类比法在物理教学中的应用

/类比法在物理教学中的应用摘要：本文述了：类比方法的概念、特点、分类；它在物理学史及中学物理教学上的作用；类比方法的局限性；教学中的实践应用和运用类比法教学的注意问题。说明类比这种研究方法在中学物理教学中有降低初高中物理教学的台阶、可以帮助学生突破知识难点、可以提高课堂教学效益、可以培养学生的类比思维和创新能力的作用。学生能掌握类比这种研究方法对其终身学习和发展都具有重要的意义。关键词：类比方法物理教学思维创新前言物理学是一门基础科学.是自然科学和技术科学的基础.对促进经济与社会的发展具有重要作用。物理学的研究方法对于探索自然现象具有普遍意义。类比方法是一种重要的物理思维方法.它可以使知识条理化.把抽象的知识形象化.把复杂的问题简单化；它能帮助学生融会贯通所学的知识.提高学生分析、解决问题的能力.同时能较好的培养学生的逻辑思维和创新能力。因此.在教学中有意识的渗透或传授类比方法.使学生受到熏陶和训练.使学生自觉不自觉地逐步掌握和运用类比方法.为以后的终身学习奠定良好的方法基础。一、类比方法及其常见分类1、什么是类比法类比法是通过两个或两类研究对象进行比较.找出它们之间相同点和相似点.并以此为根据把其中某一个或某一类对象的有关知识和结论.推移到另一个或另一类对象上.从而推论出它们也可能有相同或相似的结论的一种逻辑推理和研究方法。其结论必须由实验来检验.类比对象间共有的属性越多.则类比结论的可靠性越大。与其它思维方法相比.类比法属平行式思维的方法。与其它推理相比.类比推理属平行式的推理。无论那种类比都应该是在同层次之间进行。亚里士多德在《前分析篇》中指出："类推所表示的不是部分对整体的关系.也不是整体对部分的关系。"类比推理是一种或然性推理.前提真结论未必就真。要提高类比结论的可靠程度.就要尽可能地确认对象间的相同点。相同点越多.结论的可靠性程度就越大.因为对象间的相同点越多.二者的关联度就会越大.结论就可能越可靠。反之.结论的可靠性程度就会越小。此外.要注意的是类比前提中所根据的相同情况与推出的情况要带有本质性。如果把某个对象的特有情况或偶有情况硬类推到另一对象上.就会出现"类比不当"或"机械类比"的错误。2、类比法的特点类比法的作用是"由此及彼"。如果把"此"看作是前提."彼"看作是结论.那么类比思维的过程就是一个推理过程。古典类比法认为.如果我们在比较过程中发现被比较的对象有越来越多的共同点.并且知道其中一个对象有某种情况而另一个对象还没有发现这个情况.这时候人们头脑就有理由进行类推.由此认定另一对象也应有这个情况。现代类比法认为.类比之所以能够"由此及彼".之间经过了一个归纳和演绎程序即：从已知的某个或某些对象具有某情况.经过归纳得出某类所有对象都具有这情况.然后再经过一个演绎得出另一个对象也具有这个情况。现代类比法是"类推"。类比法的特点是"先比后推"。"比"是类比的基础."比"既要共同点也要"比"不同点。对象之间的共同点是类比法是否能够施行的前提条件.没有共同点的对象之间是无法进行类比推理的。3、类比法分类根据不同的标准.类比法可以分为以下不同类型：⑴根据类比中对象的不同.类比可分为个别性类比、特殊性类比和普遍性类比等类型⑵根据类比中的断定不同.类比可分为正<肯定式>类比、负<否定式>类比和正、负<肯定否定式>类比等类型⑶根据类比中的内容不同.类比可分为性质类比、关系类比、条件类比等类型⑷根据类比中的前提和结论中的对象不同.类比可分为同类类比和异类类比等类型。同类类比又可分为"以己推人"式类比、"以人推己"式类比、"以人推人"式类比、"以物推物"式类比等类型；异类类比又可分为"以人推物"式类比、"以物推人"式类比等类型。⑸根据思维方向.类比可分为单向类比、双向类比和多向类比等类型。⑹根据结论的可靠程度.类比可分为科学类比和经验类比等类型。此外.根据对象的多少.类比还可分为完全类比和不完全类比等类型。二、类比法在物理学史上的作用物理学史上.