淺談?lì)惐确ㄔ诔踔形锢斫虒W(xué)中的應(yīng)用

南京樹人國(guó)際學(xué)校

南京初中物理教師成長(zhǎng)共同體

朱文軍 （江蘇南京210003）

學(xué)生的學(xué)習(xí)過程就是利用已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)去不斷的同化和順應(yīng)新知識(shí)的過程。這是學(xué)生的主動(dòng)建構(gòu)過程，很多的物理概念、過程及規(guī)律是抽象的、復(fù)雜的、枯燥的，如何把這些內(nèi)容轉(zhuǎn)化成形象的、簡(jiǎn)單的、趣味化的東西，類比法不失是一種行之有效的方法之一。

一．類比法的概念及分類

（一）類比的概念

所謂“類比”，就是在承認(rèn)同一“類”事物具有本質(zhì)屬性的前提下，根據(jù)兩個(gè)“種”之間在某些方面有相同或者相似的屬性，去推導(dǎo)其他方面可能也有相同或者相似的屬性的一種邏輯推理思維方式。

類比方法的基本模式是：

A事物具有a、b、c、d等屬性，

B事物具有a^/、b^/、c^/等屬性，

其中a^/、b^/、c^/分別與a、b、c相同或者相似，

推出結(jié)論：B事物可能也具有與d相同或者相似的屬性d^/。

（二）類比的分類

自然界的事物形形色色，事物屬性間的關(guān)系也多種多樣，根據(jù)事物屬性a、b、c、d之間的關(guān)系，可以把類比分為簡(jiǎn)單共存類比、因果類比、協(xié)變類比等。
1.簡(jiǎn)單共存類比

簡(jiǎn)單共存類比是指對(duì)象各個(gè)屬性之間的關(guān)系僅僅在于它們都是同一對(duì)象的屬性。它們之間可能是并列的、孤立的關(guān)系，或人們不知道（或不關(guān)心）它們之間有無其他關(guān)系。其基本模式為：

A事物具有a、b、c與d有簡(jiǎn)單共存關(guān)系，

B事物在這種簡(jiǎn)單共存關(guān)系中有屬性a^/、b^/、c^/，

所以，B事物也可能有共存屬性d^/。

2．因果類比

因果類比是根據(jù)兩個(gè)對(duì)象各自屬性之間可能具有的相同因果關(guān)系而進(jìn)行的類比推理。其基本模式為：

A對(duì)象中，屬性a、b、c與屬性d有因果關(guān)系，

B對(duì)象中，屬性a^/、b^/、c^/與a、b、c相同或相似，

所以，B對(duì)象可能有屬性d^/，且d^/與d相同或相似。

3．協(xié)變類比

協(xié)變類比也稱數(shù)學(xué)相似類比，它是根據(jù)兩個(gè)（或兩類）對(duì)象可能具有的屬性之間的某種協(xié)變類比（定量的函數(shù)關(guān)系）進(jìn)行的類比推理。這種類比形式有兩種，其中一種是根據(jù)兩個(gè)對(duì)象的各個(gè)屬性在協(xié)變關(guān)系中的地位相同或相似，推出它們應(yīng)具有數(shù)學(xué)形式也相同或者相似，其基本模式為：

A對(duì)象具有a、b、c屬性，且對(duì)A有f₁(x_i)=0，

B對(duì)象具有a^/、b^/、c^/屬性，且a^/、b^/、c^/與a、b、c分別相同或相似，

所以，B對(duì)象也具有方程式f₂(x_i)=0

且f₂(x_i)=0與f₁(x_i)=0在形式上相同或相似。

二．類比在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用

1．電流

如圖1所示，蘇科版教材第十三章在講到電流時(shí)，把它和水流進(jìn)行類比。

電壓

    蘇科版教材第十三章在講到電壓時(shí)，采用了水路和電路的類比來引入電壓的概念，把電壓和水壓進(jìn)行類比。如圖2所示，水壓是水管中形成水流的原因，類似的電壓是電流形成的原因。

2．內(nèi)能

蘇科版教材第十二章在講解內(nèi)能的大小與哪些因素有關(guān)時(shí)，把組成物質(zhì)的分子類比成宏觀的物體，宏觀的物體有質(zhì)量，如果運(yùn)動(dòng)的話就具有動(dòng)能，同樣分子也有質(zhì)量，分子也在運(yùn)動(dòng)（永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)），所以分子也具有動(dòng)能；宏觀的物體由于受到重力作用，當(dāng)物體被舉高時(shí)，在地球和物體組成的系統(tǒng)中就具有重力勢(shì)能，分子之間也具有類似的相互作用的引力，分子之間也有距離，所以分子之間也具有類似于宏觀物體動(dòng)能的能量，叫做分子勢(shì)能；彈簧被壓縮時(shí)，由于彈簧匝與匝之間的斥力，在彈簧和被壓物體組成的系統(tǒng)之間就具有彈性勢(shì)能，同樣分子之間也具有類似的斥力，所以分子之間也具有類似于彈性勢(shì)能的能量，叫做分子勢(shì)能。物理學(xué)中把組成物質(zhì)的所有分子由于無規(guī)則運(yùn)動(dòng)而具有的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和叫做內(nèi)能。

