“類比思想”與“轉化思想”例說

王世旺

“類比思想”與“轉化思想”是物理學習的很重要的思想，它幾乎滲透在物理教學每一個過程之中。“類比”是由已有知識向新知識過渡的一種很有效的方法，所謂“轉化”，它是指將一些隱性的或不易直接測量的物理量、物理概念或物理規律，轉化為顯性的或可以間接測量的一種間接的思想方法，從而實現化繁為簡、化難為易的目的。

類比思想與轉化思想主要體現在以下幾個方面：

1. 化抽象為具象

物理概念體現的是一種思維形式，人們借助這種思維形式來認識各種客觀事物和現象的本質特征，因而物理概念具有一定的抽象性，學生往往由于缺乏相應的感性認識，容易形成學習時的障礙。因此，重視運用“轉化思想”將物理概念所反映的一些現象、一些效應直觀地顯現出來，引導學生去認識、去感知、去領悟她們的本質特征，達到化抽象為直觀的教學效果。

案例：溫度與溫度計

溫度是物體的冷熱程度，它是一個可以感知但是看不見摸不著的物理量，那么我們怎么把溫度直觀地顯現出來？普通液體溫度計就是利用液體熱脹冷縮的性質，把溫度的變化轉化成可以看得見的液體的體積的變化、更直觀的是液柱在溫度計的毛細管中的長度變化而顯現出來。簡言之，就是把溫度的變化轉化為長度的變化。

電阻是導體對電流的阻礙作用，也是看不見摸不著的，是一個抽象的概念。要理解這一概念，可以先做一個類比：路面對車的阻礙作用，可以從車流量的大小來判斷，路不好走，對車輛的阻礙作用就大，車走的慢，車流量就小，所以車流量小可以說明路面對車的阻礙作用大。與此類似，導體對電流的阻礙作用，可以從它產生的效應入手，將一個燈泡接入電路，通過燈泡的亮度來判斷電流的大小，進一步判斷電阻的大小。

實際上，很多儀表都是利用轉化的思想把看不到的物理量轉換為可視的直觀的物理量制成的：電流表把電流的大小轉化為指針的擺幅；電壓表是把電壓的大小轉化為指針的擺幅直觀可見，可以從表盤上直接讀取我們所需要的物理量。彈簧測力計把力的大小轉化為彈簧伸長的長度；桿秤把質量轉化為在秤桿上可以看得見的長度；水銀壓強計把壓強轉化為水銀柱的高度，等等。

2. 化隱性為顯性

物理是一門以觀察和實驗為基礎的科學，實驗是整個初中物理教學的堅實基礎，它不僅能夠提供學習的感性材料，還能引導學生思維發展，是提高學生學習能力、培養學生科學素養的重要途徑。但在實驗中，有一些物理性質和物理量，由于其自身屬性的關系，很難用儀器儀表直接顯示出來，或因條件所限，無法提高測量的準確度，此時就需要靈活運用轉化的辦法，在等效的前提下，把這些隱性的物理性質轉化為方便測量的物理量。

案例：探究電磁鐵磁性強弱與哪些因素有關

學生猜想：電磁鐵是也通電之后才有磁性的，磁性的強弱可能與電流大小有關；可能與線圈的匝數有關；可能與線圈的形狀有關；等等…

猜想依據：磁性是物質的一種隱性的物理屬性，磁性的有無、磁性的強弱都是不能直接看出來的，如何直觀地顯示這種性質，如何比較電磁鐵磁性的強弱？從磁性的定義出發，直接看他能否吸引大頭針可以判斷（磁性的有無——能否吸引大頭針），而磁性的強弱指的是電磁鐵吸引鐵、鈷、鎳等物質的能力的大小，這樣，就需要將這一隱性的性質轉化為可以直接看到的它吸引大頭針的數量來顯示它的磁性的強弱（磁性的強弱——吸引大頭針的多少）。

