探討類比教學(xué)法及其在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

洪濤 劉利輝 劉晃清

摘要：本文較為全面地闡述了類比教學(xué)法的起源、發(fā)展、類型和其在各個(gè)學(xué)科中的應(yīng)用，并用實(shí)例專門討論了如何應(yīng)用類比教學(xué)法在大學(xué)物理教學(xué)中教授概念、規(guī)律等內(nèi)容，以此供老師和學(xué)生們參考。

關(guān)鍵詞：類比教學(xué)法;起源;發(fā)展;應(yīng)用;大學(xué)物理教學(xué)

一、類比教學(xué)法的起源

類比教學(xué)法起源于類比（Anology），所謂類比就是兩者不同但相似的事物之間的比較。古希臘稱之為相稱（proportionality）。類比的目的是通過(guò)對(duì)某一事物的認(rèn)知來(lái)認(rèn)識(shí)與它相似的另一事物。類比法已成為認(rèn)知事物的一種強(qiáng)有力的輔助工具。它對(duì)解決問(wèn)題、發(fā)明創(chuàng)造，決策決定和未來(lái)預(yù)見(jiàn)有著不可替代的作用。

在過(guò)去的幾十年里，專門研究認(rèn)知的科學(xué)家對(duì)類比產(chǎn)生了濃厚的興趣，他們認(rèn)為類比可對(duì)人們的理解和分析問(wèn)題的能力有幫助。因此，在美國(guó)，類比曾被專門用在SAT測(cè)試中。SAT的全名是Scholastic AptifudeTest. 它是一種始于1926年專門用于美國(guó)大學(xué)生錄取的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。古希臘哲學(xué)家曾視類比為共享抽象（Shared abstraction），其范圍延伸到主意、形狀、規(guī)律、哲理等許多較為抽象領(lǐng)域。一部分人視類比為一種誘導(dǎo)模式，即從已知的東西推導(dǎo)出未知的東西，這種誘導(dǎo)方式思維被廣泛地應(yīng)用在科學(xué)、哲學(xué)等領(lǐng)域。

類比法已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。在語(yǔ)言領(lǐng)域里有時(shí)人們的想法和向往通常是通過(guò)類比的隱喻方式間接地向外界傳遞出去。在文學(xué)、詩(shī)歌、卡通片和喜劇表演中，類比的應(yīng)用極為普遍，用它可吸引人們的注意力，為人們帶來(lái)歡樂(lè);修飾和論證政治、理論、哲學(xué)等觀點(diǎn)等常常需要使用類比;在法律上，應(yīng)用類比對(duì)那些懸而未決的或模棱兩可的事情可以達(dá)到滿意的解決效果，然而，如果對(duì)于明確的法律條文，類比是被禁止使用的，這是為了防止有人會(huì)借此鉆法律的空子，只有那些被法律允許的類比，稱之為合法類比，才被允許在法律中使用;在科學(xué)領(lǐng)域，類比的應(yīng)用也非常廣泛，被公認(rèn)為是獲得靈感，主意和假識(shí)的一個(gè)重要手段，且具有很強(qiáng)的啟發(fā)性功能，但必須指出的是，用類比僅僅是給出推論而不是下結(jié)論。要得出其結(jié)論，必須要通過(guò)有關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。類比不但能幫助科學(xué)家得出推論，其本身也可用于發(fā)現(xiàn)某些新事物，例如，德布羅意通過(guò)對(duì)光本性認(rèn)識(shí)類比提出了實(shí)物粒子具有波粒二象性。現(xiàn)在類比已經(jīng)從理論上的應(yīng)用轉(zhuǎn)到實(shí)踐中的應(yīng)用，如類比耳朵即人工耳渦，就是科學(xué)家通過(guò)模仿耳朵在電子和機(jī)械的基礎(chǔ)上制成的。類比在人工智能方面也是不可缺少的，人們可以通過(guò)類比的思維來(lái)確定或刪除某些信息。基因功能預(yù)測(cè)也可以通過(guò)類比來(lái)實(shí)施。但這里需要指出的是類比在生物學(xué)領(lǐng)域的意思一般是指兩者事物的相似性而不是指它們之間有進(jìn)化上的聯(lián)系。類比也可以用來(lái)分析解剖學(xué)中的功能性結(jié)構(gòu)，例如昆蟲腳對(duì)動(dòng)物腳。但解部學(xué)上類比結(jié)構(gòu)和上述生物學(xué)領(lǐng)域中基因功能相似性一樣也是沒(méi)有進(jìn)化上的聯(lián)系。其他領(lǐng)域如工程和計(jì)算機(jī)也常用類比來(lái)描述一些特定的性狀和現(xiàn)象。總之，類比的應(yīng)用十分廣泛，其作用越來(lái)越多地被人們意識(shí)到。在教學(xué)領(lǐng)域里也不例外。下一節(jié)就專門討論類比在教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用以及由此而誕生的一種新的教學(xué)方法稱之為類比教學(xué)法。

