論物理教學中的美感教育

1、論物理教學中的美感教育祁東一中 徐凡奇物理學是一門棄滿美的科學, 而物理學家在物理科學的探索和追求中, 更是表現(xiàn)出美的品質,美的精神。法國數(shù)學家彭加勒曾說: 科學家研究自然, 除因為這樣做有好處, 還因為從中能得到樂趣, 而他所以能從中得到樂趣, 那是因為它美。科學美是理性的、內涵的美, 是內容的真與形式的美的結合, 其美感以科學知識為基礎?？茖W美的特征突出表現(xiàn)為: 和諧美、簡潔美和奇異美。這在物理教學中處處可見: 物理規(guī)律的和諧統(tǒng)一,公式的簡潔對稱, 物理模型美的形式, 實驗的巧妙精湛, 物理學家的品德美等, 這些都能使學生產生美感。正是這些美感, 一方面促進學生對知識的理解和掌握, 另一方

2、面啟發(fā)了學生的創(chuàng)造性學習。1 和諧美大自然是有序而和諧的, 反映大自然規(guī)律的物理科學也是和諧的。物質世界的和諧性是由物質世界的統(tǒng)一性決定的, 主要表現(xiàn)在數(shù)學形式上的統(tǒng)一; 物理概念上的統(tǒng)一, 物理本質上的統(tǒng)一。人們在牛頓的統(tǒng)一天地間所有運動的萬有引力定律中, 在焦耳、邁耳對熱與功的統(tǒng)一中, 在法拉第、麥克斯韋對電與磁的統(tǒng)一中, 在愛因斯坦用E=mc2 所表示的質量和能量的統(tǒng)一中, 在廣義相對論的引力、空間、物質的統(tǒng)一中, 在最小作用量原理將物理定律總結為高度統(tǒng)一的形式中都會得到一種統(tǒng)一的美感。愛因斯坦的后四十年曾致力于統(tǒng)一場論的研究, 那是因為他有一個堅定的信念一旦找到統(tǒng)一場的場方程, 那該是

3、最美的了 。統(tǒng)一性在基本粒子之間相互作用力的研究中表現(xiàn)的尤其充分?；玖Ｗ娱g存在著四種相互作用, 正是這些相互作用, 導致了粒子的產生、湮滅和相互轉化?，F(xiàn)在研究已經表明, 所有的相互作用都具有相同的機制, 它們都是由中間媒介粒子引起的, 不過各種相互作用的媒介粒子不相同。這說明四種相互作用很可能存在著一定程度的統(tǒng)一性。如圖1 給出宇宙間的四種相互作用力及統(tǒng)一理論的發(fā)展。在物理教學中, 教師向學生描繪的物理世界圖象應是有聯(lián)系的、有秩序的和有規(guī)律的, 即自然界是幅完美的圖畫, 但描繪這圖畫的不是色彩和線條, 而是概念、定理、定律和公式。如力學部分,從公式F = m a , 可以推導出動量定理，動能

4、定理，無論是摩擦力、彈性力或場力, 無論是巨大的天體或微小的顆粒,都可以納入牛頓定律的范疇, 都遵從統(tǒng)一的運動規(guī)律。從F = ma 可以看到: 力是產生加速度的原因, 且力和加速度都具有矢量性、瞬時性和相對性, 而加速度又是速度的變化率, 速度與位移又有著密切的聯(lián)系, 于是運動學的知識便一目了然。由此體會到F = m a 所具有的完美性。和諧美的另一種表現(xiàn)形式是對稱性。物理學中許多定理定律, 特別是守恒定律, 基本上都是對稱的, 空間和時間上的鏡對稱、軸對稱、點對稱, 不僅在物理理論的表現(xiàn)形式上給人以美感, 而且在發(fā)現(xiàn)新規(guī)律、尋找新物質方面也是非常有用的。例如狄拉克運用對稱性預言了正電子的存在

