類比思想在物理規(guī)律探究教學中的應用

 類比思想在物理規(guī)律探究教學中的應用

【關鍵詞】
 類比思想、物理規(guī)律、探究、猜想假設、物理性質、物理圖象、物理公式、彈性勢能、重力勢能
【論文摘要】
 本文根據(jù)《高中物理課程標準》的基本要求，論述類比思想在物理規(guī)律探究教學中的應用。本文首先介紹了類比思想的本質（即它的邏輯學依據(jù)）和在物理規(guī)律探究教學中應用的必要性。然后以物理規(guī)律的三種表現(xiàn)形式為依據(jù)將類比思想的應用方法分為三類：性質類比、公式類比和圖象類比。并以“探究彈性勢能表達式”為例，分別闡述了三種類比方法的應用思路。論述過程中利用圖表的形式生動地展示類比思想的應用過程，并在每一種方法的歸納中將應用思路延伸到中學物理中的其它規(guī)律。
 
 問題提出：《高中物理課程標準》的全面實施更加強化了探究式教學的重要性，它在指導意見中明確指出：物理教學要讓學生“經歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律”。但建立在科學實驗和數(shù)學模型基礎上的物理學兼具了形象與抽象的雙重特點，這對中學生來說是巨大的挑戰(zhàn)。我們要在教學過程中引導學生進行有效的科學探究，就必須要有科學思維方法的指導。邏輯思維中重要方式之一的類比思想就是重要的方法之一。本文主要對物理規(guī)律探究教學中的類比思想應用的方法進行詳細論述。
 
一．類比思想的邏輯學依據(jù)
 人類的思維的寶貴庫中，類比推理是被眾多哲學家和科學家所推崇的邏輯思維方式之一�？档抡f過：“每當理智缺乏可靠論證的思路時，類比這個方法往往能指引我們前進”。著名物理學家麥克期韋則認為：“一門科學的定律和另一門科學的定律存在部分的相似，這使得每條定律都對其它定律有所說明”。
 類比推理的過程涉及兩個對象——研究對象和類比對象。類比對象的選擇是以研究目的為依據(jù)，通常是把陌生的對象與熟悉的對象相類比，把未知的東西和已知的東西相類比。
 類比推理是根據(jù)兩個（或兩類）對象在某些屬性上相似而推出它們在另一個屬性上也可能相似的一種推理形式。
 類比推理的具體過程是：通過對兩個不同的對象進行比較，找出它們的相似點，然后以此為依據(jù)，把其中某一對象的有關知識或結論推移到另一對象中去，其基本模式是：
 
 
 
 
 
 
二．類比思想在物理規(guī)律探究教學中應用的必要性
 物理教學首先是圍繞物理學的基本規(guī)律展開的，《高中物理課程標準》在它的“知識技能”目標說明中指出：“要讓學生在學習中了解物質結構、相互作用和運動的一些基本原理，了解物理學的基本觀點和思想”。但教學的過程不能僅僅是知識的呈現(xiàn)，而是要引導學生在“提出問題→猜想假設→驗證猜想→得出結論”的過程中主動探究物理規(guī)律，從中更深刻的理解物理原理，掌握物理研究的基本方法，體驗科學研究的過程。類比思想為探究教學提供了重要的思維手段。
 而中學生的思維方法是以形象思維為主，抽象思維相對比較差。雖然物理是以實驗為基礎，給人的感覺好象是比較實在，但是，物理的規(guī)律（概念、定義、定律等）是對實驗、事物實體等經過抽象化而形成的。學生往往覺得物理規(guī)律很抽象，很難以理解和接受，而物理實驗對于中學階段的學生來說還不可能很熟練的運用。在這種情況下，要順利引導學生主動探究就變得很困難。
 運用類比方法教學，以舊帶新，能引導學生的思維從形象提高到抽象，把陌生的、未知的物理對象和熟悉的、已知的物理對象進行對比。特別是在資料少，還不足以進行歸納推理和演繹思維的情況下，類比更是得天獨厚，它可以啟發(fā)思路，提供線索，幫助學生在探究的過程中發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律之間的聯(lián)系，有效地提出假設，科學地進行邏輯論證，也能促進學生加快、加深對新的物理規(guī)律的理解、記憶及應用。   
 