二、類比教學(xué)法的發(fā)展和其在教學(xué)上的應(yīng)用

將類比的手段用于教學(xué)自有紀(jì)錄以來(lái)就存在。但起初僅限于對(duì)兒童的概念教學(xué)，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，現(xiàn)已漸成為一種教學(xué)體系，稱之為類比教學(xué)法。它已用于教學(xué)所有年齡層次的人。類比教學(xué)法有四種主要模式，分別是搭橋式類比（Brown and Clement，1989）、類比教學(xué)模式（Dupin and Johsua， 1989），用類比教學(xué)模式（Teaching with nalogy TWA）（Glgnn，1991）和類比教學(xué)普通模式（General model for analogy teaching （GMAT）（Zeitoun，1984）。其中美國(guó)喬治亞大學(xué)的Shawn Glynn 教授發(fā)展的TWA模式較為流行。該模式細(xì)分為6個(gè)步驟：第一步給出所要講的話題，然后介紹該話題的一般性知識(shí);第二步評(píng)估所要給出的類比事例以確定學(xué)生對(duì)是否熟悉、是否能夠認(rèn)識(shí)到它和所要講的話題之間有聯(lián)系，即兩者之間的相似性;第三步找出類比案例和所要講的話題之間的相關(guān)性;第四步找出兩者之間所有相似性，并讓學(xué)生對(duì)它們進(jìn)行比較、分析和理解;第五步找出相似性中的不同性;第六步在上述比較的基礎(chǔ)上推出結(jié)論。

TWA的模式特別適合教學(xué)科學(xué)概念，類比教學(xué)法的本質(zhì)就是把舊知識(shí)和新知識(shí)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)引導(dǎo)語(yǔ)言或材料傳播講授新知識(shí)，更具體地說(shuō)就是將課本中的概念、原理、定理和公式與記憶中的相似現(xiàn)象或結(jié)構(gòu)等聯(lián)系起來(lái)，推理出課本中未知的新的概念等，從而使學(xué)生能夠?qū)@些未知的東西有一個(gè)更深入的認(rèn)知和掌握，達(dá)到事半功倍的效果。類比教學(xué)法的這些特點(diǎn)使其受到眾多老師的青睞和重視。歸納起來(lái)有下列四種主要原因：

1、有利于教師構(gòu)建生動(dòng)事例，吸引學(xué)生課堂注意力從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)因比較重要的就是好奇和自信。當(dāng)學(xué)生看到老師給他們展示一幅畫、一個(gè)視頻、動(dòng)畫或熟悉的東西時(shí)，或者聽(tīng)到老師給他們講一個(gè)故事時(shí)，學(xué)生的注意力會(huì)頓時(shí)集中起來(lái)，以及會(huì)急于想了解畫的背景、內(nèi)容或故事的結(jié)果，或老師展示的目的是什么，由此會(huì)按老師的一步一步的引導(dǎo)聚精會(huì)神地進(jìn)入所要學(xué)的內(nèi)容，而無(wú)任何泛意。這使老師的灌輸式教學(xué)化為學(xué)生的主動(dòng)性學(xué)習(xí)。

2、有助于老師對(duì)抽象概念的教學(xué)以及學(xué)生對(duì)其深入理解。類比教學(xué)法的其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是它能將難理解的問(wèn)題變成通俗易懂問(wèn)題、混淆的概念變成清晰的概念，難記憶的知識(shí)變成易記憶的知識(shí)。

3、有助于學(xué)生發(fā)展求異思維能力和深化對(duì)授課內(nèi)容的掌握。類比事例能使學(xué)生產(chǎn)生好奇，發(fā)起聯(lián)想和加深思維。學(xué)生可通過(guò)事例對(duì)老師甚至對(duì)自己發(fā)問(wèn)，以對(duì)其中的所有奧秘和疑問(wèn)求得正確的答案。

