吳 斌

（首都師范大學(xué) 初等教育學(xué)院， 北京 100027）

地理模擬實(shí)驗(yàn)中類比推理的特征與教學(xué)意義

吳 斌

（首都師范大學(xué) 初等教育學(xué)院， 北京 100027）

通過對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)與類比推理的內(nèi)涵、特點(diǎn)分析，說明二者之間的關(guān)系；以地理學(xué)科為例，用實(shí)際教學(xué)案例闡述類比推理在教學(xué)操作過程中應(yīng)注意的問題；從調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性、啟發(fā)學(xué)生思維、便于發(fā)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)等三方面說明類比推理作為模擬實(shí)驗(yàn)的思維方法在地理教學(xué)中的意義。

模擬實(shí)驗(yàn)；類比推理；地理學(xué)科

地理課堂上，教師經(jīng)常利用地球儀與手電筒來演示地球自轉(zhuǎn)的過程，進(jìn)而解釋晝夜交替的現(xiàn)象。這種以地球?yàn)樵?，運(yùn)用地球儀模擬地球運(yùn)動(dòng)、通過類比推理推導(dǎo)出相關(guān)地理意義的教學(xué)活動(dòng)，通常被稱作是模擬實(shí)驗(yàn)。

一、模擬實(shí)驗(yàn)與類比推理

1.模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法是進(jìn)行科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)的重要基礎(chǔ)。在中小學(xué)的教學(xué)過程中，教師常常采用實(shí)驗(yàn)的方法帶領(lǐng)學(xué)生共同觀察、研究某一事物的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律。根據(jù)研究者和被研究對(duì)象之間的相互關(guān)系，即根據(jù)如何觀察，可將實(shí)驗(yàn)方法分成自然觀察、實(shí)驗(yàn)觀察和模型實(shí)驗(yàn)觀察。［1］其中模型實(shí)驗(yàn)觀察不同于一般意義上的實(shí)驗(yàn)觀察，屬于一種通過對(duì)模型的觀察，間接研究原型特點(diǎn)與性質(zhì)的方法。

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中遇到因受客觀條件限制而無法對(duì)某些自然現(xiàn)象進(jìn)行直接試驗(yàn)時(shí)，人們便尋求間接試驗(yàn)的方法，如設(shè)計(jì)出與該自然現(xiàn)象或過程（稱作原型）相似的模型，然后通過模型來間接地研究原型的規(guī)律性，這種實(shí)驗(yàn)方法稱之為模擬實(shí)驗(yàn)。［2］即為上文所述的“模型實(shí)驗(yàn)觀察”。模擬實(shí)驗(yàn)是地球科學(xué)主要的探究方法。教師利用地球儀的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬地球的自轉(zhuǎn)，手電筒放射出的光模擬太陽(yáng)光照，就是為了讓學(xué)生能夠在有限的課堂教學(xué)過程中，更直觀、簡(jiǎn)捷地理解晝夜交替現(xiàn)象。

2.類比推理及其特點(diǎn)

類比推理是日常思維中常用的推理形式之一，又稱為類比法或類推法。它是根據(jù)兩個(gè)或兩類事物在某些屬性上相同或相似，而其中一個(gè)或一類事物還具有另外某些屬性，由此推出另一個(gè)（或一類）事物也具有這些屬性的推理。［3］

類比推理的特點(diǎn)是由特殊到特殊，即從某一類對(duì)象的特殊知識(shí)推導(dǎo)出另一類對(duì)象的特殊知識(shí)的過程，其推理可如下。

