在物理教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)科之美

于飛　吉寧虎

物理教師應(yīng)是物理學(xué)科之美的挖掘者、欣賞者、收藏者，如果胸中無(wú)美，那么教學(xué)會(huì)是枯燥的，他只能講出物理的形，而不能講出物理的神。事實(shí)上，整個(gè)物理學(xué)科體系的各部分是互通的、有靈性的，是一個(gè)完整的“生命體”。物理學(xué)科中從不缺少美，而是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛。物理教學(xué)中到處都充滿著美的“金塊”，美的“鉆石”。作為教師，要引領(lǐng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理學(xué)科之美，并以美去引領(lǐng)物理教學(xué)。那么，物理之美，美在何處呢？

一、物理的學(xué)科之美

物理美不僅僅有外顯的形式的美，更有內(nèi)涵的、思想的美，它是反映事物內(nèi)在結(jié)構(gòu)的和諧、秩序的美。它更多的是一種抽象的美，是需要經(jīng)過(guò)大腦的分析歸納形成美的意識(shí)或美的觀點(diǎn)的。物理美是理性的美，是內(nèi)容的真與形式的美相結(jié)合，它需要用數(shù)理語(yǔ)言去感悟和描繪。

（一）新奇美

人類與生俱來(lái)的對(duì)未知世界探求的渴望是這種美感的動(dòng)因。創(chuàng)新、創(chuàng)造、發(fā)現(xiàn)、發(fā)明是物理學(xué)科發(fā)展的主旋律?？茖W(xué)界對(duì)獨(dú)創(chuàng)性的科研成果有著特殊的尊崇，它能給人帶來(lái)強(qiáng)烈的新奇美感，是科學(xué)進(jìn)步的源泉。如當(dāng)我們初次接觸到“時(shí)間和空間的相對(duì)性”“彎曲空間”等全新的概念和相對(duì)論、描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的量子力學(xué)、解釋宇宙起源、宇宙大爆炸理論時(shí)，就會(huì)被這種美感所震撼。

（二）統(tǒng)一美

看似散亂和自由的自然界，其實(shí)有著嚴(yán)格的秩序和規(guī)律，正是這些秩序和規(guī)律保證了自然界的美妙、和諧的發(fā)展進(jìn)化。物理學(xué)科的研究思路是從不同事物運(yùn)動(dòng)變化的多樣性中找出它們的內(nèi)在聯(lián)系和共性，去尋找理論的統(tǒng)一美。

一部物理學(xué)科史，實(shí)際上也就是由分化到統(tǒng)一，再分化，再統(tǒng)一的歷史。因此，追求物理理論的統(tǒng)一性，也就成為了物理科學(xué)大師們堅(jiān)定不移的信念和始終不渝的目標(biāo)。正如愛(ài)因斯坦所說(shuō)：“從各種復(fù)雜的現(xiàn)象和真理中認(rèn)識(shí)到它們的統(tǒng)一性，那是何等壯麗的感覺(jué)?！?/p>

迄今為止，物理學(xué)科已經(jīng)發(fā)生了5次影響深遠(yuǎn)的理論統(tǒng)一：牛頓在他的運(yùn)動(dòng)三定律和開(kāi)普勒三定律的基礎(chǔ)上導(dǎo)出萬(wàn)有引力定律，使人類認(rèn)識(shí)到天體和地上的物體遵循相同的規(guī)律，這是人類對(duì)自然界認(rèn)知的第一次理論大統(tǒng)一。第二次是麥克斯韋用四個(gè)美妙的方程實(shí)現(xiàn)了電和磁的統(tǒng)一，并預(yù)言電磁波的存在。第三次是認(rèn)識(shí)到光的波動(dòng)性，把光統(tǒng)一到電磁波譜中。第四次是人類認(rèn)識(shí)到微觀粒子的波粒二相性，實(shí)現(xiàn)了波和粒子的統(tǒng)一。第五次是愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，它實(shí)現(xiàn)了描述宏觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的經(jīng)典物理學(xué)科與描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子物理學(xué)科的兼容。目前，人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電磁力與弱相互作用力的統(tǒng)一，正朝著三力統(tǒng)一的方向努力，最終試圖實(shí)現(xiàn)愛(ài)因斯坦四力統(tǒng)一的理想。這其中的每一次統(tǒng)一都會(huì)讓人體會(huì)到那種壯麗的統(tǒng)一美。

