物理學美與中學物理教學

王長富

(徐州師范大學 物理與電子工程學院， 江蘇 徐州 221116)

物理學美與中學物理教學

王長富

(徐州師范大學 物理與電子工程學院， 江蘇 徐州 221116)

物理學美包括優(yōu)美和壯美。優(yōu)美體現(xiàn)為對稱、簡潔與和諧，壯美則體現(xiàn)在艱險、統(tǒng)一和物理學家的人格上。物理學美能提高學生學習物理的興趣，發(fā)展學生鑒賞和創(chuàng)造美的能力，培養(yǎng)學生高尚的情操?？梢酝ㄟ^營造審美化的學習環(huán)境、精心組織審美化的課堂教學、開展審美化的課外活動和利用現(xiàn)代化教學手段等途徑來充分發(fā)掘其價值。

物理學美；物理教學；作用；途徑

0 引言

自然界是奇妙與和諧的，我們可以從中體會無窮無盡的美。物理學探究自然界奧秘，反映的是自然界最普遍的規(guī)律，是人類認識自然界的高級形式。那么，我們能否從物理課程的學習中體會到美呢？現(xiàn)在有很多高中理物理學生，可能物理成績很突出，但如果真要問他是否在物理學習中體會到了美，得到的答案大多都是否定的。還有更多的學生對物理學習有一種抵制情緒，在他們眼中，物理就是抽象和枯燥的象征。學習物理只是迫于考試和升學的壓力。在高中，厭學、怕學物理是比較常見的現(xiàn)象。

那么，物理學到底美不美，物理學的美在哪里，我們怎么把物理學的美展示給學生，物理學的美對于中學物理教學又有什么價值和意義？這些都是比較尖銳和需要迫切解決的問題。本文就物理學中蘊涵的美、物理學美在教學中的作用及如何在物理教學中發(fā)掘利用物理學美談幾點淺顯的看法。

1 物理學中蘊涵的美

物理學中蘊涵著豐富多彩的美學因素，可以把物理學中的美分為兩個方面：優(yōu)美和壯美。

1.1 優(yōu)美

人們?nèi)粘Ｉ钪兴f的美，大多指優(yōu)美。物理學領(lǐng)域中的優(yōu)美可以進一步分為對稱美、和諧美和簡潔美。

1.1.1 對稱美

對稱是優(yōu)美的典型表現(xiàn)之一，“對稱是指整體各部分之間的相稱或?qū)?yīng)，如空間上的和諧布局、時間上的節(jié)奏協(xié)和等”[1]。物理學的對稱美主要體現(xiàn)為時空對稱、數(shù)學對稱和抽象對稱。比如平面鏡成像、電荷的正負、作用力與反作用力、引力與斥力等表現(xiàn)了物質(zhì)在空間上的對稱形式；周期、頻率則體現(xiàn)出了時間的對稱性；簡諧振動圖線、波動圖線體現(xiàn)了數(shù)學圖線的對稱性；動量定理FΔt=Δp與動能定理FΔS=ΔEK之間、萬有引力定律F=G(m1m2)/r2與庫侖定律F=K(q1q2)/r2之間體現(xiàn)了物理公式之間的數(shù)學對稱性；處于平衡態(tài)的氣體對容器的壓強處處相等、處于平衡態(tài)的氣體分子熱運動在三維空間各個自由度上發(fā)生的幾率相等，這些都體現(xiàn)物理內(nèi)容的抽象對稱。另外，豎直上拋運動、簡諧運動、圓周運動等存在時間和空間規(guī)律的對稱性。對稱性現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)代人們探索自然界基本規(guī)律的基本出發(fā)點之一。

1.1.2 和諧美

“和諧”是美學的重要法則之一。“和諧是指事物和現(xiàn)象的各種要素、各個部分、各個方面的配合得當，井然有序、協(xié)調(diào)一致、勻稱流暢，是具有多樣化的特殊統(tǒng)一美”[2]。物理學的和諧美主要表現(xiàn)為物理理論的內(nèi)容協(xié)調(diào)、自然和形式勻稱?？陀^物質(zhì)世界是和諧的，小到微觀粒子，大到宇宙，世界萬物都在和諧中遵循著自己的存在規(guī)則。物理學知識體系龐大，各分支既各具規(guī)律又互有聯(lián)系，和諧并存。

自然界存在的和諧性是很多物理學家固定的思想方式和研究方法，并成為一種信念和追求。例如，磁通量把本來并不存在的抽象物理模型—磁感線與描述客觀存在的磁場強弱的物理量—磁感應(yīng)強度有機地聯(lián)系了起來。大凡物理學理論和物理學規(guī)律，都具有和諧美。