常用的类比方法有等效类比、关系类比、协变类比、模型类比、对称类比等。类比被誉为科学活动中的"伟大的引路人".在很多关键时刻.科学家巧妙地运用了类比推理.提出科学假说.从而获得巨大成功。康德曾说过："每当理智缺乏可靠论证的思路时.类比这个方法往往指引我们前进"。法拉第了解到奥斯特发现电流能产生磁场后.就很自然地进行了逆向思考和对称类比推理.通过探索、研究、实验.终于发现磁场中获得电流的方法.使电磁学得到突飞猛进的发展。麦克斯韦不仅注意到物理现象、定律之间以及物理现象、定律与其他事物之间的局部相似性.而且考虑到数学形式的类比.运用协变类比法.他创造性地建立了电磁学方程.建立了完整的电磁场理论。三、类比法在中学物理教学中的作用学生往往习惯于形象思维.缺乏抽象思维和逻辑推理能力.因此对抽象的物理概念难于接受和理解。在教学中运用类比方法可以引导学生自己获取知识；有助于提出假说.进行推测.有助于提出问题并设想解决问题的方向；类比可激发学生探索的意向.引导学生进行探索.使学习成为学生自觉积极的活动.发展学生的思维能力。类比方法在中学物理教学中的具体作用主要有以下几个方面：1、降低初、高中物理教学"台阶"的作用初中物理教学基本上是建立在形象思维基础上的.它以生动的自然现象和直观的实验为依据.从而使学生通过形象思维获得知识。初中物理中的大多数问题看得见、摸得着。进入高中后.物理教学便从形象思维向抽象思维领域过渡.其知识性、逻辑性、抽象性和应用性都要强.学生在学习时感到难以适应。大多数学生感觉由初中到高中物理学科的跨度比较大.存在着"台阶"问题。其中高中物理采用了较多抽象思维和逻辑推理的方法.是这个台阶存在的重要原因之一。在教学中做好新旧知识的同化可以减少学生学习的困难。教师应当在备课时细致捉摸高中教材所研究的问题跟初中教材曾研究的问题.在言语、方法、思维特点等方面进行类比.找出存在的差别和内在的联系.明确新旧知识之间的联系与差异.确定课堂教学中如何启发与指导.使学生能利用旧知识来同化新知识.顺利的达到知识的迁移。教学难点的突破.是教学中的一个重要环节。其突破方法是：先依托已经掌握的一些基本的物理模型.如两小球的碰撞模型、人船模型、爆炸模型等.然后再把将待研究的问题与类似的已知规律的物理模型或物理过程进行比较.找出其"相当"的物理量.然后直接套用有关公式.使问题顺利解决决。因此.运用类比法解决物理问题时.经常可以简化求解过程。例在学习电场强度E=F/q这个概念时.可以先复习部分电路的欧姆定律.对公式R=U/I.在初中时.学生已经知道R与U并不成正比.与I也不成反比.它是物体本身的一种属性.给导体加电压的目的是为了检测其电阻阻值的大小.对电阻即使不加电压.它对电流的阻碍作用也是一样存在的；电场中某点电场强度E是确实存在的一种物质.与在该点有没有引入检验电荷、检验电荷的电性、电量等无关.它是由产生这个电场的电荷决定的。通过这样类比.把学习电场强度的方法与学习电压的方法进行同化.使学生容易接受新知识。2、提高课堂教学效益的作用不同的物理知识之间有许多相同或相似的特征.他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的制约。在中学物理知识在中.电磁学知识有一相同特征是其抽象性.因此在学习这部分知识时.常用它们与力学知识之间的相似性.采取类比法进行教学.可以收到事半功倍的效果。在平常的物理学习中.学生往往会觉得物理知识看得懂.也听得懂.但做起题来就是容易出错。究其原因.学生缺乏知识的系统化.所学的知识是零散的.没有融会贯通.所以学习效果并不好。如果在平时的课堂教学中.要有意识的运用类比方法。如.弹簧的串联1/K=1/K1+1/K2.电容器的串联1/C=1/C1+1/C2.电阻的并联1/R=1/R1+1/R2.电阻的串联R=R1+R2.弹簧的并联K=K1+K2.电容器的并联C=C1+C2。把它们联系起来.形成知识体系.对学生的学习就能起到事半功倍的作用。