类比推理在物理教学中的应用

类比推理在物理教学中的应用
作者：周国英
来源：《中学物理·初中》2014年第10期
类比推理是根据对两个事物的比较而进行的推理.通过比较已知A、B两种事物在某些属性上相同或相似，并且已知A事物还具有另外属性，从而推出B事物也具有这种属性.科学上许多伟大的发现都是通过类比推理得到的.开普勒称类比推理是他最好的老师.类比推理能够使人发生联想，由此及彼，举一反三、触类旁通.在物理教学中恰当地运用类比推理，不仅可使学生由浅显的现象到明白深奥的道理，而且能够激发学生的学习兴趣，启发学生积极思考，最大限度地调动学生的积极性.
1类比推理的作用
类比推理在物理教学中有四两拨千斤的作用，其价值性也表现在多个方面.
1.1应用类比方法教学物理概念
物理学习中，很多情况下要将现象抽象为概念，总结为规律，对于初中生来说，其思维方式正经历着由形象思维向抽象思维的过渡阶段，由于学生思维能力比较低，因此，要尽量做到使概念问题现象化，抽象问题具体化，进行直观教学.
1.1.1形成物理概念
对于一些极为陌生的、抽象的物理概念，如果能用熟悉的、形象化的事物去类比，那么往往会产生“一语道破天机”的惊人作用，加速认识进程.
如，应用类比方法建立“物体的分子间的相互作用力”概念.我们知道，在任何情况下，分子间同时存在相互作用的引力和斥力，引力和斥力的大小都跟物体分子间的距离r有关.
分子间既然存在着吸引力，怎么又会有推斥力呢？如果建立“物体的分子间的相互作用力”这一概念？采用类比方法，构造如图1所示的分子间相互作用的模型：用两个小球类比两个分子；连接两个小球的弹簧和橡皮筋类比两个分子间存在的相互作用力；弹簧始终是受压缩的，其推力类比分子间的斥力，橡皮筋始终是受拉伸的，其拉小球的力类比分子间的引力，当弹簧的推力和橡皮筋的拉力平衡时，两个小球相隔一定距离，这类比于物体不受外力的压缩或拉伸时分子间相互作用的情况.应该指出的是，这个分子间相互作用的模型只是象征地用来使我们初步建立起“分子间的相互作用”这一概念，实际上分子间的相互作用比这个模型中小球间的相互作用要复杂得多.
1.1.2引进新概念
学过固体的压强后，将液体的压强与固体相类比，可知液体由于有重量也必然会对它的支持物——容器底部产生压强.
但是却不能由此直接引出液体对容器的侧壁产生压强以及液体内部也存在压强的概念.对学生来说这是一个模糊问题，此时我们可以应用类比性实验，成功地引出液体对容器侧壁产生压强以及液体内部也存在压强的概念.如图2（a）所示，将平整的塑料圆片盖在两端开口玻璃管的下开口端，用手托住.由于手给塑料片向上的压强，所以塑料片不下落，今缓慢将玻璃管下端与塑料片一起插入盛有水的玻璃杯中，并小心地使手脱离塑料片，如图2（b）所示，可看到塑料片也不下落.将这两个实验类比，可知图2（b）所示实验中的塑料片不下落的原因只能是液体给塑料片向上的压强，由此可知，液体内部存在压强.在图2（a）若使玻璃管倾斜一定角度，由于塑料片受到手给予的向旁侧的压强，所以塑料片不会下落；在图2（b）所示实验中，若用手托住塑料片，使玻璃管倾斜一定角度后再使手脱离塑料片，则可看到塑料片也不下落.由此可类比推出液体内部向旁侧也存在压强，可见液体对容器的侧壁产生压强.
1.1.3理解概念
应用类比方法帮助我们理解概念的例子在初中物理中比比皆是.
