突破初中物理類比教學(xué)直覺局限性初探

明夢

【摘要】類比法是初中物理教學(xué)中常見的一種解題方法，該方法對(duì)提升學(xué)生學(xué)習(xí)思維及解題水平作用顯著.但初中生到自身認(rèn)知水平和經(jīng)驗(yàn)缺陷的干擾，往往會(huì)將直覺思維與類比思維相混淆，憑空主觀臆斷解題，往往出現(xiàn)缺乏科學(xué)依據(jù)的直覺類比推斷.長期以往，不僅將不利于學(xué)生們理解物理概念及場景應(yīng)用，也必將會(huì)對(duì)學(xué)生物理思維品質(zhì)造成不利影響.因此，有必要針對(duì)初中物理類比方法教學(xué)，結(jié)合實(shí)際案例，幫助同學(xué)們填補(bǔ)他們的直覺局限性缺陷.

【關(guān)鍵詞】初中物理;直覺類比;解題思路

類比法，顧名思義是一種比較類推的方法，是根據(jù)一類事物的屬性類比推斷出另一類相近事物的屬性.就初中物理教學(xué)目的而言，類比法可以幫助學(xué)生們將物理與日常生活實(shí)際相聯(lián)系，增強(qiáng)教學(xué)的可視性和直觀性.但初中生們正值身心發(fā)育的成長階段，類比往往容易被學(xué)生們誤解為猜測、臆想，長期以往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生們形成求解物理問題的直覺思維.

本文從初中物理日常教學(xué)角度出發(fā)，歸納了常見的類比與直覺差異性案例，系統(tǒng)性分析并提出了突破物理教學(xué)直覺局限性的方法.

1 形式類比，概念導(dǎo)入

形式類比，指的是根據(jù)新舊兩類事物形式屬性的類似性進(jìn)行比較分析，進(jìn)而推斷出這兩類事物在其他方面的類似屬性，繼而形式類比出兩類事物的發(fā)展規(guī)律及關(guān)聯(lián)性質(zhì).直覺類比指的是學(xué)生們?cè)谌狈?duì)問題邏輯分析的情況下，依據(jù)內(nèi)心主觀想法所進(jìn)行的判斷及猜想，直覺類比往往是缺乏科學(xué)客觀依據(jù)的類比方式.要想有效幫助學(xué)生們避免直覺類比的思維方式，形式類比是一類較好的做法.[1]

特別是在初中物理概念的教學(xué)導(dǎo)入中，形式類比往往能夠較好的將學(xué)生們從某一知識(shí)點(diǎn)類比轉(zhuǎn)移至另一知識(shí)點(diǎn)，通過物理教學(xué)概念的類比導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)物理概念的融會(huì)貫通.

例如 在“密度”的物理概念教學(xué)中，教師向?qū)W生們提問：“1kg的棉花和1kg的鐵塊，請(qǐng)問哪一個(gè)重量大?。俊睂W(xué)生們很容易聯(lián)想到這個(gè)腦筋急轉(zhuǎn)彎的答案，那就是“1kg的棉花和1kg的鐵塊一樣重”.為什么在明確答案之前，很多學(xué)生還是會(huì)掉入這個(gè)物理陷阱呢？這就是學(xué)生們直覺類比的局限性.拋開提問中給出的棉花與鐵的重量，在學(xué)生們的直覺概念中，鐵往往都是比棉花重的.或者我們換一個(gè)角度來考慮，同樣1kg鐵塊和1kg棉花擺在學(xué)生目前，面對(duì)體積上的差異性，學(xué)生們必然也難以給出準(zhǔn)確的結(jié)論.至此，我們可以順利的導(dǎo)入物理概念“密度”，即密度是對(duì)特定體積內(nèi)的質(zhì)量的度量，其計(jì)算原理為質(zhì)量與體積的比值.此時(shí)，繼續(xù)向?qū)W生們提問“鐵塊和棉花的密度誰大？”學(xué)生們必然會(huì)對(duì)之前的直覺類比產(chǎn)生抵抗，正確地認(rèn)識(shí)到密度這一物理概念.

同樣的，在比熱容概念的教學(xué)上，可以采用密度概念的形式類比.密度的定義是“單位體積某種物體的質(zhì)量”，比熱容的概念則是“單位質(zhì)量的某種物體，溫度上升1℃所吸收的熱量”.此時(shí)，教師不妨繼續(xù)提問：一杯水和一桶水的密度是否相同？一杯水和一桶水的比熱容是否相同？答案必然是肯定的，密度和比熱容分別是度量物體質(zhì)量本領(lǐng)和吸熱本領(lǐng)的物理概念，其數(shù)值往往是固定的，只與物質(zhì)自身屬性有關(guān).從物理概念的直覺局限性角度，為什么學(xué)生們會(huì)誤以為一杯水和一桶水的比熱容不一樣？在日常生活中，加熱少量的水相較較熱大量的水必然更為容易.于是乎就給同學(xué)們?cè)斐缮倭克菀准訜岬募傧?究其原因，依然是比熱容所導(dǎo)致，不同質(zhì)量的水其比熱容一致，但導(dǎo)致其加熱難易程度發(fā)生變化的原因就在于質(zhì)量的差異性.