（三）和諧美

物理學(xué)科的和諧美主要表現(xiàn)為物理理論的內(nèi)容協(xié)調(diào)、規(guī)律自洽和形式勻稱。物理學(xué)科理論的發(fā)展就是沿著不和諧—和諧—不和諧—和諧的方向螺旋上升的。

經(jīng)典物理學(xué)科以哥白尼和伽利略發(fā)現(xiàn)亞里斯多德和托勒密理論諸多不和諧為開(kāi)端，至20世紀(jì)初，開(kāi)爾文在英國(guó)皇家科學(xué)院作新年展望，認(rèn)為科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，和諧的經(jīng)典物理學(xué)理論取得了空前的成功。當(dāng)然，他又說(shuō)道：“在物理學(xué)科晴朗天空的遠(yuǎn)處，有兩朵令人不安的烏云”。其中，一朵與黑體輻射和光電效應(yīng)有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)有關(guān)。這兩朵“烏云”提示了牛頓力學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)理論的不和諧。一年后，從第一朵“烏云”中誕生了量子論，從第二朵“烏云”中誕生了相對(duì)論。描述微觀高速的量子論和相對(duì)論兼容宏觀低速的經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)理論，使整個(gè)物理學(xué)理論又變得和諧了。（如圖1）

（四）簡(jiǎn)單美

這是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理學(xué)科的過(guò)程中最不容易認(rèn)可的一種美。其實(shí)，物理學(xué)家在對(duì)自然執(zhí)著探索的過(guò)程中，越來(lái)越認(rèn)識(shí)到自然是以“美和簡(jiǎn)單”來(lái)構(gòu)造自己的。因此，物理學(xué)科規(guī)律是簡(jiǎn)潔的。

牛頓說(shuō)自然界是簡(jiǎn)單的，這是他推理牛頓三定律的基本理念。因此，每一個(gè)定律都驚人的簡(jiǎn)單。愛(ài)因斯坦也認(rèn)為，簡(jiǎn)單是判定一個(gè)理論是否完善的重要原則，物理學(xué)科美的本質(zhì)是它的簡(jiǎn)單性，著名的狹義相對(duì)論就建立在兩個(gè)簡(jiǎn)單的基本假設(shè)的基礎(chǔ)上。

簡(jiǎn)單性從古到今都是一代代科學(xué)家們的不懈追求。勻變速運(yùn)動(dòng)中位移與時(shí)間的關(guān)系、牛頓第二定律、動(dòng)能定理、動(dòng)量定理等公式都充分顯示了這一特點(diǎn)。質(zhì)能方程： E=mc2，揭示出了物體質(zhì)量與能量之間的聯(lián)系，奠定了核反應(yīng)可以提供巨大能量的理論基礎(chǔ)，而其公式卻驚人的簡(jiǎn)單。

（五）對(duì)稱美

對(duì)稱美是學(xué)生認(rèn)識(shí)自然時(shí)最早能發(fā)現(xiàn)的美之一。對(duì)稱的形式給人們以一種平衡、穩(wěn)定、圓滿和規(guī)律的感覺(jué)。發(fā)現(xiàn)生活和科學(xué)中的對(duì)稱規(guī)律，會(huì)給人們帶來(lái)成就感。物理學(xué)科中對(duì)稱可以分為兩種，形式上的對(duì)稱有點(diǎn)對(duì)稱、軸對(duì)稱、平移對(duì)稱、鏡面對(duì)稱、時(shí)間反演對(duì)稱等;概念中的對(duì)稱有作用力與反作用力、正負(fù)電荷、正負(fù)電子、正負(fù)功，等等。物理規(guī)律的對(duì)稱性引領(lǐng)著科學(xué)家去尋找新的定律。如在奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)后，法拉第根據(jù)對(duì)稱的理念，認(rèn)為磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電流，經(jīng)過(guò)十年的艱苦實(shí)驗(yàn)，他終于證明了變化的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電流，為發(fā)電機(jī)的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)，將人類帶入了電氣時(shí)代。

