类比在医学工程学教学中的应用

摘 要] 本文重点就类比和类别法在医学工程学各学科教学中的应用进行了讨论，诚望对执教于类似办学条件的同仁有所启迪。
[关键词] 医学工程学；类比；应用

Application of Analogy in Medical Engineering Teaching
                                Abstract: This article lags its importance in the discussion of application of analogy in medical engineering teaching. It aims to provide enlightenment for teachers and educators who work in the similar teaching vacations.
Key word: Medical Engineering; Analogy; Application

     医学工程学是医学把医学、药学、数理化、学、机械学、分子生物学、精密仪器、激光、超声、射线、遗传工程学、材料工程学、信息工程学、机技术等汇集一体，构成的纵横交错的交叉边缘性综合性学科。我校自1986年开办以来，由于没有实验室（国家二类本科院校也由类似情况）等问题，制约了本专业的，加之学生入学时基础知识的参差不齐，也给教师讲授带来了极大的困难。为了搞好这个专业的教学，笔者始终把类比贯穿在各科教学的全过程之中，机动灵活、取得了事半功倍的效果，从而激发了学生的想象力，由此及彼、触类旁通，培养了学生分析问题和解决问题的能力。
1  常用的类比法
    常用的类比法有直接、象征、模型、因果、数学、拟人、对称、综合等类比模式。
1.1  直接类比
    直接类比是借助与所研究的问题有类似之处的其它事物进行类比。例如在讲《电工学》中的电容器时可用柱形水容器来类比电容器。
柱形水容器→Q（水量）h（高度）→已知：1.S（面积）＝Q/h 
                                            2.S由水容器本身性质决定，与Q、h无关。
电容器→q（容量）。u（电压）→可能存在：1. C（电容）＝q/u。
                                             2.C由电容器本身性质决定，与q。U无关。
1.2  象征类比
    象征类比是借助具体的事物形象或象征性符号来比喻某种研究对象或抽象概念。例如：“电
压”是比较抽象的概念。如果将“电压”与“水”作类比。
水  水流  水压（水位差） 水位差使水流形成水流；
电荷  电压（电位压） 电压使电荷定向移动形成电流。
这里水、水流、水差及其关系是学生熟知的，摸得着，看得见，借助这种类比，可使电压的概念及其作用原理变得形象而直观，便于学生直接感知。又如讲电势差时，可用瀑布作为例子，瀑布的水量越大，落到底部的动能越大；而瀑布落差越大，落到底部的动能也越大，动能是由重力势能转化获得的，即瀑布的重力势能与瀑布的水量、落差有关。通过类比可以得出电势能与电荷量和电势差有关：ε=ｑｕ。
1.3  模型类比
    借用一个直观的形象或物理过程，来说明物理对象或过程的原理。例如《医用物》在介绍弹簧振子的振动时，振子向平衡位置方向运动为变加速运动，学生不能理解加速度减小而物体速度增加这一现象。此时，可用人的身高增长作类比。即：人从出生逐步长到成人，其身高逐渐增高。当人的年龄接近成人阶段，其身高增长速度将逐渐减慢，但人的身高却仍在继续增高，只是增高变缓了，而并非人越长越矮。当身高停止增长，人的身高达到了人生最大身高。从这一简单的类比使学生懂得了加速度在减小，只说明速度的增量在逐渐的减少，而物体的速度值却在增加，使之变为变加速运动的道理。
1.4  数学类比
    数学类比是借助两个数学式或数学模式之间的相似，采用相似变换法、积分类比法或代为无量纲形式法，用一领域的来探索或解释另一领域的规律。2 类比法在各学科教学中的应用
2.1 类比法在《医用物》教学中的应用
    在讲静电场时，“电场”概念的建立是极为重要的，但由于此概念比较抽象，学生往往难以理解。此时可以用力学中所学重力场与之类比：地球周围存在着重力场，地球上所有物体都处于重力场中，都受到了地球的作用——重力。同样，电荷的周围存在着电场，电场对处于其中的电荷有电场力的作用，如：点电荷间的库仑力的作用。再由物体在重力场中具有了与地球位置有关的重力势能，引导学生出：检验电荷在电场中也应具有与场源电荷位置有关的电势能。
2.2 类比法在阐述物理中的应用
    在物理教学中经常遇到各种物理量具有其自身的规律，因此可通过类比总结出来。例如在讲摩擦系数μ、电阻R和电场强度E时可类比归纳如下：
物理量        规      律
        Μ与F、G无关，只由物质本身的特性决定
        R与U、I无关，只与导体的材料、直径、温度有关
        E与F、Q无关，只由电场本身的特性决定

