糾正高中物理學習中不當類比的策略

張瑩+袁海泉

摘 要：不當類比產生的學習障礙在高中物理學習中廣泛存在，糾正不當類比可以促進知識的遷移，提升學生的科學思維品質.

關鍵詞：不當類比；教學策略；高中物理

作者簡介：張 瑩（1992-），女，江蘇高郵人，研究生在讀，主究方向：中學物理教學.

袁海泉（1962-），男，江蘇蘇州人，副教授，研究生導師，研究方向：中學物理課程與教學、物理教育心理.類比推理是高中物理學習中常用的思維方法[1].類比可以把易混淆的概念變得清晰，把抽象的知識變得容易理解，正確運用類比，可以達到事半功倍的效果.但由于學生在類比過程中的盲目性和不恰當性，經常會得出錯誤的結論，這不僅影響了對該問題的理解，更影響了對于新知識的同化和順應.因此糾正不當類比產生的錯誤是學生有效學習、舉一反三的關鍵.本文概括了高中物理學習中不當類比的類型，并且給出了糾正不當類比的策略，以此來引導學生正確應用類比，掌握科學的類比思維方法.

1 學生不當類比的類型分析

類比方法在高中物理中有著廣泛的應用，類比具有不同的類型，同樣不當類比也存在著不同的類型.[2]

1.1 不當的因果類比

因果類比是以某一個類比對象的各個屬性之間存在的因果聯系為紐帶而進行的類比判斷，即將A與B進行比較后，發現B的屬性b′與A的諸多屬性a1′ ，a2′，……，an′ 都有因果關系，因此推斷出A也具有b屬性.例如物理學家惠更斯將光和聲進行因果類比，發現光與聲都具有直線傳播、反射、折射等屬性，推斷光也應該與聲一樣具有波動性，于是他第一個提出了光的波動說.

學生進行因果類比時，物理公式數學化常常會導致不當因果類比的錯誤.學生在解決物理問題的過程中，經常忽略公式與其物理現象之間的因果聯系，機械地運用數學邏輯來代替物理關系.例如教科書中對于“電場強度”、“功率”等的定義都采用了比值法，學生往往受表面現象迷惑，易將其與相應的數學關系k=yx進行機械類比，以數學關系來代替物理因果聯系，而不去考慮“電場強度”、“功率”的物理意義，常常錯誤地認為場強E正比于試探電荷受力F或反比于試探電荷電量q；認為功率P正比于功W或反比于時間t.

1.2 不當的模型類比

模型類比就是依據不同的模型在某些屬性上存在相似性，從而推斷它們在另外一些屬性上也可能存在相似性的類比推理，模型類比包括對象模型類比和過程模型類比[1].例如盧瑟福將原子結構與太陽行星模型進行類比，成功建立起原子結構模型，這屬于對象模型類比；又如教材在描述電流時，以水流系統作類比，以幫助學生理解抽象的電流概念，這屬于過程模型類比.

高中物理新課標的核心素養中要求學生要具有構建理想模型的意識與能力，在建模的過程中要注意理想化條件成立的依據.但一些學生在進行模型類比時，不注意有的物理模型實際上形同而質異，盲目代入已知的模型求解.以不當的對象模型類比為例，一根輕質彈簧下懸掛一個小球并處于靜止狀態，如圖1所示，問剪斷彈簧的瞬間小球如何運動？

部分學生在考慮這個問題時會傾向于用頭腦中比較熟悉的細繩—小球模型來類比，如圖2所示，而不會深入考慮在彈簧斷開的瞬間，彈簧形變存在，彈簧作用力仍舊存在，小球的加速度依然為零；而細繩斷開瞬間，繩上的作用力立刻消失，小球將會做自由落體運動，加速度為g.