还有象v—t图象的面积为位移、F—t图象的面积为冲量、P—V图象的面积为气体做功、U—I图象的面积为电流做功的功率.机械波—电磁波—光波物质波的类比等等。运用类比法把相关的物理知识联系起来.可以帮助学生理解、记忆、掌握这些相关知识.从而提高课堂教学效益。3、培养学生的类比思维、提高创新能力的作用高、初中教材提供了很多利用类比的素材.教师在教学中应不失时机地引导学生对新知识进行恰当的类比.抓住知识系统中同类要素的联系.按照知识本身的结构规律通过类比迁移.不仅可以使学生以快速的获取知识.深刻地领会和掌握知识.而且还能使学生产生一种对问题的敏感性.迅速抓住问题的要害.找出解决问题的途径.这对于学生形成思维能力、提高素质都有很大的作用。为了使教育面向未来.培养适应未来变革的人才.在加强基础知识教学的同时.要培养学生善于从自然界或者已有知识中.寻找与创造对象相类似的东西.加以模拟.并创造出新的东西来。在运用类比方法培养学生的创新能力时.首先要让他们了解类比方法在物理学的发展过程中经常起着启示、探索、开路和创新的作用.许多新概念、新规律、新理论的提出借助于类比。如：卢瑟福通过α粒子散射实验知道：在原子中有一个仅占原子体积小部分<约十万分之一>但却具有绝大部分质量〔99.97%的核,而核外电子只有极小的质量；这种模型与太阳作为太阳系的核心.它占有太阳系总质量的99.87%.但体积却只占有大阳系空间的极小部分.而且原子核与电子之间的吸引力.以及大阳与行星之间的万有引力.都遵从与距离的平方成反比的规律。于是他运用类比方法把原子内部的情况和太阳系的结构进行类比.太阳系是由处于核心的太阳和环绕它运行的一系列行星构成的.因此.卢瑟福于1911年提出了原子是由电子环绕带正电荷的原子核组成的这样一个原子核结构的行星模型假说。通过类比.介绍知识的新领域.提出新的问题.把创造性思维的培养和开发引向科学的前沿。高中教材在介绍磁单极子的内容时.就采用了类比的方法：带电体周围有电场；磁体周围有磁场；同种电荷互相排斥.异种电荷互相吸引.这是它们的相似之处。但它们又不完全相似.在电现象里有电荷.正负电荷可以单独存在.在磁现象里有没有磁荷？磁单极子是否存在？科学研究的新课题就是这样通过类比提出来的.提出来后再通过实验来寻找.通过实验来验证。类比法可使知识条理化.它能分清概念和规律之间的相似和差异.从而发展知识的"空缺".指引了研究的方向。门捷列夫元素周期表就是通过分析归纳抓住各元素的质量排列和电荷数排列.把它们的物理性质和化学性质作类比.从而发现了"空缺".再有目的、有方向地寻找这些"空缺"对应的元素.并且获得了巨大的成功。我们的中学物理最后介绍了基本粒子.现在基本粒子已达到几百种.这些基本粒子是不是同一层次.什么是它们排列的主线.它们之间存在着什么规律.可以建立什么样的模型和理论.这正是当代科学家进攻的前沿阵地之一.这些问题的解决.类比法自然要发挥它的巨大作用一种思维能力的形成单有了解是远远不够的.它要经过反复的运用、训练才能形成。因此.在教学中要挖掘素材.指导学生注意抓住相关现象的本质特征.教会学生用类比的方法进行思考.并用类比方法解决问题.学生经过一定的熏陶、训练之后.一般都能较好的掌握类比方法.并由此提高创新能力。创新能力的培养主要是培养学生的创造性思维。创造性思维能力主要包括发散思维、收敛思维、灵感思维、直觉思维、形象思维等。四、类比方法的局限性类比是一种重要的推理方式.是人们认识新事物或有所新发现的重要思维方式。但类比不是一种严密的推理.类比推理的结果是否正确.还需要经过实验来验证。自然界中的各种事物既存在着相似性也存在着差异性.而不同事物之间差异性的存在却恰恰限制了类比的范围.所以由类比所得的结论不一定都是可靠的。这是因为：①事物之间的统一性和差异性是类比推理的客观基础.同一性提供了类比的根据.而差异性则限制了类比的结论。根据相似属性进行类比推理时.推出的属性如果正好是它们的差异性.类比的结论就会产生错误。②类比的逻辑根据是不充分的.类比是以对象之间的某些相似性为依据的.