4、有助于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。學(xué)生可通過(guò)老師給出的類比事例而能舉一反三，給出他們自己的類比事例，從而更進(jìn)一步地提高學(xué)生的獨(dú)立思考、分析的能力。

當(dāng)然，老師選用的類比事例一定要為學(xué)生所熟悉和感興趣。做到這一點(diǎn)，老師必須要對(duì)學(xué)生的知識(shí)背景和興趣有一定的了解。

用于類比教學(xué)的類比類型有很多種，但如下的14種類型最為常見(jiàn)：

1、同義和反義，如冷和熱。

2、部分和整體，如桌腿和桌子。

3、原因和影響，如電商的增加和店面的減少。

4、事情和功能，如不能使用暴力和法律。

5、事物和特征，如牛頓科學(xué)家和力學(xué)。

6、事物和背景，如田野和農(nóng)物。

7、事物和類型，如英雄人物和拍成的電影。

8、分類和亞分類，如形態(tài)和三角型。

9、物體和歸別，如火車和運(yùn)輸工具。

10、不同的級(jí)別，如涼風(fēng)和寒風(fēng)。

11、事實(shí)和看法，如 水和很熱。

12、步驟和過(guò)程，如改稿和寫作。

13、問(wèn)題和答案，如生病和治療。

14、符號(hào)和意義，如紅十字和慈善機(jī)構(gòu)。

在這14種類型中，有的使用頻率較高，有的則較低。到底用什么類型，用多少類型，大多取決于老師的偏愛(ài)、課本中的話題、學(xué)生的知識(shí)面和學(xué)生的興趣。但無(wú)論選用哪種類型，所選用的類比事例一定要為學(xué)生所熟悉。否則學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣很難被調(diào)動(dòng)起來(lái)，有時(shí)學(xué)生還會(huì)因此產(chǎn)生抵觸情緒。所以，類比教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)并不是一件簡(jiǎn)單容易的事情，它需要被不斷地探索和研究，以找出一條符合自己實(shí)情的路。

大學(xué)物理是老師和學(xué)生公認(rèn)的一門難懂的課程。我在教學(xué)大學(xué)物理時(shí)，對(duì)不同的內(nèi)容采用不同類型的類比教學(xué)法。具體舉例如下。

1、引入新概念時(shí)用類比內(nèi)容、情境和事例進(jìn)行鋪墊，此法能夠很好地提高學(xué)生對(duì)新概念的接受和理解。

例如，在介紹動(dòng)量概念時(shí)，如果先問(wèn)一個(gè)問(wèn)題：哪一個(gè)落體會(huì)傷到人，是石頭還是樹葉。學(xué)生的興趣會(huì)被立刻地激發(fā)出來(lái)，他們會(huì)異口同聲地回答是石頭，因?yàn)槭^比樹葉重得多，而且下落速度快得多。這時(shí)，老師引入動(dòng)量概念并給出其表達(dá)式 ，學(xué)生會(huì)很容易明白石頭的動(dòng)量大而樹葉的動(dòng)量小，動(dòng)量是描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，是物體的質(zhì)量和速度的乘積。

2、采用知識(shí)點(diǎn)的類比設(shè)問(wèn)，可以使新的結(jié)論輕松松松地呈現(xiàn)出來(lái)。

例如，在講到質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)時(shí)，學(xué)生已經(jīng)知道了力是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的動(dòng)因，動(dòng)量是描述質(zhì)點(diǎn)平動(dòng)的物理量、是和平動(dòng)相聯(lián)系的守恒量，動(dòng)量隨時(shí)間的變化率等于質(zhì)點(diǎn)所受的合外力，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量定理的微分形式）。那么，角動(dòng)量隨時(shí)間的變化率又取決于什么呢？當(dāng)在黑板上寫下角動(dòng)量隨時(shí)間的變化率的表達(dá)式 ，右邊的第二項(xiàng) 為零，而得出 ，其中， 就是質(zhì)點(diǎn)所受的力對(duì)固定點(diǎn)的力矩 ，即 （質(zhì)點(diǎn)的角動(dòng)量定理的微分形式），質(zhì)點(diǎn)對(duì)固定點(diǎn)的角動(dòng)量隨時(shí)間的變化率等于質(zhì)點(diǎn)所受的合外力對(duì)同一個(gè)固定點(diǎn)的力矩。此時(shí)水到渠成即得出力矩的定義及質(zhì)點(diǎn)的角動(dòng)量定理，質(zhì)點(diǎn)所受的力矩是質(zhì)點(diǎn)繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)因，從而幫助于學(xué)生對(duì)結(jié)論的理解和掌握。這里采用類比的方法提出問(wèn)題，為新的結(jié)論做出了很好的鋪墊。

