類(lèi)比思想在物理規(guī)律探究教學(xué)中的應(yīng)用
類(lèi)比思想在物理規(guī)律探究教學(xué)中的應(yīng)用
【關(guān)鍵詞】
類(lèi)比思想、物理規(guī)律、探究、猜想假設(shè)、物理性質(zhì)、物理圖象、物理公式、彈性勢(shì)能、重力勢(shì)能
【論文摘要】
本文根據(jù)《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的基本要求，論述類(lèi)比思想在物理規(guī)律探究教學(xué)中的應(yīng)用。本文首先介紹了類(lèi)比思想的本質(zhì)（即它的邏輯學(xué)依據(jù)）和在物理規(guī)律探究教學(xué)中應(yīng)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(lèi)比思想的應(yīng)用方法分為三類(lèi)：性質(zhì)類(lèi)比、公式類(lèi)比和圖象類(lèi)比。并以“探究彈性勢(shì)能表達(dá)式”為例，分別闡述了三種類(lèi)比方法的應(yīng)用思路。論述過(guò)程中利用圖表的形式生動(dòng)地展示類(lèi)比思想的應(yīng)用過(guò)程，并在每一種方法的歸納中將應(yīng)用思路延伸到中學(xué)物理中的其它規(guī)律。
問(wèn)題提出：《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的全面實(shí)施更加強(qiáng)化了探究式教學(xué)的重要性，它在指導(dǎo)意見(jiàn)中明確指出：物理教學(xué)要讓學(xué)生“經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律”。但建立在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的物理學(xué)兼具了形象與抽象的雙重特點(diǎn)，這對(duì)中學(xué)生來(lái)說(shuō)是巨大的挑戰(zhàn)。我們要在教學(xué)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效的科學(xué)探究，就必須要有科學(xué)思維方法的指導(dǎo)。邏輯思維中重要方式之一的類(lèi)比思想就是重要的方法之一。本文主要對(duì)物理規(guī)律探究教學(xué)中的類(lèi)比思想應(yīng)用的方法進(jìn)行詳細(xì)論述。
一．類(lèi)比思想的邏輯學(xué)依據(jù)
人類(lèi)的思維的寶貴庫(kù)中，類(lèi)比推理是被眾多哲學(xué)家和科學(xué)家所推崇的邏輯思維方式之一�？档抡f(shuō)過(guò)：“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時(shí)，類(lèi)比這個(gè)方法往往能指引我們前進(jìn)”。著名物理學(xué)家麥克期韋則認(rèn)為：“一門(mén)科學(xué)的定律和另一門(mén)科學(xué)的定律存在部分的相似，這使得每條定律都對(duì)其它定律有所說(shuō)明”。
類(lèi)比推理的過(guò)程涉及兩個(gè)對(duì)象——研究對(duì)象和類(lèi)比對(duì)象。類(lèi)比對(duì)象的選擇是以研究目的為依據(jù)，通常是把陌生的對(duì)象與熟悉的對(duì)象相類(lèi)比，把未知的東西和已知的東西相類(lèi)比。
類(lèi)比推理是根據(jù)兩個(gè)（或兩類(lèi)）對(duì)象在某些屬性上相似而推出它們?cè)诹硪粋�(gè)屬性上也可能相似的一種推理形式。
類(lèi)比推理的具體過(guò)程是：通過(guò)對(duì)兩個(gè)不同的對(duì)象進(jìn)行比較，找出它們的相似點(diǎn)，然后以此為依據(jù)，把其中某一對(duì)象的有關(guān)知識(shí)或結(jié)論推移到另一對(duì)象中去，其基本模式是：
二．類(lèi)比思想在物理規(guī)律探究教學(xué)中應(yīng)用的必要性
物理教學(xué)首先是圍繞物理學(xué)的基本規(guī)律展開(kāi)的，《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》在它的“知識(shí)技能”目標(biāo)說(shuō)明中指出：“要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)的一些基本原理，了解物理學(xué)的基本觀點(diǎn)和思想”。但教學(xué)的過(guò)程不能僅僅是知識(shí)的呈現(xiàn)，而是要引導(dǎo)學(xué)生在“提出問(wèn)題→猜想假設(shè)→驗(yàn)證猜想→得出結(jié)論”的過(guò)程中主動(dòng)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(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程。類(lèi)比思想為探究教學(xué)提供了重要的思維手段。
而中學(xué)生的思維方法是以形象思維為主，抽象思維相對(duì)比較差。雖然物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，給人的感覺(jué)好象是比較實(shí)在，但是，物理的規(guī)律（概念、定義、定律等）是對(duì)實(shí)驗(yàn)、事物實(shí)體等經(jīng)過(guò)抽象化而形成的。學(xué)生往往覺(jué)得物理規(guī)律很抽象，很難以理解和接受，而物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于中學(xué)階段的學(xué)生來(lái)說(shuō)還不可能很熟練的運(yùn)用。在這種情況下，要順利引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究就變得很困難。
