物理教學中的美育研究

何靜 張暉

【摘 要】物理學具有簡單、對稱、和諧等特征，挖掘科學美的素材并把它融入物理教學中，實施美育，不僅可提高學生的審美素質，而且對物理教學和素質教育的順利實施也將產生重要影響。

【關鍵詞】物理教學 科學美 美育

美育是素質教育的重要組成部分，可以培養(yǎng)學生的智慧，發(fā)展學生的空間思維想象力，激發(fā)學生研究事物、增強創(chuàng)新的欲念。真正的美育是將美學原則滲透于各科教學的教育，它是一種兼顧知識和發(fā)展，旨在提高學生整體素質的融合式教育。

物理學揭示了自然界物質的存在、構成、運動及轉化等規(guī)律，反映了自然界內在的本質的美。雖然物理理論體系并不具備形象特征，它不同于感性事物那樣，通過其物質材料的自然屬性以及它們的組合規(guī)律產生出美的感染力，但卻以其內在體系的和諧、簡單、對稱與秩序，表征著物質世界深層固有的結構，滲透出理性的科學美。

一、物理教學中科學美的內涵

雖然物理學的研究范圍極為廣泛，物理規(guī)律極為復雜，但物理學的美卻具有簡單、對稱、和諧等特征。

（一）物理學的簡單美

首先，物理學的簡單美源于自然界。自然的基礎構造是簡單的，是物理學簡單性思想方法的客觀基礎。物理學家在選擇可能描繪自然結構的數(shù)學表示時，選擇了對稱、簡潔的優(yōu)美形式，正是已經(jīng)深入他們骨髓里的這種強烈的簡單性信念所使然。比如理想模型的方法就是對客觀簡單性信念的一種體現(xiàn)。模型的方法巧妙地將復雜的事物一一分割，抽象出一個簡潔明了的物理模型，如質點、點電荷、理想氣體、電場線等。這些模型就像一幅幅生動形象的簡筆畫，把物體的特征和個性勾畫得淋漓盡致，既簡潔又合理，既抽象又形象，給人以美的享受。

其次，物理公式或方程是自然界所遵守的法則，優(yōu)美的物理公式或方程常被稱之為漂亮的數(shù)學結構，它給人的美感是顯而易見的。從藝術的角度去審視愛因斯坦的質能公式：E=mc2時，就好像看到一位高明的畫家，用極簡練的筆調在淋漓盡致地勾勒一幅肖像畫，寥寥幾筆就把一個人的外表特征和性格特點躍然于紙上， 使人們對質量和能量之間的邏輯關系的認識推進到一個更高的層次。

（二）物理學的對稱美

對稱總能給人以美感。由物理學所揭示的自然界物質的存在、構成、運動及其轉化等規(guī)律的對稱性而產生的美感，就是物理學的對稱美。物理學中的對稱美既有物理現(xiàn)象的對稱美，比如引力與斥力、“電生磁”與“磁生電”、粒子與反粒子、物質與反物質等等；但更重要的是包含各種數(shù)學空間的對稱美，那是一種理性范疇的對稱，比如能量、動量和角動量守恒就分別顯示宇宙具有時間平移、空間平移和空間轉動的對稱性。這種對稱性雖然不直接顯現(xiàn)，但卻更受到物理學家的推崇。

在物理學中，追求理論的對稱之美可以作為一種有效的研究途徑探索物質世界。比如物體豎直上拋和斜拋運動的上升過程與下降過程的時空對稱；在交流電和電磁振蕩研究中出現(xiàn)的時間對稱。伽利略的“力學定律在所有慣性系中都相同”的相對性原理，深刻地揭示了建立在直覺經(jīng)驗基礎上的時空形象對稱性。物理學公式、定律表達方式上和理論結構上所反映的對稱性更是不勝枚舉。比如磁體磁感線分布，左右手定則，平面鏡成像中物與像的對稱美，電磁學中靜電力的平方反比定律的公式表達就是追求跟萬有引力平方反比定律的對稱而獲得的。又如，麥克斯韋根據(jù)電與磁的對稱性及力線圖象的對稱性，在沒有任何實驗支持的情況下，大膽地在安培定律中添加了“位移電流”矢量項，使麥克斯韋得以建立起他的呈現(xiàn)對稱美的方程組，四個方程彼此相容， 成為統(tǒng)一的關于電磁場的完整理論體系，被譽為自然界最優(yōu)美的詩篇。

（三） 物理學的和諧美

和諧是指配合適當、協(xié)調、勻稱的意思。和諧給人以渾然一體、恰如其分、輕松自如的美感。從古代到今，和諧美是物理學一貫追求的目標。

物理理論揭示了自然界物質的存在、構成、運動及轉化等規(guī)律整體上和諧性而產生的美感，表現(xiàn)在自洽、對應和互補三個方面，物理學中各分支理論內部以及各分支理論之間的現(xiàn)象、概念、規(guī)律等卻是互不矛盾的——自洽和諧美，物理高級理論對低級理論的包容，或者說低級理論與高級理論中在某一特定條件下的結論相一致。如當 V 《 C 時，相對論力學運動的描述就還原為牛頓力學的描述，當 h → 0 時，量子學回到經(jīng)典力學。光的波動性與粒子性分別從不同的測面反映了光與微觀客體的本質，而波動性與粒子性既互補又互斥。對熱現(xiàn)象進行研究，既可用熱力學理論，也可用統(tǒng)計物理學理論，一個是從宏觀上揭示其規(guī)律，另一個則從微觀上揭示其本質，兩者互相彌補，構成了完整的熱學理論——這就是互補和諧美。