美國(guó)加利福尼亞州與我國(guó)南方一些地區(qū)的地理環(huán)境，包括地形、水文、土壤是相似的；

美國(guó)加利福尼亞州與我國(guó)南方這些地區(qū)的氣候情況，包括溫度、光照、濕度也是相似的；

我國(guó)南方這些地區(qū)適合種植柑橘；

所以，美國(guó)加利福尼亞州也適合種植柑橘。

類比推理的結(jié)論具有或然性。例如，大陸漂移學(xué)說認(rèn)為，地球表面的陸地曾經(jīng)是一塊整體的大陸，后期隨著陸塊的逐漸分裂漂移，演變成今天的海陸分布狀況。在學(xué)習(xí)大陸漂移學(xué)說時(shí)，學(xué)生通過已經(jīng)被撕碎的報(bào)紙片兒拼湊出完整報(bào)紙的過程，思考出拼報(bào)紙的方法，即根據(jù)每片碎報(bào)紙的邊緣變化來拼出完整報(bào)紙，從而理解海岸線的變化是大陸漂移的有力證據(jù)。但是現(xiàn)今的海陸分布是經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代不斷變化而來的，研究者沒有辦法回到過去，跟隨時(shí)間的腳步去觀察地球表面狀況的演變，因此大陸漂移學(xué)說屬于一種假說，其本身就需要進(jìn)一步的考察研究，因此其結(jié)論還無法判定真?zhèn)危哂谢蛉恍浴?/p>

3.模擬實(shí)驗(yàn)與類比推理關(guān)系

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于原型的某些結(jié)構(gòu)或條件，不能在有限的空間與時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因此研究者有選擇地創(chuàng)造在結(jié)構(gòu)或功能等方面與原型類似的對(duì)象系統(tǒng)，即模型。而借制作的模型推導(dǎo)得出原型的特點(diǎn)與規(guī)律，符合類比推理的思維過程。因此，類比推理是作為一種邏輯思維過程體現(xiàn)在模擬實(shí)驗(yàn)中的。

模擬實(shí)驗(yàn)中的原型與類比方法中的類比物類似，而對(duì)模型的研究結(jié)論與推出物得到的相關(guān)功能相似。不難發(fā)現(xiàn)，模擬實(shí)驗(yàn)正是運(yùn)用類比推理的思維方法進(jìn)行研究的。

二、地理學(xué)科中類比推理應(yīng)用的教學(xué)建議

地理學(xué)科是兼?zhèn)渥匀豢茖W(xué)與社會(huì)科學(xué)的綜合性學(xué)科，其研究?jī)?nèi)容在時(shí)間和空間上的跨度都很大。尤其是在“地球與宇宙”領(lǐng)域方面的學(xué)習(xí)，需要較強(qiáng)的空間想象能力與邏輯思維能力，而這一領(lǐng)域的內(nèi)容是無法在有限的課堂中通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探討與研究的。因此，地理教師往往創(chuàng)造性地選擇類比推理的方法，利用地理模擬實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)。

那么類比推理在應(yīng)用于地理教學(xué)時(shí)，其具體操作過程應(yīng)注意哪些問題呢？

1.模型要盡可能地與原型相似，增強(qiáng)結(jié)論的可靠性與直觀性

類比的結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是由原型與模型兩個(gè)部分組成。類比的結(jié)論具有或然性，因此，成功的類比，需要模型盡可能地與原型相似。其相似度越高，類比得出的結(jié)論的可靠性就越高。

例如，地理教師為了能讓學(xué)生更直觀地感受到森林具有“保持水土、涵養(yǎng)水源”的作用，可以設(shè)計(jì)“植被保護(hù)土壤”的模擬實(shí)驗(yàn)。

第一組：取兩塊相同的木板斜放在水槽中里，坡度相同。

（1）直接選擇光滑的木板面代表山坡，并且在傾斜的木板表面撒一層薄薄的粘土代表植被不良或裸露的山坡；

（2）除（1）中的基礎(chǔ)之外，還要在粘土上覆蓋一層粗糙的棉質(zhì)毛巾用來表示山坡植被覆蓋良好。

（3）請(qǐng)兩位學(xué)生同時(shí)用灑水器向上述（1）與（2）的“山坡”灑水模擬大氣降水，師生共同觀察哪一“山坡”的水流出更快，哪一“山坡”的粘土被沖刷得更快。

