试论类比法在物理教学中的应用[1]

1、试论类比法在物理教学中的应用江苏省苏州市吴中区西山中学 （215111） 金茂峰摘 要：类比法是认识事物的基本思维方法之一。在两事物的物理量及描述该两事物的数学模型具有相似性的条件下，我们可以通过类比研究一种事物之后类比知另一事物。类比法是中学物理中最具探索性和最富有创造性的一种思维方法，因而在物理教学中要加强应用。本文主要阐述了类比法的一般概念；与归纳、演绎的区别；类比法的应用在物理教学中的作用和意义；类比法在物理教学中的应用举例以及应用类比法要注意的问题，以便通过对学生思维方法的训练，提高学生的素质，以适应时代的需要。关键词：类比法 物理 教学 应用1 引 言素质教育的核心就是创新教育。类

2、比法是中学物理中最具探索性和最富有创造性的一种思维方法，在科学探索中，类比法的价值为世界上许多科学家所称道，开普勒说：“我珍视类比胜于任何别的东西，它是我最可信赖的老师，它能揭示自然界的秘密。”运用物理类比思维可以把陌生的对象和熟悉的对象进行对比，把未知的东西和已知的东西相对比，特别是在资料少，还不足以进行归纳推理和演绎思维的情况下，类比更是得天独厚，它可以启发思路，提供线索，进一步认识物理世界。因而在物理教学中运用类比方法，提高类比能力是培养学生创造性思维和创新意识的重要途径。2 类比法的一般概念21什么是类比法所谓类比法是指在两事物的物理量及描述该两事物的数学模型具有相似性的条件下，我们可

3、以通过类比研究一种事物之后类比知另一事物。22类比法的基本特征类比法是通过联想，把异常的、未知的事物（研究对象）对比寻常的、熟悉的事物（类比对象），然后依据两个对象之间存在着的某种类似或相似的关系，从已知对象具有的某种性质推出未知对象具有相应的一种性质的方法。3 类比与归纳、演绎的区别类比法是一种从特殊到特殊的逻辑思维方法，它与从特殊到一般的归纳法和从一般到特殊的演绎法相比，类比法跳过了其中的过渡中介途径，选择了一条路径更为简捷的推理思路，如图1所示 一 般 （归纳） （演绎） （类比）特 殊 特 殊 图1这种关系表明，类比有着比归纳法和演绎法更为简捷的特点，常能独辟蹊径，出奇制胜。因此，类比

4、法是科学研究中十分有用的一个方法。4 类比法的应用在物理教学中的作用类比法是物理思维的一种重要形式。中学生的思维方法是以形象思维为主，抽象思维相对比较差。虽然物理是以实验为基础，给人的感觉好象是比较实在，但是，物理的理论（概念、定义、定律、规律等）是对实验、事物实体等经过抽象化而形成的。学生往往觉得物理理论很抽象，很难以理解和接受。而运用类比方法教学，以旧带新，能引导学生的思维从形象提高到抽象，帮助学生有效地把握物理知识、发展智力、培养能力。5 类比法在物理教学中的应用举例类比法在物理学中有着广泛的应用。学生在学习物理过程中也总在不自觉地应用类比的方法。但由于类比的盲目性和不恰当性，常常出现错

5、误。教师的任务就在于引导学生自觉地应用类比，掌握类比在物理中的应用方法。从物理学的角度看，不同的研究对象之间有许多相同或相似的特征，它们遵守着相同或相似的物理规律，对它们的研究所采用的物理方法也受其特征所制约，三者之间有着必然的内在联系。若抓住研究对象的特征作为根据，应用类比，则既可进行传授知识和知识的应用教学，又可进行物理方法教学。51类比应用于知识教学一般来说，一个研究对象从不同角度看有不同的特征。应用类比于物理教学，其关键就是引导学生根据所研究的问题的性质来恰当地选取作为类比根据的两个对象的对应特征。例1、电势能增减问题。不少同学在分析正负电荷在电场中运动，电势能的增减问题时，不自觉地作

6、了如下的类比：因为:重力势能一电势能、高度一电势、高度降低(升高)一重力势能 减少(增加)，所以应有：电势降低(升高)一电势能减少(增 加)。显然，错误在于类比的根据不恰当。笔者在教学中进行了如下的引导：问：重力对物体做功和电场力对电荷做功的特点是什么?答：与路径无关。问：功与能量有什么关系?答：功是能量转化的量度。问：单考虑势能的变化，它由什么决定?答：由做功决定。至此，已找到了功与势能变化的关系，即类比的根据。问：重力对物体做正(负)功，重力势能怎样变化?答：重力势能降低(升高)。问：那么，电场力对电荷做正(负)功，电势能又该怎样变化?答案就自然出来了。再通过举例说明，绝大部分学生不再受正

7、负电荷这一因素的干扰，不仅轻松地掌握了这一内容，且对如何应用类比有了较深的印象。52类比应用于物理方法教学物理方法实际上是研究和处理物理问题的思路、方式，也即物理思想。加强物理方法的教育是提高学生素质的必要手段，是当代物理教育的发展趋势。物理方法与物理知识一样，需要经过多次的在不同方面的应用才能掌握。一般来说，一个物理方法处理的是一类(或几类)具有相同或相似特征的物理问题。若教学 中抓住研究问题的特征，通过类比，在不同领域内(或不同内容上)使用同一方法，则可达到加深理解物理方法的目的。例2、用于定义某些物理量的比值法。比值法应用的一个例子是：对一类描述物体运动状态特征的物理量的定义，如速度、加