1.3 不當的協變類比

協變類比是在兩個對象具有若干相似屬性的情況下，同時它們在數學形式或圖象上也具有相似性，從而推斷它們的其它屬性也具有相似的類比推理.例如，太陽與行星之間的萬有引力F=GMmr2和原子核與核外電子之間的庫侖力F=kQqr2都屬于有心力，且它們在數學公式上也具有相似性，盧瑟福將二者進行協變類比，成功推斷出原子結構的行星模型假說.

學生在進行協變類比時，常常會拘泥于表面的相似性，犯機械類比的錯誤.例如，根據v-t圖象求位移的面積法可以類比到很多相似的問題中，我們可以利用I-t圖象面積求電荷量q， F-x圖象面積求功W等，但把它用到U-I面積求電功率P， a-m圖象面積求合力F上顯然是錯誤的，因為U與I、a與m之間不存在相互約束關系，所以在進行類比前要弄清楚類比的特征依據，不能盲目類比.

1.4 不當概念類比

概念類比是發現待識事物B與已知事物A在某些特征上具有諸多相似性，已知物體A的某一屬性可以用a來表示，那么待識事物B相應的屬性也應該可以用a′表示[1].例如，高中物理學習中有些概念極易混淆，如“重力”和“地球引力”、“位移”和 “路程”、 “電壓”和“電動勢”等，有經驗的教師就會從各個角度來類比分析這些易混淆的概念，找出相同點，突出強調不同點，以促進知識的遷移，提高教學質量.

學生在進行概念類比時，往往以“形似”為“實似”，泛泛地認為二者的所有屬性都一一對應.例如對于速度v=ΔxΔt和加速度a=ΔvΔt這兩個概念在形式上具有很大的相似性，部分學生對于加速度和速度變化趨勢理解不深刻，在進行概念類比時，認為二者的變化趨勢應該始終保持一致，加速度增大，速度就會隨著增大.這樣不抓住類比對象的本質聯系隨意類比，就會在界定不清的情況下造成知識的負遷移.

2 糾正高中物理學習中不當類比的策略

使物理課堂變得活動化、情境化、生活化是新課標強調的重要目標.成功的糾正策略應使學生對學習活動產生積極的動機，喚醒學生的求知欲.克服不當類比造成的思維障礙，對促進知識的整合，提高學生的思維能力具有重要的意義.

2.1 巧用正反案例，深究概念本質

教材對于物理概念往往只是從正面下定義并且舉例說明，這導致學生對概念理解不透，習慣地采取常見的現象進行類比，強化物理概念，而不考慮相反的案例.對此，反例的適當運用，能夠促使學生從不同的方面深入理解概念的內涵和外延，抓住概念的本質，從根本上改變原有的錯誤觀念.endprint

例如，教材上雖然將摩擦力界定為“阻礙物體相對運動或相對運動趨勢的力”，但是舉的例子基本都是摩擦力阻礙物體運動，“關閉發動機的車子行駛一段時間就會停下來”、“旋轉的陀螺會越轉越慢”等，學生會下意識地將這些常見的生活實例進行類比強化，從而得出結論：摩擦力總是阻礙物體運動；摩擦力的方向應該與物體的運動方向相反；滑動摩擦力總是對物體做負功.對此，教師可以列舉如圖3所示的反例來糾正學生的錯誤理解.

速度恒為v的水平傳送帶上靜止釋放一物塊（如圖3甲所示），在物塊與傳送帶一起做勻速直線運動（如圖3乙所示）的過程中，由受力分析可知，物塊所受滑動摩擦力的方向與物塊運動方向一致，摩擦力做正功.通過反例的強化，學生能夠更加深入地理解相對運動和相對運動趨勢，理解摩擦力既可以是動力，也可以是阻力；既可做正功，也可以做負功.

2.2 采用以問引問，彌補認知不足

以問引問即通過教師的提問，學生對該問題進行思考的同時發現并解決新的問題.在不斷的提問與發現問題、解決問題的循環過程中，學生的認知結構逐漸浮出水面，從而教師可以針對學生認知上的不足來引領提問的方向，引導學生參與質疑，對自己由于不當類比形成的錯誤觀念進行反思，并根據教師的反饋信息調整自己的錯誤理解.

