论物理教学中的美感教育

1、论物理教学中的美感教育祁东一中 徐凡奇物理学是一门弃满美的科学, 而物理学家在物理科学的探索和追求中, 更是表现出美的品质,美的精神。法国数学家彭加勒曾说: 科学家研究自然, 除因为这样做有好处, 还因为从中能得到乐趣, 而他所以能从中得到乐趣, 那是因为它美。科学美是理性的、内涵的美, 是内容的真与形式的美的结合, 其美感以科学知识为基础。科学美的特征突出表现为: 和谐美、简洁美和奇异美。这在物理教学中处处可见: 物理规律的和谐统一,公式的简洁对称, 物理模型美的形式, 实验的巧妙精湛, 物理学家的品德美等, 这些都能使学生产生美感。正是这些美感, 一方面促进学生对知识的理解和掌握, 另一方

2、面启发了学生的创造性学习。1 和谐美大自然是有序而和谐的, 反映大自然规律的物理科学也是和谐的。物质世界的和谐性是由物质世界的统一性决定的, 主要表现在数学形式上的统一; 物理概念上的统一, 物理本质上的统一。人们在牛顿的统一天地间所有运动的万有引力定律中, 在焦耳、迈耳对热与功的统一中, 在法拉第、麦克斯韦对电与磁的统一中, 在爱因斯坦用E=mc2 所表示的质量和能量的统一中, 在广义相对论的引力、空间、物质的统一中, 在最小作用量原理将物理定律总结为高度统一的形式中都会得到一种统一的美感。爱因斯坦的后四十年曾致力于统一场论的研究, 那是因为他有一个坚定的信念一旦找到统一场的场方程, 那该是

3、最美的了 。统一性在基本粒子之间相互作用力的研究中表现的尤其充分。基本粒子间存在着四种相互作用, 正是这些相互作用, 导致了粒子的产生、湮灭和相互转化。现在研究已经表明, 所有的相互作用都具有相同的机制, 它们都是由中间媒介粒子引起的, 不过各种相互作用的媒介粒子不相同。这说明四种相互作用很可能存在着一定程度的统一性。如图1 给出宇宙间的四种相互作用力及统一理论的发展。在物理教学中, 教师向学生描绘的物理世界图象应是有联系的、有秩序的和有规律的, 即自然界是幅完美的图画, 但描绘这图画的不是色彩和线条, 而是概念、定理、定律和公式。如力学部分,从公式F = m a , 可以推导出动量定理，动能

4、定理，无论是摩擦力、弹性力或场力, 无论是巨大的天体或微小的颗粒,都可以纳入牛顿定律的范畴, 都遵从统一的运动规律。从F = ma 可以看到: 力是产生加速度的原因, 且力和加速度都具有矢量性、瞬时性和相对性, 而加速度又是速度的变化率, 速度与位移又有着密切的联系, 于是运动学的知识便一目了然。由此体会到F = m a 所具有的完美性。和谐美的另一种表现形式是对称性。物理学中许多定理定律, 特别是守恒定律, 基本上都是对称的, 空间和时间上的镜对称、轴对称、点对称, 不仅在物理理论的表现形式上给人以美感, 而且在发现新规律、寻找新物质方面也是非常有用的。例如狄拉克运用对称性预言了正电子的存在

5、, 海森堡提出了测不准关系, 德布罗依提出物质波假说。又如, 麦克斯韦根据电磁学实验研究结果, 写出了电磁场理论方程, , 这两个等式的右边相互不对称, 他从美学的角度出发, 把第二式改写, 后来得到了实验的证实, 从而使电磁场理论更加完美。在物理教学中, 引导学生善于发现物理概念、物理定理和定律的对称性, 找出它们之间美的联系, 运用类比的方法, 顺利地实现知识的迁移。如:质点力学与刚体力学; 线量与角量; 力学与电学;电场与磁场等。尤其在复习阶段, 让学生自己总结形成知识结构, 用对称齐整的图表展现出来, 如图2 所示, 然后体会各部分知识的内在联系, 必能深化对物理中科学美的感受, 使学

6、生头脑中原来那些孤立的、零散的知识形成相互作用的系统知识,形成完美的知识网络结构。2 简洁美简洁是科学理论体系的重要标志, 在纷乱繁杂的自然表象中, 概括出简洁明了的规律, 就是一种科学美。物理学中的定理、定律和公式就是这种美的表现形态。如最小光程差原理, 最小熵产生原理, 最小作用量原理等, 都是简单性原则的体现。又如, 牛顿把天上、地上物体的各种形态的机械运动, 概括在一个简单的方程，从大量十分凌乱的观测资料中发现了行星运动三定律的数学公式: T2 = D3 , 被称为奇妙的2 与 3 。爱因斯坦认为, 物理之美的本质就是简单性, 要从尽可能少的假说和公理出发, 通过逻辑的演绎, 概括尽可

7、能多的经验事实。 他的质能关系式E= mc2、麦克斯韦方程组、牛顿的万有引力定律等, 都是用极其简单的形式, 表达了蕴涵着丰富内容的、复杂的自然规律。简洁也是物理教学中必须遵从的一条美的规律, 它也意味着对问题认识的深刻性, 当然这是在对教材的深刻理解和教学内容熟练掌握的基础上提炼和加工的结果。如根据简洁性原则, 让学生去总结所学知识, 对知识进行比较和分类, 理清由内在联系形成的知识的有序结构, 总结归纳解题的思路和方法, 形成方法体系, 将有利于学生从整体上把握知识, 抓住重点和难点, 达到对知识的精化和深化。3 奇异美奇异与和谐是对立的统一, 按辩证法的观点,真正的和谐是有奇异的, 真正

8、的奇异是有和谐的。培根说过: 没有一个极美的东西不是在匀称中有着奇异 。在物理学中处处体现着奇异之美, 在奇异的背后, 往往蕴藏着新的物理学或物理理论方法。如黑体辐射中由经典物理导致的紫外发散,总辐射能为无穷大! 它显示了经典物理在微观世界的局限性, 由此导致了量子物理的诞生。在光学中, 从惠更斯的光波动说, 到牛顿的光微粒说,直到1865 年麦克斯韦指出光是一种电磁波, 处处表现出奇异。又如狭义相对论有奇异, 它把一直被认为完全无关的时间与空间、物质与运动等概念联系起来了, 高速运动中的物体长度变短, 而时间变长。广义相对论也有奇异, 人们一直认为光线是直进的, 但现在光线在引力场中居然弯曲

9、了,而四维空间更是用常识所无法理解的。出人意料的自然现象常常给人一种美的冲动, 表现出奇异之美。在物理教学中, 所涉及的物理知识都是被科学家验证过的, 是经过实践检验的。教师要在学生认为平淡无奇的物理现象中提出奇异的问题,以使学生产生惊奇感, 激起其强烈的探索欲望。如同一物理问题的解决, 可以根据不同的原理, 即使根据同一理论, 也可以用不同的方法。如用同一规律来解题可以用分析法, 也可以用综合法。当学生用多种思路完成一题多解时, 对殊途同归的巧妙方法会产生奇异之美感。在物理教学中, 应该引导学生去认识物理学统一、和谐和奇异的科学美, 让学生感到物理现象、物理实验、物理理论的美, 提高学生科学美的感受能力、鉴赏能力和创造能