磁性看不見也摸不著，這種以能否吸引大頭針以及吸引大頭針的多少來判斷電磁鐵磁性的有無以及磁性的強弱的方法，就是轉換法。思想已經明確，就可以大膽地設計實驗了。

3.化直接為間接

學習物理的目的是為了應用，綜合實踐活動是物理課堂教學的延伸與拓展，學生講課堂上所學的知識到實際生活中進行檢驗和運用，可以有效地培養學生學以致用。解決實際問題的能力，實際活動過程中，重視“轉化思想”的應用，能夠將復雜的制作及測量環節，變得更簡便與直接。

案例： 制作密度計

活動目的：利用物體漂浮條件制作一個密度計

所需器材：直徑為8.0cm的圓柱形空飲料瓶，細砂（配重）簡單制作工具等等

制作方法：準備空飲料瓶一個，打開瓶蓋，在飲料瓶里倒入質量適當的細砂，保證飲料瓶能夠直立與水中適當深度處，根據事先測量好的瓶底的半徑和瓶子與細砂的總質量計算出不同密度對于的高度，在飲料瓶外壁標上刻度線，一個簡易的液體密度計就做成了

確定刻度：事先測出飲料瓶與細砂的總質量m，，用刻度尺測出飲料瓶的外半徑r，根據漂浮條件和阿基米德原理計算出不同液體的密度對應的浸入深度，然后在飲料瓶的外壁標出刻度（刻度是不均勻的）。

本案例中，活動小組的學生們巧妙且恰當地運用了轉化的思想，將待測的物體質量轉化為可以直接標記在瓶身上的長度刻度值，非常簡單適用。

4.習題教學中應用 化數字為圖形

習題教學貫穿于物理教學的全過程，是促進和完善學生對新知識認識、培養學生分析和解決問題能力的重要途徑，物理習題一般都給出了一些已知條件和物理量，通常這些物理量的題設條件下存在著內在聯系，如果學生僅文字和數字的角度去思考，很難把握這種內在聯系，往往因此陷入解題困境，不知如何下手，而靈活運用“轉化思想”將題目中條件和物理量“數”的信息轉化為“形”的信息，便能是所需要解決的物體一目了然，從而順利完成解題。

案例：機械運動中的路程——時間圖象、速度——時間圖象、固體熔化凝固圖象（此處不展開分析）。

5.化復雜為簡單

物理學史是一座人類科學思想方法的寶庫，蘊含著及其豐富的教育價值，在物理學史教育過程中，通過深入剖析若干物理學重大發現、重大突破的典型案例，了解科學大師們的科學發現與創造思路，品味其非凡的想象力和獨特的科學上思想方法，可以使學生接受科學精神和科學思想的熏陶，發展思維能力，培養創新意識，轉化思想精神其中一種常見的、具有重要意義與價值的科學思想。

案例 托里拆利實驗

初中學生學習了液體壓強規律后，了解到液體內部壓強公式，一般會習慣地用類比的方法想到一個新問題——大氣壓強有多大？如何計算？能否用液體壓強公式來計算呢？顯然，因為空氣的密度是不均勻的，隨著海拔高度的增多而減小，不是一個定量，所以不能通過測量高度借用液體的壓強公式來間接測量大氣壓強，液體壓強公式不再適用。

意大利物理學家和數學家托里拆利首先解決了這個難題。托里拆利根據大氣壓強與它所能夠支持的水銀柱的壓強存在著相等的關系，把測量大氣壓強轉化為測量水銀柱的壓強。而只要測出了大氣壓能夠支持的水銀柱的高度，就可以利用液體壓強公式快速計算出水銀柱的壓強， 進而得到大氣壓強。就這樣巧妙地化解了一個復雜問題。由此可見，轉化思想在科學研究中有著重大價值和無窮魅力。同時告訴我們：物理學史教育對培養學生科學素養有著無可替代的作用。