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中学物理教学中的美学教育的探讨

生活中并不缺少美,而是缺少美的发现,物理教学也是如此。物理学中美的例证比比皆是,但物理学本身不是美学,能否把摆在我们面前的物理教材从僵硬的铅字变成闪烁着美的光彩的画册,从抽象的概念、公式变成动人的诗篇,关键要靠教师从教学内容中发掘出物理科学美,并通过美的设计,在课堂教学中充分展示出物理学科的美学特征和美的意境,使学生潜移默化地受到美的熏陶和美的培养。


  一、展现物理学发展过程中的探索美。
  在物理学的发展过程中,物理学家在探索物理学规律的艰辛旅程中,一方面总是伴随着对美的热烈追求,另一方面又强烈地表现出他们精神上的种种美德。如哥白尼与托勒密地心说的决裂,就是有其执著追求美的因素,他深信完美的理论在数学上应该是和谐与简单的。托勒密为了解释天文观测的结果,引入了许多均轮本轮,使得天文理论既复杂又失洽。因此,在极端困难的条件下,哥白尼苦心孤诣,研究了三十多年,终于建立了不朽的日心说。后来,开普勒深切地感受到日心说的美,毅然地抛弃了从他的老师第谷那儿接受的地心说观点。他说:我从灵魂的最深处证明它是真实的,我以难以想象的心情去欣赏它的美。


  爱因斯坦所建立的广义相对论,被朗道和玻恩称赞为可能是一切物理理论中最美的一个,是一种伟大的艺术作品。爱因斯坦本人也把科学研究中的审美感受称之为思想领域最高的音乐神韵一种壮丽的感觉。这些事实告诉我们,审美活动与物理学研究并不是不相关的,克服物理原理中某些美学因素上的不洽,往往会导致物理学新规律的发现。究其原因,就是因为在客观世界中,真与美是统一的,它们是同一事物的两个方面,对真理的追求必然伴随着对美的追求。


  以上这些都是宝贵的精神财富,是审美教育中珍贵的美学因素,物理学家对美的执著追求和他们的人生美德,启迪学生的智慧,引发学习的兴趣,激励成功的意志,养成献身科学的良好品德。


  二、挖掘物理学中蕴含着的美的本质
  美的本质乃是规律性与目的性的统一。对物理学中科学美的认识就是对物理理论深层次的认识,是从整体上的一种把握。物理学中的美学因素渗透于其理论体系的构思和表达中。物理概念和物理规律不但赐给人以严密、协调的逻辑美,而且有如诗一般的简单、对称、和谐的形象美。


  1.简单美
  在千姿百态的物理世界里,尽管各种现象千差万别,但在本质上都可归结为若干基本的物理规律,这就使物理理论体系上呈现出高度的简单美。例如:运动和力的关系,曾经困惑人类几千年,但一旦揭开其面纱,呈现出的关系“F=ma”却如此简明;爱因斯坦的质能方程Emc2,形式十分简单,内容却极其丰富———用最精炼的语言、最少的符号,揭示了奥妙无比的自然规律,所表现的简洁美令人叹为观止;麦克斯韦方程组把复杂的电磁规律建成一个简单对称的理论体系,被誉为自然界最优美的诗。被物理学家们争执了一百多年的,却仅以十个字做了结论:大量分子的无规则运动。仅仅十个字,真是简单科学!


  物理学的简单美还表现在物理概念和规律的表达方面,如力的概念、法拉第电磁感应定律等在表述上的简单和精炼令人惊叹。物理学中的理想模型更具有简单美的特征。就如质点、单摆、理想气体、电磁场等,这些犹如一幅幅生动形象的简笔画,把物体的特征和个性勾画得淋漓尽致,既简单又合理,既抽象又形象。


  2.对称美
  对称美是指整体各部分之间的相称或对应,如空间上的和谐布局,时间上的节律协和。对称之所以让人产生美感,是因为对称中存在着某种重复均衡有序的东西。物理学揭示了自然界物质的存在、构成、运动及其转化等规律的对称性而产生的美感,称为物理学的对称美。


  人类传统美学中的对称仅指人们感性意识中的三维空间的对称,而物理学中的对称美既有物理现象的对称美,比如引力与斥力,电生磁磁生电,粒子与反粒子,物质与反物质等等;但更重要的是包含各种数学空间的对称美,那是一种理性范畴的对称。一位德国女数学家诺特发现了诺特定理,她证明了对称操作与守恒定律的联系:每一种对称性均对应于一个物理量的守恒定律,反之亦然。例如空间平移对称对应于动量守恒定律,时间平移对称对应于能量守恒定律,旋转对称对应于角动量守恒定律……


