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在物理教学中使用类比：
拉脱维亚教师观与经验研究
洛丽塔乔恩
拉脱维亚Daugavpils大学
摘要
科学教育中广泛讨论了类比法作为教授遇到解决一些科学困难工具的作用。类比在可持续教育中的应用具有丰富的潜力。有目的地使用适当的类比可以促进类比思维和转换能力，并培养终身学习所需的能力，包括成功融入现代社会和设施中的技术。类比思维支持学生的高阶思维技能的发展。这项研究的目的是确定拉脱维亚物理教师对类比的重要性及其在物理教育中的使用方法的看法，以及发现类比法的创新实例。该研究涉及定量和定性方法学：对35名中学物理教师进行调查，并对18名经验丰富的物理教师进行集体访谈。研究结果表明，拉脱维亚物理教师不时在其教学实践中使用类比法，尽管他们大多只是简单地对其进行说明。一些教师使用类比来帮助学生通过激活，转移和应用陌生情境中用现有知识和技能来构建新知识。
关键词：类比，类比思维，转移技能，教学物理，教师观点
研究的背景
教育是实现可持续发展的关键因素（UNECE，2011）。一般教育，科学教育与可持续发展之间的关系是复杂的。 可持续发展教育（ESD）需要新方法来设计目标，任务，在学习过程中组织教师培训。虽然有关课程和教学法的具体情况，或任何学科的具体情况及其相关的教学方法，已经从可持续发展教育的不同方面进行了实证研究（如Gerretson，Howes，Campbell，＆Thompson，2008; Jon,ne，2008 ; Soobik，2014年），普通教育和师范教育仍然有许多机会发现基于可持续性原则的创新方法。
根据欧盟委员会专家组（2007年）进行的研究，青少年对包括物理学在内的科学学科的兴趣下降了。
欧盟委员会指出这种下降的复杂原因，并进一步指出“有确凿证据表明科学态度与科学教育方式之间存在联系”（第8页）。专家们强调，教师是振兴科学教育的关键人物。社区研究和发展信息服务（CORDIS）（EC，2013）项目的专家强调，“概念变化是学习科学的核心特征”。它反映了学习过程中发生的知识转化和发展;类比推理在概念变革过程中起着核心作用（第1页）。
尽管在科学教育领域开展了各种各样的活动，但拉脱维亚学龄青年对物理学的兴趣却很低。从2005年开始，欧盟/ ESF项目“教育内容的制作和教师科学，数学和技术资格的提升”设计了新的课程内容，自2008年以来已引入拉脱维亚的学校。这一新的物理课程和教师支持材料分别为通过借鉴当代科学教育的基本原理而设计。他们设想：（1）对过程的理解，自然规律以及数学模型的使用；（2）获取研究和信息处理技能，包括使用信息技术；（3）通过学习科学，技术，社会和环境之间在个人需求方面的相互关系，学习与现实生活相关的物理学。
本文侧重于物理教师教育的各个方面，以促进学生更深入的学习，并通过类比的方式转移灵活性。这些都是物理教育的方面，没有得到任何大学教师或研究人员的足够重视。由于物理学知识的范围和相互关联性，深入学习在可持续发展教育背景下特别重要（Warburton，2003）。学生在中等教育期间获得这些知识，包括接触社会，环境和经济问题，以及跨学科思维和整体洞察力的重要性。因此，在职前和在职教师教育期间，物理教师应理解策略并培养专业能力，以帮助支持他们的学生更深入的学习方法和转移技能，以及可应用于解决学生的认知和元认知策略个人重要的问题。
深入学习是学生从课程材料和经验中提取意义和理解的关键策略（Warburton，2003）。根据佩莱格里诺和希尔顿（Pellegrino and Hilton，2012），更深层次的学习是一个人通过这个过程能够将在一种情况下学到的东西应用到新的情境中。深入学习的产物是可转移的知识，包括领域的内容素养，以及理解如何，为什么以及何时将这些知识应用于现实生活中。
根据惠普基金会（Huberman，Bitter，Anthony，＆Oiacute;Day，2014）的定义，更深的学习能力侧重于知识和认知技能的发展，特别是掌握核心学术内容知识和培养批判性思维技能。这一定义将学生掌握核心学术内容的特征描述为“开发和吸取学术知识基础知识的能力，并将知识转移到其他情况”（第9页）。换句话说，学生能够在新的环境中以有意义的方式处理和传递信息，以解决新问题; 此外，他们能够申请和转移核心知识以及其他主题和现实情况下的任务以及非常规方式。