二、物理教學中的美育

物理學中有著豐富的美育素材，到處映射著科學美的光輝。挖掘科學美的素材并把它融入物理教學中，實施美育，不僅可提高學生的審美素質，而且對物理教學和素質教育的順利實施也將產生重要影響。

（一）形成科學的審美觀

物理學中的科學美不同于藝術形象，它往往不能僅靠肉眼去辨析，更多的要靠心智去體驗，它帶給學生美的享受不只是視覺或聽覺，而更多的是一種振憾人心的愉悅和力量。

課堂上，在討論某一定理、定律、公式或實驗時，用科學美的觀點加以賞析，往往會使課堂氣氛轉向活躍，學生精神專注，探索物理世界的興趣油然而生，并逐漸領悟到物理學有如同詩一般的簡潔、對稱與和諧之美，從而促使學生在感受科學美的同時形成科學的審美觀。例如，在“洛侖茲變換”的教學中，引導學生從美學角度來品味洛侖茲變換，理解其深刻的物理內涵。首先，從簡單美的角度，理解洛侖茲變換應該是線性的，否則它將破壞時間和空間的均勻性，那樣的話，世界將變得非常的繁亂；其次，從對稱美的角度，理解時間和空間的地位應該是對等的，空間的變換依賴于時間，在同樣意義下，時間的變換也依賴于空間；最后，從和諧美的角度，理解時間不再是一個獨立的參量，它應該和空間“聯(lián)姻為一家人”，成為“四維時空坐標”中的個坐標軸。這樣的教學，能引導學生透過有限的形象去領悟其深含的意蘊和無限的內容，使學生達到韻味無窮的審美境界，在習得物理知識的同時提高科學美的欣賞能力。

（二）激發(fā)科學的創(chuàng)造力

對美的追求可以激發(fā)物理學家探索自然奧秘的激情和靈感，同樣也完全可以使我們的學生產生探索物理的激情和創(chuàng)造的動機，使學生在感知美的基礎上引起積極的情感反應，產生積投的聯(lián)想和深刻的理解，從而迸發(fā)出創(chuàng)造性思維的火花。

在教學中，向學生介紹物理美學思維，可以激發(fā)學生的學習興趣，拓展思維理念。比如愛因斯坦在分析牛頓力學時，發(fā)現(xiàn)絕對時空并不符合簡單性這一科學美原則，洞察到牛頓力學的不完美，在追求更簡單的理論（獨立的假設或公理最少而內涵更深廣的理論）中建立了“狹義相對論”。他還依據(jù)美的統(tǒng)一和諧原則，分析了廣義相對論雖然使引力理論建立在十分簡單的基礎上，使質量、能量統(tǒng)一起來，慣性質量與引力質量統(tǒng)一起來，慣性系與非慣性系統(tǒng)一起來，但是并沒有解決引力場同電磁場統(tǒng)一問題。他看到了相對論不是絕對美的，認為場應該是統(tǒng)一的，于是用了整整四十年的時間探索統(tǒng)一場問題，開創(chuàng)了統(tǒng)一場論的道路。

（三）培養(yǎng)高尚的情操

世界范圍內新教育改革普遍重視學生道德、情操的教育。著名教育家蘇霍姆林斯基在他的教育理論中認為：“美是道德純潔、精神豐富和體魄健全的有力源泉?！蔽锢韺W中蘊含的科學美，不僅體現(xiàn)在物理知識的形式結構上，還體現(xiàn)在探索科學的過程中，體現(xiàn)在科學家的精神上。物理學家的人格力量和獻身科學的精神之美，比起物理學知識更具有震撼人心的教育力量，它在凈化學生思想、培養(yǎng)學生情操方面具有積極的作用。焦耳把畢生的精力都放在熱功當量的實驗研究上；居里夫人為科學終身視苦為樂；開普勒不顧貧病交加，堅持觀察天體運動，發(fā)現(xiàn)了天體運動三大定律等等，這些都體現(xiàn)了科學精神之美，這種科學精神之美是物理學美的重要組成部分，是一部絕好的美學教材，在教學中不失時機地向學生穿插講授，定能激起學生情感上的共鳴，把追求真、善、美作為生活的理想，從而成為有道德并全面和諧發(fā)展的人。

總之， 物理教學并不是一些枯燥的公式和定理，而是蘊藏著豐富的內在美，這種美需要我們不斷挖掘，使其嶄露出光彩奪目的美麗色彩，讓學生能夠深刻領悟物理世界的對稱、和諧、簡潔的美感，并由此轉化為巨大的動力，去追求美、表現(xiàn)美和創(chuàng)造美。

【參考文獻】

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