1．光的折射

光的速度是一個(gè)任何其他速度都不能達(dá)到的速度。但光在不同的介質(zhì)里面?zhèn)鞑ニ俣炔⒉幌嗤?，因此便發(fā)生光的折射現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象，我們可以利用日常生活的例子來近似地加以解釋。如圖3所示，用臺(tái)布覆蓋著桌子上一半的地方，取一對(duì)從廢壞的玩具汽車上拆下來的小輪放在臺(tái)布上掀起鋪有臺(tái)布的那一邊的桌子，使桌面略為傾斜，并以能使該對(duì)小輪能慢慢滾動(dòng)為度。如果該對(duì)小輪方向與臺(tái)布邊緣垂直，則其滾動(dòng)方向并不發(fā)生變化，但若小輪與臺(tái)布邊緣成一斜角，則當(dāng)小輪進(jìn)入桌面時(shí)其進(jìn)行方向立即發(fā)生偏折。由此可見，當(dāng)物體由粗糙接觸面進(jìn)入平滑面時(shí)，其前進(jìn)速度必發(fā)生變化，若其進(jìn)行方向與接觸面分界線成一斜角度則必發(fā)生曲折現(xiàn)象[1]。

2．比熱

在說明比熱的時(shí)候，作為物質(zhì)的水和熱量之間，有種種相似之處。例如，向一容器里注水，容器里的水面高度的增加，跟注入的水的質(zhì)量成正比。

 這可以類比熱量和溫度的關(guān)系。物體的溫度上升跟與物體吸收的熱量成正比。那么在這個(gè)比喻里，與物質(zhì)的比熱以及熱容量相當(dāng)?shù)挠质鞘裁茨兀?/pre>
仔細(xì)想一想就可以知道，跟比熱相當(dāng)?shù)氖鞘⑺萜鞯牡酌娣e。準(zhǔn)備幾個(gè)底面積不同的容器，往里面注入等量的水，顯然，這時(shí)各個(gè)容器里水面的高度跟容器的底面積成反比。也就是底面越大的容器水面的高度越低。跟這個(gè)事實(shí)相對(duì)應(yīng)的是，比熱越大的物體，溫度上升得越少。
（三）課堂教學(xué)中開發(fā)的案例
1．物質(zhì)的物理屬性
相傳古時(shí)曹操在烈日下帶領(lǐng)軍隊(duì)在一個(gè)沒有水的地帶行軍，士兵們都非?？?，行軍速度越來越慢。曹操就說，前面不遠(yuǎn)就有梅林，到哪兒摘酸梅吃可以解渴。士兵們聽說前面不遠(yuǎn)有酸梅可吃，頓時(shí)嘴里就流出口水，就不那么渴了，士兵都有了精神。一提到梅子為什么就能止渴呢？這是因?yàn)槭勘贾浪崦返奶匦允俏秲悍浅Ｋ帷?/pre>
 自然界中各種物質(zhì)都有它自己的特性，甘蔗甜、黃連苦、木柴可以燃燒、金屬能夠?qū)щ姷?，都是物質(zhì)的特征。物質(zhì)的特性是物質(zhì)本身所固有的屬性，一般來說物質(zhì)的特性不隨時(shí)間、地點(diǎn)等外部條件變化而變化。三國(guó)時(shí)期，曹操說梅能止渴，今天望梅也能使人口生酸水；外國(guó)的鐵能夠?qū)щ?，中?guó)的鐵也能導(dǎo)電。