讲解“电压”一节时，为了弄清电流形成的原因，利用类比推理就可以收到良好的效果.我们用水路作比喻：用连通器做了水流形成的实验，总结出“水压”是形成水流的原因，抽水机是保持水压的装置.即：
（抽水机保持）水压
水——水流
与水流相似，要使电路中的电荷定向移动形成电流必须有“电压”.在电路中，电源的作用与抽水机类似，不断地把正电荷移到正极，而把负电荷移到负极，使得电源两极之间保持一定的电压.即：
电荷（电源提供）电压电流
讲“电阻”一节时，做这样一个实验，先将两个相同的灯泡串联起来连接电路，让学生观察灯泡的亮度，然后用一根导线与其一个灯泡并联，结果与导线并联的灯泡不发光，另一个灯泡却特别亮.学生都感到奇怪，求知欲剧增.用类比推理这样解释道：两条路去市内，一条是崎岖不平的山路，一条是平坦的柏油马路，哪条路对行人的阻碍大呢？相比之下山路对行人的阻碍大些，因此行人极少.同样道理：不同导体对电流阻碍作用不同.即电阻的大小取决于导体的长度、粗细和材料.通过比较，既明白了“电阻”的意义，也加深了对实验现象的理解.这两节课均以实验、观察开路，为学生提供了形象思维的条件，从而经类比推理过渡到抽象思维，强化了学生的认识，提高了教学效果.
1.2应用类比方法解答物理习题
例题某中学举办一次别开生面的体育比赛，如图3（a）所示，运动员从A点起跑，到PQ 线上抱起一个实心球，然后跑到B点，要求跑过路程最短，试确定这个最短路线？
解析从几何学中知道两点间以直线为短，于是据光沿直线传播的规律可以推断：光在反射传播过程中必沿最短路线，事实正是这样（证明从略）
据此，我们对所要解答的问题建立光学模型，即将所要解答的问题与光的反射现象相类比：PQ线与两介质分界面或镜面相类比，A点与点光源相类比，B点与反射光线上的一点相类比.从而问题的解答便转化为“已知光线从光源A射出，至镜面PQ后的反射光线穿过B点，求光线与镜面PQ的交点（入射点）位置”（图3b）.
2避免步入误区
类比推理在物理教学中虽有四两拨千斤的作用，但是在教学中，也要避免走入一些误区.
2.1走出“抽象化”误区
类比教学常用形象事物类比抽象事物，化不可见为可见，帮助学生想象.这里用于类比的事物一定要是学生熟知的，不能以抽象类比抽象.举一反例，如为帮助学生认识分子而提供了一个类比：如果把水分子与乒乓球相比，它们的大小比例近似于乒乓球与地球之比.对于初中学生来说，分子很小是抽象的，地球很大同样是抽象的，学生无法想象地球有多大，也就无法想象分子有多小.
2.2走出“复杂化”误区
类比教学的目的是实现思维的简捷化，有效降低教学的难度和复杂程度.要求选择的类比事物要构造简明，原理清晰，不可复杂化.如，用自来水供水系统来类比电源和电压，本应是十分妥帖的，但该系统对于初中学生来说过于复杂，故不可直接采用.现行课本是将它简化、明晰化后入用的.
2.3走出“简单化”误区
类比教学旨在“简化”思维过程，但不可将客观存在的物理事实和物理规律“简单化”，失去了完整性和正确性.例如，物质密度的不同与分子质量差异和分子间结构紧密程度的差异有关，若试图用铁和棉花仅在宏观上表现出来的结构上的差异来类比说明，学生学得的密度知识将是不完整的.
2.4走出“孤立化”误区
用类比方法得出的是或然性的结论，其正确性要通过实践来证明.类比教学法的这一“先天不足”决定了它不能“孤军作战”，必须和实验观察、事实分析、规律推理、计算证明等方法相结合.例如，利用液体压强的产生类比推导出大气压的存在后，还要通过马德堡半球实验，覆杯实验等事实来证明.
2.5走出“僵化”误区
类比教学法的运用应是灵活的.物理教学中，我们大多注重用正面类比直接得出正确的结论.其实，运用反例类比引导学生亲历错误的“陷井”，再设法得出正确结论，更能给学生留下深刻的印象.同时，也可以警醒学生：在科学研究中，有大量形似而质不同的事物，要避免形成“相似者相同”的僵化思路.例如，学生在理解R=U/I时往往不自觉地与I=U/R相类比，得出错误的结论.教师不能回避这一“思维惯性”，不如先“怂恿”学生得出错误结论，然后用事实推翻，再与ρ=m/V正面类比得出正确结论，这样正反交替，强化了理解.。