  有的对称性如旋转对称(各向同性),虽然不直接显现,却更受到物理学家的推崇。例如,在18世纪后期已经知道电荷守恒了,后来人们开始寻求与之相应的对称性,终于在20世纪中期找到了这种重要的对称性——“规范对称性。现在物理学家知道,规范对称原理决定着电子和光子的作用方式,因而从一定程度上讲,决定了自然界的面貌。


  3.和谐美
  和谐美是指事物和现象的各种因素、各个部分、各个方面的协调有序、匀称流畅,是具有多样化的特殊统一美。千姿百态的物理世界中,反映物理事物的特性及规律的物理知识构成了既千变万化又和谐统一的完美图景。如磁通量把本来并不存在的抽象物理模型——磁感线与描述客观存在的磁场强弱的物理量——磁感应强度有机地联系起来,这就充分体现了和谐美的主要特征:协调有序和多样统一。又如热学中理想气体的状态方程把玻意耳定律、查理定律和盖?吕萨克定律在理想条件下统一了起来,这又是和谐美的匀称流畅、多样统一。


  大凡科学理论和科学规律都具有和谐美,这是因为理论和规律都具有内在的结构和谐与外在的功能和谐的两方面的统一,这种和谐与统一就是科学美的重要组成部分。教学中通过对类似模型与规律的分析,可以促使学生从理性上感悟出物理中的科学美。


  惊人的简洁、神秘的对称、美妙的和谐等美学特征在物理学中随处可见,美不胜收。作为教师应让这些光辉灿烂的物理学之美从史学家的殿堂之中走出来,让它的光辉普照学生们求美若渴的心田。


  三、培养学生的审美能力,引导他们自觉地追求科学美
  爱美之心,人皆有之,何况正值人生美妙年华的青少年学生。然而物理科学美往往不能仅靠肉眼去观察,更要靠心智去体验。因此,我们教师应注重在物理教学中进行审美创造,培养学生的审美能力。


  对物理形式美的形成来说,美育恰好是一个逆过程,需要教师根据教材中物理知识的既定形式正确、形象地再现存在于它们中的简单、对称与和谐,并通过恰当的方法让学生有明晰的感受,并通过以美启真、以美至真的实例将物理学中的美较细致地落实到物理知识之中。


  当然,美的艺术还需学生的默契配合,才能产生艺术的魅力。教师在展示科学美的同时要注意培养学生对科学美的审美能力。丰富的想象力是鉴赏美和创造美的必要条件,教师在教学中应运用精湛的语言、直观性和启发性的形象比喻,来激发学生的想象力。如讲习题和练习时,要让学生想象实际的物理图景,讲抽象的知识时要运用具体形象的比喻。如正电荷的电场线就像光芒四射的太阳;卢瑟福原子模型犹如太阳系。这些既能使学生在想象和联想中获得美的享受,又能培养和发展学生的鉴赏和创造美的能力。


  同时美育是一种情感教育,教师应在教学中采取一定措施,创设一定环境使学生产生美的需要并给其一定程度的体验。学生作为教学的主体,让其积极投身到审美创造活动中,去体验和感受物理学中的美,这是培养学生审美的根本途径。它带给学生不只是视觉或听觉上美的感受,更多的是一种震撼人心的愉悦和力量。促使他们自觉地追求美,当学生投入其中时才会感受到这种美的力量。比如:在探索性实验中,不是引导学生按照教师指定的捷径去发现规律,而是让学生自己根据实验要求,大胆创新设计出个性化实验方案并完成实验任务。只要教师善于启发引导,促进学生不懈努力,总会使学生看到自己的潜力和知识的力量,从而获得成就感,逐渐产生美的意识和审美情绪。


  总之,在我们物理教学的方方面面中充满了美学因素,教学中应充分挖掘美的因素,通过美的典型和美的境界的陶冶作用和诱导力量去美化学生心灵,像蒙蒙春雨悄悄地给予,静静地注入。这样展现在学生面前的将不再是死气沉沉的公式和呆板的事实,而是一串串闪光的珍珠,使学习和探索物理成为学生追求科学和人生意义的自觉行动。以追求美而探索,在探索中创新。

 
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