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