，太陽(yáng)）.

D.比它更大（太陽(yáng)，行星）.

以上幾種關(guān)系不僅僅是獨(dú)立的事實(shí)，而且是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)體系.

例如 假設(shè)我們?cè)黾恿颂?yáng)與行星之間的距離，那么太陽(yáng)和行星之間的吸引力就會(huì)減小;如果我們減少了太陽(yáng)與行星之間的距離，那么太陽(yáng)和行星之間的吸引力就會(huì)增大. 因此，關(guān)系A(chǔ)和B是相互關(guān)聯(lián)的.此外，假設(shè)我們逆轉(zhuǎn)關(guān)系D，行星比太陽(yáng)更大，那么我們也必須逆轉(zhuǎn)關(guān)系C，太陽(yáng)會(huì)圍繞著行星旋轉(zhuǎn).表示前面四種關(guān)系之間的這些依賴關(guān)系可以用一組聯(lián)立約束方程：

F=GMmR2=ma1=Ma2

其中F是太陽(yáng)與行星之間的引力，R是行星和太陽(yáng)之間的距離，m是行星的質(zhì)量，a1是行星的徑向加速度，M是太陽(yáng)的質(zhì)量，a2是太陽(yáng)的徑向加速度，G是引力常數(shù).

如果我們進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶鎿Q，原子核與電子的關(guān)系也是相同的：

A.距離（原子核，電子）.

B.吸引力（原子核，電子）.

C.圍繞（電子，原子核）.

D.比它更大（原子核，電子）.

以上的幾種關(guān)系與太陽(yáng)和行星之間的關(guān)系是類(lèi)似的，改變關(guān)系A(chǔ)的同時(shí)，關(guān)系B也會(huì)改變，逆轉(zhuǎn)關(guān)系D的同時(shí)也必須逆轉(zhuǎn)關(guān)系C.此外，也可用一組聯(lián)立約束方程來(lái)表示以上的幾種關(guān)系：

F=KQqR2=ma1=Ma2

其中F是原子核與電子之間的引力，R是原子核與電子之間的距離，m是電子的質(zhì)量，a1是電子的徑向加速度，Q是原子核的電荷量，a2是原子核的徑向加速度，K是靜電常數(shù).當(dāng)然在進(jìn)行類(lèi)比之后，教師也要著重強(qiáng)調(diào)原子結(jié)構(gòu)類(lèi)比太陽(yáng)系兩者之間存在的一些不同，例如電子被彼此排斥而不是被吸引，此外，電子沒(méi)有像行星一樣的單個(gè)軌道，而是有電子密度的軌道云.

2.2 萬(wàn)有引力定律與庫(kù)侖定律之間的類(lèi)比

萬(wàn)有引力定律存在以下幾種關(guān)系：

A.適用范圍：質(zhì)點(diǎn)-理想模型.

B.萬(wàn)有引力是場(chǎng)力，物體間的相互作用力是通過(guò)各自產(chǎn)生的引力場(chǎng)來(lái)進(jìn)行的.

C.引力場(chǎng)的強(qiáng)度g=Fm.

D.密度均勻的球殼對(duì)球外一質(zhì)點(diǎn)的引力，類(lèi)似于它的所有質(zhì)量都集中在它的球心時(shí)的引力，而對(duì)球殼內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)的引力為零.

E.兩個(gè)物體間的萬(wàn)有引力不因第三個(gè)物體的存在而改變.

F.萬(wàn)有引力是保守力，它們對(duì)質(zhì)點(diǎn)所做的功只與質(zhì)點(diǎn)的初末位置有關(guān).

G.引力勢(shì)φ=GMr.

H.只有萬(wàn)有引力作用下的質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能和引力勢(shì)能之和守恒.

F=GMmR2.

類(lèi)比推理在庫(kù)侖定律的建立過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用，類(lèi)比會(huì)引起人們的聯(lián)想.庫(kù)侖定律的背景研究始于富蘭克林把一個(gè)軟木做的小球體放在一個(gè)帶電的金屬杯里，觀察到它沒(méi)有移動(dòng).[5]這一現(xiàn)象與密度均勻的球殼對(duì)球殼內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)引力為零類(lèi)似.于是，1766年普里斯特列根據(jù)這一現(xiàn)象猜測(cè)電力與萬(wàn)有引力有相同的規(guī)律， 兩個(gè)電荷間的作用力應(yīng)與它們之間距離的平方成反比.[6]1769 年愛(ài)丁堡的魯賓遜首先用直接測(cè)量的方法確定電力的定律， 他得到兩個(gè)同號(hào)電荷的斥力與距離的 2.06 次方成反比.1772 年英國(guó)著名物理學(xué)家卡文迪許，遵循普里斯特列的思想以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電力平方反比律.卡文·迪許實(shí)驗(yàn)得出的定量結(jié)果與13年后（1785年）庫(kù)侖用扭秤直接測(cè)量所得結(jié)果的精度相當(dāng).

對(duì)比萬(wàn)有引力定律，庫(kù)侖定律存在以下類(lèi)似幾種關(guān)系：

A.適用范圍：點(diǎn)電荷-理想模型.

B.庫(kù)侖力是場(chǎng)力，電荷間的相互作用力是通過(guò)各自產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行的.

C.電場(chǎng)的強(qiáng)度E=Fq.

D.電荷均勻分布的球殼對(duì)球外一點(diǎn)電荷的庫(kù)侖力，類(lèi)似于它的所有電量都集中在它的球心時(shí)的庫(kù)侖力，而對(duì)球殼內(nèi)的點(diǎn)電荷的庫(kù)侖力為零.

