普通物理教學中的類比教學法

【摘要】類比法是一種重要的推理方法，是人們從已知世界認識未知世界的重要手段。以物理教學實踐為基礎，討論了類比方法在大學物理教學中的重要作用及具體應用，恰當的利用這一方法能有效改善課堂效果，提高教學效率。

【關鍵詞】普通物理 剛體力學 電學 磁學 類比教學

【基金項目】教育部高等學校物理基礎課程教學指導分委員會資助項目（No.WJZW-2010-36-xn）；重慶理工大學高教中心教改項目（2011003，2011004）。

【中圖分類號】O37【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2013）02-0162-02

1.引言

類比方法廣泛應用于各門學科、各個領域和各種研究學習之中。類比法是一種常用的理論思維推理方法。根據事物相同或相似的屬性，推斷它們其他相同或相似的屬性的思維方法就是類比法。它是人們從已知事物認識未知事物的一種常用的科學方法。面對新生事物，類比方法總是能啟發思路、提供線索，人們常常借助于熟悉事物進行類比從而實現舉一反三、觸類旁通，進而更好地認識新生事物。大家都熟悉的例子就是：庫侖定律的形式就是類比萬有引力定律的方式得到的；再比如德布羅意波的提出，也是將實物粒子與光學粒子類比的結果；盧瑟福原子模型的建立、富蘭克林對雷電的認識、麥克斯韋對電磁理論的統一等，都是科學類比的結果[4]。這些事例表明，在提出科學假設、探索新理論、解決實際問題等方面類比方法有十分重要的作用。普通物理是一門專業基礎課，也是大一新生接觸的第一門專業課，由于微積分及矢量等數學基礎知識的缺少，學生學習普通物理非常吃力，上課過程非常被動，課堂效果不好。但是如果在教學過程中，教師采用類比教學，將新知識與學生在中學都已經非常熟悉的知識聯系起來，就會有利于學生的理解從而提高課堂教學效果。筆者結合自己講授普通物理的教學實踐，闡述了類比法在講解新的物理概念及物理規律方面的應用。

2.類比法在普通物理之力學教學中的應用

剛體定軸轉動與質點直線運動間的類比：

在力學中，剛體的定軸轉動是安排在質點的運動學之后，它們在研究思路、定義方式、數學形式等方面非常相似。直線運動規律是學生早就熟悉的內容，而剛體的轉動對大一學生來說是初次接觸，知識點相對比較抽象，學生學習起來比較吃力，效果不好，但是如果我們利用學生熟悉直線運動規律這一特點，采用類比法進行授課，學生的學習效果就會有明顯改善。

2.1 概念類比：

質點： 忽略物體的大小和形狀而只考慮質量的點；強調忽略物體的形狀和大小。

剛體：在外力作用下，物體的形狀和大小保持不變，即剛體內任意兩點間的距離不變。這種理想物理模型稱為剛體。強調忽略物體與外界作用時物體形狀和大小的變化。

質量：m， 物體慣性的量度；

轉動慣量：J=■mr■ ， 物體保持轉動慣性的量度；

動量：物體質量和速度的乘積成為動量，表達式為

P = mv；

角動量：剛體的轉動慣量和角速度的乘積稱為角動量，表達式為L = Jω；方向與角速度的方向相同。

2.2 運動規律類比：

剛體的定軸轉動和質點的運動學規律數學表達形式方面也是非常相似的，這在其他教輔資料或是文獻中也有報道[1，2]。具體如下表：

表1 質點直線運動和剛體轉動的運動學及動力學規律類比

通過類比，學生應該很快就能理解和掌握剛體運動的規律及剛體轉動的動力學原理，對于比較難以理解的轉動慣量、轉動定律及角動量定理、角動量守恒等都能理解并掌握。

3.類比法在電磁學教學中的應用

靜電場和穩恒磁場教學中的類比：

磁場和電場在提出問題、解決問題的思路和研究方法上也有很多相似之處。學生對靜電場要熟悉些，而相對的對穩恒磁場則比較陌生，所以在講授穩恒磁場的時候，可以對照學過的靜電場有關知識采用類比法進行講解，這樣學生能更好的理解和掌握。電磁學中先講授電場然后學習磁場，在講授磁場部分的時候，就可以類比電場的物理概念、物理規律進行講解，通過舊知識的復習新出新的概念知識，達到溫故而知新的目的。

在具體的教學過程中我們可以對以下概念類比，電場線和磁場線類比，電荷元和電流元類比，電場強度和磁感應強度類比，電位移矢量和磁場強度矢量類比，電荷元產生的電場和電流元產生的磁場類比，電通量和磁通量類比以及電偶極矩和分子磁矩、電介質和磁介質、電場能量密度和磁場能量密度等等進行類比，這樣學生接觸到新的物理量會感到似曾相識，對新知識易于接受，從而激發學生的學習興趣，為接下來物理規律的講解打好鋪墊，從而提高普通物理的教學效果，真正讓學生做到舉一反三，融會貫通。

電學和磁學規律類比：

和概念類似，在物理規律上也可以采用對比法，因為靜電場和穩恒磁場的許多定理、定律及公式有著高對應性[3]。詳細如表2所示：

表2 靜電場和穩恒磁場規律類比表

4.類比方法的局限性

人們認識自然的過程總是建立在已有知識經驗的基礎之上，學習過程也是如此，由淺入深、由具體到抽象。如果我們不考慮這個規律而強行填鴨，肯定是事倍功半。但是如果我們通過新舊事物的類比，循序漸進的講授，就可以加快學生對新知識的接受，促進學生對新規律的認知。任何事物都具有兩面性，類比法也不例外。在教學方面類比確實具有其他嚴格推理難以取代的功效，但是類比也有某些不可忽視的局限性。由類比推出的結論可能正確也可能錯誤，具體正確與否，必須用實驗去證實或否定。例如：變化的磁場能激發電場，反過來變化的電場是否能激發磁場？ 麥克斯韋用類比思維提出了“位移電流”激發磁場的假說，最終用四個方程即麥克斯韋方程組概括了電磁場的普遍規律。麥克斯韋從麥克斯韋方程組出發，從理論上預言電磁波的存在，赫茲實驗證實電磁波真實存在。類比正確。歷史上也有通過類比提出光是通過“以太”媒質傳播的，但后來“以太”假說被試驗否定，類比無效。由上可見，類比并非萬能的，不恰當地應用類比也會得到錯誤的結論。因此，一定要注意類比法的局限性，教師應該引導學生恰當地應用類比法來分析問題和解決問題。只有這樣，才能使學生更好地理解所學的內容，啟發學生的思維，更好地培養學生分析問題解決問題的能力，讓學生在思維力上更上一層樓，真正實現“授人以漁”。

參考文獻：

[1]張清. 類比法在大學物理教學中的應用[J]. 安徽工業大學學報，2002，19（2）107

[2]蘭冰潔. 類比法在大學物理教學中的應用[J]. 運城學院學報，2010，28（5）35

[3]陳修芳. 類比法在大學物理課堂教學中的應用 [J]. 科技信息，2010，21，25

[4]王德全，陳林峰. 類比法在大學物理教學中的應用 [J]. 中國電力教育，2011，8，94