運(yùn)用類(lèi)比方法教學(xué)，以舊帶新，能引導(dǎo)學(xué)生的思維從形象提高到抽象，把陌生的、未知的物理對(duì)象和熟悉的、已知的物理對(duì)象進(jìn)行對(duì)比。特別是在資料少，還不足以進(jìn)行歸納推理和演繹思維的情況下，類(lèi)比更是得天獨(dú)厚，它可以啟發(fā)思路，提供線(xiàn)索，幫助學(xué)生在探究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律之間的聯(lián)系，有效地提出假設(shè)，科學(xué)地進(jìn)行邏輯論證，也能促進(jìn)學(xué)生加快、加深對(duì)新的物理規(guī)律的理解、記憶及應(yīng)用。
三．類(lèi)比思想在物理規(guī)律探究教學(xué)中的應(yīng)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(zhì)，物理公式是對(duì)物理規(guī)律簡(jiǎn)潔但抽象的一種數(shù)學(xué)表現(xiàn)方式，物理圖象形象、生動(dòng)地展現(xiàn)物理變量之間的變化關(guān)系。在物理規(guī)律教學(xué)中，我們可以根據(jù)物理規(guī)律的這三種表現(xiàn)形式將類(lèi)比思想分為性質(zhì)類(lèi)比、公式類(lèi)比、圖象類(lèi)比三種類(lèi)型�，F(xiàn)以高中物理必修2中《探究彈性勢(shì)能表達(dá)式》一節(jié)為例展開(kāi)分析。
方法一：性質(zhì)類(lèi)比
物理規(guī)律的性質(zhì)反映了物理運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生原因和基本特點(diǎn)。在探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式教學(xué)中，我們通過(guò)分析實(shí)際生活中具有彈性勢(shì)能物體的事例和小型輔助實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生感受彈性勢(shì)能，體會(huì)彈性勢(shì)能的產(chǎn)生原因和特點(diǎn)，并提出 “彈性勢(shì)能可能與哪些因素有關(guān)”的猜想。但對(duì)“怎樣來(lái)求彈性勢(shì)能表達(dá)式”學(xué)生卻無(wú)從下手，這時(shí)教師給予適當(dāng)引導(dǎo)。我先簡(jiǎn)單介紹物理中類(lèi)比思想的特點(diǎn)，并投影開(kāi)普勒的名言：“類(lèi)比是我最可靠的老師，因?yàn)樗鼈兘o我們揭開(kāi)了自然界的各種秘密”，以提示學(xué)生用類(lèi)比思想進(jìn)行探究。
接著讓學(xué)生分組討論，引導(dǎo)學(xué)生回顧以前所學(xué)的重力勢(shì)能的探究過(guò)程：①重力勢(shì)能與什么物理量有關(guān)（質(zhì)量與高度）？②重力在什么情況下會(huì)做功（高度變化）？重力做功的大�。╩g△h）？重力做功與重力勢(shì)能的關(guān)系（重力做多少正功，重力勢(shì)能就減少多少，重力做多少負(fù)功，重力勢(shì)能就增加多少）？
通過(guò)與重力勢(shì)能探究過(guò)程的類(lèi)比，由學(xué)生自己得到探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式。思路歸納如下表：
在物理學(xué)中除了重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能的性質(zhì)相似外，同樣屬于勢(shì)能范疇的分子勢(shì)能、電勢(shì)能、引力勢(shì)能都具有相似的性質(zhì)，所以都可以進(jìn)行類(lèi)比。電學(xué)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度、LC振蕩電路與彈簧振子，物理光學(xué)中的光波與機(jī)械波、物質(zhì)波與光波，原子物理中的原子核式結(jié)構(gòu)與人造地球衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)模型都可以進(jìn)行性質(zhì)類(lèi)比，它們?cè)诋a(chǎn)生原因、基本特點(diǎn)方面都有著很大的.相似。恰當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生在探究中應(yīng)用類(lèi)比思想，可以有效促進(jìn)學(xué)生提出問(wèn)題、辨析問(wèn)題和解決問(wèn)題。
方法二：公式類(lèi)比
著名物理學(xué)家、北京大學(xué)教授趙凱華先生在他的著作《定性與半定量物理》當(dāng)中大量闡述了物理學(xué)中的“簡(jiǎn)單美”，其基本觀點(diǎn)認(rèn)為，物理學(xué)家在研究物理問(wèn)題的過(guò)程中都堅(jiān)信自然界的物理規(guī)律必定是簡(jiǎn)單和諧的，其數(shù)學(xué)形式也一定是“最簡(jiǎn)單”的，“簡(jiǎn)單美”就是“和諧美”。
中學(xué)物理中規(guī)律學(xué)習(xí)的對(duì)象主要是物理學(xué)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(jiǎn)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(xué)科的不同門(mén)類(lèi)中也常常有著對(duì)稱(chēng)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(shí)驗(yàn)依據(jù)，就很難憑借中學(xué)生的能力進(jìn)行推導(dǎo)。但借助物理公式之間的相似性往往可以利用類(lèi)比思想加以論證。
在探究彈性勢(shì)能表達(dá)式的教學(xué)中，我先引導(dǎo)學(xué)生探究以下問(wèn)題：①?gòu)椥詣?shì)能與什么因素有關(guān)（F、L）？②如果彈力是恒力，那么其做功的表達(dá)式怎樣寫(xiě)（W=FL）？③彈力有什么特點(diǎn)（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(gè)公式嗎？④中學(xué)物理中還學(xué)過(guò)哪些與W=FL相類(lèi)似的形式（x=vt、ρ=mv等）？⑤上述公式中有一個(gè)自變量正比于正比于另一自變量的形式嗎（x=vt，當(dāng)勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度v與時(shí)間t成正比，且x=v0t+at2/2）？⑥彈力做功的表達(dá)式中分別與勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)位移公式對(duì)應(yīng)的物理量分別是哪些（w對(duì)應(yīng)x，F(xiàn)0對(duì)應(yīng)v0, 形變量L對(duì)應(yīng)t，勁度系數(shù)K對(duì)應(yīng)a）？