物質(zhì)的密度、比熱、電阻率等都是物質(zhì)的特性。
2．摩擦起電的本質(zhì)
蘇科版物理教材在第七章介紹了摩擦起電，解釋為不同的原子核對(duì)電子的束縛能力不同。學(xué)生一般很難理解束縛能力，這時(shí)可以做一下類比：我們把原子類比做一個(gè)家庭，原子核就好比家長(zhǎng)，電子就好比小孩，有的家長(zhǎng)能管得住自己的孩子，讓他去上學(xué)他就去，不讓他打游戲他也就不會(huì)去。但是有的家長(zhǎng)對(duì)孩子的束縛能力比較差。原子核對(duì)電子的束縛能力就像家長(zhǎng)對(duì)孩子的束縛能力，兩種不同的物體相互摩擦?xí)r，對(duì)電子束縛能力弱的原子核就有可能失去電子，而對(duì)電子束縛能力強(qiáng)的原子核，不僅能“看好”自己的電子，乘人家不注意還能把另外的電子搶過來據(jù)為己有。這樣就得到了電子，電子的數(shù)量超過質(zhì)子數(shù)量而帶負(fù)點(diǎn)，另一種原子核因?yàn)槭ル娮佣鴰д姟?/pre>
3．串聯(lián)分壓公式
兩個(gè)導(dǎo)體串聯(lián)時(shí)分得的電壓與電阻成正比，當(dāng)其中一個(gè)電阻發(fā)生改變時(shí)，它們分得的電壓也會(huì)發(fā)生改變。學(xué)生在做動(dòng)態(tài)電路的問題時(shí)經(jīng)常容易弄錯(cuò)，我一般用這樣的類比來降低教學(xué)的難度：我和一名學(xué)生來分100個(gè)蘋果，我們分配的原則是按照年齡大小比例來分。第一次我和一名幼兒園小朋友分，我們各分得一定數(shù)量的蘋果，當(dāng)把這個(gè)小朋友換成一個(gè)小學(xué)生時(shí)，由于年齡的增加（相當(dāng)于電阻變大），學(xué)生分得的蘋果將變多（相當(dāng)于分得的電壓變大）。
4．磁場(chǎng)是一種物質(zhì)
說樓房、汽車、教科書是由物質(zhì)構(gòu)成的，大概不會(huì)有誰提出異議，因?yàn)樗鼈兪悄菢泳唧w直觀地出現(xiàn)在你的面前。說“場(chǎng)”，例如磁場(chǎng)也是物質(zhì)，很多同學(xué)就不那么信服。因?yàn)檎l也沒有見過場(chǎng)這種物質(zhì)是什么樣的，你見過空氣嗎？你認(rèn)為空氣不是物質(zhì)嗎?我相信，盡管人們沒看到也沒模到過空氣卻不會(huì)有人懷疑它的客觀存在，沒有人懷疑它的物質(zhì)性。其根據(jù)就在于：當(dāng)你把嘴巴和鼻孔堵住一會(huì)，你就覺得此刻你需要空氣就像饑餓時(shí)需要一塊面包那樣具體。當(dāng)人們看到彩旗飄舞、柳枝輕搖的時(shí)候都會(huì)想到這正是空氣施力于它們所致。
力的作用要靠物質(zhì)來傳遞，家里的門要靠手和門直接作用才能打開，公共汽車上的門，要靠手按氣門按鈕，車門才能開或關(guān)，其中也少不了傳遞力的作用的空氣。這種傳遞情況是：



