地理模擬實驗中類比推理的特征與教學意義

吳 斌

（首都師范大學 初等教育學院， 北京 100027）

地理模擬實驗中類比推理的特征與教學意義

吳 斌

（首都師范大學 初等教育學院， 北京 100027）

通過對模擬實驗與類比推理的內涵、特點分析，說明二者之間的關系；以地理學科為例，用實際教學案例闡述類比推理在教學操作過程中應注意的問題；從調動學生積極性、啟發學生思維、便于發現科學本質等三方面說明類比推理作為模擬實驗的思維方法在地理教學中的意義。

模擬實驗；類比推理；地理學科

地理課堂上，教師經常利用地球儀與手電筒來演示地球自轉的過程，進而解釋晝夜交替的現象。這種以地球為原型，運用地球儀模擬地球運動、通過類比推理推導出相關地理意義的教學活動，通常被稱作是模擬實驗。

一、模擬實驗與類比推理

1.模擬實驗

實驗方法是進行科學認識活動的重要基礎。在中小學的教學過程中，教師常常采用實驗的方法帶領學生共同觀察、研究某一事物的發生、發展規律。根據研究者和被研究對象之間的相互關系，即根據如何觀察，可將實驗方法分成自然觀察、實驗觀察和模型實驗觀察。［1］其中模型實驗觀察不同于一般意義上的實驗觀察，屬于一種通過對模型的觀察，間接研究原型特點與性質的方法。

在科學實驗中遇到因受客觀條件限制而無法對某些自然現象進行直接試驗時，人們便尋求間接試驗的方法，如設計出與該自然現象或過程（稱作原型）相似的模型，然后通過模型來間接地研究原型的規律性，這種實驗方法稱之為模擬實驗。［2］即為上文所述的“模型實驗觀察”。模擬實驗是地球科學主要的探究方法。教師利用地球儀的轉動模擬地球的自轉，手電筒放射出的光模擬太陽光照，就是為了讓學生能夠在有限的課堂教學過程中，更直觀、簡捷地理解晝夜交替現象。

2.類比推理及其特點

類比推理是日常思維中常用的推理形式之一，又稱為類比法或類推法。它是根據兩個或兩類事物在某些屬性上相同或相似，而其中一個或一類事物還具有另外某些屬性，由此推出另一個（或一類）事物也具有這些屬性的推理。［3］

類比推理的特點是由特殊到特殊，即從某一類對象的特殊知識推導出另一類對象的特殊知識的過程，其推理可如下。

美國加利福尼亞州與我國南方一些地區的地理環境，包括地形、水文、土壤是相似的；

美國加利福尼亞州與我國南方這些地區的氣候情況，包括溫度、光照、濕度也是相似的；

我國南方這些地區適合種植柑橘；

所以，美國加利福尼亞州也適合種植柑橘。

類比推理的結論具有或然性。例如，大陸漂移學說認為，地球表面的陸地曾經是一塊整體的大陸，后期隨著陸塊的逐漸分裂漂移，演變成今天的海陸分布狀況。在學習大陸漂移學說時，學生通過已經被撕碎的報紙片兒拼湊出完整報紙的過程，思考出拼報紙的方法，即根據每片碎報紙的邊緣變化來拼出完整報紙，從而理解海岸線的變化是大陸漂移的有力證據。但是現今的海陸分布是經過漫長的地質年代不斷變化而來的，研究者沒有辦法回到過去，跟隨時間的腳步去觀察地球表面狀況的演變，因此大陸漂移學說屬于一種假說，其本身就需要進一步的考察研究，因此其結論還無法判定真偽，具有或然性。

3.模擬實驗與類比推理關系

在實驗過程中，由于原型的某些結構或條件，不能在有限的空間與時間范圍內實現，因此研究者有選擇地創造在結構或功能等方面與原型類似的對象系統，即模型。而借制作的模型推導得出原型的特點與規律，符合類比推理的思維過程。因此，類比推理是作為一種邏輯思維過程體現在模擬實驗中的。

