類比整合思想在高三物理教學中的應用

摘 要：中國傳統儒家“和而不同”的思想與物理學中追尋和諧統一的科學思想具有異曲同工之妙，旨在研究事物（或思想）之間的關聯之處，實為 “求同存異”。在高三物理教學中，教師可以通過實驗方法類比、圖像法類比、物理規律與具體情境圖類比等形式將新教材及其他資源進行類比整合，構建知識網絡，歸納物理方法，提升學生科學素養。

關鍵詞：類比學習；物理方法；資源整合；高三學習

物理學家總是力圖在科學的海洋中探索和諧且統一的自然規律，當他們發現這些自然規律可以用數學工具呈現時，這種探索的熱情愈發高漲，麥克斯韋如此，愛因斯坦也是如此。君子和而不同，寓意著君子之間能夠和諧相處，且能彼此包容對方的不同意見，類似于“求同存異”的理念，表明自然哲學與儒家哲學在某些方面存在交集。

在新形勢下，引導學生掌握人教版六冊高中物理教材中的知識與方法，并將其內化為自身的素養，是高三物理教師面臨的新挑戰。在高三這一年的時間里學生不能只是“刷題”，因為“刷題”不等同于“問題解決”，前者是對后者的窄化和畸形理解。［1］因此，教師必須有規劃地做好教育教學研究工作，用好教材資源，實行高端備課，將學科知識有效整合并呈現于課堂。高三的學習更強調知識的系統性和方法的歸納。當教師面對較多且分散的知識點和教學資源時，不妨嘗試用“和而不同”的思想來進行分類和梳理。

1 物理學中的類比

類比是一種邏輯推理方法，也是抽象思維中的一種形式。前輩們常通過聯想，先把異常的、未知的事物（研究對象）與尋常的、熟悉的事物（類比對象）進行對比，然后基于兩者之間存在著的某種類似或相似的關系，從已知對象具有的某性質推導出未知對象具有相應的一種性質。

正如愛因斯坦所說，在物理學上，人們往往因為發現了表面上看似無關的現象之間相互一致之點而加以類推，結果竟得到很重要的進展。

一方面，類比學習能幫助我們基于已知事物的相關理論建立假說，以解釋新的事物；用某些已知的屬性來闡述未知的屬性，從而增強說服力，使人們容易理解。另一方面，物理學中的規律、方法、情境之間存在著諸多“神似”之處，而其中高度抽象的數學表達式又有許多“形似”之處。教師在引領學生感知物理魅力的同時，應適時將表達式進行類比（如表1所示），求同存異，提升學習的效率，并促進學生對物理觀念的建構。

2 將新教材資源進行類比整合的案例

2.1 將“新增知識”與“舊版知識”進行類比整合

2019～2020年人教版高中物理教材比2010年人教版高中物理教材新增了一些內容，增大了知識的容量。這意味著教師一定要引導學生將新增的部分與原有的知識類比結合，形成新的知識框架；而通過物理方法進行類比學習，是極佳的學習方式。

2.1.1 通過實驗方法進行類比整合

物理實驗方法是前人經過大量的實驗，反復論證、檢驗并再檢驗所形成的。物理實驗方法因其具有可重復性，使得我們可以通過實驗方法建構學習框架，對新增實驗進行類比學習。2019年人教版高中物理必修第二冊教材相比之前的2010年人教版高中物理必修2教材，增加了一個“探究向心力大小的表達式”的實驗裝置示意圖如圖1所示。［2］這個實驗是用控制變量法探究向心力與半徑、物體質量、角速度的關系（如表2所示）。

當一個物理量與多個變量（多個因素）有關時，常采用控制變量（因素）的方法，即每一次只改變其中的一個變量（因素），而控制其余所有的變量（因素）不變，把多重因素的大問題變成若干個單一因素的小問題分別加以研究，最后再整體解決。

這一研究方法可類比至不同知識模塊，如探究加速度與力和質量的關系；研究導體電阻與長度、橫截面積、材料之間的關系；探究單擺周期與擺球質量、擺長、振幅之間的關系；探究一定質量理想氣體的壓強與溫度和體積的關系；探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系等。

2.1.2 通過圖像法進行類比整合

數形結合是一種將抽象問題直觀化、可視化的思想方法。圖像法是科學探究中數據處理的重要方法。對于高中物理來說，圖像是學生在沒有學過微積分的情況下，理解物理規律并對現象進行分析的重要工具。2020年人教版高中物理選擇性必修第一冊“動量定理”一節，相比之前的2010年版新增了一個變力的沖量圖，如表3中所示的第一個圖，其滲透了微元法及面積法的思想。我們可以對圖像進行類比整合。教學中常用到的直（曲）線與橫軸包圍的面積和直（曲）線的斜率相關圖像進行類比，歸類整合如表3所示。