2.3 类比法在《模拟线路》教学中的应用
    在讲晶体管P—N结的特性中电子和空穴的扩散运动时，可用人们经过化工厂门口闻到的丙酮、甲苯等药品的气味，就是由于丙酮等气体分子在空气中扩散的结果。把蓝墨水滴在一杯清水中，蓝的颜色也要慢慢地扩散开来。使学生明白扩散就是物质由浓度大的地方向浓度小的地方运动，它是分子运动的结果。在嗅觉和视觉的基础上结合授课内容，阐述电子和空穴的扩散，并讲清扩散的方式、程度上的差异，学生就能理解接受了。显然，简单的演示实验与电子扩散的真正物理过程是不同的，一个是物质分子的扩散；另一个是基本粒子的扩散。这样就可以化“抽象”为“具体”，使新知识既有“似曾相似的亲切感”，又形象、直观、易懂。
2.4 类比法在《数字脉冲电路》等有关课程教学中的应用
    在讲授《数字脉冲电路》和《医用电子仪器》课时，如心脑电图机、B型超声诊断仪等具体电子线路时，经常遇到微分和积分电路的问题，由于学生基础知识参差不齐，加之《高等数学》这门课又没有开，学生根本无法理解。讲到这些地方时，首先要让学生懂得什么微分，什么积分？笔者就瓦工砌烟囱或用平锉锉出圆形工件的实例进行类比讲解，使学生懂得了“化整为零无限分，不变代变得微分，集零为整微分和，无限积累是积分”的道理，从而对学习微分电路和积分电路起到极大的帮助。
2.5 类比法在《制冷设备技术》教学中的应用
    在讲制冷设备的工作情况时可把水泵的工作情况来类比制冷机的工作情况，如图1所示。水位差相当温度差。水量相当于热量。水泵相当于制冷机。高位水通过管道自发地流向低水位相当于高温体的热量通过各种途径自发地传向低温体。严格地说：热量和水量在本质上是不同的。必须指出的是：水泵自低位水源吸取的水量等于压送到高度水位的水量；而制冷机向高温体排送的热量却等于它向低温体吸取的热量加上输入机械工所相当的热量。
2.6 类比法在《影像设备原理应用》教学中的应用
    大千世界之万物，无不由分子组成。组成分子的原子，则由原子核和围绕原子核旋转的电子组成。在磁场中旋转振荡的原子核有一个特点，即可以吸收与其旋转振荡频率相同的电磁波，使原子核的能量增加，当原子核恢复原状时，就会把多余的能量以电磁波的形式放出来。简而言之：所谓的核磁共振，就是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起共振跃迁的现象。在讲述时学生很难理解，总不明白，此时如果把这一现象比作拉小提琴时弦弓与琴弦的共振一样，学生就容易理解和掌握。
3  类比在学习新知识中的迁移作用
3.1 定义式具有相同形式的物理量间的类比
    电流I=Q/t、电场强度E=F/q、功率P=W/t等诸如此类的物理量是用比值法定义的。在讲授时运用类比，既有利于新概念的引入，又可以加深学生对旧概念的认识；既有利于教学难点的突破，又能总结出这一类物理量的共性。
3.2 数学表达式类似规律间的类比
    力学、热学、电学中的物理规律常用数学表达式进行描述。例如：欧姆定律I=U /R和牛顿第二定律α=F/m。如果将其横向类比，可加深对其本质的认识，形成有机的联系。即 U和F都是产生运动（I和α）的原因；而R 和m则是接受外界作用的主体。
又如：场强E和电势U这两个描述电场的物理量，E、U与检验电荷q有无关系呢？牛顿第二定律M=F/a，当物体受到的合外力为零时，物体产生的加速度也为零，但物体的质量为一定值；究其原因，它们都是事物本身的物质属性。其中欧姆定律中R=ε/I，若电阻不接入电路中，U、I均为零，但电阻R却一定。这种简单的类比，使学生懂得E、U是描述电场本身性质的物理量，电场是客观存在的，与检验电荷无关，而定义式E=F/q、U=ε/q只是定义E、U和E、U大小的。这样既可使学生借助已有的知识对较抽象的概念的认识，也可以通过类比可以找出不同规律间的内在联系，使认识得到统一。对某些规律在数学式外表形同，但存在着本质上的区别，可通过类比比出差异，即可澄清学生的一些模糊认识。如液体内部压强公式与浮力定律。
3.3 相似的物理过程的类比
   《模拟电子线路》中的LC振荡电路和《医用物理学》中的弹簧振子是两个相似的物理过程，两者的类比可使学生在已有的简谐振动表象基础上学习电磁振荡知识，而且通过类比建立起两类不同性质的过程间的联系，既力学过程，电磁过程间的联系，从而加深学生对物理统一性的认识。
3.4 研究方法、手段上的类比
    不同领域的研究方法的类比，将该领域的研究方法迁移到另领域中去，不仅可以获得异曲同工的效果，而且可培养学生思维的敏捷性和灵活性。例如在讲《电子线路》半导体中的特殊载流子—空穴时，为了便于自由电子的运动和空穴运动，可以类比人们在影剧院看演出，如果前面走了人出现一个空座位，坐在后面的人就喜欢向前坐。这样，人们依次递补空位向前坐，看起来就好像时空位子在向后运动一样。显然，这种空位的移动同没有座位的人到处走动不一样，后者好比时自由电子的运动，而有座位的人依次递补空位的走动则好比是空穴运动。从而使学生懂得了空穴也是一种载流子。当半导体处于外加电压作用下，自由电子进行定向运动形成电子电流，共有电子依次递补空穴形成空穴电流。其区别时，电子电流时带负电的电子的定向运动，而空穴电流时带正电的空穴的定向运动。
4 类比的判别、类化作用
    由于事物性质的差异，通过类比比出差异，可以开拓、深化学生的认识。例如：经常容易引起学生混淆的差动放大器和触发器电路、双稳态触发器与多谐振荡器、功率放大电路和开关电源的振荡电路形态较为相似，但却有着本质上的差别，如果将两者电路元件作用、工作状态、反馈性质、工作过程作一类比，可有助于学生了解两电路的联系与区别，从而可以消除学生的一些错误概念。
    综上所述，类比法在教学方面确实具有严格的逻辑推理难以取代的功效。但在使用类比方法时，要注意各种不同事物之间的差异和区别，在引进新概念、新规律时，应当进一步把它们的本质讲清楚。只有这样，才能使学生更好地理解所学习的内容，启发学生的思维和加深对学习内容的理解。让我们永远记住德国近代著名家康德所说的话：“每当理智缺乏可靠论证思路时，类比这个方法往往能指引我们前进”。
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[1] 张青林. 联想教学法的运用与研究[J].职教，2003，20：37
[2] 田永红.类比及其在物理教学中的应用[J].荆州师专学报（自然版）1994，10.  17卷第5期：44—49