三．類比思想在物理規(guī)律探究教學中的應用方法
 物理規(guī)律的表現(xiàn)形式主要有三種：文字描述、物理公式、物理圖象。文字描述直接闡述物理規(guī)律的基本性質，物理公式是對物理規(guī)律簡潔但抽象的一種數(shù)學表現(xiàn)方式，物理圖象形象、生動地展現(xiàn)物理變量之間的變化關系。在物理規(guī)律教學中，我們可以根據(jù)物理規(guī)律的這三種表現(xiàn)形式將類比思想分為性質類比、公式類比、圖象類比三種類型。現(xiàn)以高中物理必修2中《探究彈性勢能表達式》一節(jié)為例展開分析。
 
方法一：性質類比
 物理規(guī)律的性質反映了物理運動的產生原因和基本特點。在探究彈性勢能的表達式教學中，我們通過分析實際生活中具有彈性勢能物體的事例和小型輔助實驗讓學生感受彈性勢能，體會彈性勢能的產生原因和特點，并提出 “彈性勢能可能與哪些因素有關”的猜想。但對“怎樣來求彈性勢能表達式”學生卻無從下手，這時教師給予適當引導。我先簡單介紹物理中類比思想的特點，并投影開普勒的名言：“類比是我最可靠的老師，因為它們給我們揭開了自然界的各種秘密”，以提示學生用類比思想進行探究。
 接著讓學生分組討論，引導學生回顧以前所學的重力勢能的探究過程：①重力勢能與什么物理量有關（質量與高度）？②重力在什么情況下會做功（高度變化）？重力做功的大�。╩g△h）？重力做功與重力勢能的關系（重力做多少正功，重力勢能就減少多少，重力做多少負功，重力勢能就增加多少）？
 通過與重力勢能探究過程的類比，由學生自己得到探究彈性勢能的表達式。思路歸納如下表：
 在物理學中除了重力勢能和彈性勢能的性質相似外，同樣屬于勢能范疇的分子勢能、電勢能、引力勢能都具有相似的性質，所以都可以進行類比。電學中的磁感應強度與電場強度、LC振蕩電路與彈簧振子，物理光學中的光波與機械波、物質波與光波，原子物理中的原子核式結構與人造地球衛(wèi)星運動模型都可以進行性質類比，它們在產生原因、基本特點方面都有著很大的相似。恰當?shù)匾龑�學生在探究中應用類比思想，可以有效促進學生提出問題、辨析問題和解決問題。
 