1.1.3 簡潔美

自然界的現(xiàn)象是錯綜復雜的，然而自然界本身卻是簡單和諧的?！拔锢韺W揭示自然界物質(zhì)的存在、組成、運動及其轉(zhuǎn)化等規(guī)律的簡單性而產(chǎn)生美感，稱為物理學的簡潔美”[3]。正如愛因斯坦所說：“真實的世界在邏輯上總是簡單的。要從盡可能少的假說或公式出發(fā),通過邏輯的演繹,概括盡可能多的經(jīng)驗事實?！盵4]物理學正是建筑在這一基礎(chǔ)之上，任何物理理論，歸根到底只有少數(shù)幾條基本的假定：經(jīng)典力學建立在牛頓三定律之上，電動力學建立在法拉第的“場”和麥克斯韋方程組之上，狹義相對論建立在狹義相對性原理與光速不變假定之上，量子力學建立在波函數(shù)與薛定諤方程之上……這些簡單的假定是從大量的自然現(xiàn)象和物理實驗中抽取并提升出來的，然而，建之于上的物理理論反過來卻能解釋幾乎所有的自然現(xiàn)象，并在生產(chǎn)實踐中得到廣泛的應(yīng)用，極大地推動生產(chǎn)力的發(fā)展。

作為一門實驗物理學，在研究過程中，物理學常常以最簡單的實驗設(shè)備就得出簡潔明了的實驗結(jié)論，給人以一種簡潔的美感。物理學是一門嚴密的理論物理學。數(shù)學方法是物理學常用的一種研究問題的方法，它不僅是表述物理內(nèi)容的最精煉、最凝聚的語言，而且是物理推理論證的最簡潔、最有效的手段和工具。我們的前輩大物理學家們，都不同程度地接受了古希臘的美學思想，都相信自然界是按照和諧優(yōu)美的數(shù)學方式設(shè)計的，自然界是合理的、簡單的和有秩序的。

1.2 壯美

壯美，美學一般稱之為崇高，是美的另一重要形態(tài)。物理學領(lǐng)域的壯美又可進一步分為艱險美、統(tǒng)一美和物理學家的人格美三個方面。

1.2.1 艱險美

物理學家們在物理學的征途上面臨著千難萬險的境地，通過一代一代人的不懈努力尋求真理，在此過程中獲得的愉悅情感可稱為艱險美。

物理學的發(fā)展歷程充滿了艱難險阻。哥白尼的日心說直至其逝世后才敢于發(fā)表，教會卻將其污蔑為異端學說；布魯諾為捍衛(wèi)哥白尼學說甚至葬身于羅馬鮮花廣場的熊熊火海之中；亞里士多德的“力是維持物體運動的原因”的觀念影響西方一千余年，直至伽利略才得以糾正；光的本質(zhì)問題一直是近代物理學爭論的焦點之一，微粒說和波動說各執(zhí)一詞糾葛二百多年，最終才歸結(jié)至波粒二象上；19—20世紀之交，一系列經(jīng)典物理學無法解釋的實驗事實使得經(jīng)典物理學的理論基礎(chǔ)受到嚴重沖擊，從而引起了物理學的一場偉大革命，導致了以相對論和量子力學為代表的現(xiàn)代物理學的誕生。物理學中這樣的例子不勝枚舉，物理學的發(fā)展不是一帆風順的，在其道路上充滿荊棘和坎坷，物理學的歷史其實就是一代代物理學家不斷勇攀高峰、克服重重困難的歷史。一部物理學史，可以清晰地顯示出這種過程。而正是這種艱險顯示了人作為實踐主體的巨大力量，越是艱難的挑戰(zhàn)，越是能從成功中獲得愉悅。

1.2.2 統(tǒng)一美

統(tǒng)一，是一個震撼人心的字眼，是千百萬物理學家畢生追尋和奮斗的目標。在自然界中，千篇一律和雜亂無章的東西都不能給人以美感。只有把千姿百態(tài)的物理現(xiàn)象用統(tǒng)一理論加以概括和解釋后，才能給人以美感。牛頓力學把地上的和天上的運動統(tǒng)一起來，麥克斯韋電磁理論把電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象和光現(xiàn)象統(tǒng)一起來，光子的波粒二象性概念把粒子運動和波動統(tǒng)一起來，原子、分子結(jié)構(gòu)理論把宇宙和物質(zhì)統(tǒng)一起來，能量概念溝通了力、熱、電、磁、光、原子等領(lǐng)域，質(zhì)能方程E=mc2把質(zhì)量和能量、實物和場統(tǒng)一起來，能量守恒把能量和力統(tǒng)一起來，等等。物理學終極的目標也是要將強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用、引力相互作用統(tǒng)一成一種力，即實現(xiàn)大統(tǒng)一。這些例子無不顯示著多樣性的統(tǒng)一美。

