挖掘物理教科書的美育功能

石雷先

物理教科書是物理知識傳播的重要媒介，也是實現(xiàn)物理美育的重要載體。在物理教科書編制過程中如何根據(jù)不同的物理美，挖掘美育素材、實現(xiàn)美育功能等值得業(yè)者關(guān)注。

2015年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于全面加強和改進(jìn)學(xué)校美育工作的意見》指出，“將美育貫穿在學(xué)校教育的全過程各方面，滲透在各個學(xué)科之中”，“挖掘不同學(xué)科所蘊涵的豐富美育資源”，“深入挖掘數(shù)學(xué)、物理等自然學(xué)科中的美育價值”。而中學(xué)實施美育的一個重要途徑是在各學(xué)科中進(jìn)行滲透。從這個角度出發(fā)，充分發(fā)揮物理教科書的美育功能就成為美育在物理學(xué)科滲透的一個重要方面。

為此，我們在編制教科書時，必須深入挖掘物理中的美育素材，并通過恰當(dāng)?shù)膬?nèi)容編排、框架搭建、體例設(shè)計、欄目設(shè)置、呈現(xiàn)方式等手段展現(xiàn)物理之美，使其真正進(jìn)入學(xué)生的審美視野。本文以教科版初中《物理》為例，分析物理教科書中的不同美，探討如何實現(xiàn)其美育功能。

一、呈現(xiàn)物理現(xiàn)象之美

我們生活在一個美麗的物理世界，它不停地運動、變化、發(fā)展，體現(xiàn)出和諧、簡潔、統(tǒng)一的形態(tài)、秩序、節(jié)奏。世界的這種美突出地表現(xiàn)在物理現(xiàn)象之中。中學(xué)物理主要包括力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理學(xué)等內(nèi)容，其涉及的物理現(xiàn)象可謂是千姿百態(tài)、美輪美奐。教科書主要通過三種方式呈現(xiàn)物理現(xiàn)象之美。

1.情境引入：用物理現(xiàn)象之美創(chuàng)設(shè)情境、引入新課，可以吸引學(xué)生注意，激發(fā)學(xué)生興趣。比如，在“聲”一章的首頁上，開篇就用“鶯啾燕囀、蟬唱蟲吟、風(fēng)吼雷鳴、車轔馬嘶，流水潺潺，林葉颯颯……”一段文字描繪了自然界的生靈之聲，立刻使學(xué)生置身于一個悅耳的聲音世界；在“重力”和“浮力的大小”中分別以有關(guān)蘋果落地和阿基米德的兩個美麗傳說引入；“歐姆定律”中則以芭蕾舞劇《天鵝湖》舞臺上美輪美奐的燈光說起。

2.演示實驗類欄目：利用實驗呈現(xiàn)物理現(xiàn)象之美，可以激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，調(diào)動學(xué)生的積極性，給學(xué)生豐富的感官刺激并留下深刻的印象。如“會‘跳舞的燭焰”演示了音箱前隨音樂“翩翩起舞”的燭焰，生動地說明了聲音具有能量；“制造云和雨”模擬了云和雨的形成過程，表現(xiàn)了水的物態(tài)變化的壯麗景象；“雞蛋的沉浮”則通過往清水中不斷加鹽就可以使下沉的雞蛋不斷上浮的神奇現(xiàn)象，巧妙揭示了物體沉浮的條件。

3.插圖：在“測量物體的速度”中用很大版面的攝影作品展現(xiàn)了獵豹、羚羊、游隼、雨燕、鴕鳥、旗魚等野生動物的速度之美；在“磁與電”的章首頁設(shè)置了表現(xiàn)來自太陽的帶電粒子在地磁兩極的天空激發(fā)出的瑰麗極光的插圖；在“通過透鏡看世界”中，既有望遠(yuǎn)鏡中月球環(huán)形山和正在孕育新恒星的星云的宏觀之美，也有顯微鏡下細(xì)胞、塵埃和西瓜表皮上絨毛的微觀之美。

無論是情境引入、演示實驗類欄目還是插圖，都能讓學(xué)生深刻體驗到物理現(xiàn)象之美。在中學(xué)物理教科書中，給學(xué)生呈現(xiàn)生活和自然中的物理現(xiàn)象之美，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”的哲學(xué)思維。

