物理类比法教学的探讨

物理类比法教学的探讨

物理学发展史告诉我们：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，就委自然地进行了逆向思考和类比推理：既然磁铁能使附近的铁块感应磁化，静止电荷可以使附近导体感应出电荷，那么电流也应该使附近的线圈中感应出电流。于是他在日记中写下一 个光辉的思想：“转磁为电。”他通过10年的探索、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，创造性地建立了电磁学方程，建立了完整的电磁场理论。
在多年的物理教学中，我发现类比法在中学物理教学中也能起到重大的作用，并对在物理教学中如何应用类比法进行了一 定的探索，归纳出利用类比法培养和开发学生创造性思维的方法：
1、运用类比法教学，沟通新旧知识，深化、丰富教学内容。
要开发学生的创造性思维，首先要打好扎实的基础，丰富学生的知识库存。在教学中，要特别重视在讲授新概念时联系旧知识，在新旧知识类比中加深理解，开拓思路。例如在讲授电势时，将电场和重力场进行类比，找出共同点——电场力和重力做功都与路径无关。为此，首先引入重力势能的概念，把一 个质量为m1的物体放在高度为h的地方，它具有重力势能m1gh，把质量为m2、m3……的物体放在高度为h的地方，它们分别具有重力势能m2gh、m3gh……，其势能值各不相同，但m1gh/m1=m2gh/m2=m3gh/m3……=gh是一 个恒量，我们可以把gh叫做重力势。其值只决定于重力场中的位置和零点的选择，与放入重力场中的物体的质量无关。由于学生对重力场知识了解较多，对重力势容易接受，再用类比法引入电势的概念，分析它的性质和区别于重力场的特点，这就化“抽象”为“具体”，使学生对新知识有似曾相识的亲近感，深化了教学内容。这样的类比在中学物理中还很多，如水位和电势、电势能和重力势能、热容和电容，质量和电量、重力场中质点的运动和匀强电场中带电粒子的运动等。运用类比教学法，既能激发兴趣，同时又进行了科学思维和科学方法的示范，学生遇到新的概念和事物也能作类比分析，并得出较为满意的结果。
2、运用类比教学，建立知识网络，使知识条理化。
随着物理教学的深入、学生掌握的知识逐渐形成网络，这里有知识的横向式拓宽，也有递进式的深入，学生的知识和能力就产生了质的飞跃，学生的创造性思维的发展也就寓于其中了。在这过程中，类比法是揭示这些知识内在联系的好方法。
例如，力学中的弹簧串联有1/K=1/K1+1/K2，静电场中串联电容器有1/C=1/C1+1/C2，稳恒电路中串联电阻有1/R=1/R1+1/R2，它们具有相同的数学形式和运算规律。通过类比，学生们对公式记得牢，使用条件清晰，运算起来也就熟练了。
再如图线教学中，V–t图线下的面积表示位移，F–t图线下的面积表示冲量，I–t图线下的面积表示电量，P–V图线下的面积表示功，F–S图线下的面积表示功。通过这些图线的类比，学生们对图线的物理意义有了深刻的认识。如果要求电容器的带电量，我们可以作电容器的放电电流I随时间t的变化规律图线，再由图线面积求电量Q。在恒定电流一 章中有两个U–I图，一 个是对定值电阻两端电压随流经它的电流的变化规律的描述，遵循部分电路欧姆定律，导体电阻不同则图线斜率不同；另一 个是全电路中，路端电压随整个电路的总电流变化的规律。它们的研究对象不同，变化规律不同，物理意义也不同。通过类比能较好地弄清它们的使用条件和变化规律，使用起来也不会出现差错。
这样的类比，小的方面有形式上的类比、计算方法上的类比、不同概念和规律的类比，或者是某些性质和实验的类比，大的方面有规律和体系上的类比。例如平动和转动规律的类比，电学和力学规律的类比，有的观点和论点就是通过类比提出或发展起来的。例如我在教完电磁场后，曾引导学生列表比较重力场、静电场、和磁场的情况。通过列表比较，学生找到重力场、静电场、和磁场的相似之处，也明确了它们的区别，建立起横向和纵向的联系，建立起知识的网络，使知识条理化，同时也提出了很多新的问题。例如重力场如何用重力线描述、重力场的势如何描述、磁场有没有势？同学们考虑得更多更细更深刻了。分析归纳能力的提高，使创造性思维得到调动和及早的萌发。
3、通过类比，介绍知识的新领域，提出新的问题，把创造性思维的培养和开发引向科学的前沿。
高中教材在介绍磁单极子的内容时，就采用了类比的方法：带电体周围有电场；磁体周围有磁场；同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引，这是它们的相似之处。但它们又不完全相似，在电现象里有电荷，正负电荷可以单独存在，在磁现象里有没有磁荷？磁单极子是否存在？科学研究的新课题就是这样通过类比提出来的，提出来后再通过实验来寻找，通过实验来验证。
类比法可使知识条理化，它能分清概念和规律之间的相似和差异，从而发展知识的“空缺”，指引了研究的方向。门捷列夫元素周期表就是通过分析归纳抓住各元素的质量排列和电荷数排列，把它们的物理性质和化学性质作类比，从而发现了“空缺”，再有目的、有方向地寻找这些“空缺”对应的元素，并且获得了巨大的成功。我们的中学物理最后介绍了基本粒子，现在基本粒子已达到几百种，这些基本粒子是不是同一 层次，什么是它们排列的主线，它们之间存在着什么规律，可以建立什么样的模型和理论，这正是当代科学家进攻的前沿阵地之一 ，这些问题的解决，类比法自然要发挥它的巨大作用