類比教學法在《電勢能和電勢》講解中的應用

【摘 要】本文以《電勢能和電勢》的教學設計為例，通過詳細推進將重力場與靜電場的類比過程，淺析類比教學法在本節內容的教學設計中的重要作用。

【關鍵詞】類比法 靜電場

物理學雖然是一門實驗學科，但在高中物理的教學過程中并不是所有的內容都方便以實驗的手段來呈現，所以類比教學法也是一種極為常用的教學方法，尤其是在概念教學上，類比教學法的優勢極為突出。作者通過長期的教學發現：有些概念因為貼近生活，所以在教學設計上可以簡明扼要，學生的理解接受過程也比較順利。然而還有一少部分較為抽象的概念，例如：場、勢能、電勢等概念，要如何講解呈現就成為了教師教學設計的一大難題。

在《靜電場》一章中建立的第一個相關物理量是電場強度，因為可以通過實驗法分析引導，這一概念的建立并不困難，但是對于剛剛接觸“場”的學生而言需要時間理解消化。當學生已經全面熟識了電場“力”的性質之后，那么《電勢能和電勢》就是開始研究電場“能”的性質至關重要的一節，本節所涉及到的基本概念的學習是靜電場這一章中的一個難點，與以往不同的是，這個難點并不是通過實驗來探究，而是由類比法來分析總結。類比法也算是一種探究式的思維方法，需要邏輯和時間，根據不同事物中存在的共性來推理出建立在這些共性基礎上的規律，同時還要關注發散思維的合理取舍，方可引導學生得出預期的課堂效果。

處理好本節內容除了能夠幫助學生了解靜電場能的性質之外，還可以為學生提供一種新的處理問題方法，即：當有些問題不方便用實驗來探究，同時又與之前我們所熟悉的知識有著相似相通的地方，那就可以通過類比的方式來解決問題，或者由類比提供猜想方向，再通過其他手段來求證。

教材在內容安排上從靜電力做功的特點入手，由例題得出靜電力做功與路徑無關這一特點，由此為切入點開始類比，用這一特點引導學生將靜電場與重力場類比，從而定義電勢能這一概念，然后在電勢能的比較中用比值法定義電勢這一表征靜電場能的性質的物理量，最后介紹等勢面這種描述靜電場的工具。邏輯上很通順，但是細節上還需要適當的補充。高二的學生已經知道了能量的分類，掌握了用做功來衡量能量變化的算術能力。但是對于“場”的認識并不清晰全面，對于重力場的認識也僅僅是會運用公式來計算重力勢能和重力做功，在此前的學習中也少有提及：重力場、重力加速度g就是重力場強度、重力勢gh等概念，因此在用類比法構建電勢能和電勢這兩個概念時可能會遇到不順暢的情況。對于重力和重力做功的過程，學生可以設計實驗去體驗或者回顧習題來探究，但是對于靜電力做功、電勢能、電勢等概念學生缺乏切身感受，帶電體的宏觀運動實驗又很難實現，加之電荷有正負之分，這些都使得分析靜電力做功和電勢能變化的過程更加復雜，如果泛泛而談只會讓學生不知所云，更加難以理解為什么要用類比來分析。因此，每一個引導問題的設置都要嚴謹仔細。具體操作如下：

【教學環節】學生活動，學生代表演板計算不同路徑的靜電力做功，其余學生通過計算結果歸納總結靜電力做功的特點，得出：“在勻強電場中靜電力做功與路徑無關”這一特點。同時得出勻強電場中靜電力做功的計算公式。

以靜電力做功特點為切入點，回顧：此前我們還知道哪些力做功與路徑無關？

大部分學生會回答“重力”，少部分學生會想到“彈簧彈力”

教師再通過三個思考與討論問題的引導，啟發學生將靜電場與重力場做類比分析靜電場中電荷的能量問題。

【思考】

（1）這兩種力做功對應哪種能量的變化？

重力勢能和彈性勢能

【合理猜想】電荷在靜電場中具有的能量屬于勢能

回顧：何為勢能？勢能是指物體（或系統）由于位置或位形而具有的能。

（2）哪種力的功更便于測量，容易計算？

重力（恒力）

【研究方法】將重力與靜電力的功能關系對比研究

（3）點電荷電場中的靜電力做功是否也與路徑無關？

（提示：在地球附近重力可視為恒力，結合重力產生的原因分析在距離地表很遠的一段距離中重力還可視為恒力嗎？此時重力做功是否仍與路徑無關？）

點電荷電場靜電力與萬有引力均與距離平方成反比，計算式相似，由萬有引力做功特點易知：點電荷電場中靜電力做功與路徑無關。

由此可體會點電荷靜電力公式與萬有引力的類比過程，體會類比法解決問題的便捷所在。

最終得出：靜電力做功與路徑無關的特點具有普遍適用性靜電場普遍存在勢能類比教學法雖不及實驗教學生動直觀，但是也是一種探究問題的常用手段，類比推理是學生從具體熟悉的喻體通往陌生抽象本質的一座橋梁，值得在教學中推廣運用。并不簡單局限在概念教學中，可以鼓勵學生在已經掌握的知識中繼續尋找不同領域知識的共性從而自發類比。在以學為生主體的課堂活動中，教師的作用是引導學生將知識遷移，給學生提供充分思考時間和聯想空間，而不是急于得出新概念的最終表述完成教學任務。學生自己通過分析得出的結論記憶會更為深刻，運用也會更靈活，同時也可以建立學生的學習成就感，增強自信，體會類比法研究問題的魅力。切忌操之過急一味灌輸，忽略了學生的主觀能動性，學生只有對概念理解透徹了，以后習題的訓練才會更加有效。