对全球经验的鉴定，分析和调整勾勒出在改善教师教育方面为实现每个国家当代教育目标而采取的重要步骤。尽管直到2030年拉脱维亚可持续发展战略没有直接强调更深入的学习（拉脱维亚共和国Saeima，2010），但它更注重深入学习的特点，侧重于创造性思维的发展：“普通教育系统应该培养每个学习者的创造性个性。通过在研究过程中加入解决问题的办法，将促进独立性和从实用技能向概念性知识的转变“（第38页）。这些建议与深度学习能力强烈相符。创造性思维的能力与发展有意义的学习和转移技能有着密切的联系。
教师对促进深入学习的策略的理解会影响质量教育之中。有助于更深入地学习和发展转移技能的战略之一是在教学科学，包括物理学中有目的地使用类比。因此，在教学中识别类比的用法以及阐明教师对这个问题的看法和经验是至关重要的。
建构主义视角下的类比推理与类比推理
类比和类比模型从18世纪起一直是科学推理的重要组成部分，并帮助科学家了解，呈现和交流自然世界的现象和结构（Glynn，2008; Harrison＆Treagust，2006）。然而，类比学习不仅在科学环境中发生。例如，经济发展向可持续发展的转变是通过从生态系统的源头背景到经济成果目标背景的类比推理来完成的（Sriram，Ganesh，＆Mathumathi，2013）。
类比推理是支撑许多21世纪竞争力的认知技能（Richland＆Simms，2015）。这是将我们世界中的信息和对象表示为关系系统的过程，以便这些关系系统可以根据情境目标以新颖的方式进行比较，对比和组合。类比推理需要一种涉及记忆和先前经验的类型的审查，以努力解决问题或批评解决方案，并解释或解释情况（Gentner，1983; Richland＆Simms，2015）。从建构主义的角度来看，这是学习过程的一个关键特征：每一个学习过程都包括寻找已知知识与新知识之间的相似性，以及熟悉和陌生的知识（Wittrock＆Alesandrini，1990）。类比弥漫于我们的思维中，从我们的日常演讲和我们的微不足道的结论到艺术表达方式，并形成我们最高的科学成就（Polya，1954）。类比是一种被科学家，哲学家和心理学家所认可的机制，它有可能带来先验知识，有时可能会获得全新的信息（Vosniadou，1988）。它可以在重构学生的概念框架中发挥核心作用（Duit，Roth，Komorek，＆Wilbers，2001）。政治家和其他公众人物在他们的公开表演和讨论中经常使用类比。
术语“模拟”是指将信息或意义从特定对象（类似物或来源）转移到另一特定对象（目标）的认知过程。类比是一种基于心理表征的结构性比较的归纳机制（Holyoak，2012）。一个比喻是一个比较，一个观点，一个事物或一个过程与另一个观点，对象或过程相比较，与另一个观点，对象或过程完全不同。目的是通过将它与熟悉的事物进行比较来解释这个想法，事物或过程。类比的运用通常被视为吸取学生先前知识的主要手段之一。通过激活已经被学习者理解的相关先验知识，类比可以作为为传入信息带来意义的工具（Brown＆Clement，1989）。
在许多类比中，对象的相似性处于纯粹的关系层面。一个例子是导致Kekule关于苯分子结构的理论的类比（参见Holyoak＆Thagard，1995）。在梦中，凯库勒有一条蛇咬自己尾巴的视觉图像，这让他觉得苯中的碳原子可以排列成一圈。蛇和碳原子之间的相似性处于纯循环排列的关系层面。被类比比较的对象应该被相同的关系联系起来这一事实被广泛接受为类比推理的标志。根据某些相似性，一个术语的原则或特征适用于另一个术语，并且在这种情况下也被认为是正确的。
根据Holyoak（2012）的研究，类比推理是一个复杂的过程，涉及从长期记忆中检索结构化知识，表示和操纵工作记忆中的角色—填充绑定，识别扮演相应角色的元素，并产生新的推理和学习抽象模式。人类类比推理在很大程度上依赖于工作记忆和前额叶皮层支持的其他执行功能，当必须整合多个关系来解决问题时，才能选择性地启动。
类比推理是建构主义视角下学习过程的一个关键特征;每一个学习过程都包括寻找已知知识与新知识之间的相似之处，以及熟悉和陌生的知识，以积极运用新知识（Wittrock＆Alesandrini，1990）。建构主义学习模式强调，将获得的新知识与现有知识联系起来对促进有意义的学习至关重要（Limon，2001）。有意义的学习发生在学生不仅能够记住知识，而且将其转移到新的情况下。 根据Duit和他的同事们（2001年），通过建立熟悉和陌生之间的类比，将结构从熟悉的领域转移到新的领域时，开发了新的概念框架。
物理教学中的类比：一些教学解释
物理学在理解自然界的基本规律方面发挥了至关重要的作用; 其理念和技术支撑着所有其他科技分支的进步，并将人类转变为现代。物理本质上是一种抽象的科学，除非与日常经验相关，否则不易理解。相似性推理是物理理论发展的最重要的来源之一；而且，它也是物理教育的重要工具。
