摘 要：本文结合教学实例，从概念教学、规律教学、习题教学三个角度谈相似性原理在物理教学中的应用。
关键词相似性；概念的理解；规律的把握；知识经验的迁移
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2007)3(S)-0022-3
1 问题的提出
钱学森教授曾经讲过一段往事：“我在美国加州理工学院研究超声速问题的时候，有一次，系里来了一位官员，是美国国会议员，管这方面事的，他问超声速是怎么回事啊。我的老师冯．卡门是很会做科普宣传的，他先不说什么，把国会议员带到他的澡盆边，放上水，用手在水面上划。划得很慢很慢，水波就散开了。于是告诉他这是因为手划得比水波慢，象亚声速；他又划得很快，水波就成尖形两边散开，就象超声速。这位国会议员说他懂了，其实也没完全懂，只是这个意思他大致上明白了。这就是一个怎么让不懂的人懂的形象的例子。”
冯·卡门先生的做法是高明的，他把非常深奥的超声速问题调制到议员大致能明白的程度，能把复杂的问题说的形象、生动、直观，使不了解它的人不再感到陌生与困惑。
思维科学研究者张光鉴先生从“相似性”这一独特视角建立起思维科学理论——“相似论”。他指出，所谓相似是指客观事物存在的同与变异的矛盾统一；相似论旨在用辩证唯物主义的观点，对客观世界中大量存在的相似现象和原理进行探讨；客观世界发展过程中的相似现象会反映到人们的大脑中来，所以人们总是在自觉不自觉地按照相似的规律去认真世界、改造世界。
相似理论是站在科学的高度又带有哲学意义的思维科学理论，具有很高的理论价值和应用价值。笔者认为，相似理论的论点应该赋予教学工作者以有益的启示，在教学中，把握好相似性知识，对提高的教学效果是十分有益的。下面笔者结合教学实践，对此举例作一浅论。
2 物理教学中的相似性原理应用例举
2．1 在概念教学中渗透相似性原理，加深对物理概念的理解
物理概念是对物理现象中的感性材料进行比较、抽象和概括而形成的理性认识。它是理解物理规律和对物理问题进行类比判断和逻辑推理的基础。掌握物理概念，应注重从具体事物、实例或实验出发，通过分析，抓住现象的本质，从而实现感性认识到理性认识的过渡。
笔者曾经尝试把相似性原理应用于物理概念教学。例如在“临界状态”的概念教学为了加深对此概念的理解，笔者设计以下师生对话：
教师：我们做一个假设：本节课八点钟开始上课，老师应该如何界定同学上课是否迟到?
学生：(认为这是一个简单得不可思议的问题)当然是8点以后到教室的都算作迟到!
教师：请大家给出一个界定迟到的时间标准。
学生：八点零一分。
这个答案是最多的，但马上遭到其他同学反对，认为设置成八点零一秒才是精确的，因为八点零一分的时间判断标准会使八点之后三十秒到教室的同学成为“漏网之鱼”!
很快，八点零一分这个结论又被推翻了。有同学这样说：“八点零半秒到教室的同学就不算迟到了?”学生讨论后，统一认识：只能从八点整开始算作迟到。
教师：看来，八点整到教室的同学选择了一个很特殊的时刻。特殊在哪里呢?
学生：恰好迟到，又恰好不迟到!——临界状态!
事实上，许多表面似乎不相似的现象之间也会存在本质的相似性。物理教学中，遇到一个新问题、新概念，教师可以先考察能为学生熟悉的东西，与学生已掌握的旧知比较，并且竭力寻求出相似的成分加以研究。在这个过程中，最重要的是引领学生寻找新旧概念形成过程中机理上的相似基因作为突破口，从而引导学生领悟到新的物理概念的本质。
2．2 在规律教学中应用相似性原理，促进对物理规律的把握
物理规律是物理过程在一定条件下发生、发展和变化的必然趋势的反映。它是建立在物理概念基础上的更深层次的物理知识，反映了物理概念间的相互联系。要认识、理解物理规律，教师要引导领学生对感性认识进行分析、归纳、概括和抽象，帮助学生完成从感性认识到理性认识的“飞跃”。这个过程中，学生的参与和积极思考是十分重要的。
但实际的规律教学中，往往是由教师简单推导，学生记住、应用结论。在这样的教学过程中，学生的头脑中感性的东西和理性的东西在仍然处于分离状态，学生并没有完成认识上的质变，对规律的理解就是表面的。这样的教学设计将导致学生认为物理规律晦涩难懂，并将直接影响学生对物理学科的积极的态度与情感形成。在教学设计中，教师仍然可以应用相似性原理，借助于“提问”、“引导”、“思考”等一系列的环节化繁为简，帮助学生掌握物理规律：
例如，速度——时间公式vt=v0+at和位移——时间公式：s=v0t+1/2at2是讨论匀变速直线运动的最基本的公式，涉及到的物理量较多，使用时很容易出错。笔者是这样引入的：
第一步，做出假设，请学生思考。假设某同学成绩不理想，经过一段时间的努力之后，成绩仍然没有明显的进步。请同学们推测，这种现状是什么原因造成的?
这几乎是一个与物理无关的问题，但的确又是一个大家非常熟悉的问题，有的同学甚至有着“切肤之痛”，!所以讨论的气氛还是非常热烈。经过总结，大家推测有以下几种因素影响了成绩的进步：
(1)基础太差。(万丈高楼平地起，我们要正视“基础”这个现实。)
(2)学习方法不当(采取了低效率的、甚至比以往更不合适的学习方法，有可能使成绩进步缓慢、不进步、甚至倒退。)
(3)时间太短。(成绩的进步需要持之以恒，短期内尚看不出效果。)
师生认为以上各因素的分析合乎情理。
第二步，鼓励学生用同样的思路分析：一个做匀变速直线运动的物体，它某一时刻的瞬时速度又由哪些因素决定?