經(jīng)過往復(fù)循環(huán)、正反類比等多樣化手段，同學(xué)們最終對(duì)物理概念的認(rèn)識(shí)達(dá)到新的高度.

2 實(shí)驗(yàn)類比，概念糾正

實(shí)驗(yàn)是初中物理教學(xué)必不可少的環(huán)節(jié)之一，通過物理實(shí)驗(yàn)類比的展示，可以在提升學(xué)生們動(dòng)手能力的同時(shí)，更為直觀地揭示物理原理，幫助學(xué)生們糾正不正確的概念.

首先，在學(xué)生們系統(tǒng)學(xué)習(xí)物理概念之前，學(xué)生的物理思維來源于生活經(jīng)驗(yàn)的積累，是經(jīng)過長期生產(chǎn)生活總結(jié)所產(chǎn)生的既定印象和理解，此類生活理解往往是學(xué)生們認(rèn)識(shí)物理的阻礙.

其次，學(xué)生們?cè)谝揽咳粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)所獲取的物理概念往往是不全面的，是膚淺的游走在物理學(xué)科表面上的知識(shí)，亟需有效的類比手段，將生活經(jīng)驗(yàn)與物理實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合.

例如 學(xué)生們熟知的拔河比賽，這是學(xué)生們均有參與的體育活動(dòng).從長期的生活經(jīng)驗(yàn)看來，拔河比賽的勝負(fù)取決于雙方選手的力量大小，這是學(xué)生們深信不疑的概念.[2]對(duì)此，教師可以利用物理實(shí)驗(yàn)演示的方式，真實(shí)還原拔河過程，幫助學(xué)生們克服既有概念的干擾.

如甲圖所示，提前制作兩個(gè)體積相同的鐵塊和木塊，中間通過彈簧相連接，并置于一水平木板實(shí)驗(yàn)臺(tái)上.此時(shí)，在木塊A上施加一個(gè)向左的拉力;同時(shí)，在鐵塊B上施加一個(gè)向右的拉力.此時(shí)，同時(shí)松開施加于木塊A和鐵塊B上的力，如乙圖所示，可以發(fā)現(xiàn)木塊A以速度v向鐵塊B靠近，而鐵塊相對(duì)處于靜止.

進(jìn)一步分析該現(xiàn)象發(fā)生的原因，通過對(duì)木塊A和鐵塊B的受力分析可知，木塊A受到拉力F1及摩擦力、鐵塊受到拉力F2及摩擦力.鐵塊處于靜止?fàn)顟B(tài)，及時(shí)受力平衡，此時(shí)的拉力F2與摩擦力相等.對(duì)于木塊A，其向右側(cè)運(yùn)動(dòng)則是因?yàn)樽陨硎艿降睦1大于摩擦力，則向右側(cè)移動(dòng).從木塊A、鐵塊B及彈簧構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體來看，兩者受到的拉力屬于作用力與反作用力類型，大小一致.通過上述分析可知，將拔河雙方類比成木塊A和鐵塊B，可知在拔河過程中AB雙方的相互作用力是一致的，則可判斷AB雙方力氣大小不是決定拔河比賽輸贏的唯一要素.

3 本質(zhì)類比，公式推理

前文提到了物理概念中“密度”和“比熱容”，通過直白的文字描述揭示了質(zhì)量與體積、熱量與溫度的關(guān)系.但僅僅依靠文字描述是難以定性的表示物理學(xué)本質(zhì)關(guān)系的，對(duì)此必須通過公式推理論證，科學(xué)客觀的揭示本質(zhì)物理關(guān)系，這也是物理教學(xué)由生活常識(shí)向?qū)W科概念轉(zhuǎn)變的途徑.

古語云“風(fēng)馬牛不相及”，這就強(qiáng)調(diào)我們?cè)诒举|(zhì)類比的過程中，必須遵循事物發(fā)展的客觀規(guī)律，本質(zhì)類比的前提就是具備“可比性”.[3]

例如 對(duì)于物體的密度而言，其定義是“單位體積某種物體的質(zhì)量”.密度表示為ρ，質(zhì)量表示為m，體積表示為v，則可得到密度的計(jì)算公式為ρ=mv.通過本質(zhì)類比的方式，比熱容的概念為“單位質(zhì)量的某種物體，溫度上升1℃所吸收的熱量”.其中，比熱容表示為C，質(zhì)量為m，假設(shè)質(zhì)量為m的物體，溫度由初始溫度t0變換為物體的末溫t，在此過程中變化的熱量為Q.進(jìn)一步采用本質(zhì)類比的方式，根據(jù)比熱容的概念“單位質(zhì)量的某種物體，溫度上升1℃所吸收的熱量”.根據(jù)本質(zhì)類比的方式，單位體積某種物體的質(zhì)量則是密度，則可以得到比熱容的計(jì)算公式為C=Qm（t-t0）.