第二組：

（1）在校園或者公園鏟一些生長(zhǎng)著茂盛草類的土壤，取土?xí)r要注意保護(hù)土壤中的植物根系。同時(shí)再另外鏟一些表面沒有植被的土壤，分裝于兩個(gè)不同的塑料袋中，帶回學(xué)校備用。

（2）用木板將玻璃水槽一分為二，保證兩部分體積相等，并用膠水固定密封。在水槽的兩個(gè)側(cè)面分別鉆兩個(gè)大小相同的孔作為出水口。

（3）將在室外收取的兩種土壤分別置于兩格的平板上，保證兩部分土壤厚度相同。

（4）用灑水器均勻地向兩側(cè)不同的土壤灑水，用準(zhǔn)備好的玻璃杯在出水口處接取流出的水，同時(shí)請(qǐng)學(xué)生分別記錄出水時(shí)間、出水量，以及水的渾濁程度。

通過上述兩組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，第二組實(shí)驗(yàn)的模型與實(shí)際自然環(huán)境中的土壤（即原型）相似度更高，獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更明顯，基本可以替代原型。學(xué)生可以利用第二組實(shí)驗(yàn)的定量分析，更直觀地感受到植被覆蓋對(duì)水土流失的影響。

2.有選擇地設(shè)置模型才能更好地解釋原型

創(chuàng)造模型的目的，是為了能夠解釋原型的一些特點(diǎn)或者功能，然而模型與原型畢竟是兩個(gè)或兩類不同的物體，在一些特點(diǎn)或者結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)上會(huì)存在差異性。因此，為了更好地解釋原型的功能，得到的結(jié)論更容易被接受，在創(chuàng)造模型時(shí)，要有選擇地設(shè)置模型的結(jié)構(gòu)或條件。

例如，在進(jìn)行“黃土高原水土流失”這一環(huán)節(jié)教學(xué)時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)，造成黃土高原水土流失的自然因素是短時(shí)間內(nèi)降水強(qiáng)度大、地形坡度大、植被覆蓋率低、土質(zhì)疏松等。為了探究影響水土流失的自然因素，教師可以設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)。

地形坡度大小與水土流失關(guān)系

（1）準(zhǔn)備兩個(gè)木板，兩份相同的土壤（保證土壤的顆粒大小、厚度，植被及其根系狀況相同），兩個(gè)相同的灑水器。

（2）A組：木板傾斜一定的角度，模擬坡度較小的地形；在木板表面覆蓋一層準(zhǔn)備好的土壤。

（3）B組：木板傾斜的角度要比A組的大一些，模擬坡度較大的地形；在木板表面覆蓋一層準(zhǔn)備好的土壤，土壤層的厚度要與A組一致。

（4）請(qǐng)兩位同學(xué)用相同的灑水器向A、B兩組土壤灑水，保證灑水的力度與次數(shù)相同，同時(shí)其他同學(xué)分別記錄兩組土壤的出水時(shí)間、出水量，以及水的渾濁程度。

上述實(shí)驗(yàn)，A組與B組是在降水強(qiáng)度、植被覆蓋率、土壤土質(zhì)三個(gè)變量相同的情況下進(jìn)行的?？刂坪媚Ｐ偷钠渌齻€(gè)條件，只研究其中一個(gè)條件的影響。有選擇地設(shè)置了模型的構(gòu)成條件，采用定量分析的方法進(jìn)行觀察，更有利于直觀感受實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.以原型為出發(fā)點(diǎn)說明結(jié)論

設(shè)計(jì)模型，由模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果類推出原型的規(guī)律或者通過物質(zhì)模型、理論模型來研究真實(shí)自然環(huán)境的時(shí)候，都需要運(yùn)用類比推理的方法。然而，在課堂上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，師生通過對(duì)模型的觀察、分析得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要站在原型的角度作出判斷。