二、詮釋物理規(guī)律之美

物理規(guī)律（包括定律、定理、原理、法則、公式等）是整個中學(xué)物理的核心內(nèi)容，它反映了物理現(xiàn)象、物理過程在一定條件下必然發(fā)生、發(fā)展和變化的規(guī)律，它反映了物質(zhì)運動變化的各個因素之間的本質(zhì)聯(lián)系，揭示了事物本身屬性之間的內(nèi)在聯(lián)系。

值得注意的是，對物理美的追求，不僅滲透到科學(xué)創(chuàng)造的原動力中，成為激發(fā)物理學(xué)家破譯宇宙密碼的強烈激情與靈感，而且也滲透到物理理論體系的構(gòu)建與表述中。

1.簡潔美：教科版初中《物理》建立規(guī)律時經(jīng)常采用“問題—實驗探究—物理學(xué)家工作—語言陳述規(guī)律—公式表示”的呈現(xiàn)方式來表現(xiàn)物理規(guī)律之美。以歐姆定律的建立為例，教科書首先從舞臺上燈光強弱和聲音大小的控制是如何實現(xiàn)的說起，引出問題；然后設(shè)計了“實驗探究：電流跟電阻、電壓的關(guān)系”，讓學(xué)生自己親身經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過程；接著介紹了歐姆用電流扭秤進(jìn)行的艱苦研究，讓學(xué)生了解物理學(xué)家曾做過的工作；最后，給出了歐姆定律的精煉的語言描述——“導(dǎo)體中的電流，跟導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟導(dǎo)體的電阻成反比”，以及更加簡潔的公式——“I=U/R”。通過這種呈現(xiàn)方式，使學(xué)生知道物理學(xué)的發(fā)展并不是一帆風(fēng)順的，物理規(guī)律的建立是一個長期復(fù)雜的過程，也從而更能深刻地體會到最后得到的物理規(guī)律所具有的高度概括和內(nèi)涵深刻的簡潔美。教科書中牛頓第一定律、阿基米德原理等規(guī)律的建立過程也與此相類似。

2.統(tǒng)一美：教科版初中《物理》極力展現(xiàn)物理規(guī)律的統(tǒng)一美。如在章節(jié)安排上，將介紹“電生磁”的“磁與電”一章與介紹“磁生電”的“電磁相互作用及應(yīng)用”一章先后安排在一起，從物理學(xué)家奧斯特到法拉第發(fā)現(xiàn)，從通電螺線管到導(dǎo)體切割磁感線的實驗探究，從電磁鐵到發(fā)電機的原理應(yīng)用，讓學(xué)生系統(tǒng)地、全面地、對比地、聯(lián)系地進(jìn)行認(rèn)知，體會電與磁的相互轉(zhuǎn)化和完美統(tǒng)一。更進(jìn)一步，在“物體磁性從哪里來”標(biāo)題下，介紹了分子電流假說——“物體磁化的過程，實際上是物體內(nèi)微型小磁針按順序‘整隊的過程”，展現(xiàn)了微觀機理與宏觀性質(zhì)的統(tǒng)一美；在介紹發(fā)電機時，講到了“一臺發(fā)電機的電流通過了另一臺發(fā)電機的線圈，后一臺發(fā)電機竟然轉(zhuǎn)動了起來” 的偶然發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機和電動機竟然可以完美轉(zhuǎn)化，展現(xiàn)了物理原理的對稱統(tǒng)一美。在教科書的框架設(shè)計上，能量始終作為一條重要的主線，貫穿于每一種運動形式之中，把能量的觀點滲透到每一部分內(nèi)容之中，從而加強了各種運動的內(nèi)在聯(lián)系和統(tǒng)一。

此外，物理規(guī)律的和諧美、對稱美等在教科書中也有不同程度的體現(xiàn)。

三、傳播物理思想之美

物理學(xué)既是一門實驗科學(xué)，又是一門具有嚴(yán)密邏輯體系和數(shù)學(xué)表述、推理的理論科學(xué)。它從初期萌芽到近現(xiàn)代發(fā)展，都以其豐富的方法論和科學(xué)觀以及充滿哲理的物理思想影響著人們的思想、觀點、方法和思維方式。因此，物理學(xué)又是一門帶有方法論性質(zhì)的科學(xué)，物理學(xué)思想飽含智慧之美。