5、, 海森堡提出了測不準關系, 德布羅依提出物質波假說。又如, 麥克斯韋根據(jù)電磁學實驗研究結果, 寫出了電磁場理論方程, , 這兩個等式的右邊相互不對稱, 他從美學的角度出發(fā), 把第二式改寫, 后來得到了實驗的證實, 從而使電磁場理論更加完美。在物理教學中, 引導學生善于發(fā)現(xiàn)物理概念、物理定理和定律的對稱性, 找出它們之間美的聯(lián)系, 運用類比的方法, 順利地實現(xiàn)知識的遷移。如:質點力學與剛體力學; 線量與角量; 力學與電學;電場與磁場等。尤其在復習階段, 讓學生自己總結形成知識結構, 用對稱齊整的圖表展現(xiàn)出來, 如圖2 所示, 然后體會各部分知識的內在聯(lián)系, 必能深化對物理中科學美的感受, 使學

6、生頭腦中原來那些孤立的、零散的知識形成相互作用的系統(tǒng)知識,形成完美的知識網絡結構。2 簡潔美簡潔是科學理論體系的重要標志, 在紛亂繁雜的自然表象中, 概括出簡潔明了的規(guī)律, 就是一種科學美。物理學中的定理、定律和公式就是這種美的表現(xiàn)形態(tài)。如最小光程差原理, 最小熵產生原理, 最小作用量原理等, 都是簡單性原則的體現(xiàn)。又如, 牛頓把天上、地上物體的各種形態(tài)的機械運動, 概括在一個簡單的方程，從大量十分凌亂的觀測資料中發(fā)現(xiàn)了行星運動三定律的數(shù)學公式: T2 = D3 , 被稱為奇妙的2 與 3 。愛因斯坦認為, 物理之美的本質就是簡單性, 要從盡可能少的假說和公理出發(fā), 通過邏輯的演繹, 概括盡可

7、能多的經驗事實。 他的質能關系式E= mc2、麥克斯韋方程組、牛頓的萬有引力定律等, 都是用極其簡單的形式, 表達了蘊涵著豐富內容的、復雜的自然規(guī)律。簡潔也是物理教學中必須遵從的一條美的規(guī)律, 它也意味著對問題認識的深刻性, 當然這是在對教材的深刻理解和教學內容熟練掌握的基礎上提煉和加工的結果。如根據(jù)簡潔性原則, 讓學生去總結所學知識, 對知識進行比較和分類, 理清由內在聯(lián)系形成的知識的有序結構, 總結歸納解題的思路和方法, 形成方法體系, 將有利于學生從整體上把握知識, 抓住重點和難點, 達到對知識的精化和深化。3 奇異美奇異與和諧是對立的統(tǒng)一, 按辯證法的觀點,真正的和諧是有奇異的, 真正

8、的奇異是有和諧的。培根說過: 沒有一個極美的東西不是在勻稱中有著奇異 。在物理學中處處體現(xiàn)著奇異之美, 在奇異的背后, 往往蘊藏著新的物理學或物理理論方法。如黑體輻射中由經典物理導致的紫外發(fā)散,總輻射能為無窮大! 它顯示了經典物理在微觀世界的局限性, 由此導致了量子物理的誕生。在光學中, 從惠更斯的光波動說, 到牛頓的光微粒說,直到1865 年麥克斯韋指出光是一種電磁波, 處處表現(xiàn)出奇異。又如狹義相對論有奇異, 它把一直被認為完全無關的時間與空間、物質與運動等概念聯(lián)系起來了, 高速運動中的物體長度變短, 而時間變長。廣義相對論也有奇異, 人們一直認為光線是直進的, 但現(xiàn)在光線在引力場中居然彎曲

9、了,而四維空間更是用常識所無法理解的。出人意料的自然現(xiàn)象常常給人一種美的沖動, 表現(xiàn)出奇異之美。在物理教學中, 所涉及的物理知識都是被科學家驗證過的, 是經過實踐檢驗的。教師要在學生認為平淡無奇的物理現(xiàn)象中提出奇異的問題,以使學生產生驚奇感, 激起其強烈的探索欲望。如同一物理問題的解決, 可以根據(jù)不同的原理, 即使根據(jù)同一理論, 也可以用不同的方法。如用同一規(guī)律來解題可以用分析法, 也可以用綜合法。當學生用多種思路完成一題多解時, 對殊途同歸的巧妙方法會產生奇異之美感。在物理教學中, 應該引導學生去認識物理學統(tǒng)一、和諧和奇異的科學美, 讓學生感到物理現(xiàn)象、物理實驗、物理理論的美, 提高學生科學美的感受能力、鑒賞能力和創(chuàng)造能力