普通物理教学中的类比教学法

【摘要】类比法是一种重要的推理方法，是人们从已知世界认识未知世界的重要手段。以物理教学实践为基础，讨论了类比方法在大学物理教学中的重要作用及具体应用，恰当的利用这一方法能有效改善课堂效果，提高教学效率。

【关键词】普通物理 刚体力学 电学 磁学 类比教学

【基金项目】教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会资助项目（No.WJZW-2010-36-xn）；重庆理工大学高教中心教改项目（2011003，2011004）。

【中图分类号】O37 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2013）02-0162-02

1.引言

类比方法广泛应用于各门学科、各个领域和各种研究学习之中。类比法是一种常用的理论思维推理方法。根据事物相同或相似的属性，推断它们其他相同或相似的属性的思维方法就是类比法。它是人们从已知事物认识未知事物的一种常用的科学方法。面对新生事物，类比方法总是能启发思路、提供线索，人们常常借助于熟悉事物进行类比从而实现举一反三、触类旁通，进而更好地认识新生事物。大家都熟悉的例子就是：库仑定律的形式就是类比万有引力定律的方式得到的；再比如德布罗意波的提出，也是将实物粒子与光学粒子类比的结果；卢瑟福原子模型的建立、富兰克林对雷电的认识、麦克斯韦对电磁理论的统一等，都是科学类比的结果[4]。这些事例表明，在提出科学假设、探索新理论、解决实际问题等方面类比方法有十分重要的作用。普通物理是一门专业基础课，也是大一新生接触的第一门专业课，由于微积分及矢量等数学基础知识的缺少，学生学习普通物理非常吃力，上课过程非常被动，课堂效果不好。但是如果在教学过程中，教师采用类比教学，将新知识与学生在中学都已经非常熟悉的知识联系起来，就会有利于学生的理解从而提高课堂教学效果。笔者结合自己讲授普通物理的教学实践，阐述了类比法在讲解新的物理概念及物理规律方面的应用。

2.类比法在普通物理之力学教学中的应用

刚体定轴转动与质点直线运动间的类比：

在力学中，刚体的定轴转动是安排在质点的运动学之后，它们在研究思路、定义方式、数学形式等方面非常相似。直线运动规律是学生早就熟悉的内容，而刚体的转动对大一学生来说是初次接触，知识点相对比较抽象，学生学习起来比较吃力，效果不好，但是如果我们利用学生熟悉直线运动规律这一特点，采用类比法进行授课，学生的学习效果就会有明显改善。

2.1 概念类比：

质点： 忽略物体的大小和形状而只考虑质量的点；强调忽略物体的形状和大小。

刚体：在外力作用下，物体的形状和大小保持不变，即刚体内任意两点间的距离不变。这种理想物理模型称为刚体。强调忽略物体与外界作用时物体形状和大小的变化。

质量：m， 物体惯性的量度；

转动惯量：J=■mr■ ， 物体保持转动惯性的量度；

动量：物体质量和速度的乘积成为动量，表达式为

P = mv；

角动量：刚体的转动惯量和角速度的乘积称为角动量，表达式为L = Jω；方向与角速度的方向相同。

2.2 运动规律类比：

刚体的定轴转动和质点的运动学规律数学表达形式方面也是非常相似的，这在其他教辅资料或是文献中也有报道[1，2]。具体如下表：

表1 质点直线运动和刚体转动的运动学及动力学规律类比

通过类比，学生应该很快就能理解和掌握刚体运动的规律及刚体转动的动力学原理，对于比较难以理解的转动惯量、转动定律及角动量定理、角动量守恒等都能理解并掌握。

3.类比法在电磁学教学中的应用

静电场和稳恒磁场教学中的类比：

磁场和电场在提出问题、解决问题的思路和研究方法上也有很多相似之处。学生对静电场要熟悉些，而相对的对稳恒磁场则比较陌生，所以在讲授稳恒磁场的时候，可以对照学过的静电场有关知识采用类比法进行讲解，这样学生能更好的理解和掌握。电磁学中先讲授电场然后学习磁场，在讲授磁场部分的时候，就可以类比电场的物理概念、物理规律进行讲解，通过旧知识的复习新出新的概念知识，达到温故而知新的目的。

在具体的教学过程中我们可以对以下概念类比，电场线和磁场线类比，电荷元和电流元类比，电场强度和磁感应强度类比，电位移矢量和磁场强度矢量类比，电荷元产生的电场和电流元产生的磁场类比，电通量和磁通量类比以及电偶极矩和分子磁矩、电介质和磁介质、电场能量密度和磁场能量密度等等进行类比，这样学生接触到新的物理量会感到似曾相识，对新知识易于接受，从而激发学生的学习兴趣，为接下来物理规律的讲解打好铺垫，从而提高普通物理的教学效果，真正让学生做到举一反三，融会贯通。

电学和磁学规律类比：

和概念类似，在物理规律上也可以采用对比法，因为静电场和稳恒磁场的许多定理、定律及公式有着高对应性[3]。详细如表2所示：

表2 静电场和稳恒磁场规律类比表

4.类比方法的局限性

人们认识自然的过程总是建立在已有知识经验的基础之上，学习过程也是如此，由浅入深、由具体到抽象。如果我们不考虑这个规律而强行填鸭，肯定是事倍功半。但是如果我们通过新旧事物的类比，循序渐进的讲授，就可以加快学生对新知识的接受，促进学生对新规律的认知。任何事物都具有两面性，类比法也不例外。在教学方面类比确实具有其他严格推理难以取代的功效，但是类比也有某些不可忽视的局限性。由类比推出的结论可能正确也可能错误，具体正确与否，必须用实验去证实或否定。例如：变化的磁场能激发电场，反过来变化的电场是否能激发磁场？ 麦克斯韦用类比思维提出了“位移电流”激发磁场的假说，最终用四个方程即麦克斯韦方程组概括了电磁场的普遍规律。麦克斯韦从麦克斯韦方程组出发，从理论上预言电磁波的存在，赫兹实验证实电磁波真实存在。类比正确。历史上也有通过类比提出光是通过“以太”媒质传播的，但后来“以太”假说被试验否定，类比无效。由上可见，类比并非万能的，不恰当地应用类比也会得到错误的结论。因此，一定要注意类比法的局限性，教师应该引导学生恰当地应用类比法来分析问题和解决问题。只有这样，才能使学生更好地理解所学的内容，启发学生的思维，更好地培养学生分析问题解决问题的能力，让学生在思维力上更上一层楼，真正实现“授人以渔”。

参考文献：

[1]张清. 类比法在大学物理教学中的应用[J]. 安徽工业大学学报，2002，19（2）107

[2]兰冰洁. 类比法在大学物理教学中的应用[J]. 运城学院学报，2010，28（5）35

[3]陈修芳. 类比法在大学物理课堂教学中的应用 [J]. 科技信息，2010，21，25

[4]王德全，陈林峰. 类比法在大学物理教学中的应用 [J]. 中国电力教育，2011，8，94