2.2 將物理規律與具體情境圖類比

教材是教與學的基本材料，絕不是教輔資料能代替的。但教材也不是唯一教學資源，許多的物理規律是從現象中總結出來的，現象是物理的根源。［10］當有些現象確實難以觀察時，我們可以將抽象的事物（或規律）與具體情境圖類比，使前者變得形象、直觀。具體情境圖可以是實景圖，也可以是漫畫。［11］而教材由于篇幅的限制，不可能將所有情境圖一一配齊。因此，教師需要拓展開發教材，廣泛尋找類比學習的資源。

以布朗運動為例，教師在分析懸浮微粒的無規則運動時，可以用“酒鬼走路”位移的無規則性來形象描述懸浮微粒的運動（如圖2所示）。在學習盧瑟福的原子核式結構模型時，教師可用“荔枝果”的剖面來做比喻（如圖3所示），中間的“果核”類似于“原子核”。在研究靜電場中的等勢線時，教師可以借用地理學科中的等高線來表示；而電場線由高電勢指向低電勢就自然可以類比于水流方向由高到低（如圖4所示）。

另外，教師還可以將跨年級的知識類比整合。對于高一所學的“相對論時空觀與牛頓力學的局限性”和高二所學的“粒子的波動性和量子力學的建立”這兩節所講述的內容較為深奧。然而，實際上這兩節的內容對高中階段學生并無過多的要求。教師可以將這兩節的內涵整合，并繪制一張“適用范圍圖”（如圖5所示），以此方式呈現，將使這些深奧概念變得清晰直觀。

2.3 “多維度類比學習”的典型案例——重力場與靜電場

科學作為一個結構，是通過觀念之間的斗爭與滲透成長起來的。在學習物理的過程中，我們會發現有些之前學過的知識，會反復滲透在其他許多類似的描述和定律中，比如保守力場。以重力（萬有引力）場和靜電場類比學習為例（如表4所示），教師要引導學生對兩種場的多個對應量進行類比學習。學生只要對兩種場中多個物理量的關系進行多維度的類比學習，就會有一種豁然開朗的感覺。

3 對類比學習的反思及教學啟示

類比學習，是將類似的知識與方法聯系起來，實現知識與方法的遷移。這一點對高三物理教學相當有利，類比學習不僅可以提高教與學的效率，還能鼓勵學生在培養自我類比記憶能力和形成良好學習的習慣過程中，將類比方法內化為學生自身的素養，從而使學生能夠用類比的方法解決新的問題。但每一種方法都有局限性，因此類比學習時需注意以下事項：第一是類比是有條件的，要審視條件，切不可勉強類比，更不可胡亂類比；第二是類比要注意求同存異，做到具體問題具體分析，畢竟不同研究對象，有著各自的屬性或具體的內涵；第三是類比要注重借鑒彼此的研究方法和思維方式。

在完成新授課任務進入高三時，教師應該致力于“問題解決”，尊重學科特點，以人為本，從更寬闊的視野出發，對繁多且分散的知識進行類比梳理，達到和而不同、求同存異。物理概念以及物理量之間關系的表達，要借助于數學式或圖像等手段。［14］教師還要充分發揮自己的創造力，對教材資源進行拓展開發，將抽象之物變得更形象、更直觀。［15］當我們置身于一棵大樹旁，我們無法看到森林的全貌；可當我們從較遠處，以更宏觀、更開闊的視野來看森林，我們對整體的布局、類比分類及規劃會更加清晰。物理教學亦是如此。

參考文獻

［1］童大振，楊潔，胡揚洋. 走向“豐富”的物理問題解決教學——國際研究進展與啟示［J］. 中小學教材教學，2022（7）：49-54．

［2］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發中心. 普通高中教科書 物理 必修 第二冊［M］. 北京：人民教育出版社，2019：29．

［3］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發中心. 普通高中教科書 物理 選擇性必修 第一冊［M］. 北京：人民教育出版社，2020：7．

［4］［7］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發中心. 普通高中教科書 物理 必修 第一冊［M］. 北京：人民教育出版社，2020：45，39．

［5］［13］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發中心. 普通高中教科書 物理 必修 第三冊［M］. 北京：人民教育出版社，2020：39，33．

［6］［8］［9］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發中心. 普通高中教科書 物理 選擇性必修 第三冊［M］. 北京：人民教育出版社，2020：11，74，24．

［10］楊振寧. 讀書教學四十年［M］. 香港：三聯書店（香港）分店，1985：18．

［11］方武增. 善取教學資源 巧設趣味物理——由高三教室一幅勵志漫畫引起的趣味物理教學嘗試［J］. 物理教學探討，2019，37（12）：63-64，68．

［12］［美］喬治·伽莫夫. 從一到無窮大［M］.陽曦，澤.天津：天津人民出版社，2019：30．

［14］喬際平. 物理學習心理學［M］. 北京：高等教育出版社，1991：226．

［15］方武增. 對“居高臨下”物理教學的研究及踐行——以將初中教材資源作為高中物理教學“情境素材”為例［J］. 物理教師，2022，43（7）：26-30．