1918年，德國(guó)女?dāng)?shù)學(xué)家艾米·諾特首先發(fā)現(xiàn)了物理定律對(duì)稱性與物理量守恒定律有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系。如能量守恒對(duì)應(yīng)著某種時(shí)間變換中的不變性;動(dòng)量守恒對(duì)應(yīng)著某種空間變換下的不變性。所謂時(shí)間變換中的不變性，就是選擇不同的時(shí)間原點(diǎn)觀察，規(guī)律不變。諾特定理指出，守恒定律來(lái)源于對(duì)稱，物理規(guī)律的每一種對(duì)稱性通常都對(duì)應(yīng)一種守恒定律，相應(yīng)的，有一個(gè)守恒量，對(duì)稱和守恒有著必然的聯(lián)系。

（六）實(shí)用美

物理學(xué)科的發(fā)展對(duì)人類的發(fā)展有著巨大的推動(dòng)作用。蒸汽機(jī)的廣泛使用開(kāi)啟了第一次工業(yè)革命，被稱為蒸汽時(shí)代。發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的使用則把人類帶入了第二次工業(yè)革命。電氣時(shí)代發(fā)展的兩百年中，其所創(chuàng)造的物質(zhì)財(cái)富是此前人類所創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富的總和。第三次工業(yè)革命是以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的信息控制技術(shù)革命，人類進(jìn)入了信息時(shí)代。目前，以人工智能技術(shù)為代表的第四次工作革命正悄然來(lái)臨。

當(dāng)人類采擷到智慧的果實(shí)，用它來(lái)進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造，并應(yīng)用到生活和生產(chǎn)中取得成功時(shí)，就會(huì)有把握感，這種把握感給人類帶來(lái)了巨大的美的享受。這就是實(shí)用美。

對(duì)學(xué)生而言，當(dāng)利用所學(xué)的物理學(xué)科知識(shí)解決了物理問(wèn)題時(shí)也會(huì)享受到這種實(shí)用美，從而不斷地獲得成就感，這也是學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力的源泉之一。

以上所述的是比較典型的物理學(xué)科之美，物理學(xué)科之美當(dāng)然遠(yuǎn)不止這六種，需要我們?cè)诮虒W(xué)的過(guò)程中睜大能發(fā)現(xiàn)美的眼睛，不斷地去發(fā)現(xiàn)和挖掘新的物理學(xué)科之美。

二、以物理之美引領(lǐng)物理教學(xué)的策略

物理教學(xué)的使命之一就是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)從物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用的繁雜、豐富、精彩的現(xiàn)象中挖掘出統(tǒng)一的、簡(jiǎn)潔的秩序和規(guī)律，逐步形成適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。“沒(méi)有美的教育是不完全的教育，不貫徹美學(xué)的物理教學(xué)也是不完全的教學(xué)”。這當(dāng)然不是要求教師在教學(xué)過(guò)程中單純講美學(xué)，而是要求教師在教學(xué)過(guò)程中創(chuàng)造美的氛圍，引領(lǐng)學(xué)生剖析和領(lǐng)悟物理學(xué)科之美，達(dá)到以美動(dòng)情、以美促思、以美激智的境界。

要提高學(xué)生挖掘物理學(xué)科之美的能力，教師必須具備更深刻的洞察力和挖掘能力。首先，應(yīng)該時(shí)刻保持強(qiáng)烈的感悟和挖掘物理學(xué)科之美的意識(shí)。為此，我們建議增加新的教學(xué)目標(biāo)：審美目標(biāo)。物理學(xué)科之美比比皆是，有必要對(duì)每一節(jié)課內(nèi)容中包含的美進(jìn)行深入地挖掘。