1.變量控制之美

變量控制思想的魅力在于，可將復(fù)雜問題簡單化，能排除干擾、直接顯露單一因素對被研究對象變化的影響情況，從而揭示事物本質(zhì)。

教科版初中《物理》教科書特別重視實驗和探究，對于課程標(biāo)準(zhǔn)“學(xué)生必做實驗說明”規(guī)定的20個實驗，從教材結(jié)構(gòu)上均占一個四級標(biāo)題（部分“大”實驗單獨成節(jié)），此外還設(shè)置了“實驗探究”欄目，從教學(xué)的可行性角度保證學(xué)生經(jīng)歷動手動腦的探究式學(xué)習(xí)活動過程，并得到明確的結(jié)論。通過探究實驗讓學(xué)生在大腦中形成正確的知識框架，并在思想、方法和技能方面得到學(xué)習(xí)和提高。其中，對于變量控制思想之美的滲透，可謂是深入骨髓。如在探究影響滑動摩擦力大小、浮力大小、滑輪組的機械效率大小、電阻大小因素時以及電流跟電阻、電壓的關(guān)系，電功率跟電流、電壓的關(guān)系，影響電磁鐵磁性強弱的因素等內(nèi)容中均運用了變量控制的思想。

2.圖像處理之美

教科版初中《物理》創(chuàng)造性地采用了“準(zhǔn)圖像處理方法”，即讓學(xué)生頭腦中先建立“實物圖像”，再過渡到用數(shù)學(xué)圖像。這樣做，雖擴(kuò)展了實驗數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容，但有效地降低了學(xué)習(xí)難度，使全體學(xué)生都很容易理解、消除對圖像的畏懼情緒，有助于學(xué)生掌握圖像處理方法，感受到圖像處理思想的美。

比如，在八年級上冊第二章“氣泡的速度”實驗探究中，采用了讓學(xué)生在玻璃管中畫出不同時刻氣泡位置的方式，使學(xué)生接觸了“準(zhǔn)圖像”（這樣的繪圖方式學(xué)生在小學(xué)數(shù)學(xué)、小學(xué)科學(xué)中多有接觸，并不存在多少障礙），為第五章“物態(tài)變化”中順利利用時間—溫度曲線圖像進(jìn)行物態(tài)變化描述奠定了基礎(chǔ)。在九年級上冊中，我們把對物理圖像的運用進(jìn)一步深化，如在第五章第2節(jié)“測量電阻”中，引導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識、繪制U-I圖像就是一個案例。需要說明的是，此處采用了數(shù)字化傳感器實驗系統(tǒng)直接進(jìn)行繪圖的方式，在此演示的基礎(chǔ)上，才讓學(xué)生自己繪制這樣的曲線，而非一步到位把這一較為陌生的圖像完全推給學(xué)生完成。

3.理想模型之美

教科版初中《物理》非常重視培養(yǎng)學(xué)生建立理想模型的思想，通過各種手段讓學(xué)生體會到成功建立和使用理想模型解決問題帶來的愉悅感。比如，在講勻速直線運動時，規(guī)定“如果物體運動過程中速度變化不大，軌跡近似為直線，就可以近似看做勻速直線”；在講光線的時，旁注中將其定義為“通常用一條帶箭頭的直線表示光的徑跡和方向”；在講重心時，對其描述是“對于整個物體，從效果上看，可以認(rèn)為物體各部分受到的重力作用集中于一點”；在講牛頓第一定律時，利用實驗探究和對伽利略斜面實驗的介紹，讓學(xué)生感受理想斜面模型的美妙；在講連通器時，以圖說的形式假想了連通器底部存在一個小液片，巧妙地聯(lián)系到了壓強的知識；在講磁感線時，首先在“觀察”欄目中用鐵屑模擬出磁感線的形式，然后正文中描述其為“帶箭頭的曲線”，最后旁注中直接明示出“磁感線是一種假想的線！”

四、謳歌物理學(xué)家之美

在物理學(xué)發(fā)展史中，物理學(xué)家宛如璀璨星辰，他們用偉大的智慧照亮了物理學(xué)的發(fā)展之路，同時他們高尚的品德也閃爍著美麗動人的光芒。從這個意義上來講，物理學(xué)家在探索過程中所展現(xiàn)出來的人格之美、精神之美，本身就是一部絕好的美育教材。