方法二：公式類比
 著名物理學家、北京大學教授趙凱華先生在他的著作《定性與半定量物理》當中大量闡述了物理學中的“簡單美”，其基本觀點認為，物理學家在研究物理問題的過程中都堅信自然界的物理規(guī)律必定是簡單和諧的，其數(shù)學形式也一定是“最簡單”的，“簡單美”就是“和諧美”。
 中學物理中規(guī)律學習的對象主要是物理學中最重要的基本規(guī)律，它們一般都是一次函數(shù)、一元二次函數(shù)、反比例函數(shù)、簡單三角函數(shù)的形式，如x=vt、ρ=mv、W=FS、 x=at2/2、Ek=mv2/2等。在物理學科的不同門類中也常常有著對稱性，如F=Gm1m2/r2、F=Kq1q2/ r2等。在物理規(guī)律探究中，如果某些規(guī)律缺乏足夠的理論基石和實驗依據(jù)，就很難憑借中學生的能力進行推導。但借助物理公式之間的相似性往往可以利用類比思想加以論證。
 在探究彈性勢能表達式的教學中，我先引導學生探究以下問題：①彈性勢能與什么因素有關（F、L）？②如果彈力是恒力，那么其做功的表達式怎樣寫（W=FL）？③彈力有什么特點（F大小與彈簧形變量L成正比），如果彈力是變力，還能用這個公式嗎？④中學物理中還學過哪些與W=FL相類似的形式（x=vt、ρ=mv等）？⑤上述公式中有一個自變量正比于正比于另一自變量的形式嗎（x=vt，當勻變速直線運動時，速度v與時間t成正比，且x=v0t+at2/2）？⑥彈力做功的表達式中分別與勻變速直線運動位移公式對應的物理量分別是哪些（w對應x，F(xiàn)0對應v0, 形變量L對應t，勁度系數(shù)K對應a）？
 通過與勻變速直線運動位移公式x=v0t+at2/2的類比，學生就有可能發(fā)現(xiàn)彈力做功和彈性勢能的表達式。類比思路如下：
　　在電學中電阻的定義式R = U/I和電容的定義式C=Q/U，進行類比之后，學生很自然地就能領會電容的定義式的合理性，并能初步理解電容、電量Q、電勢差U之間的關系。簡諧振動的周期公式T=2π和電磁振蕩周期公式T=2π、電磁學中安培力F=ILB和洛侖茲力f=qvB等公式之間也存在同樣的相似性，既可以根據(jù)相關物理量之間的變化關系進行猜想、假設，也有助于更深刻地理解公式的特點。

方法三：圖象類比
 物理圖象是展現(xiàn)物理規(guī)律的重要手段，能直觀反映自變量和因變量之間的變化
關系、變化快慢（斜率）、因變量對自變量的累積變化情況（如力F對位移的積累、速度V對時間t的積累）、物體運動過程等。
 在探究彈性勢能表達式的過程中，老師可以引導學生針對以下問題進行討論：以往學過的推導物理公式的方法有哪些（數(shù)學推導、實驗驗證、微元法、圖象法）？利用圖象法推導的物理規(guī)律有哪些（如：勻變速直線運動位移公式x=v0t+at2/2）？
 然后針對學生的總結情況，進一步有針對性地提出問題：①位移的基本形式怎樣（x=vt）？②勻變速直線運動的位移與什么量有關（速度v、時間t）？③用什么物理量之間的函數(shù)關系對勻變速直線運動進行圖象分析（v-t圖），勻速直線運動運動的“速度-時間”圖象有何特點（圖線所包圍面積表示位移）？④勻變速直線運動位移公式推導是怎樣與勻速直線運動運動的圖象進行比較的（微元法，如下表）？
 
  
 通過與勻變速直線運動位移公式的推導過程進行類比，讓學生利用圖象法自主探究彈性勢能的關系式。具體思路歸納如下：
    
 同樣，電容的Q-U圖象和電阻的U-I圖象、簡諧振動的x-t圖象和電磁振蕩的振動圖象等在物體過程、物理量之間的變化關系方面都是可以進行類比的。
 當然，類比不是萬能的，也存在著不足的地方：由類比所得出的結論都具有一定的或然性，有時會出現(xiàn)錯誤。從兩個對象之間在某些方面的相同或相似，并不一定能得出它們在其他屬性方面也必然相同或相似的結論。運用類比方法時都要注意到這個問題。我運用類比方法主要是為了在引導學生探究的過程中讓學生體驗利用類比法進行猜想或假設的過程，在一個完整的探究過程中還需要對其進行更加深刻的邏輯論證和實驗驗證，最終才能得到結論。實踐證明，恰當?shù)剡\用類比，物理課堂會更有氣氛，學生的學習興趣會更濃，使學生對所學的知識更不容易遺忘，促進學生“舉一反三”、“觸類旁通能力的提高，最重要的是讓學生逐步學會探究，體會科學探索的方法和樂趣。
【參考文獻】1．《高中物理課程標準》（實驗）   人民教育出版社
 2．牟長元《類比推理在物理學習中的應用》  伊犁學院學報

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