從廣度上來(lái)看，物理學(xué)科的每一個(gè)篇章，從力學(xué)、電學(xué)到熱學(xué)、光學(xué)、原子物理，處處都充滿著物理學(xué)科之美。從深度上來(lái)看，從知識(shí)點(diǎn)到規(guī)律，再到思路和方法，物理學(xué)科之美不斷變得抽象和深?yuàn)W，更加地讓人有研究的興趣。

（一）以物理學(xué)科之美激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣

激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性是教學(xué)成敗的關(guān)鍵。興趣是最好的老師，在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)注意讓學(xué)生感悟到物理現(xiàn)象、物理實(shí)驗(yàn)、物理理論的美，從而激發(fā)和提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，進(jìn)而使學(xué)生進(jìn)入主動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)。而興趣又能使學(xué)生在學(xué)習(xí)中感受到更深層的物理學(xué)科之美，從而形成一種正反饋的循環(huán)機(jī)制，這種學(xué)習(xí)機(jī)制是提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的重要因素。一個(gè)因發(fā)現(xiàn)了物理學(xué)科之美而感動(dòng)的人就會(huì)充滿激情地去學(xué)習(xí)新的物理知識(shí)，就會(huì)有濃厚的興趣去探索新的領(lǐng)域，就會(huì)輕松地取得好的學(xué)習(xí)成績(jī)。

（二）以物理學(xué)科之美激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力

愛(ài)因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“想象力比知識(shí)更重要，它是創(chuàng)造力的源泉?！卞X學(xué)森的世紀(jì)之問(wèn)，直指中國(guó)教育的核心弊端：是僅僅培養(yǎng)學(xué)習(xí)與工作的機(jī)器，還是培養(yǎng)有自己獨(dú)立思想的、自尊的、有想象力和創(chuàng)造力的人，乃至大師？以往的有些教育方式，過(guò)于注重整齊劃一的、嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)教育體系如同一部制作工件的流水線，忽視了對(duì)教育對(duì)象的人文關(guān)懷，只注重“雙基”。這樣的教育方式壓制了學(xué)生想象力和創(chuàng)造力的培養(yǎng)空間。

物理學(xué)科之美能更好地激發(fā)學(xué)生的想象力，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)生和發(fā)展，起到“以美啟真”的作用。

在物理教學(xué)中，真與美是緊密聯(lián)系在一起的，物理規(guī)律的自洽與和諧之美，物理公式的簡(jiǎn)約之美，物理模型的簡(jiǎn)潔之美，物理實(shí)驗(yàn)的巧妙精湛之美，都會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生美感。在充滿美感的心境下，學(xué)生不僅會(huì)對(duì)知識(shí)和技能掌握得更加深刻，也能和諧共振出創(chuàng)新精神，激發(fā)出無(wú)限的想象力和創(chuàng)造力。

如由牛頓運(yùn)動(dòng)定律推導(dǎo)出動(dòng)能定理和動(dòng)量定理進(jìn)而得到機(jī)械能守恒定律和動(dòng)量守恒定律的過(guò)程也存在著令人驚嘆的對(duì)稱。（如圖2）

在高三復(fù)習(xí)課上，引領(lǐng)學(xué)生欣賞這樣的對(duì)稱美，能讓他們產(chǎn)生贊嘆：原來(lái)研究力學(xué)的三大方法有如此美妙的、緊密的聯(lián)系。認(rèn)識(shí)到這個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系的簡(jiǎn)單美，會(huì)增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

（三）以物理學(xué)科之美提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)