例如，在學(xué)習(xí)“地球自轉(zhuǎn)規(guī)律”這一內(nèi)容時(shí)，教材中常用“傅科擺”的案例來介紹科學(xué)家是如何證明地球自轉(zhuǎn)的。19世紀(jì)，法國(guó)科學(xué)家傅科，在一個(gè)巨大的沙盤上，用一根60多米長(zhǎng)的金屬絲懸掛一個(gè)28公斤重的鐵球，做成一個(gè)擺，并在擺錘下方安置一個(gè)金屬針，使之能在沙盤上留下擺擺動(dòng)的痕跡。這就是著名的“傅科擺”。為了幫助學(xué)生理解“傅科擺”的原理，教師通常會(huì)在課堂上制作一個(gè)簡(jiǎn)易擺來模擬“傅科擺”。在這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)中，“傅科擺”作為原型具有客觀存在性，而課堂上制作的簡(jiǎn)易擺只能在一定程度上模仿“傅科擺”，并不能詮釋科學(xué)道理。因此，在實(shí)驗(yàn)完成后，教師應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生從原型的角度去分析，理解“傅科擺”的意義是證明地球自轉(zhuǎn)。

三、類比推理對(duì)地理學(xué)科的教學(xué)意義

在現(xiàn)今課堂中，地理模擬實(shí)驗(yàn)已成為一種重要的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，其目的是幫助學(xué)生獲得和驗(yàn)證地理知識(shí)，掌握地理實(shí)驗(yàn)的操作技能和研究方法，進(jìn)而使學(xué)生在能力、情感、態(tài)度和價(jià)值觀等方面獲得提升。因此，類比推理作為模擬實(shí)驗(yàn)的思維方法在地理學(xué)習(xí)過程中有著重要的教學(xué)意義。

1.調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高課堂活動(dòng)的參與性

類比推理的過程，就是在明確原型與模型之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，觀察、分析模型的發(fā)展變化，進(jìn)而推導(dǎo)出原型的結(jié)構(gòu)或功能。在推理過程中，觀察和分析是必要的思維過程，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂活動(dòng)的主動(dòng)性。而且在課堂教學(xué)中，教師設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)可以通過學(xué)生的分組活動(dòng)完成，進(jìn)一步提高學(xué)生的參與性與動(dòng)手能力，真正轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的主人。

2.啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維

人類探索真理、發(fā)現(xiàn)真理的長(zhǎng)河中，類比推理作為重要手段幫助許多人獲得了科學(xué)領(lǐng)域的啟發(fā)。例如，牛頓看到蘋果落地后得到啟發(fā)類推出萬(wàn)有引力；盧瑟福通過行星圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)提出了電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的觀點(diǎn)等。一系列的事例都說明類比是啟發(fā)聯(lián)想、引導(dǎo)科學(xué)探索的重要工具。

在實(shí)際的課堂教學(xué)中，教師借助類比推理，根據(jù)客觀事實(shí)， 運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的方法探究物質(zhì)的本質(zhì)及其變化規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)過程中鍛煉學(xué)生提出問題、觀察分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的想象力與創(chuàng)造性。

3.直觀、生動(dòng)地再現(xiàn)地理事物發(fā)展的過程，便于發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)特點(diǎn)

類比推理是由特殊到特殊，模擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)用類比的方法，將地理事物的發(fā)生發(fā)展過程以直觀的方式呈現(xiàn)于課堂。在有選擇地創(chuàng)造模型時(shí)，通過對(duì)客觀存在的模擬，能夠使學(xué)生迅速獲得相關(guān)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)地理事物的本質(zhì)特點(diǎn)。

例如，課堂教學(xué)中經(jīng)常用到的地球儀，其本質(zhì)就是地球的縮影，模擬客觀存在的地球。學(xué)生通過觀察地球儀，能夠了解海陸分布狀況、地球形狀及其運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的地理意義等內(nèi)容。

［1］ 劉大椿.科學(xué)哲學(xué)［M］.北京∶中國(guó)人民大學(xué)出版社，2011.

［2］ 江美華.小學(xué)科學(xué)教材中不同類型的實(shí)驗(yàn)［J］.小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2008，18（1）∶6-7.

［3］ 姜全吉，遲維東.邏輯學(xué)［M］.北京∶高等教育出版社，2005.