有了第一步做铺垫，学生会很快得出这样一个对应关系：
(1)成绩基础——初速度v0(这是速度变化的基础。)
(2)学习方法——加速度a(正方向的加速度可以类比正确的学习方法，会使速度越来越大，负方向的加速度恰好相反。)
(3)学习时间——运动时间t(速度的变化必须有时间积累才能体现出来。)
也就是说，学生推断v0、a、t这三个因素将会制约着物体的瞬时速度。
同样的方法，学生不难推测出这几个因素同样影响着匀变速直线运动位移。
第三步：引导学生根据已有知识进行理论推导，找出v0-t、s-t的定量关系，从而得到速度公式vt=v0+at和位移公式s=v0t+1/2at2。
世界具有多样性和统一性。人们所思虑的问题，尽管是从不同渠道，但是按其规律，必然是”殊途同归，百虑而一致”的。思维的相似性原理认为，人们在思维和解决问题时，其头脑中与问题情景相似的“相似块”——相似的知识单元或经验单元起着决定性的作用。所以人们总是在自觉不自觉地按照相似的规律去认真世界、改造世界。在物理教学中渗透相似性原理，不仅使物理规律的得出“瓜熟蒂落”，而且使学生对规律的理解“水到渠成”。
2．3 在习题教学中借助相似性原理，实现知识经验的迁移
习题教学是物理教学中必不可少的，它通过解决实际问题来帮助学生理解、巩固物理概念和物理规律，加深、拓展物理知识，培养学生迁移能力。在习题课的教学中，教师历来更注重物理学科内部概念、规律的相关与整合，但笔者在相似性原理的启发下，曾经尝试把物理过程与学生的生活经历相结合，实现物理知识与生活经验的迁移，收到了很好的效果。
例如，在习题教学中，《机械波》一章有一道这样的习题：
一列周期为T的波在介质中向某一方向传播，图示为此波在某一时刻的波形图，此时振动只发生在P、Q之间，某质点N此时刻速度向下，下列说法正确的是( )
A.从波源起振开始计时，M点已经振动时间为T/4
B.从波源起振开始计时，M点已经振动时间为T/2
C.从波源起振开始计时，M点已经振动时间为3T／4
D.从波源起振开始计时，M点已经振动时间为T
根据物理规律，学生不难判断波的传播方向是从Q至P，Q是振源。他们仍然难以判定M振动的时间需要研究左边的波形图MP段还是研究右边的波形图MQ段，所以可能会有两个不同的答案：T／4和3T／4。虽然他们明白：振源先振动起来，带动左边质点依次振动，越靠近左边的质点振动的越迟……学生仍然很难把这些知识点综合运用起来解决本题。笔者举了一个学生生活中常见的例子：下课了，同学们争先恐后地去食堂买饭，排队买饭的队伍以每1s钟添加1位同学的速度在延长。假如在某时刻(此时第1位到达的同学尚未离开)，你发现你的前面有9位同学，而你身后只站了1位同学，由此判断你来饭堂多长时间了?是9s钟还是1s钟?对老师提出的这个问题，学生表现出浓厚的兴趣。有位同学给出了“9s钟”的答案，但立即有其他同学的反对，这位同学也马上认识到自己答案的荒唐，立即改正了过来。全班同学很快就有了一致的答案：1s钟。在此基础上，笔者又问：在这道物理题中，M点右方的质点先于M点振动，M点左方的质点迟于M点振动，假如你就是M点，M点右方的质点就相当于哪些同学?而M点左方的质点又相当于谁呢?学生会很快理解这种类比：M点右方的质点就相当于那9个排在我前面的同学，M点左方的质点就相当于排在我后面的那位同学。笔者再问：M点已经振动了多长时间，应该研究M点左边的图形，还是研究M点右边的图形?学生几乎众口一词：当然要看左边的图形!然后学生很快得到答案：T／4。正确答案是“A”。
教师做出了这样的比喻，看似在讨论与物理“无关”的问题，但这种方式能帮助学生捕捉到生活中某些现象与物理规律的共同特征，引导学生用直感去观察真理，具有鲜明的直观性。它避免了抽象的推理，不失为激发学生学习兴趣，启迪学习动机，活跃课堂气氛的一种好的方法。其实，日常生活中有许多现象都是与物理过程有相似性，都可以作为解决物理习题的好素材。教师不仅要培养自身的敏锐的洞察力，更要引导学生积极发现身边事物的相似之处，促进知识经验的迁移。
3 结束语
新一轮基础教育课程改革注重提高全体学生的科学素养，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生。笔者认为，学生对知识的感悟、方法的掌握等都有赖于学习情感的支撑。教师应该关注学生的兴趣与体验，努力使教学触及学生的情绪和意志领域。如果能把相似性原理渗透于物理教学中，不仅能引导学生从纷繁的相似现象后面把握其本质的、相对不变的规律，而且内容涉及其学习、生活经验，因此，从这个角度讲，把思维科学的相似性原理应用于物理教学，应该是实现新课改三维目标的有效教学策略。
参考文献：
［1］张光鉴，高林生，张菀竹，科学教育与相似论．江苏科学技术出版社．2000年12月
［2］阎金铎，田世昆，中学物理教学概论．高等教育出版社．2003年12月第2版
［3］王建邦，朱正伦，世界科技发展史图库．代序，江苏科学技术出版社．1999年9月
(栏目编辑黄懋恩)