从两个对象之间在某属性方面的相似或相同.并不能得出它们在其它属性方面也必然相似或相同的结论.因为相似性和推出的属性之间不一定有必然的联系。而类比推理是允许在不知道它们之间是否有必然联系的前提下进行的。因此.同样是运用类比推理得出的结论.有的可以是对的.有的可以是错的。经验告诉我们.掌握的相似属性越多.推出的结论的可靠性越高.而相似属性越是本质的属性.则类比推出的结论可靠性越高。所以自然界的各种事物存在的相似性是人们运用类比进行推理的客观依据.一个物理理论不仅要能够反映客观事物的定性关系.还能够反映它们的定量关系.不仅能够概括描述客观事物现已存在的已知东西.还能够预言未知的东西.也就是说定量化与可演绎是一个成熟的物理理论不可缺少的方面。数学方程就具有定量与可演绎特征.因此解决物理问题必须用数学方法.没有数学方法就没有物理理论的科学表达.成熟的物理理论要用数学方程来表达。而同一个数学方程可以描述差别很大的不同的物理过程.这是一个数学公式的普遍性。因此.不同事物的属性.数学方程式及其定量描述上有相似的地方.才可以比较；根据其相以的部分.推知其未知部分可能也是相似的.若超出方程式限制范围进行类比得到的结论就不一定可靠了。五、恰当运用类比方法进行教学1、运用共存类比简单共存类比是以简单关系为推理中介的类比思维。这种类比最简单.在引入新课时运用得最多.学生最容易接受。在高中物理教材中.引入磁场概念时便运用了简单共存的类比思维。我在教学中.充分发挥教材的这一方法.结合学生的实际情况进行教学。首先.把电场与磁场有关的相似属性列出：如电荷与电荷之间有相互作用力.磁极与磁极之间也有同名磁极相斥、异名磁极相吸的现象；这样由电荷周围存在电场.可以类比推出磁极周围也应存在磁场；由电荷间作用力不能直接发生.需要电场传递.可以类比推出磁极间相互作用力也不能直接发生.传递磁极间的相互作用也要靠一种场--磁场；由电场是一种物质.可推知磁场也是一种物质。2、运用因果类比因果类比是根据相类比的两个对象各自属性之间可能具有相同的因果关系而进行的类比推理。在"电流的形成"的教学中.我用"水流的形成"相类比.推出"电流的形成"。我先说一句俗语的上句："人往高处走……"学生就很自然地接着说："水往低处流。"我马上引导学生思考：怎样才能形成水流呢？经过学生的思考和讨论.得出：水流的形成是由于水有高度差〔水往低处流。我笑着说："别忘了还应该要有水！"于是学生得出结论：形成水流的条件是有水和高度差。接着.我用水流跟电流类比.推出电流形成的条件.过程如下：教师：水流可以说是水的定向移动.而电流是电荷的定向移动.它们之间很类似。形成水流的第一个条件是要有水.电流呢？学生：要有电荷。〔此处运用了简单共存类比教师：确切地说.是要有自由电荷。那么.自由电荷在什么情况下会定向运动呢？学生：受到电场力。教师：对！自由电荷在什么地方会受到电场力呢？学生：电场。教师：在电路中.电池的两极间有电压.即有电势差。当导体的两端与电池的两极接通时.它的两端就有了电压.导体中就有了电场。这样.导体中的自由电荷在电场力的作用下定向移动.形成了电流。所以.跟水流的形成相类比.形成电流的另一个条件是什么？学生：还要有电势差〔电压。这样.通过水流的形成跟电流的形成相类比.抓住主要的特征.由此及彼.由因到果.类推出电流形成的条件.学生既容易理解.又不容易遗忘。3、运用对称类比对称类比是根据两个对象属性之间的对称关系进行的类比。客观世界中也确实存在着许多的对称关系〔例如：物体形状或几何形体的对称性、正负电荷与南北磁极的对称性、粒子与反粒子的对称等.这也是进行对称类比的基础。在电磁感应的教学中.我列出电与磁的对应的特征：正负电荷与磁南北磁极相对应；电荷的相互作用与磁极的饿相互作用相对应；电场与磁场相对应。接着提出一个问题：电流有磁效应.也就是说"电"可以生"磁".那么."磁"可不可以生"电"呢？根据电跟磁的对称性.学生很自然地想到："磁"应该也可以生"电"！。