1.2.3 物理學家的人格美

“高山仰止，景行行止”，這個千古傳誦的名句比喻人如果品德高尚、行為光明正大，就會受到人們的景仰和效法?？鬃拥牡茏咏璐嗣鑼懽约旱亩鲙?，欽服于師尊的高深學識造詣和偉大人格魅力。在物理學史上，許多現(xiàn)物理學家也有著不凡的學術(shù)品格和人格魅力。偉大的天文學家哥白尼，經(jīng)過幾十年的觀測實踐和研究，寫成“天體運行論”著作，創(chuàng)立了著名的“日心說”，招致宗教勢力的敵視；伽利略被終身監(jiān)禁而矢志不渝；開普勒貧病交加，歷盡迫害，死在小客店內(nèi)；富蘭克林為研究雷電冒險進行“費城實驗”，而利赫曼為同一目的遭雷擊而死；法拉第鄙視名利，一生進行實驗探索，最后老死在書桌旁；居里夫婦為提煉鐳元素而甘受放射線的傷害，他們的女兒和女婿也因長期從事放射線研究而英年早逝……雖然處于不同的國家、民族和時代，有著迥異的個人經(jīng)歷，但他們在探索物質(zhì)世界規(guī)律的過程中，無不閃爍著人性美的光輝。他們敢于挑戰(zhàn)、勇于創(chuàng)新、追求真理、百折不撓、堅持到底、勇敢堅強的優(yōu)秀品格造就了他們的成功，也給后人留下了光輝燦爛的寶貴精神財富。

2 物理美學在中學物理教學中的作用

物理學是求真、趨善和臻美的有機統(tǒng)一。物理教學不應(yīng)當只是科學知識和技能的傳授，而是要在科學教育的過程中融入美育。物理學美對于物理教學有著多方面的促進作用，具體可歸納為：

2.1 提高學生學習物理的興趣

孔子曾說過：“知之者不如好知者，好之者不如樂之者。”興趣是學生學好物理的最有力推動因素，只要學生有興趣，他們就能不畏艱辛地克服各種困難去鉆研去學習，學習的主動性會變得更強，物理難學的情況也就會大為改善。物理學中充滿美的因素,如果在教學中能盡可能多地向?qū)W生展現(xiàn)物理現(xiàn)象、物理實驗、物理理論的美，對提高學生學習物理的興趣是大有幫助的。學生在學習過程中得到更多美的享受,就會對物理學有良好的心理感受,把學習物理學當成對美的追求和享受。

2.2 發(fā)展學生鑒賞美和創(chuàng)造美的能力，樹立正確的審美觀

隨著長大，中學生愛美意識逐漸增強，對物質(zhì)世界中各種形式的美的關(guān)注也在隨之增加。這個時期是審美思維形成發(fā)展和審美觀確立的關(guān)鍵時期，教師有責任適當?shù)丶右砸龑В蕴岣邔W生感受鑒別和理解美的能力。學生通過自身生活經(jīng)歷和各門藝術(shù)課程的學習，對自然美和藝術(shù)美已經(jīng)有了較多的接觸和認識，然而物理學美是一種理性美，不同于自然美和藝術(shù)美，鑒賞物理學美需要一定的專業(yè)基礎(chǔ)和美學修養(yǎng)。引導學生發(fā)現(xiàn)和欣賞物理學簡潔、對稱與和諧之美，能夠有效地激發(fā)學生的審美激情，并使學生在對物理學美的震撼中更加全面和深刻地認識美，發(fā)展和完善其審美能力，形成正確的審美觀。

2.3 培養(yǎng)學生高尚的情操，促進學生的全面發(fā)展

中學物理教材涉及數(shù)十位中外物理學家。這些物理學家雖然國籍不同，所處時代不同，各人經(jīng)歷不同，但他們身上都充分體現(xiàn)出為追求科學真理而不懈努力的美德。他們生平大量動人的事跡，尤其是不怕挫折的拼搏精神、愛國奉獻的敬業(yè)精神和相互協(xié)作的精神都是一部絕好的美育教材，能激起學生心靈的震動。教學過程中若能把物理學家勇于探索實事求是的科學精神、以苦為樂頑強拼搏的不屈精神、只圖貢獻不求索取的奉獻精神、堅持真理并為捍衛(wèi)真理不怕犧牲的獻身精神等生動事例穿插講授，定能使學生深受感染，進而學習仿效物理學家的這種崇高的精神風貌與美德。這無疑是最理想最成功的情感教育。物理教育就是要激發(fā)學生的愛美本性，像科學家那樣，把追隨真、善、美作為生活的理想，揚起生命的風帆，去追求美、表現(xiàn)美、創(chuàng)造美。

