怎樣讓中學生親近物理之美

劉建榮

(江蘇省如東高級中學,江蘇如東 226400)

1 問題的提出

物理學是一門揭示物質存在與運動規律的自然科學.它科學地揭示了自然規律,同時也展示了自然、人類與科學的藝術魅力.物理中有自然的美,也有科學和藝術的美,愛因斯坦曾經描述說,物理學是至善至美的科學,他還特別把物理的美歸納為“簡單、和諧、完善、統一”.歷史上的科學家更是把自己所發現的科學規律描繪得美不勝收,哥白尼為他的日心說這樣寫道:“所有的這些軌道的中心便是太陽,難道說在如此富麗堂皇的宮殿里,還能找出比這更好的地方來安置這樣一盞美妙的明燈使它能從這兒照亮一切嗎?”玻爾發現電子模型后,愛因斯坦贊嘆道:“這是思想領域中最高的音樂神韻.”“物理學的原理有它的結構,這個結構有它的美和妙的地方,而各個物理學工作者,對于這個結構的不同的美和妙的地方,有不同的感受.因為大家有不同的感受,所以每位工作者就會發展他自己獨特的研究方向和研究方法,也就是說他會形成他自己的風格.”楊振寧如此說.

這些科學家們對物理美妙的理解登上了科學的巔峰,我們作為物理教學工作者也應該讓我們的學生親近物理的美妙,以達到開發學生多元智能的目的,讓學生以一種享受知識的姿態走進科學的殿堂.下面本人就怎樣讓中學生親近物理之美談談自己的認識.

要讓學生親近物理之美.在物理教學中可以從下面幾個方面來滲透物理之美.

2 物理現象之美

物理現象千姿百態、美妙無窮.如星移斗轉、日夜交替、春秋輪回、物態互變等自然規律,因有序而美;光的反射與倒影、折射與海市蜃樓、色散與彩虹、日食和月食、光的衍射和干涉都有奇異的美;電磁現象的認識,原子能的利用,太空遨游,星際旅行都給人以震撼之美.

課堂上通過視頻展示,實驗演示,圖文并茂的講解,讓學生欣賞、震撼,激發學生學習物理的興趣.

3 物理理論之美

3.1 統一美

客觀物質世界盡管豐富多彩,但是其本質上具有統一性.那么描述和揭示客觀世界的物理現象及物理規律的物理學也是具有統一性的,它顯示出一種崇高的美.誠如愛因斯坦所說:“從那些看來直接可見的真理十分不同的各種復雜的現象中認識到它們的統一性,那是一種壯麗的感覺.”因此,追求理論的統一性,也就成為物理學大師們堅定不移的信念和始終不渝的目標.正如物理學上電和磁的統一理論— —麥克斯韋理論.愛因斯坦為電磁作用與弱相互作用的統一耗盡了后半生精力.

在課堂上讓學生了解科學家們的大統一的思想,成為他們將來認識和改造世界的武器.

3.2 簡單美

3.3 和諧美

物理學的和諧性主要表現在其學科自身內容協調和形式勻稱,而且與其他認識體系是相容的、一致的.理論的各個部分以及各種理論之間的和諧、形式的對稱,無疑能給人一種和諧的美感.電磁波與光理論、萬有引力定律與電荷相互作用的庫侖定律這種驚人的相似,能量守恒定律、動量守恒定律、電荷守恒定律、質能方程等反映這種物理的和諧美感.對稱也是和諧的重要組成部分,從空間角度看,原子的核式結構、晶體的空間點陣、磁體的兩極是對稱的;物體的上升下落,圓周運動是對稱的;物體的平衡、彈性形變、簡諧振動具有對稱性;平面鏡成像、光與波的反射、電磁場的力線分布更具有對稱美.從時間角度看,行星的公轉與自轉、理想單擺和簡諧振動、波的傳播都具有時間周期性的對稱美.對稱性的美學意境引起很多科學家的心馳神往,從伽利略時代開始,物理學家就把追求理論上的對稱性作為一種有效的研究手法,并取得了成功.例如法拉第受奧斯特“電生磁”現象的啟發之后發現了“磁生電”的現象,進一步揭示了電磁聯系;后人還發現電場和磁場在規律上有許多驚人的對稱關系.近50年來,粒子物理與場論飛速發展,對稱性的指引在其中起了決定性的作用.在粒子物理中,物理學家根據對稱性預言并發現了正電子.在課堂教學中,一定要應用列表法,比較教學法把相關的知識進行比較對照學習,羅列分類記憶,可以大大提高學生學習的效率,同時進一步讓學生了解到物理和諧美的價值.