此時(shí)，進(jìn)一步從物理概念本質(zhì)角度考慮，從速度計(jì)算公式的表示形式上入手，v=st，對(duì)應(yīng)可知：速度是由距離s及時(shí)間t所決定，相同的時(shí)間內(nèi)，運(yùn)動(dòng)的距離越大則速度越大.此時(shí)，學(xué)生們從密度概念入手，密度的計(jì)算公式為ρ=mv，那就是體積不變時(shí)，質(zhì)量越大密度越大.這樣的理解必然是有問題的，從物理概念角度出發(fā)，速度表示物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、密度則是物體自身的特征屬性，這兩者不可相提并論.

在物理類比教學(xué)的過程中，必須明確兩個(gè)類比事物的本質(zhì)屬性，必須具備可比性，進(jìn)而才可開展類比思維的教學(xué)實(shí)踐.

4 解題類比，審題立意

對(duì)于學(xué)生們而言，學(xué)習(xí)物理知識(shí)不光光是為了提升自身學(xué)科素養(yǎng)，更重要的是解決實(shí)際問題的能力.在現(xiàn)階段的初中物理教學(xué)中，解題訓(xùn)練依然是學(xué)生們的主要日常.

作為物理教師，幫助學(xué)生們克服“想當(dāng)然思想”，也是日常物理教學(xué)的重要工作.尤其是在實(shí)際解題環(huán)節(jié)，分?jǐn)?shù)的高低在一定程度上是能夠反映同學(xué)們的解題能力的.[4]

解題類比是一種高效的解題方法，是傳輸類比思維的高效手段之一.但在運(yùn)用類比思想的同時(shí)，必須首先明確出題人的審題立意，切忌盲目套用舊知識(shí)、舊公式.

例如 在一次例題訓(xùn)練中，例題給出的題設(shè)是：已知有一列長度為100m的列車，在速度55km/h的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，勻速行駛經(jīng)過長度為1km的隧道，請(qǐng)問該列車通過隧道需要的時(shí)間為多少？學(xué)生們拿到此題后，不約而同的想到了速度的計(jì)算公式：v=st，進(jìn)而類比推導(dǎo)出運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算公式：t=sv.于是直接將隧道長度1km（換算成1000m）、列車速度55km/h（換算成15.3m/s）盲目地帶入類比推到得到的計(jì)算公式，進(jìn)而錯(cuò)誤的得到了列車通過該隧道所需要的時(shí)間為65.4s.

通過解題過程可以看出，學(xué)生們盲目的將計(jì)算公式帶入求解，卻忽略了題目真實(shí)的審題立意.錯(cuò)解出現(xiàn)的原因就是學(xué)生們的“想當(dāng)然思維”，不經(jīng)過科學(xué)分析，就利用直覺性思維默認(rèn)行駛長度為隧道長度，從而得到錯(cuò)解.實(shí)則題設(shè)中所問的是列車通過隧道的時(shí)間，通過模擬分析車輛的行駛過程及行駛軌跡，欲求列車通過隧道的時(shí)間，這就涉及到列車從初始進(jìn)入隧道，到完全駛離隧道的情況，故真正的行駛距離應(yīng)該還包含車輛自身的長度100m.因此，最終的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是t=sv=1000+10015.3s，即是71.9s.至此，學(xué)生們看清了本題在解題類比上的陷阱，題設(shè)所求的通過時(shí)間應(yīng)是車輛從駛?cè)氲酵耆傠x的時(shí)間.

在實(shí)際求解的過程中，解題類比思想的應(yīng)用，必須是建立在同等審題立意的前提下，否則盲目類比必然會(huì)導(dǎo)致求解結(jié)果的錯(cuò)誤.

總之，類比法是初中物理教學(xué)的有效方法之一，可以幫助學(xué)生們有效地舉一反三，提升中學(xué)物理知識(shí)邏輯體系.但值得注意的是，類比不是人為主觀的直覺判斷，而應(yīng)該是一種科學(xué)合理的計(jì)算推斷過程.因此，無論是在日常的物理知識(shí)點(diǎn)教學(xué)過程中，還是在物理解題訓(xùn)練的過程中，都應(yīng)該遵循實(shí)事求是的原則，引導(dǎo)學(xué)生們客觀理性的認(rèn)識(shí)問題，促進(jìn)學(xué)生思維全面健康發(fā)展.同時(shí)，還可以結(jié)合實(shí)際案例分析，幫助學(xué)生們認(rèn)識(shí)類比方法應(yīng)用過程中的直覺性局限，從而加深對(duì)物理學(xué)科的認(rèn)識(shí)理解.

參考文獻(xiàn)：

[1]王增武.淺談如何突破初中物理的教學(xué)難點(diǎn)[J].中學(xué)物理（初中版），2017，（5）.15-17.

[2]王濤.巧用類比，突破初中物理教學(xué)難點(diǎn)[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)（教師通訊），2020，（2）.55.

[3]黃少鵬.突破初中物理教學(xué)難點(diǎn)的創(chuàng)新策略研究[J].成才之路.2019，（17）.52-53.

[4]王歡，王較過，石蕊.類比法在初中物理電學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)物理（初中版），2015，（10）.24-25.