3、用之前學(xué)過(guò)的舊知識(shí)和將要學(xué)的新知識(shí)作為類比能帶來(lái)雙倍的效果，使學(xué)生既能夠溫習(xí)和鞏固知識(shí)，又能夠理解和掌握新知識(shí)，并且領(lǐng)會(huì)到類比思維方法的重要作用。

例如，在講授庫(kù)侖定律時(shí)，讓學(xué)生比較牛頓引力定律及庫(kù)侖定律表達(dá)式，并引入物理學(xué)家揚(yáng)振寧于1978年7月6日在上海物理學(xué)會(huì)演講的一段話：“我曾經(jīng)把庫(kù)侖的文章拿來(lái)看了一看，發(fā)現(xiàn)他寫出的那個(gè)公式同實(shí)驗(yàn)的誤差達(dá)到30%以上，估計(jì)他寫這個(gè)公式，一部分是猜出來(lái)的。猜測(cè)的道理是因?yàn)樗阎琅ｎD的公式。之所以要和大家講這一點(diǎn)，是因?yàn)樗形锢砗蛿?shù)學(xué)最前沿的研究工作，很大一部分力量要花在猜想上。在別的方面可能也是這樣，則不過(guò)我不太熟悉罷了。當(dāng)然這并不是說(shuō)可以亂猜，猜必須建筑在過(guò)去的一些知識(shí)上面。你過(guò)去的知識(shí)愈正確、愈廣泛，那么猜到正確答案的可能性就愈大”。這一段關(guān)于由引力定律類比出庫(kù)侖定律的一段話，能很好地促使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中去學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟思維方法。同時(shí)，通過(guò)具體計(jì)算，讓學(xué)生了解萬(wàn)有引力和靜電力之間差異，了解引力場(chǎng)和靜電場(chǎng)。通過(guò)對(duì)引力和電力之間相同點(diǎn)和不同點(diǎn)的比較，學(xué)生不僅了解靜電場(chǎng)的特征，同時(shí)又溫習(xí)了牛頓引力場(chǎng)的特征。

4、用類比的方法提出新的理論假設(shè)，有助于學(xué)生了解新理論產(chǎn)生的時(shí)代背景、加深對(duì)新理論精髓的理解、進(jìn)一步拓展了學(xué)生的科學(xué)的思維方法以及學(xué)習(xí)科學(xué)家大膽創(chuàng)新的精神。

例如，在討論實(shí)物粒子的波粒二象性時(shí)，回顧人類對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)歷程，而自然地意設(shè)到人們對(duì)實(shí)物粒子的認(rèn)識(shí)是否也具有片面性呢？由此順風(fēng)順?biāo)h(huán)環(huán)相扣、循循善誘引導(dǎo)出德布羅意的實(shí)物粒子的波粒二象性假設(shè)。

5、在知識(shí)板塊的學(xué)習(xí)構(gòu)建中，類比法的應(yīng)用有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)觸類旁通。

例如，從質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)遵循的規(guī)律中，采用類比法，可以直接寫出剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)所遵循的規(guī)律。還有從靜電學(xué)包括真空中的靜電場(chǎng)、靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電解質(zhì)的性質(zhì)和規(guī)律中，采用類比法，容易得出靜磁場(chǎng)包括真空中的靜磁場(chǎng)、靜磁場(chǎng)中磁介質(zhì)的性質(zhì)和規(guī)律。所有這些類比法的應(yīng)用有助于學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的遷移、幫助學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中活學(xué)活用、融會(huì)貫通。

