淺談物理教學的藝術(shù)性

鞏曉陽+琚偉偉+王翚+王輝

摘??要：教學效果的好壞，很大程度上取決于教師的教學手段、方法是否生動形象，是否引起情感交流與共鳴，是否具有藝術(shù)性。成功的教學本身就是藝術(shù)的創(chuàng)造。本文提出了藝術(shù)教學的改革思路，用實例闡述了物理教學具有藝術(shù)性的策略和方法。

關鍵詞：大學物理教學;教學藝術(shù);科學美

教學藝術(shù)就是教師在科學的教學觀和審美原理的指導下，旨在省時高效地達到教育目的所使用的具有個性獨特性、創(chuàng)造性的教學方法[1]。人們常說“愛美是人的天性”，美的事物、美的畫面人人喜歡。在物理學中蘊含著美的現(xiàn)象、美的方程、美的理論，一個物理學教師指導學生發(fā)現(xiàn)物質(zhì)世界中美的物理現(xiàn)象，學習物理學理論中美的物理規(guī)律，激發(fā)學生對自然科學的興趣，引導學生繼續(xù)探索未知的物理規(guī)律，教師的教學就是成功的。這里需要教師有方法、有技巧、有能力、有激情，所以“成功的教學本身就是藝術(shù)的創(chuàng)造”。

目前在物理課堂教學中，我們很不愿意看到：“低頭一族”出現(xiàn)，上課一直在玩手機;“游戲一族”出現(xiàn)，徹夜沉迷游戲中;“宅男一族”出現(xiàn)，足不出戶。我們也很不情愿看到：一部分學生對科學的興趣遠遠比不上對文藝明星的興趣，寧愿花費巨資擠破頭去看一場明星演唱會，也不愿在校園里免費聽一場專業(yè)的專題講座;一部分學生不關心大學期間學習什么，只關心將來怎樣找個輕松高薪的工作。如著名翻譯家楊絳先生給一個高中畢業(yè)傾訴人生困惑的人誠懇而不客氣的話：“你的問題在于書讀得不多而想法太多?！弊x書，讀科技書，讀專業(yè)書成了困難事。要讓學生身心回歸課堂，讓青年學生熱愛科學、熱愛物理學，唯有改革教學;作為物理教師，也要講究教學的藝術(shù)性。

1.激發(fā)求知欲望

物理學是理論、實驗與應用相結(jié)合的一門學科，理論嚴密，實驗精巧，應用廣泛。著名粒子物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中博士回答記者提問時說：“科學改變了整個人類的生活”。將理論、實驗和應用結(jié)合起來，要求教師課前備課要精心設計教學程序。好的物理課程應能啟迪學生的心靈，點燃學生的思想火花，激發(fā)學生的情感、興趣和意志。規(guī)章制度可以把學生約束在課堂上，幽默風趣的講解可以把學生思想吸引在課堂上，但是還不夠！真正能深入學生頭腦，打動學生的內(nèi)心，激發(fā)學生的探索欲望，必須是教學本身！物理教學課堂上可以設計幾個不合理的結(jié)果引導學生思考，甚至可以故意出錯引導學生改錯。比如，講解電磁學中電容的定義時，提出問題：同學們，老師請大家?guī)兔I個電容是1法拉的球形電容器好嗎？同學們就會去思索和計算，單獨一個球形電容器是孤立電容器，利用孤立電容器計算方法計算電容，（r是半徑），得到。結(jié)果一出，大家驚呼，比地球半徑大得多，可見法拉是個多么大的單位，所以才有微法、皮法等單位。這種教學效果，極大地激發(fā)了學生的求知欲，對結(jié)果也會有較深刻的記憶。