物理學(xué)科之美是一種需要提取和加工的抽象的理性美，對(duì)物理學(xué)科之美的感悟和鑒賞是需要訓(xùn)練和培植的。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理理論和進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果覺(jué)得面臨的是一大堆單調(diào)枯燥甚至令人望而生畏的符號(hào)、公式，那么就毫無(wú)美感可言。因此，教師應(yīng)特別注意在課堂上營(yíng)造美的情境。在教學(xué)中，要循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生去領(lǐng)略自然界的美妙，認(rèn)識(shí)物理學(xué)科的精妙，讓學(xué)生的情意場(chǎng)與教師的情意場(chǎng)和諧共振，讓物理之美源源不斷地融進(jìn)學(xué)生的心靈。學(xué)生如果能像物理學(xué)家一樣保持探索科學(xué)的興趣與熱情，在認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中獲得成就感，那么就能樹(shù)立正確的世界觀，養(yǎng)成獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑、尊重事實(shí)、勇于創(chuàng)新的物理學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。

法拉第電磁感應(yīng)定律是這樣表述的：“電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過(guò)這一電路的磁通量的變化率成正比?！边@個(gè)定律說(shuō)得多么簡(jiǎn)潔明了，幾乎一個(gè)字都不能動(dòng)，真是“增之一分則太肥，減之一分則太瘦?！背浞煮w現(xiàn)了簡(jiǎn)潔美。

同樣，牛頓第二定律F合=ma以簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)形式概括了極其深刻而豐富的內(nèi)容，當(dāng)人們的理解愈深刻時(shí)，就愈能感到它的美。當(dāng)學(xué)生初學(xué)F合=ma這個(gè)公式時(shí)，他們的認(rèn)知水平只停留在識(shí)記、理解、應(yīng)用的層次上;當(dāng)他們經(jīng)過(guò)分析、解決各種問(wèn)題的訓(xùn)練，能從世界的統(tǒng)一性來(lái)欣賞這個(gè)公式時(shí)，他們對(duì)這個(gè)公式的認(rèn)識(shí)就深化到了綜合、評(píng)價(jià)、創(chuàng)新的高階水平。

模仿和復(fù)制美的東西也是人的天性，在欣賞和領(lǐng)會(huì)物理學(xué)科之美的過(guò)程中，學(xué)生會(huì)自然地養(yǎng)成簡(jiǎn)潔清晰的思路和良好的審題、做題習(xí)慣。

如我們將解決力學(xué)問(wèn)題的三類方法總結(jié)成如圖3所示的三“劍”：

力學(xué)問(wèn)題無(wú)非有兩類，一是已知受力情況，根據(jù)這三個(gè)規(guī)律去求運(yùn)動(dòng)的量;二是已知運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)這三個(gè)規(guī)律去求力的相關(guān)量。受力分析和運(yùn)動(dòng)分析是力學(xué)思維的兩翼。缺一不可，插上這兩翼，學(xué)生的力學(xué)思維就能“騰飛”。

在具體解題的思路中，我們引領(lǐng)學(xué)生總結(jié)出了如圖4所示的力學(xué)大思路：

前三步要扎扎實(shí)實(shí)地走完，不能憑感覺(jué)，必須落實(shí)到位，否則后面的過(guò)程就成了空中樓閣。選擇研究對(duì)象是最重要、最基本的一步，應(yīng)按照先整體后局部的原則進(jìn)行。受力分析和運(yùn)動(dòng)分析可以交替進(jìn)行，運(yùn)動(dòng)分析決定了對(duì)哪個(gè)過(guò)程用“劍”，而受力分析則決定了第四步選“劍”。

選“劍”的順序應(yīng)是先“動(dòng)量”再“能量”再“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”。具體地說(shuō)，如果系統(tǒng)所受的合外力為零，那么首選考慮用動(dòng)量守恒定律解題。如果只有重力和彈力做功，那么就要用機(jī)械能守恒定律。如果不符合上述條件，那么先考慮動(dòng)能定理，最后才考慮用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解題。有時(shí)一個(gè)過(guò)程只用一把“劍”可能解決不了問(wèn)題，此時(shí)就要“雙劍合壁”，甚至“三劍合壁”。龐大的力學(xué)體系，無(wú)數(shù)的力學(xué)題目，在這樣一個(gè)自然而合理的大思路下被游刃有余地剖析和解決，折射出的是炫目的簡(jiǎn)單美和統(tǒng)一美的理性光輝。

（責(zé)任編輯：楊強(qiáng)）