由上述例子可以看出，在大學(xué)物理教學(xué)中引入類比教學(xué)法能明顯地幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解新知識(shí)，提高他們的學(xué)習(xí)解題能力以及學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣。然而需要指出的是并不是所有的話題都可以引入類比教學(xué)法或所有的事例都可以用作類比教學(xué)法中的類比事例。若類比事例引入不當(dāng)，則可能取得相反效果。學(xué)生可能會(huì)由此產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤，這對(duì)老師的后續(xù)教學(xué)增加難度。因此使用類比教學(xué)法一定要慎重。注意類比事例與所要教學(xué)的內(nèi)容相匹配，要了解學(xué)生對(duì)類比事例的熟悉程度和理解程度，另外也要注意引入的方式。一般說(shuō)來(lái)常見(jiàn)的引入方式有下列幾種，直接類比法、因果類比法、對(duì)稱類比法和擬人類比法，針對(duì)特定的物理話題還可以繼續(xù)分為對(duì)概念的類比，規(guī)律建立時(shí)的類比、演示實(shí)驗(yàn)類比和探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)類比等引入方式。了解什么樣的引入方式是最恰當(dāng)?shù)摹W(xué)生所熟悉的的類比事例，以及什么樣的類比事例是學(xué)生最為最喜歡的，對(duì)提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要。要做到這些，老師必須要在課前作一番調(diào)查研究。只有這樣，才能真正發(fā)揮出類比教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)，使其在大學(xué)物理教學(xué)中產(chǎn)生更好的效果。

結(jié)束語(yǔ)

高校的教學(xué)質(zhì)量是衡量?jī)?yōu)劣的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，因此每個(gè)學(xué)校尤其是高校都在注重改進(jìn)教學(xué)方法以提高教學(xué)質(zhì)量。類比教學(xué)法在實(shí)踐中已被證明對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高有顯著的幫助，它可以使學(xué)生溫故知新，對(duì)新知識(shí)有較強(qiáng)的理解能力、分析能力和記憶能力、并增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)能力及提升老師的教學(xué)效果;另一方面采用類比教學(xué)法也省時(shí)省力，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)效的教學(xué)方法。正因?yàn)槿绱耍F(xiàn)已被廣泛地用于各門學(xué)科的教學(xué)中，然而如何更有效地運(yùn)用類比教學(xué)法使其發(fā)揮出更好的作用對(duì)我們來(lái)說(shuō)仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。這是因?yàn)槿缜八觯⒉皇撬械慕虒W(xué)內(nèi)容都可以引入類比教學(xué)法或者類比教學(xué)法可以被簡(jiǎn)單地直接地采用到教學(xué)當(dāng)中去，我們因此需要通過(guò)反復(fù)研究、實(shí)踐找出對(duì)我們課程最合適的類比教學(xué)法、類比類型以及類比教學(xué)法引入方式。一般說(shuō)來(lái)在眾多的類比教學(xué)法當(dāng)中，Glynn的TWA模式可能對(duì)大學(xué)物理教學(xué)更加合適，因?yàn)樗鄬?duì)來(lái)說(shuō)較注重類比事例和所要教學(xué)的內(nèi)容的相關(guān)聯(lián)系，它能從這些相關(guān)聯(lián)系中解釋新教學(xué)的內(nèi)容即新知識(shí)，學(xué)生能從這種模式中溫習(xí)鞏固舊知識(shí)、又可理解和掌握新知識(shí)，這對(duì)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)物理興趣和能力有著極大的幫助.達(dá)到了一箭雙雕的效果。因此，建議老師如有可能應(yīng)盡量采用TWA模式教學(xué)大學(xué)物理。最后愿本文能夠起到一種拋磚引玉作用，使我們的教學(xué)水平和質(zhì)量更上一層樓。

參考文獻(xiàn)：

[1]Brown， D.E.， & Clement， J. （1989）. Overcoming misconceptions via analogical reasoning： Abstract transfer vs. explanatory model construction. Instructional Science， 18， 237-261.

[2]Dupin， J.， & Joshua， S. （1989）. Analogies and “modeling analogies” in teaching： Some examples in basic electricity. Science Education， 73， 207-224.Glynn， S.M. （1991）. Explaining science concepts： A teaching-with-analogies model. In S.M. Glynn， R.H. Yeany&B.K. Britton （Eds.）， The psychology of learning science （pp. 219-240）. Hillsdale， NJ： Erlbaum.

[3]Zeitoun， H. H. （1984）. Teaching scientific analogies： A proposed model. Research in Science & Technological Education， 2（2）， 107-125.