2.?引起學生情感共鳴

我們曾對我校物理學院2014級應用物理學、材料物理、光電科學與技術(shù)三個專業(yè)做過調(diào)查，在最感興趣的物理學前沿領域中，宇宙反物質(zhì)的存在、黑洞與蟲洞理論研究名列前茅;在最崇拜的物理學家中當然有愛因斯坦和霍金。經(jīng)過一番準備，課堂教學這樣展開：講狹義相對論之初，引入愛因斯坦著名的“追光理論”實驗和小時候“三個小板凳”的故事，從真實趣味的案例，引導學生從愛因斯坦的思索出發(fā)，揭示狹義相對論的發(fā)現(xiàn)和成果。之后，加入廣義相對論初步知識，尤其是引伸出黑洞理論。這里介紹天才的英國物理學家、著名科普著作《時間簡史》的作者霍金。他愛打賭的個性引起學生的哄笑，可是在一次次打賭中，對科學問題的爭辯和實驗過程的驗證，讓這位大物理學家在黑洞方面的研究取得了一個又一個的突破。那個歪著頭坐在輪椅上的霍金的照片，那個全身只有眼睛和三個手指能活動的物理學家，那個早已被醫(yī)生宣判死刑，但大腦極度活躍的大師，以其堅強的意志和卓越的成就引起學生強烈的情感共鳴。他頑強的生命力、不畏困難堅強奮斗的精神在課堂上傳遞著極大的正能量。

“居里點”是材料在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度，是居里先生在實驗室發(fā)現(xiàn)的磁石的一個物理特性。居里夫婦對物理學和化學的影響是巨大的，他們在艱難的生活和艱苦的實驗條件下，發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙和鐳，尤其是鐳的發(fā)現(xiàn)為許多人提供了一夜暴富的機會，卻讓生活貧困的居里一家買不起一克鐳用于實驗。面對記者的采訪，居里夫人說：“請給我一克鐳”。因為長期接觸放射性物質(zhì)，居里夫人因惡性白血病逝世。然而，一代偉大的物理學家以自己的生命為后人提供警示：在探索真理的過程中，從未知到已知，無數(shù)偉大的科學家奉獻了青春甚至生命。如今，我們只有在特定的區(qū)域內(nèi)穿好特定的防護服才能查閱放在鉛盒里的居里夫婦留下的手稿。在物理課堂上，以規(guī)范實驗操作、愛惜現(xiàn)在優(yōu)良的實驗條件、珍惜自己身體為主題的宣講引起學生深深的共鳴。

3.找準學生心理狀態(tài)的“固有頻率”，使教學信息收發(fā)達到同步

我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學生對“納米和納米材料”的興趣在所有物理學知識領域中是最高的。納米尺度為10–9m，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當于10～100個原子緊密排列在一起的尺度。納米技術(shù)是用原子、分子制造物質(zhì)的科學技術(shù)。納米的神奇之處在于原子的尺度是納米級，深入原子，可以使組合分子用人工或機器來實現(xiàn)，從而可以任意組合所有種類的分子，讓“操縱原子不是夢”。20世紀50年代初，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者費米曾說“如果有一天可以按人的意志來安排一個個原子，那將會是怎樣的奇跡？”[2]。1981年美國IBM公司兩位科學家利用量子隧道效應發(fā)明掃描隧道顯微鏡，放大倍數(shù)達百萬億，同時在實驗中發(fā)現(xiàn)了操縱原子的方法。另外，研究發(fā)現(xiàn)當物質(zhì)達到納米尺度時（大約在0.1～100nm范圍內(nèi)），物質(zhì)的性能將發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。磁性材料如鐵鈷合金，如果做成20～30nm大小，磁疇變成單磁疇，磁性比原來提高1000倍。其原因是磁疇中每個原子排列并不很規(guī)則，而變成單磁疇后，各個原子排列很規(guī)則，對外顯示強磁性。因此，人們在材料研究上上升到了一個新的高度。

不管是物理專業(yè)課程中的普通物理學（含力、熱、電、光、原子物理）、四大力學（理論力學、熱力學與統(tǒng)計物理、電動力學、量子力學），還是非物理專業(yè)的大學物理學課程，或簡或繁，均可在課堂上適當?shù)匾雽W生感興趣的物理學前沿領域知識。講到半導體，“LED照亮世界”是最好的課題;講到電磁感應，磁懸浮超導可以適當?shù)匾?。知道學生對什么感興趣，有意引導，達到共振，教學效果的“振幅”才是最大的。

4.訓練學生具有批判性思維的能力，提高科學素養(yǎng)