模擬實驗中的原型與類比方法中的類比物類似，而對模型的研究結論與推出物得到的相關功能相似。不難發現，模擬實驗正是運用類比推理的思維方法進行研究的。

二、地理學科中類比推理應用的教學建議

地理學科是兼備自然科學與社會科學的綜合性學科，其研究內容在時間和空間上的跨度都很大。尤其是在“地球與宇宙”領域方面的學習，需要較強的空間想象能力與邏輯思維能力，而這一領域的內容是無法在有限的課堂中通過真實實驗進行探討與研究的。因此，地理教師往往創造性地選擇類比推理的方法，利用地理模擬實驗，幫助學生獲得感性認識。

那么類比推理在應用于地理教學時，其具體操作過程應注意哪些問題呢？

1.模型要盡可能地與原型相似，增強結論的可靠性與直觀性

類比的結構可以認為是由原型與模型兩個部分組成。類比的結論具有或然性，因此，成功的類比，需要模型盡可能地與原型相似。其相似度越高，類比得出的結論的可靠性就越高。

例如，地理教師為了能讓學生更直觀地感受到森林具有“保持水土、涵養水源”的作用，可以設計“植被保護土壤”的模擬實驗。

第一組：取兩塊相同的木板斜放在水槽中里，坡度相同。

（1）直接選擇光滑的木板面代表山坡，并且在傾斜的木板表面撒一層薄薄的粘土代表植被不良或裸露的山坡；

（2）除（1）中的基礎之外，還要在粘土上覆蓋一層粗糙的棉質毛巾用來表示山坡植被覆蓋良好。

（3）請兩位學生同時用灑水器向上述（1）與（2）的“山坡”灑水模擬大氣降水，師生共同觀察哪一“山坡”的水流出更快，哪一“山坡”的粘土被沖刷得更快。

第二組：

（1）在校園或者公園鏟一些生長著茂盛草類的土壤，取土時要注意保護土壤中的植物根系。同時再另外鏟一些表面沒有植被的土壤，分裝于兩個不同的塑料袋中，帶回學校備用。

（2）用木板將玻璃水槽一分為二，保證兩部分體積相等，并用膠水固定密封。在水槽的兩個側面分別鉆兩個大小相同的孔作為出水口。

（3）將在室外收取的兩種土壤分別置于兩格的平板上，保證兩部分土壤厚度相同。

（4）用灑水器均勻地向兩側不同的土壤灑水，用準備好的玻璃杯在出水口處接取流出的水，同時請學生分別記錄出水時間、出水量，以及水的渾濁程度。

通過上述兩組實驗的對比發現，第二組實驗的模型與實際自然環境中的土壤（即原型）相似度更高，獲得的實驗結果更明顯，基本可以替代原型。學生可以利用第二組實驗的定量分析，更直觀地感受到植被覆蓋對水土流失的影響。

2.有選擇地設置模型才能更好地解釋原型

創造模型的目的，是為了能夠解釋原型的一些特點或者功能，然而模型與原型畢竟是兩個或兩類不同的物體，在一些特點或者結構的表現上會存在差異性。因此，為了更好地解釋原型的功能，得到的結論更容易被接受，在創造模型時，要有選擇地設置模型的結構或條件。

例如，在進行“黃土高原水土流失”這一環節教學時，研究者發現，造成黃土高原水土流失的自然因素是短時間內降水強度大、地形坡度大、植被覆蓋率低、土質疏松等。為了探究影響水土流失的自然因素，教師可以設計模擬實驗。

地形坡度大小與水土流失關系

（1）準備兩個木板，兩份相同的土壤（保證土壤的顆粒大小、厚度，植被及其根系狀況相同），兩個相同的灑水器。

（2）A組：木板傾斜一定的角度，模擬坡度較小的地形；在木板表面覆蓋一層準備好的土壤。

（3）B組：木板傾斜的角度要比A組的大一些，模擬坡度較大的地形；在木板表面覆蓋一層準備好的土壤，土壤層的厚度要與A組一致。

（4）請兩位同學用相同的灑水器向A、B兩組土壤灑水，保證灑水的力度與次數相同，同時其他同學分別記錄兩組土壤的出水時間、出水量，以及水的渾濁程度。

上述實驗，A組與B組是在降水強度、植被覆蓋率、土壤土質三個變量相同的情況下進行的。控制好模型的其他三個條件，只研究其中一個條件的影響。有選擇地設置了模型的構成條件，采用定量分析的方法進行觀察，更有利于直觀感受實驗結果。