3 在物理教學中發(fā)掘物理學美的途徑

物理學是美的,但如何才能使學生學會欣賞,使他們在學習中獲得美的享受,從而激起學習物理的濃厚興趣呢?這是當前物理教師面臨的主要問題之一。

3.1 營造審美化的學習環(huán)境

在物理教學中，我們應(yīng)首先該為學生營造出一個具有審美氛圍的良好環(huán)境。這一個環(huán)境既包括物質(zhì)環(huán)境(主要指教室、實驗室、課外活動室的設(shè)備、設(shè)施等物質(zhì)因素)又包括精神環(huán)境(主要指和諧的師生關(guān)系、學風等人文因素)。

良好的審美化學習環(huán)境為師生提供了一個在審美氛圍中進行教與學的活動空間。它就像一部立體的、多彩的、富有魅力的無聲“教科書”，相對于課堂開設(shè)的“顯性課程”而言是一種“隱性課程”。它對學生進行著潛移默化的審美感染和熏陶，具有很強的審美功能。

3.2 精心組織審美化的課堂教學

課堂教學是學校教育的主渠道，一定要按照美的規(guī)律，精心設(shè)計和組織課堂教學，把物理學作為物理學詩來教。教學是一門科學，也是一門藝術(shù)。在物理教學中,教師既要按照物理學科的教學規(guī)律、教學內(nèi)容向?qū)W生“傳道、授業(yè)、解惑”；又要按照美的規(guī)律，并通過自己美的心靈、美的情操、美的智慧、美的儀表姿態(tài)影響、感染學生。

3.3 積極開展審美化的物理課外活動

課外活動是學校課堂教學之外，按照一定的教育目標，有計劃地組織學生參加的一種教育活動，是課堂教學主渠道外的另一渠道。在物理課外活動中滲透美學，對于激發(fā)學生的審美意識，培養(yǎng)學生對物理和物理學美的熱愛、探索與追求，開發(fā)學生的智力，拓展學生的知識視野，激活學生的學習興趣，發(fā)展學生的創(chuàng)造能力、動手能力都是大有幫助的。

3.4 充分利用現(xiàn)代化教學手段

近年來，隨著多媒體手段在教學中的運用，物理教學的改革進入了一個嶄新的階段。多媒體課件不但具有很強的知識性和思想性，還有著豐富的美學價值。充分發(fā)揮多媒體課件的美學價值，通過現(xiàn)代化的音像畫面的動態(tài)組合，再現(xiàn)宇宙間的種種物理現(xiàn)象，為學生學習物理知識創(chuàng)設(shè)一個仿佛親臨其境的逼真環(huán)境，能使物理教學更好地按照從感性到理性、再從理性到實踐的認識規(guī)律，加深學生對概念的理解與應(yīng)用。

物理教學與物理學美是緊密相連的。教師要不斷提高自己的專業(yè)水平和美學素養(yǎng)，積極地引導學生感受和認識物理學的美，增強學生的審美意識和審美能力，為國家培養(yǎng)身心和諧發(fā)展的高素質(zhì)人才。

[1] 徐志君.物理美學與物理教學中的美育[J].浙江工業(yè)大學學報：社會科學，2002(12)：27.

[2] 張憲魁，王欣.物理學方法論[M].西安：陜西人民教育出版社,1992：270.

[3] 方鴻輝.中學物理教學中的美育[J].課程·教材·教法，1999(4)：28-29.

[4] 愛因斯坦文集：第三卷[M].北京：商務(wù)印書館,1984：74-75.

[責任編輯：仇海燕]

TheBeautyofPhysicsandPhysicsTeachinginMiddleSchool

WANG Chang-fu

(College of Physics and Electronic Engineering Xuzhou Normal University，Xuzhou Jiangsu 221116，China)

The beauty of physics includes beautiful and sublime. Beautiful embodied in the symmetrical, concise and harmony, sublime is embodied in preciousness, Unify and physicists' personality. The Beauty of Physics can enhance the interest of student on physical learning, develop students' ability of appreciating and creating beauty, and cultivate students' lofty sentiment. We can through creating aesthetics learning environment, orchestrating aesthetics classroom teaching, carrying on esthetic physical extracurricular actives and making use of the modern teaching means and so on ways to fully explore its value.

beauty of physics；physics teaching；function；ways

G633.7

A

1671-6876(2011)02-0179-04

2011-04-01

王長富(1984-)，男，山東菏澤人，課程與教學論(物理)專業(yè)碩士研究生，主要從事中學物理教學研究。