北京師范大學包景東老師在《格物致理——批判性科學思維》一書中指出[3]，目前大學物理教學通常的流程是：教師在課堂上講授正確的知識，學生在課后做正確的練習，但缺乏批判性思維的訓練和科學精神的引導。南開大學教授、首屆高等學校教學名師獎獲得者顧沛老師總結(jié)自己的教學個性中有一條：“故意出錯”。在我們的物理學教學中，出現(xiàn)“錯誤”不可怕，能引導學生指出“錯誤”就很有益處。故意出錯如同相聲演員抖的包袱，能引起學生的思索與判斷。在課堂教學中，抖出一個又一個包袱，提出一個又一個問題，設置一個又一個障礙，讓學生在批判中學習，在解決問題中進步。筆者在課堂上曾設置一個場景：登上月球的兩名宇航員，是不是必須穿宇航服？宇航服上應具備哪些功能，利用什么物理學原理來實現(xiàn)？兩名宇航員如何才能對話？同學們提出了很多設想：防冷，防輻射，利用無線電波，等等。這些設想綜合運用了物理學中熱傳導、聲波和電磁波、薄膜干涉屏蔽外界輻射等物理學原理。在討論和批判中，許多物理學知識得以融會貫通，學生的科學素養(yǎng)得以提升。

5.展示物理科學美，揭示物理理論內(nèi)在美

天體物理學家邦迪（Hemann?Bondi）說：“當我提出一個我認為中肯、合理的建議時，愛因斯坦一點也不駁斥它，而只是說，‘噢，好丑……，他深信美是理論物理學上探求重要答案的指導原則?！蔽锢憩F(xiàn)象繽紛多彩，物理學理論簡潔對稱，卻蘊含著深奧的科學道理?？茖W美的典范是麥克斯韋方程組：形式簡單，對仗工整，道理深刻，涵蓋了電磁世界中所有的物理規(guī)律，使每一位物理學家都陶醉其中。后來，玻耳茲曼情不自禁地引用歌德的詩句說“難道這些是上帝寫的嗎？”[4]

著名物理學家楊振寧引用唐代詩人高適的詩句“性靈出萬象，風骨超常倫”來描述狄拉克方程和反粒子理論[4]。他認為，一方面狄拉克方程確實包羅萬象，而用“出”字描述狄拉克的靈感尤為傳神。另一方面，狄拉克不顧玻爾、海森堡、泡利等當時大物理學家的冷嘲熱諷，始終堅持他的理論，正合“風骨超常倫”。優(yōu)美的詩句，描述了優(yōu)美絕倫的圖畫和思想境界，卻又完美地闡釋了一個物理學大師的風格與理論。在狄拉克看來，“使一個方程具有美感，比使它去符合實驗更重要。”

美亦是科學的本性之一。物理學家們在探索自然界物質(zhì)運動的規(guī)律時，無論是他們所運用的巧妙的思想方法，或是他們勤勞和智慧的結(jié)晶——簡單、和諧的物理理論，還是他們在追求真理過程中所體現(xiàn)的嚴謹求實、鍥而不舍的科學精神，無不向人們展示科學自身的至美，無不向?qū)W生傳達物理學的本質(zhì)是真、價值是善、追求是美。

藝術(shù)之所以具有誘人的魅力，在于它有三大突出特點：形象性、情感性和創(chuàng)造性。教學效果的好壞很大程度上取決于教師的教學手段、方法是否生動形象，是否引起情感交流與共鳴，是否具有藝術(shù)性。愛因斯坦說：“在科學思維中常常伴著詩的因素，真正的科學和真正的音樂要求同樣的想象過程?！卑呀虒W作為一次次藝術(shù)創(chuàng)作，做物理教學的藝術(shù)家，探索創(chuàng)新的物理教學之路，是我們青年教師努力的方向。

參考文獻：

[1]?王升.?教學藝術(shù)的特點及掌握之策略[J].上海教育科研，1996（4）：40-41.

[2]?白春禮.?納米科技：夢想與現(xiàn)實[C].2004年中國納米技術(shù)應用研討會論文集，2004：1-18.

[3]?包景東.格物致理——批判性科學思維[M].北京：科學出版社，2014.

[4]?楊振寧.美與物理[J].物理，2002，31（4）：193-199.

[基金項目：河南省教育廳高等教育教學改革項目（2014197）;河南科技大學重大教育教學改革項目（2014ZD-009）]

[責任編輯：夏魯惠]endprint