中學(xué)物理中涉及到上百個物理學(xué)家，這些物理學(xué)家雖然所處的年代和經(jīng)歷各不相同，但是他們都具有許多共同的美德。在教科書的編制中，可以結(jié)合物理學(xué)史把反映物理學(xué)家之美的素材有機地穿插進(jìn)去，去陶冶學(xué)生的情操，美化學(xué)生的心靈，塑造學(xué)生的人格。

比如，在“物質(zhì)的密度”一節(jié)后的“物理在線”欄目中，介紹了英國物理學(xué)家瑞利根據(jù)兩次實驗中氮氣密度的極細(xì)微差別發(fā)現(xiàn)氬氣的故事，展現(xiàn)了物理學(xué)家的一絲不茍、精益求精的精神；在“力與運動”一章的章首頁用三段分別文字介紹了亞里士多德、伽利略和牛頓的工作，展現(xiàn)了物理學(xué)家在追求真理的道路上前赴后繼、勇于創(chuàng)新的精神；在“電現(xiàn)象”一節(jié)的標(biāo)題處，是一副表現(xiàn)富蘭克林在雷雨天用風(fēng)箏引導(dǎo)閃電的圖片，展現(xiàn)了物理學(xué)家熱愛科學(xué)、勇于獻(xiàn)身的精神；在“歐姆定律”一節(jié)中，介紹了歐姆歷經(jīng)十年研究電流與電壓和電阻關(guān)系的事跡，展現(xiàn)了科學(xué)家持之以恒、堅持不懈的精神。

五、頌揚物理人文之美

英國學(xué)者諾斯曾在一次演講中明確提出了一個問題：存在科學(xué)與人文兩極，兩極之間是互不理解的鴻溝。鴻溝的產(chǎn)生一個很重要的根源就是教育，長期存在的文理分科的教育模式使得學(xué)生不僅匱乏另一極的具體知識，更重要的是沒有另一極的素養(yǎng)和精神層面的滋養(yǎng)。

針對此種情況，我們有必要在中學(xué)物理教科書中創(chuàng)設(shè)物理與人文相互融合的通道，介紹物理學(xué)對人類文化和文明的貢獻(xiàn)，彰顯物理人文之美， 從而實現(xiàn)人文素養(yǎng)的滲透，以期彌合學(xué)生心中“科學(xué)與人文之間的鴻溝”。

教科版初中《物理》非常重視科學(xué)教育與人文教育的結(jié)合，比如，在“改變世界的熱機”“電磁相互作用及應(yīng)用”“電磁波與信息技術(shù)”三章中介紹了物理學(xué)對以蒸汽機、電力、信息技術(shù)等為代表的三次工業(yè)革命的貢獻(xiàn)，讓學(xué)生了解物理學(xué)對人類文明和社會發(fā)展的推動作用；在“聲與現(xiàn)代科技”一節(jié)中，詳細(xì)介紹了超聲、次聲和聲識別技術(shù)的特點及應(yīng)用，在課后的“發(fā)展空間”中介紹了我國古代勞動人民利用聲學(xué)原理建造的天壇回音壁和鶯鶯塔；“改變世界的機械”一節(jié)描繪了一幅“世界處處皆機械”的場景，課后插圖《巧妙的自動機構(gòu)》非常童趣地表現(xiàn)了機械給生活帶來的方便；在九年級下冊的最后一章“物理學(xué)的發(fā)展與能源技術(shù)創(chuàng)新”中，給學(xué)生介紹了新能源的發(fā)展趨勢和可持續(xù)發(fā)展的理念。

綜上所述，中學(xué)美育必須堅持在學(xué)科教育中滲透的途徑，注重學(xué)生的體驗，避免美育的知識化傾向。我們應(yīng)充分發(fā)揮物理教科書的美育功能，讓學(xué)生充分感受物理美的各種形式，逐漸形成一定的鑒賞美、發(fā)現(xiàn)美和創(chuàng)造美的能力，最終能以審美的態(tài)度去對待人生、社會、自然和他人。

（作者單位系教育科學(xué)出版社）