兩磁體之間也有相互作用力，傳遞這種力的作用的物質(zhì)就是磁場(chǎng)。
         
磁體
               
磁場(chǎng)（物質(zhì)）
               
磁體
    


5．波速、波長(zhǎng)和頻率三者之間的關(guān)系
波長(zhǎng)、頻率、波速是定量描述波的三個(gè)物理量，它們之間有著確定的聯(lián)系。這種聯(lián)系正像人正常走路時(shí)：
 人走路的速度＝步長(zhǎng)(一步所跨出的長(zhǎng)度)×步頻(單位時(shí)間內(nèi)邁出的步數(shù))
 對(duì)于一確定的波，其波長(zhǎng)一定，頻率一定，那么就有：
 波的傳播速度＝ 波長(zhǎng)×頻率
在同一種均勻介質(zhì)中一種波的傳播速度是確定的。如不同頻率的聲波(即高低不同的聲音)在15℃的空氣中的傳播速度為340米／秒，不同頻率的電磁波在真空中的傳播速度都是30萬公里／秒。為什么不同的頻率卻有相同的速度呢？
一個(gè)大人領(lǐng)著一個(gè)小孩—同走路，他們的行進(jìn)速度當(dāng)然相同，可是大人的步長(zhǎng)大，小孩的步長(zhǎng)小，這就要求小孩的步頻高才能和大人同速或是說大人的步頻低一些才能和小孩同速。
 對(duì)于確定的波，頻率基本一定，這與傳播的介質(zhì)天關(guān)。它在不同介質(zhì)中傳播的速度不同是由于它在不同介質(zhì)中傳播時(shí)的波長(zhǎng)發(fā)生了變化。這正像人邁步行走的步頻一定，在泥濘的道路上行走與在柏油路向上行走的速度不同，主要是由于在兩種不同路面上他的步長(zhǎng)不同而造成的。
6．分子間的作用力
當(dāng)分子間處于平衡狀態(tài)時(shí)，分子間的引力和斥力相等。當(dāng)分子間距離大于平衡位置時(shí)，表現(xiàn)為引力；分子間距離小于平衡位置時(shí)，表現(xiàn)為斥力。學(xué)生很難理解這種關(guān)系，這時(shí)可以這樣類比：兩個(gè)同桌的學(xué)生之間既有合作也有競(jìng)爭(zhēng)（相當(dāng)于分子間引力和斥力的），但是通常情況下合作與競(jìng)爭(zhēng)之間可以達(dá)到平衡。當(dāng)一個(gè)同學(xué)因事離開學(xué)校時(shí)，同學(xué)之間的合作減弱（相當(dāng)于引力減?。?，不能再那么方便的在一起討論、學(xué)習(xí)了，競(jìng)爭(zhēng)也減弱了（相當(dāng)于斥力減小），不再為班級(jí)的一個(gè)三好學(xué)生名額爭(zhēng)斗了，但是競(jìng)爭(zhēng)減弱的更多，這時(shí)候表現(xiàn)為想讓同學(xué)回來（類似于分子間表現(xiàn)為引力，想把分子間的距離拉?。?。
而如果把同桌的兩個(gè)學(xué)生放到一個(gè)家庭的話，他們的合作增加了，但是競(jìng)爭(zhēng)也增加了，且為了家庭資源的利用，他們之間競(jìng)爭(zhēng)力增加的更多，表現(xiàn)為“斥力”，想分開。
7．影響電阻大小的因素
同學(xué)們?cè)谕ㄟ^實(shí)驗(yàn)探究得出影響電阻大小的三個(gè)因素（材料、長(zhǎng)度、橫截面積）之后，還是很難理解。這時(shí)可以做如下類比：把導(dǎo)線類比成公路，導(dǎo)線越粗相當(dāng)于公路的車道越多，那么車行駛時(shí)遇到的阻力就越小（相當(dāng)于電阻小）；導(dǎo)線越長(zhǎng)，就相當(dāng)于市民在元宵節(jié)晚上逛夫子廟，人特別多，一個(gè)市民走的路越長(zhǎng)，遇到的總阻力也就越大，感覺就越累（相當(dāng)于導(dǎo)體的電阻越大）；材料的種類會(huì)影響電阻大小，相當(dāng)于不同材料的道路（水泥路、瀝青路、土路）對(duì)車子的阻力大小不同。
8．串聯(lián)電路電流特性
電流的大小相當(dāng)于自來水管中水的流量，同一根密封的自來水管道，無論管道粗一點(diǎn)（相當(dāng)于電阻小）還是細(xì)一點(diǎn)（相當(dāng)于電阻大），各處的水的流量是一樣的。所以串聯(lián)電路各處電流大小相等。
9．并聯(lián)電路電流特性
比如長(zhǎng)江水在通過江心洲時(shí)分成兩個(gè)部分，那么上游水的流量應(yīng)該等于兩部分水的流量之和。這就相當(dāng)于并聯(lián)電路干路中的電流等于各支路電流之和。
10．串聯(lián)電路電壓特性
串聯(lián)電路兩端總電壓等于各部分電路兩端電壓之和?？梢宰鋈缦骂惐龋鹤≡谏嚼锏娜擞袝r(shí)需要把山頂?shù)娜缴较拢瑫?huì)用很多長(zhǎng)度不同、傾斜程度不同的竹筒接在一起。無論每節(jié)竹筒的長(zhǎng)還是短，放置的傾角大還是小，一定滿足總的高度等于每節(jié)竹筒的高度和。這里面每節(jié)竹筒的高度就類似于每一個(gè)用電器兩端的電壓，竹筒總的高度就類似于電路兩端的總電壓。
類比在有的時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)問題，比如，時(shí)間相等的兩段路程，總的平均速度正好等于這兩段平均速度的平均值。有的同學(xué)會(huì)認(rèn)為任何情況下總的平均速度都等于速度的平均值。
中學(xué)物理教學(xué)中有的類比需要改變順序，比如很多時(shí)候老師在學(xué)習(xí)磁場(chǎng)時(shí)把它與電場(chǎng)類比，事實(shí)上學(xué)生在初中就已經(jīng)很熟悉磁場(chǎng)了，正確的順序是在高中學(xué)習(xí)電場(chǎng)時(shí)與磁場(chǎng)進(jìn)行類比。
初中學(xué)生還處于形象思維階段，對(duì)一些抽象的物理知識(shí)還不容易理解，如果老師能很好的把抽象的知識(shí)與形象的生活聯(lián)系起來，就能把復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化，枯燥的知識(shí)趣味化，最后肯定能達(dá)到抽象知識(shí)形象化的效果，這樣的課堂才是有效的課堂，這樣的學(xué)生才是幸福的學(xué)生，這樣的老師才是智慧的老師。
參考文獻(xiàn)：
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初中物理類比法 







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