8、速度、角速度等。这些物理量是通过简单运动引入的：匀速 (匀变速)直线运动、匀速圆周运动。它们具有的共同特征是：相等时间内，某物理量的变化量相等，用变化量与所用时间之比 就可表示变化快慢的特征。如速度就是用位置的变化量与所用时间的比值来定义的。笔者在教学中用速度的定义过程作类比的根据，对加速度、角速度等进行类比，许多学生都掌握了如何用比值法来定义这类物理量的方法。53类比应用于物理解题解题，就是解决物理问题，是物理方法和知识的应用过程。 故是实现“知识迁移”的重要一环，是物理教学的重要组成部分。应用类比于物理解题，其根据即是物理原型的特征。教学中通过分析待求问题的特征，把它与已知的物理原型进行类

9、比，从而找到方法，解出习题。例3、下题可作为整体应用牛顿第二定律的一个物理原型。原型一只质量为m的小猫，跳起来抓住悬在天花板上质量为M的竖杆，当小猫抓住木杆的一瞬间，悬木杆的绳断了。设木杆足够长，由于小猫不断地向上爬，可使小猫离地高度始终不变，求木杆下落的加速度?解析把杆和猫视为一整体，线断后，系统所受的合外力 为(M十m)g，小猫对地的加速度a10。设杆的加速度为a2，对系统由牛顿第二定律：F合外mal十Ma2得：(M十m)gMa2所以a2=(M十m)gM方向竖直向下。此题的特征是：系统由两物体组成，其中一物体加速度为零，若要求的量是系统所受的外力或系统内物体的加速度，此特征就使我们得以用通

10、常由牛顿第二定律求解单个物体的思路来求解系统问题。例(全国高考题)质量为M10千克的木楔ABC静置于水平地面上，滑动摩擦系数=002。在木楔的倾角为30°的斜面上，有一质量m10千克的物块由静止开始沿斜面下滑(如图2)。当滑行路程S14 m时，其速度V14 ms 。在这过程中木楔没有动。求地面对木楔的摩擦力的大小和方向。解析显然，此题特征与上面原型同，故可用整体法求解。 这是一个已知运动求受力的问题。 A yB C x 图2 图3物块m沿斜面下滑的加速度al由运动学公式：V2V02十2a1S ，且V0=0，得：a1V2(2S)142(2×14)07(m/s2)把m和M看作一

11、个系统，在竖直方向受到向下的重力和竖 直向上的支持力。在水平方向受到摩擦力f，方向待定。把a1分解为水平分量a1x和竖直分量a1y，如图3。对m和M整体的水平方向应用牛顿第二定律FX外ma1x十Ma2x得：fma1xma1cos30°10×07×32061(N)，方向沿X轴正方向。此类问题若用常规的隔离方法将是很麻烦的。许多形式不同的物理习题具有相同或相似的特征，只要理解、掌握了一个问题的特征和解法，应用类比，这类问题就迎刃而解了。从一定意义上说，这是一个把学生从题海战术中解放出来的较有效的方法。6 应用类比法应注意的问题61牢固的基础知识是运用类比法的前提类比法

12、是要把两个相似的数学模型中，一个数学模型的属性迁移到另一数学模型中去。假如学生对已知的数学模型的属性含糊不清的，则无法进行联想和类比。因此，必须要使学生牢固地掌握好基础知识，这是类比的前提。62纠正错误的类比，形成正确的认识类比法就其本质来讲是一种发现的方法，而非严格的推理。它在科学探索过程中走了捷径。学生容易接受和喜欢这种方法，自觉或不自觉地进行各种各样的类比。比起其它的科学推理方法来，更利于创新。但是，教师应该让学生知道类比的可靠性较小，由此得到的结论还要通过逻辑论证的检验。同时要对学生中不正确的类比及时给予纠正，防止知识的负迁移，形成正确的知识体系。7总 结类比法符合人们认识事物的规律和

13、当代教育学、心理学规律。应用类比方法，不仅可把抽象的新知识纳入到已有知识系统中来，变抽象为形象、变难为易、变繁为简，同时又可激发学生联想，具有启发思路、举一反三、触类旁通的作用。所以不失为一种促进学生知识“迁移”，提高学生素质的有效方法。但由于类比是一种或然性的推理，有时结论并不可靠，特别是以现象作为类比的根据时。而这正是学生常犯的错误。故物理教学中，应引导学生仔细分析、比较，透过现象抓住与所研究的问题相对应的特征，选择恰当的类比对象，提高其结论的可靠程度，自觉地掌握和应用类比方法。在人们意识到“创新是一个民族乃至一个国家的灵魂”的时候，培养学生的创新意识和创新能力，是我们教育工作者刻不容缓的任务。教师必须不断更新教育观念，充分利用教材的思想性，改革教法，开发学生潜能，为培养具有创新精神的高素质人才而努力。主要参考文献：1 王溢然、张耀久著类比，河南教育出版社，1993年8月第1版。2 张善贤著中学物理教学研究与实践，苏州大学出版社，2000年9月第1版。3 许国梁主编中学物理教学法，高等教育出版社，1981年1月