3.4 新奇美

“新奇”也是物理美的特點.奇異美表現于物理概念、理論、模型等的新穎與奇特,表現在它們能夠巧妙地解釋物理現象.這新理論往往與我們的常識有多多少少的出入,但我們又會覺得不接受不行.比如說反物質、物質波的概念,正反粒子相撞而湮滅的觀念,運動的時鐘變慢、運動的尺子變短、光線彎曲等理論,大大出乎了人們的意料.這些新穎、奇特、大膽、富有創造性的結論,無不使人們在驚奇之余產生奇異而和諧的美感.物理奇異思維其實就是創新思維,物理學家正是利用了奇異思維,才創立了各種美妙的模型和學說.偉大的愛因斯坦一生中創立了很多新奇的物理理論,其中“相對論”是新奇美的典范,它富有獨創性,開創了物理學的新紀元,成為未來科學發展的理論基礎.除了要讓學生了解科學家們的創造性成就的意義,還要告知學生創新是科學發展的源泉,是人類進步的階梯,在課堂上要鼓勵學生發表自己獨到的見解,鼓勵學生一題多解,乃至于從學生的錯解中發現創新.

3.5 預見美

預見性是科學美的又一重要表現,由于客觀世界發展是有規律可循的,具有一定的必然性,或者說在一定程度上具有客觀的規定性(因果性),所以描述客觀世界發展規律的科學就具有這種特性,這在數學上反映為物理規律滿足一定的數學物理方程以及滿足一定的統計規律,同時事物的規定性又反映了物理內涵與形式的相互聯系、相互統一.如麥克斯韋預言了電磁波的存在,并建立了麥克斯韋電磁場理論.現在的天文學家可以預測日食、月食發生的時間和觀測的地點.課堂上可以讓學生根據所學知識預測實驗結果,比如比較圓錐擺與單擺周期大小,讓學生先通過對圓周運動知識和單擺周期公式的認識計算比較他們周期,再做實驗比較.可以組織學生開展一些與物理知識有關的研究性學習,如“汽車超速的危害”、“日光燈故障分析及排查”、“電飯鍋常見故障排查”等等.讓學生獲得學有所成、學有所用的感覺.

3.6 藝術美

如果說藝術創造美,那么物理也在創造著藝術,它為藝術的創造提供必要的物質基礎和一定的理論依據.各種樂器之所以具有不同的音色和韻律,你是否注意到其中物理學的貢獻,尤其是電子樂器和各種音響設備的出現,更能體現這一點.繪畫藝術中更是離不開物理,國外超現實主義畫家利用物理學中光聲規律創造藝術品;節日的聯歡晚會上,五彩斑爛,變幻莫測場面,更是離不開光;一幅全息圖惟妙惟肖地真實重現了一個立體物體,這些都能給人以“藝術美”的享受,光學現象大都具有這種美感.在物理課堂上應適時向學生介紹聲音和色彩形成的原理,讓學生了解物理學在音樂美術領域的應用及對藝術的推動.

4 物理學家之美

物理理論的科學美具有很高的審美價值,而物理學家的精神美堪稱無價之寶.中學生無論是從哥白尼的故事、愛迪生的發明,或者法拉第的發電機、周光召的原子彈,還是牛頓定律、麥克斯韋方程與愛因斯坦理論都能領略到偉人美的風范.回顧物理學的發展史,可知這座輝煌的殿堂,凝聚了多少人的智慧和心血.其中牛頓和愛因斯坦這兩位科學巨人,永遠是中學“德育”和“美育”的典范.牛頓(1642—1727),英國物理學家和數學家,是17世紀科學革命的頂峰人物,因發現力學三大定律和萬有引力被譽為“科學之父”.愛因斯坦(1879—1955),德國物理學家,被公認為人類歷史上最具創造才智的人物之一,他獨創的“相對論”家喻戶曉,他的一生對人類認識宇宙的貢獻是巨大的.物理學家被自然中的新奇吸引,激發奇妙的設想,在壯美奇觀中進行智力探險,經歷曲折艱辛和生死攸關,通過優美的實驗以及科學的推理驗證假設,從而得出完美的理論.在課堂上要舍得花時間去講物理學史,要讓學生知道,科學家們這種艱苦卓越的探索過程所包含的藝術創造與獻身科學的精神美是無與倫比的,所有的科學家,都具有偉大的思想和天才的智慧,不餒的精神和高尚的品格,他們給人類留下了豐富的物質和精神財富,科學是美的,創造科學的人更美.

總之,我們在課堂上進行物理之美教育實現了讓學生感悟和應用物理之美,影響和指導他的物理學習;引起學生學習物理的興趣,減輕心理壓力和學習負擔,提高學習效率;促進學生理解與掌握知識,發展創新思維;促進智力發展;培養學生的品德;培養學生的審美能力和創造能力,進而完善學生的人生觀和世界觀.

1 張民生.中學物理教育學.上海:上海教育出版社,1999.

2 裴云鵬.物理教學中的美學滲透.物理教學探討,1998(10).