E.兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的庫(kù)侖力不因第三個(gè)點(diǎn)電荷的存在而改變.

F.庫(kù)侖力是保守力，它們對(duì)電荷所做的功只與電荷的初末位置有關(guān).

G.電勢(shì)φ=kQr.

H.只有庫(kù)侖力作用下的點(diǎn)電荷，點(diǎn)電荷的動(dòng)能和電勢(shì)能之和守恒.

F=KQqR2

2.3 機(jī)械能與內(nèi)能之間的類(lèi)比

物體的動(dòng)能和勢(shì)能的總和稱(chēng)為機(jī)械能.而物體內(nèi)部所有的分子做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)所具有的分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和稱(chēng)為內(nèi)能.機(jī)械能是從宏觀的角度去研究能量，內(nèi)能是從微觀的角度研究能量.機(jī)械能與機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)，內(nèi)能與熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng).

在機(jī)械能中存在以下幾組關(guān)系：

A.機(jī)械能是動(dòng)能與勢(shì)能之和.

B.物體的速度越大，動(dòng)能越大.

類(lèi)比機(jī)械能，內(nèi)能也存在以下幾組關(guān)系：

A.內(nèi)能是分子動(dòng)能與分子勢(shì)能之和.

B.分子運(yùn)動(dòng)的越劇烈，分子的動(dòng)能越大.

3 應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

3.1 促進(jìn)學(xué)生知識(shí)整合

高中物理知識(shí)面較廣，如果不進(jìn)行知識(shí)整合就是一些碎片化的知識(shí)，碎片化知識(shí)無(wú)限重復(fù)堆積容易造成學(xué)生的思維負(fù)擔(dān)﹐[7]通過(guò)類(lèi)比推理，將一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的系統(tǒng)關(guān)系全部映射到另外一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，達(dá)到知識(shí)整合的目的，意味著將思想合成一個(gè)連貫和協(xié)調(diào)的整體.

基于類(lèi)比推理結(jié)構(gòu)映射理論教學(xué)，使教學(xué)的邏輯性更強(qiáng)、更嚴(yán)密.從而也更有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)速度和效率，更快地學(xué)習(xí)新知識(shí)與復(fù)習(xí)整合舊知識(shí).

3.2 幫助學(xué)生思維的具體化向抽象化轉(zhuǎn)變

初中物理的教學(xué)更多的是具體化的教學(xué)，但是高中物理的教學(xué)則更多的是抽象化的教學(xué)，這就要求學(xué)生的思維必須從具體化向抽象化轉(zhuǎn)變.例如在內(nèi)能這一章的教學(xué)中，因?yàn)榉肿尤庋劭床灰?jiàn)、摸不著，學(xué)生在理解內(nèi)能概念時(shí)需要具備一定的抽象思維能力.因此，學(xué)生在理解內(nèi)能概念時(shí)，普遍感到比較困難.教師運(yùn)用類(lèi)比推理，將分子的熱運(yùn)動(dòng)與物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行類(lèi)比，突破教學(xué)重難點(diǎn)，抽象得出內(nèi)能的概念，就可以很好地幫助學(xué)生思維由具體化向抽象化轉(zhuǎn)變.

3.3 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力

教師的教學(xué)本身就是一個(gè)創(chuàng)新的過(guò)程，教師必須具有創(chuàng)新意識(shí)，才可以改變以知識(shí)傳授為中心的教學(xué)思路，從而以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力為目標(biāo)，從教學(xué)思想到教學(xué)方式上，大膽突破，確立創(chuàng)新性教學(xué)原則.在教學(xué)中，若教師從知識(shí)的順延、從屬、引伸、互逆、相似等方面考慮和發(fā)掘類(lèi)比因素，進(jìn)行類(lèi)比創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性.

4 總結(jié)

結(jié)構(gòu)映射理論中的類(lèi)比是關(guān)于關(guān)系，而不是簡(jiǎn)單的特征.類(lèi)比推理在物理教學(xué)中雖然應(yīng)用廣泛，但在使用類(lèi)比推理結(jié)構(gòu)映射時(shí)，要注意的是類(lèi)比推理結(jié)構(gòu)映射的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)性完整，即來(lái)源和目標(biāo)在結(jié)構(gòu)上是否一致.另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是目標(biāo)中預(yù)測(cè)推論的事實(shí)有效性.因?yàn)轭?lèi)比只是一種推斷，所以這些候選推論在被驗(yàn)證前都只是假設(shè)，其結(jié)構(gòu)一致性不保證其事實(shí)正確性，必須單獨(dú)檢查.第三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是類(lèi)比推論是否與當(dāng)前目標(biāo)相關(guān)，即是否適用于解決當(dāng)前問(wèn)題.類(lèi)比可能結(jié)構(gòu)上健全的，并產(chǎn)生真正的推論，但如果它不能解決當(dāng)前的問(wèn)題，類(lèi)比推理就仍然是失敗的.

高中物理很多知識(shí)點(diǎn)都是相通的，通過(guò)類(lèi)比推理結(jié)構(gòu)映射教學(xué)，將具有類(lèi)似關(guān)系的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整合，將一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)關(guān)系轉(zhuǎn)移到另一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而且通過(guò)類(lèi)比可以幫助學(xué)生從具體思維轉(zhuǎn)化到抽象思維，達(dá)到使教師的教變得簡(jiǎn)單易操作、學(xué)生的學(xué)變得輕松而愉快的目的，也可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力.

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