部分同學在分析電勢能的增減問題時，常常會受正負電荷的干擾而作如下類比：電勢類比高度、電勢能類比重力勢能，由于高度增加（降低）會引起重力勢能增加（降低），所以電勢增加（降低）也必然會引起電勢能增加（降低）.顯然，學生由于不當類比得出了錯誤的結論，對此，教師可以進行如下引導：

問題1：功與能量的關系是什么？答：功是能量轉化的量度.

問題2：勢能的變化由什么決定？答：由物體做功決定.至此教師要向學生強調，面對勢能變化的問題，應該從做功的角度來思考.

問題3：如果重力對物體做正（負）功，重力勢能將如何變化？答：重力勢能降低（升高）.

問題4：那么，電場力對電荷做正（負）功，電勢能又該怎樣變化？

答案自然而然就出來了，通過以問引問，絕大多數學生能夠把握住電場力做功與電勢能增減的關系，不再受正負電荷的干擾.

2.3 優化習題教學，挖掘錯誤根源

習題教學在高中物理學習中有著舉足輕重的地位.習題教學不僅要講明正確做法，更要挖掘錯誤根源，強調學生之所以類比不當的深層次原因，引導學生反思自己的錯誤觀念與正確答案的實質性區別，從根本上扭轉學生的錯誤認識.

例 當一束單色光從水中射入到空氣中時，對其波長和速度判斷正確的是[3]

A.波長變大，速度變小 B.波長變小，速度變大

C.波長和速度都變 D.波長和速度都變大

很多同學在解答此題時，會將光波與聲波進行類比.聲波是機械波，當從水中射入到空氣中時，波速v變小，頻率f保持不變，根據v=λf可知波長也變小.因此進行該項類比的學生選擇了C選項.教師在對此題作分析時，必須突出強調學生錯誤類比的根源：聲波屬于機械波，是借助介質的相互作用傳播的，介質會促進其傳播；而光波屬于電磁波，是依靠自身磁場的相互轉化傳播的，介質反而會阻礙其傳播.聲波和光波在介質中傳播的原理大相徑庭，因此二者不適合作類比分析.如果不考慮兩者的本質差異，濫用類比，就很容易得出錯誤結論.

2.4 培養思維習慣，突破直覺類比

類比法是一種或然性的推理，有時也會得出錯誤的結論，這使得類比法存在一定的局限.教師應該引導學生分析比較類比對象的特征，引導學生在草稿紙上畫出草圖，認真審題、仔細分析、謹慎類比，不被表面的相似性所迷惑，突破直覺類比，提高學生類比思維素質.

例如，在前面提及的不當的模型類比中，學生遇到此問題的第一感覺就是將彈簧—小球模型與頭腦中相對比較熟悉的細繩—小球模型進行類比，這兩個模型在表面上具有很大的相似性，但如果能將剪斷彈簧和細繩瞬間的受力分析圖畫出來進行對比（圖4和圖5），就能發現這一類比的錯誤所在，突破直覺類比的局限.

對于彈簧—小球模型，在剪斷彈簧瞬間，彈簧上的彈力依舊存在，小球受重力和彈力作用，仍處于平衡狀態；對于細繩—彈簧模型，在剪斷細繩的瞬間，繩上的作用力立刻消失，小球只受重力作用.在受力分析圖的指導下，模型類比的不當躍然紙上.

參考文獻：

[1]張丙宏.類比法在初中物理教學中的應用[J]. 中學物理， 2011， 29（12）：37-38.

[2]徐榮廣.高中物理教學中凸顯類比方法的研究[M]. 南京：南京師范大學出版社，2015.12-14.

[3]郁建石.走出類比推理的誤區[J]. 教育研究與評論·中學教育教學，2016（3）：86-90.endprint