4、运用性质类比是指对象各个属性之间的关系仅仅在于它们都是同一对象的属性．例"多普勒效应"最初是关于声音传播的定律.多普勒把光和声进行了类比.指出"多普勒效应"不仅适用于声波.也适用于光波．哈勃等天文学家根据"多普勒效应"解释了天文学上的"红移现象"进而得出宇宙大爆炸理论．例人们依据声现象的一些特性与光现象特性进行类比声现象具有：光现象具有直线传播直线传播反射反射折射折射干涉干涉波动的特性？所以光可能也具有波动的特性．这一结论被后来的研究和实验所证实．5、运用关系类比它是根据两个对象各自属性之间可能具有的相同因果关系而进行的类比推理．例牛顿发现的万有引力定律.把天体力学与地上的力学统一起来.实现了物理学发展史上的第一次大综合.这其中就要应用关系类比的方法.高山上用力抛出的石头.初速度越大.则抛出越远.如果速度足够大.则石头可能绕地球运转而不落向地面.摇动系着绳子的石头.则石头可做圆周运动；而天上的月亮能作圆周运动.也可能象石头一样是受向心力作用.而这一向心力就是月亮与地球间的引力.从而导致万有引力定律的发现．6、运用协变类比协变类比也称数学相似类比.它根据两个对象可能具有属性之间的某种协变关系〔定量的函数关系进行的类比推理。也就是说：两个对象有若干属性相同或相似.并且在两者数学方程式相同或相似的情况下.推论在其他方面的属性也相同或相似。德布罗意在1924年提出物质波公式的推理过程：光具有粒子性和波动性.所以实物料子也具有粒子性和波动性：所以实物粒子也可能具有方程式E＝hv.λ＝h／mv.此数学关系式被1927年的电子衍射实验所证实；库仑在电磁学研究中从牛顿的万有引力定律公式F∝m1m2／r2中.联想到电荷之间的相互作用力也应遵从F∝q1q2／r2这一基本的电作用规律.于是就把库仑力的定量关系类比于万有引力公式.而得出F∝q1q2／r2。例如：图线教学中.V–t图线下的面积表示位移.F–t图线下的面积表示冲量.I–t图线下的面积表示电量.P–V图线下的面积表示功.F–S图线下的面积表示功。通过这些图线的类比.学生们对图线的物理意义有了深刻的认识。如果要求电容器的带电量.我们可以作电容器的放电电流I随时间t的变化规律图线.再由图线面积求电量Q。在恒定电流一章中有两个U–I图.一个是对定值电阻两端电压随流经它的电流的变化规律的描述.遵循部分电路欧姆定律.导体电阻不同则图线斜率不同；另一个是全电路中.路端电压随整个电路的总电流变化的规律。它们的研究对象不同.变化规律不同.物理意义也不同。通过类比能较好地弄清它们的使用条件和变化规律.使用起来也不会出现差错六、运用类比法值得注意的几个问题1.正确对待类比推理的或然性"任何比喻都是蹩脚的。"类比方法跟比喻方法很类似.也存在着不足的地方：由类比所得出的结论都具有一定的或然性.有时会出现错误。从两个对象之间在某些方面的相同或相似.并不一定得出它们在其他属性方面也必然相同或相似的结论。我运用类比方法时都注意到这个问题。2.通俗不俗.科学严谨选做类比的材料应当通俗.尽可能利用学生已有的知识.熟知的事物。但是.类比的材料不能太庸俗了.要和思想教育协调.取材要适合国情。例如.有的国外教材.以赌场里赌徒们的输赢类比机械能守衡.虽然十分形象.也很贴切。但是这个类比对我国来说是低级庸俗的.不宜采用。通俗易懂与科学严谨是辨证统一的关系。通俗而不易懂.易懂而不严谨就失去了科学性。这里指得是相对某一层次、学生的某一认识阶段的科学性.这里说的严谨.其中包括类比格式的严谨.要求相类比的两个事物间相似点一一对应.而且要对应得当.类比推理才有说服力。3.防止机械类比应用类比的首要问题就是研究两类事物的可比性.即使是两个可以进行类比的事物.也不可能所有属性处处相似.点点对应。它们之所以是两个事物.必存在差异性。在进行类比时.有时要告诉学生两事物间哪些方面可比.哪些方面不可比.避免机械类比的错误。对本身就比较直观.与生活联系较紧的物理概念与物理现象等.没有必要非用类比.用了反倒显啰嗦.冲淡主题.使教学重点得不到突出。4.要有针对性