论中学物理教学中的美学教育

论中学物理教学中的美学教育作者：刘晶珊文章来源：本站点击数：125更新时间：09/10/2008物理是研究自然界中物体运动变化规律的一门科学，是自然科学的一个重要组成部分，那么物理中蕴涵着美也是必然的。物理中的美是科学美的一部分，而科学美又不同于艺术美那么直观，不易为人们所理解，为揭示中学物理中的科学美，本文就根据科学美的一般范畴和领悟方法，做一抛砖引玉的浅论，主题是中学物理中的科学美及其在教育中的作用。1、简洁美与深刻美简洁美是以简单、洁净呈现其美感，简洁美是科学美的特征之一。著名物理学家爱因斯坦曾指出：“自然规律的简单性也是一种客观事实，而且正确的概念体系必须使这种简单性在主观方面和客观方面保持平衡。”所以，作为反映物体运动变化规律的物理来说，那种最简洁的物理理论最能给人以美的享受，物理美的简洁性并不是指物理内容本身简单，而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁。物理概念和规律能客观地反映物质世界的属性及其运动变化规律，所以物理本身的内涵又具有深刻性。例如，爱因斯坦的质能方程E=mc2，其反映的质量与能量之间的联系及其数学表达式简洁无比，但却成了指导了人们进一步对核反应规律的认识和从核反应中去获得巨大能量的基础理论，从这点讲又是深刻的。在教学中，通过从核反应中原子核质量的变化并伴随释放或吸收巨大的能量，而原子核质量的变化与释放或吸收能量之间的关系却由E=mc2这样简洁的关系式所描述，可使学生感悟到物理关系式的简洁美，再从正负电子相遇“湮灭”成光子，而光子即为能量，又能使学生体会到E=mc2的深刻性和它描述的广泛性。同时还可以讲述由美籍华人科学家，诺贝尔奖获得者丁肇中参与研制的“阿尔法磁谱仪”搭乘美国“发现”号航天飞机进入了宇宙空间，进行探寻反物质的意义，按照相对论的观点，科学家认为，在我们生活的物质世界中，可能还存在有物质世界的孪生兄弟——反物质，正电子就是负电子的反电子，同样也有负原子核为正原子核的反原子核，由负原子核和正电子就构成了反物质的原子，正反两种物质相遇“湮灭”能放出巨大的能量，湮灭的质量与产生的能量间关系也为E=mc2，这样的介绍可以使学生很好的理解科学美在理性与时间上的含义，可以使学生从科学美中简洁美和深刻美中进一步理解物理概念和规律，同时通过科学的审美观念也激发了学生学习物理的兴趣和积极性。2、统一美与奇异美大自然中的物体运动变化和现象是千姿百态，千变万化的，每一物体都有区别其它物体的特殊性，物理所研究的就是从这些不同事物运动变化的多样性中找出它们的内在联系和共性，通过这种联系和共性来构成一个统一的理论体系，这样就形成了既千变万化又和谐统一的结构美，这也是科学美中的多样性统一美。统一美是物理结构美的重要标志，在物理中一些表面看来不相同的概念、定理、定律，在一定的条件下可以处于一个统一的系统中，中学物理中这种多样性统一美的例子是很多的，例如，描述宏观物体机械运动的概念、定理、定律是各种各样的，表面并不相关，牛顿力学却能把地上的和天上的所有物体的机械运动的规律统一起来；麦克斯韦的电磁理论，又把表象完全不同的电、磁、光的运动统一了起来，所以牛顿力学理论和麦克斯韦的电磁理论都具有统一美。统一美是物理研究与发现过程中所追求的，也是中学物理教学与学习的科学方向，在组织教学和指导学生学习时，通过研究系统的共性，把共性归纳成为简洁而深刻的统一形式，并启发学生去品味其中的美感，以培养学生的科学的审美观念。自然界中的物体都有区别于其它物体的个性，这种个性往往闪烁着超群脱俗、不同凡响的奇异美，正如培根所说：“没有一个极美的东西不是在调和中有某种奇特！”科学的奇异美表现在两个方面，一是概念或结论的不同凡响、惊人骇世；二是其表达的神奇奥妙、令人折服，例如，E=mc2告诉我们每单位物质都具有惊人的能量，而原子弹、氢弹则能释放出这种惊天地泣鬼神的能量，E=mc2所表达的内涵就是如此的深刻，而形式又是这样的简洁，确给人以一种惊人骇世之感，这就是一种奇异美。统一美是共性之美，奇异美是个性之美，这两种美交相互应，构成了整个物理体系的科学美。在物理教学中，抓住物体了运动变化的某些个性，往往可以得到闪烁着奇异光彩的结论或方法。例如有这样一道高考题：一个质量为m，带有电荷-q的小物体，可在水平轨道Ox运动，O端有一与轨道垂直的固定墙，轨道处于匀强电场中，场强大小为E，方向沿Ox是正方向，如图所示，小物体以初速度v0从x0点沿Ox轨道运动，运动时受到大小不变的摩擦力f作用，f＜Eq；设小物体与墙碰撞时不损失机械能，且电量保持不变，求停止运动前所通过的总路程s。此题若根据小物体每次与墙相碰后往返的路程来解，则面对的是一个等比数列的求和问题，虽然数列形式也是美的，但解法复杂；若注意摩擦力作功与路程无关，在有动能定理列出一个式子即可求出s，比较两种解法，学生无不为第二种解法的简洁脱俗表现出惊异与赞赏，学生很自然的就能从这个解答中领悟出奇异美，同时也体验到简洁美。