3.以原型為出發點說明結論

設計模型，由模型實驗結果類推出原型的規律或者通過物質模型、理論模型來研究真實自然環境的時候，都需要運用類比推理的方法。然而，在課堂上進行模擬實驗，師生通過對模型的觀察、分析得到的實驗結果需要站在原型的角度作出判斷。

例如，在學習“地球自轉規律”這一內容時，教材中常用“傅科擺”的案例來介紹科學家是如何證明地球自轉的。19世紀，法國科學家傅科，在一個巨大的沙盤上，用一根60多米長的金屬絲懸掛一個28公斤重的鐵球，做成一個擺，并在擺錘下方安置一個金屬針，使之能在沙盤上留下擺擺動的痕跡。這就是著名的“傅科擺”。為了幫助學生理解“傅科擺”的原理，教師通常會在課堂上制作一個簡易擺來模擬“傅科擺”。在這個模擬實驗中，“傅科擺”作為原型具有客觀存在性，而課堂上制作的簡易擺只能在一定程度上模仿“傅科擺”，并不能詮釋科學道理。因此，在實驗完成后，教師應帶領學生從原型的角度去分析，理解“傅科擺”的意義是證明地球自轉。

三、類比推理對地理學科的教學意義

在現今課堂中，地理模擬實驗已成為一種重要的教學實踐活動，其目的是幫助學生獲得和驗證地理知識，掌握地理實驗的操作技能和研究方法，進而使學生在能力、情感、態度和價值觀等方面獲得提升。因此，類比推理作為模擬實驗的思維方法在地理學習過程中有著重要的教學意義。

1.調動學生學習積極性，提高課堂活動的參與性

類比推理的過程，就是在明確原型與模型之間關系的基礎上，觀察、分析模型的發展變化，進而推導出原型的結構或功能。在推理過程中，觀察和分析是必要的思維過程，調動學生參與課堂活動的主動性。而且在課堂教學中，教師設計的模擬實驗可以通過學生的分組活動完成，進一步提高學生的參與性與動手能力，真正轉變為學習的主人。

2.啟發學生的創造性思維

人類探索真理、發現真理的長河中，類比推理作為重要手段幫助許多人獲得了科學領域的啟發。例如，牛頓看到蘋果落地后得到啟發類推出萬有引力；盧瑟福通過行星圍繞太陽公轉提出了電子圍繞原子核旋轉的觀點等。一系列的事例都說明類比是啟發聯想、引導科學探索的重要工具。

在實際的課堂教學中，教師借助類比推理，根據客觀事實， 運用實驗的方法探究物質的本質及其變化規律，在實驗過程中鍛煉學生提出問題、觀察分析問題、解決問題的能力，培養學生的想象力與創造性。

3.直觀、生動地再現地理事物發展的過程，便于發現其本質特點

類比推理是由特殊到特殊，模擬實驗運用類比的方法，將地理事物的發生發展過程以直觀的方式呈現于課堂。在有選擇地創造模型時，通過對客觀存在的模擬，能夠使學生迅速獲得相關知識，發現地理事物的本質特點。

例如，課堂教學中經常用到的地球儀，其本質就是地球的縮影，模擬客觀存在的地球。學生通過觀察地球儀，能夠了解海陸分布狀況、地球形狀及其運動后產生的地理意義等內容。

［1］ 劉大椿.科學哲學［M］.北京∶中國人民大學出版社，2011.

［2］ 江美華.小學科學教材中不同類型的實驗［J］.小學實驗與裝備，2008，18（1）∶6-7.

［3］ 姜全吉，遲維東.邏輯學［M］.北京∶高等教育出版社，2005.