通過(guò)與勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)位移公式x=v0t+at2/2的類(lèi)比，學(xué)生就有可能發(fā)現(xiàn)彈力做功和彈性勢(shì)能的表達(dá)式。類(lèi)比思路如下：
在電學(xué)中電阻的定義式R = U/I和電容的定義式C=Q/U，進(jìn)行類(lèi)比之后，學(xué)生很自然地就能領(lǐng)會(huì)電容的定義式的合理性，并能初步理解電容、電量Q、電勢(shì)差U之間的關(guān)系。簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期公式T=2π和電磁振蕩周期公式T=2π、電磁學(xué)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(guān)物理量之間的變化關(guān)系進(jìn)行猜想、假設(shè)，也有助于更深刻地理解公式的特點(diǎn)。
方法三：圖象類(lèi)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(guān)系、變化快慢（斜率）、因變量對(duì)自變量的累積變化情況（如力F對(duì)位移的積累、速度V對(duì)時(shí)間t的積累）、物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程等。
在探究彈性勢(shì)能表達(dá)式的過(guò)程中，老師可以引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行討論：以往學(xué)過(guò)的推導(dǎo)物理公式的方法有哪些（數(shù)學(xué)推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、微元法、圖象法）？利用圖象法推導(dǎo)的物理規(guī)律有哪些（如：勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)位移公式x=v0t+at2/2）？
然后針對(duì)學(xué)生的總結(jié)情況，進(jìn)一步有針對(duì)性地提出問(wèn)題：①位移的基本形式怎樣（x=vt）？②勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的位移與什么量有關(guān)（速度v、時(shí)間t）？③用什么物理量之間的函數(shù)關(guān)系對(duì)勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行圖象分析（v-t圖），勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的“速度-時(shí)間”圖象有何特點(diǎn)（圖線(xiàn)所包圍面積表示位移）？④勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)位移公式推導(dǎo)是怎樣與勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的圖象進(jìn)行比較的（微元法，如下表）？
通過(guò)與勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)位移公式的推導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行類(lèi)比，讓學(xué)生利用圖象法自主探究彈性勢(shì)能的關(guān)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(jiǎn)諧振動(dòng)的x-t圖象和電磁振蕩的振動(dòng)圖象等在物體過(guò)程、物理量之間的變化關(guān)系方面都是可以進(jìn)行類(lèi)比的。
當(dāng)然，類(lèi)比不是萬(wàn)能的，也存在著不足的地方：由類(lèi)比所得出的結(jié)論都具有一定的或然性，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。從兩個(gè)對(duì)象之間在某些方面的相同或相似，并不一定能得出它們?cè)谄渌麑傩苑矫嬉脖厝幌嗤蛳嗨频慕Y(jié)論。運(yùn)用類(lèi)比方法時(shí)都要注意到這個(gè)問(wèn)題。我運(yùn)用類(lèi)比方法主要是為了在引導(dǎo)學(xué)生探究的過(guò)程中讓學(xué)生體驗(yàn)利用類(lèi)比法進(jìn)行猜想或假設(shè)的過(guò)程，在一個(gè)完整的探究過(guò)程中還需要對(duì)其進(jìn)行更加深刻的邏輯論證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終才能得到結(jié)論。實(shí)踐證明，恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用類(lèi)比，物理課堂會(huì)更有氣氛，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣會(huì)更濃，使學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)更不容易遺忘，促進(jìn)學(xué)生“舉一反三”、“觸類(lèi)旁通能力的提高，最重要的是讓學(xué)生逐步學(xué)會(huì)探究，體會(huì)科學(xué)探索的方法和樂(lè)趣。
【參考文獻(xiàn)】1．《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（實(shí)驗(yàn)） 人民教育出版社
2．牟長(zhǎng)元《類(lèi)比推理在物理學(xué)習(xí)中的應(yīng)用》 伊犁學(xué)院學(xué)報(bào)
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