学生通过这类问题的讨论，都能从愉悦中体会到鉴赏出科学中的奇异美，由此也就在深化审美观念的同时培养了学生研究物理问题的兴趣。[1][2][3]下一页3、模型美与和谐美一般地说，美至少有两个各具特征的层次，一个是事物外在的感性形态美；另一个则是内在的和谐理性之美。物理源于客观实体，物理是通过建立抽象的、另乡的模型来作为构造理论体系的基础，这些模型和理论分别具有模型美和和谐美。例如物理中的电场线和磁感线是一类抽象模型，它们都是为形象描述客观实体电场和磁场性质所画出的具有一定规律并且颇具美感的线条，这些线条以美的形态把抽象的常变为能够为视觉感受到的模型，模型在体现模型美的同时也体现了电场和磁场的抽象美。物理中抽象模型是美的，光滑平面、理想气体等理想模型也是美的，实验中的仪器、一些实体模型也都以其优美的造型，庄重的给人以美感。和谐美是理性地研究自然的基本思路，自然界存在的和谐性是很多科学家固定的思想方式和研究方法，并成为一种信念和追求。和谐美是指事物和现象的各种要素、各个部分、各个方面的协调有序、匀称流畅，就具有多样化的特殊统一美。例如，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——磁感应强度有机的联系了起来，这就充分体现了和谐美的主要特征：协调有序和多样统一。再例如，中学物理中理想气体的状态方程，就把玻意儿定律、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个方面的统一，这种和谐与统一就是科学美的重要组成部分。教学中通过对类似上述模型与规律的分析，可以促使学生从理性上感悟出物理中的科学美，由此也就可以在学习物理的过程中发现更多的物理美，这对学习物理方法的优化无疑是十分重要的。4、状态美与过程美这是从定态与动态的审美角度来理解科学规律所体现的美感，所谓定态是指物体运动变化过程中的固定的或稳定状态。由于物体运动变化的某一瞬间也都具有确定的物理量值，所以这个瞬间状态也是一种定态，是一种瞬间定态，而过程则是这些瞬间定态的连续无缝集合。物体的运动变化往往是连续的，用牛顿定律及运动学规律可以求出某一瞬间的有关物理量，这些瞬间的量就构成了问题过程的细节，所构造出的物理情景以其连续和谐呈现出和谐美。状态美则体现对定态量的定义和数量上的把握，动能、势能、定量等都是定态量，无论动量守恒，还是机械能守恒都体现了状态量对定态变化前后的一致和谐性，使物理的状态情景具有美感，过程美与状态美同认识物体运动变化的动态和定态的方法相对应，二者是学习与研究物理科学的互补的认识途径，学习物理即要善于从状态、固定上去把握运动变化的规律，从定态和动态中去理解、去体验物理情景的状态美与过程美，通过美化物理情景来达到活化物理情景，从而能使学习对物理的理解从科学美上得到形象化的拓宽和加深。上一页[1][2][3]下一页5、结构美与对称美物理概念和规律是从本质与现象、内容有形式的角度来揭示自然规律的。本质可以理性地说明现象，形式的结构可以表达出本质内容的深刻内涵和广阔外延。例如，密度的定义式电阻的定义式电场强度的定义式等，都以其简单相同的比的结构来定义具有深刻内涵和广阔外延的不同物理概念，这种比是本质属性与形式结构的和谐，这种和谐就显示出它们的结构美。结构美通常都具有简单和谐性、对称相似性和深刻普适性，由此再看上述几个定义式，其结构美的特征就一览无遗了。科学美中的对称美来源于自然界物质形态美及其运动图景所具有的广泛对称美，借助于建筑美学很容易理解对称美概念，一些建筑物外表的对称显示出一种空间方位上对称的美感，我国古建筑如天安门、天坛、故宫等就呈现出庄严稳重的对称美。物理学家劳厄曾把物理公式上极端精练和庄严稳重的对称结构称之为“美学上真正完美的对称形式”。十分强调审美意识的物理学家狄拉克正是由对称美出发，依据我们所处的物质世界，提出了反物质的概念，可见审美意识也是物理发现和创造的基础。同样在学习物理中的审美意识有助于强化对物理概念和规律的理解，如机械能守恒定律的表达式与磁场、波粒二象性、负电子与正电子也都具有内涵与外延的对称美。在教学中指导学生从规律结构的对称性来认识自然中的守恒规律，并启发学生感悟出对称是一种美的结构，从中进行审美意识的培养。从对称美的角度去理解物理和掌握这些规律，会使学生对貌似枯燥的理论产生愉悦感，由此既可提高对学习物理的兴趣。物理学本身是一个美的世界，蕴涵着丰富的科学美，不管是哪一个概念、哪一个规律，都同时具有多种形式的科学美，如牛顿第二定律F=ma，它就具有结构简洁美、内涵深刻美、描述运动状态美和过程美、宏观物体运动普适统一美等。马克思曾指出过：“人类是按美的规律去改造世界的。”这就是说，美不仅是人类所应追求的目标之一，而且还要按照美的规律去认识世界、改造世界，那么物理，作为自然科学的一门主课，在中学物理教学中，就应更多地追求在教学中的科学美，把指导学生从科学美的方面去认识物理、学习物理来作为物理教学中的一个重要内容。认识与发掘物理中的科学美，从科学美的角度去认识物理、研究物理，一定可以使学生对物理的理解在科学审美中得到飞跃和升华。