学校和更高水平的教育。科学教师与科学家一样，经常使用类比来向学生解释概念（James＆Scharmann，2007）。这些概念常常表示具有相互作用部分的复杂，难以形象化的系统：包括原子，电流，电压和电磁波。许多研究（Aubusson，Treagust，＆Harrison，2009; Duit，1991; Gentner，1983; Gentner，1989; Glynn，2008; Treagust，Harrison，＆Venville，1998等）都侧重于教师如何理解和使用科学教育的类比。这些理论发现适用于作为学校科学主题的物理教学。因此，聚合相关研究的理论观点和认识物理学教师使用类比的经验是非常重要的。
科学家们以不同的方式概念化类比。根据庞加莱的说法，类比可以按照层次分类：从“原始类比”，关于直觉意义的印象，到“数学类比”，它们保持了一种结构关系，超越了依赖外观的简单关系。对于庞加莱来说，原始类比通常只是一个简单的比较，它利用了想象力，但缺乏批判性思维（Cruz-Hasten-reiter，2015）。此外，类比可以用不同的格式来表示：口头的，绘画的（Thiele＆Treagust，1994），真实对象建模和动画（Kim＆Ryu，2001）。物理学中的类比不仅仅是不同领域之间的比较：它是一种特殊类型的比较，它由其目的和所引发的信息来定义。尽管如此，类比更具体，特别是数学类比，是一种涉及代表性思维的推理形式（Cruz-Hastenreiter，2015）。类比可以通过提供抽象概念的可视化，通过帮助找到学生真实世界与新概念的相似性，并通过增加学生的动机来促进学生学习（Aubusson等，2009; Duit，1991; Harrison＆Coll，2008; Treagust，Harrison，Venville，＆Dagher，1996）。比喻绘制了从具体物质世界到抽象物理领域的桥梁（Dilber＆Duzgun，2008; Duit，1991）。类比可以使新材料，尤其是抽象概念，更容易地与学生的先前知识同化，使他们能够更深入地理解概念。当学生探索新概念时，有意义的学习会在他们发现并可视化新教授之间的联系时进行构造和他们已经知道的东西。
熟悉的类比（例如机械波动或机械波）通常作为初始心理模型，学生可以用它来形成对电磁波动或电磁波等复杂目标概念的有限而有意义的理解。正如Duit和他的同事们（2001）所解释的那样：
越来越多的研究表明，类比可能是指导学生从他们的教学前概念走向科学概念的有力工具。但同样显而易见的是，类比可能会严重误导学生的学习过程。概念上的改变，换句话说，可能受到同样的比喻的支持和阻碍。（第283页）
如果类比恰当，他们会促进概念学习，这可以鼓励学生建立过去熟悉的知识或先前的经验与新的背景或新的问题之间的联系（Harrison＆Treagust，2006）。根据Vosniadou（1988）的研究，类比的有效运用涉及类比推理，以对目标系统的解释结构产生新的理解。Gentner（2002）指出“类比推理背后的基本直觉是，当不同情况下有大量相似之处时，可能会有进一步的相似之处”（第106页）。 从这个意义上讲，类比论据可以用来概括概念，理论和方法。此外，类比可以是激励因素，因为老师使用来自学生现实世界经验的想法，可能会产生内在兴趣感（Aubusson等，2009； Venville＆Treagust，1996）。
教育研究人员认为，类比可以引导学生走向概念上的变化（Brown＆Clement，1989; Duit等人，2001）。Podolefsky和Finkelstein（2007）认为类比比概念抽象更容易导致概念变化，学生可以通过建立在较低层次的类比思维技能上来发展抽象技能。Holyoak和Thagard（1995）认为，形成类比的行为需要一种心理上的跳跃：它需要将一件事物看作是另一件事物，例如道路中汽车的流动使得想象电路中的电流成为可能。
科学中的着名类比常常揭示了进行心理跳跃的能力。例如，将热量想象为可以包含在具有从一个物体流向另一个物体的温暖物体中的流体的想法在整个历史中一直是强有力的图像，并且仍然在今天使用。麦克斯韦通过绘制流体动力学和电磁现象之间的物理类比来开发电磁学理论。阿尔伯特爱因斯坦，可能是有史以来最伟大的隐喻思想家，进行了一些思想实验，这些实验帮助他引导他将光看作粒子而不是波的反叛观点（Hofstadter＆Sander，2013）。类比方法不仅是创造性思维中的重要认知机制，也是解决问题的基础，也是日常心理处理的核心组成部分。
尽管他们的优点
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