讓高中物理課堂閃現“美學”之光

范永梅

(南通大學附屬中學,江蘇 南通 226019)

在全國教育大會之后,如何“全面加強和改進學校美育,堅持以美育人、以文化人,提高學生審美和人文素養”成為越來越多教育工作者關注的話題．就高中物理課程來說,絕大多數人很難將科學理性的物理概念和規律,與感性抽象的美育聯系起來．不少物理教師認為,只有音樂、美術、文學、哲學等學科中才有美的因素,而事實上,物理概念思辨中的哲學之美、數學推演中的邏輯之美、實驗探究中的發現之美、模型建構中的思維之美、實踐應用中的創造之美……都能激發和深化學生對物理美的感受,培育審美意識,提升審美能力,實現“以美啟真”、“以美育人”的目標．

1 引領概念思辨,感受哲學之美

談到“哲學”,很多物理教師往往會“敬而遠之”或認為與自己的課堂教學“相去甚遠”．實際上,“哲學”在古希臘語中原意是“愛智慧”,即“愛真理”,是指批判性反省的精神與方式．哲學的基本歸旨是指導人們對自己的觀點、行動、環境等保持慎思的態度,從而形成敏銳的判斷、思考和實踐的能力．這種哲學的思辨之美,并非僅蘊藉在人文社會學科．物理學中很多概念規律也是通過現象與本質、整體與部分、主要與次要、主觀與客觀等哲學思辨而逐步建立起來的．

學生在形成一個物理概念之前,基于生活體驗或生活經驗在頭腦已經形成了經驗性認識或觀點,有的是正確的,有的是錯誤的,有的是清晰的,有的是模糊的,因此要在經驗嘗試基礎上建構正確物理觀念,就需要教師在教學過程中引領學生從現象觀察、客觀情境中進行概括、思辨,抽象出本質特征規律,總結形成物理概念．因此,物理概念規律形成的過程,往往是與批判性思維一路同行的過程,教師若善于抓住形成物理概念過程的關鍵美學因素、美學思想,加以引導,定能讓學生感受到感性美與理性美相互交融統一的“物理美”．

比如在自由落體的教學中,要建立“輕重不一樣的物體,僅在重力作用下,下落快慢相同”的正確認識,教師可以引領學生從伽利略對輕重不一樣物體假設下落快慢不同而得出的邏輯矛盾出發,引領學生思考影響物體下落快慢的因素,讓學生領略哲學思辨的美妙和成功體驗．學生再通過同質量紙片和紙團下落實驗、牛頓管實驗等觀察,感受和印證空氣阻力對物體下落的影響,從而明晰平常看到的輕重不同、密度不同的物體下落快慢不同是因為受到阻力不同的緣故．這樣通過對主要和次要因素的思辨探究,學生糾正了頭腦中已有的錯誤概念,建立了對自由落體新的正確認識,如果教師再讓學生通過實驗測定自由落體運動物體的加速度,學生更能體驗到從日常現象,如何通過積極思辨,自主探究建立正確概念的科學路徑．這種建立概念的過程,變成了一次充滿理性美和哲學美的發現之旅,在學生頭腦中形成了包含實驗現象、認知愉悅和科學思維的“審美意象”,激發了學生探索物理世界的激情!

2 關注數學推演,感受邏輯之美

物理學家彭加勒認為,物理美“不是打動感官的美,也不是質地美和外觀美;并非我小看這樣的美,完全不是,而是它與科學無關;我意指那種比較深奧的美,這種美來自各部分的和諧秩序,并且純粹的理智能夠把握住它”．可見,物理學在研究過程中,離不開邏輯和數學工具,最終常常通過數學形態以理智的方式建構物理學的定律和理論框架．

在實際教學中,通過讓學生了解相關物理學史,感知數學推演在物理規律建立過程中的重大意義．比如在學習開普勒第三定律時,可以和學生一起經歷科學家數學推演的過程．先把六大行星(開普勒數學推演時肉眼只能夠看到六大行星),與太陽的距離——行星橢圓軌道的半長軸,列成表格(如表1第4列),學生沒有看出規律．再加入六大行星的公轉周期(如表1第2列),讓學生嘗試探究周期和半長軸是否存在某種規律．學生進行多種嘗試未能找出規律．教師此時可以介紹,開普勒當年把這張表格抄了很多份,貼在他能看到的任何一塊地方．他用各種可能的運算方法進行計算,加、減、乘、除、平方、立方,……,整整10年,他一直在做這樣的數學推演．學生此時內心受到極大震撼．開普勒一直沒有放棄,他堅信存在著一個把全體行星完整地聯系在一起的簡單法則,宇宙存在和諧美,數據之間定當存在一種和諧美．這時學生迫切想知道開普勒用10年時間到底推演出什么數學規律．教師此時增加公轉周期的平方(如表1第3列)和軌道半徑的立方(如表1第5列),讓學生自己通過運算填寫數據,學生通過比較,發現其比值是一個常數(如表1中第6列列出的)．教師此時可以補充介紹,1618年,開普勒出版了《世界的和諧》,發表了開普勒第三定律,和學生們剛才發現的規律一致．

表1 開普勒第三定律的數據分析

開普勒第三定律發現的過程是物理學發展史上精確的科學觀測與嚴密的數學推演完美結合的典范,開普勒也成為用數學公式表述物理原理的第一人．學生通過經歷開普勒的數學推演,感受到了科學家發現規律的美妙與艱辛．這種基于數學推演的美學因素在物理課程中還有很多,只要加以巧妙引導和整合,會讓課堂呈現別樣之美.

3 經歷實驗探究,感受發現之美

愛因斯坦認為美是探求理論物理學中一個重要的指導原則．對美的追求如同對真的追求一樣,是物理學家進行科學研究的目標．物理學的發展是一個循序漸進的過程,理論上的每一次飛躍,都標志著人類對自然規律認識的一次進步,都是科學家對真理和美不斷追求的結果．

科學家在探索自然的過程中都有著深刻的美感體驗,也為學生構筑了集形式美和內容美于一體的輝煌壯麗的科學殿堂,但為什么學生在學習物理時卻無法獲得與科學家相同的美感體驗呢?愛因斯坦對此作出了很好的解釋:“科學結論幾乎總是以完成的形式出現在讀者面前,讀者體驗不到探索和發現的喜悅,感覺不到思想形成的生動過程,也很難達到清楚地理解全部情形……”,可見,更多的美感體驗存在于探究發現過程．

例如人教版“閉合電路歐姆定律”這節,教材中通過能量守恒定律,由非靜電力做的功應該等于內外電路中電能轉化為其他形式的能的總和,理論推導出閉合電路歐姆定律．筆者將理論推導改成學生的自主實驗探究．首先設計了一個演示實驗,用3 V的干電池給額定電壓為3.8 V的小燈泡供電,讓學生觀察燈泡亮度,然后拿出9 V的層疊電池,讓學生猜想接上燈泡后的現象,絕大多數學生擔心燈泡會燒掉,結果事實是燈泡很暗,學生猜想可能層疊電池電壓不是9 V,我讓學生用數字電壓表自己測量驗證,發現這種猜想不正確,層疊電池兩端電壓約9.61 V,有學生猜想,接入電路時,電池內部是否有內耗?我讓學生自己設計實驗方案,驗證自己的猜想．學生通過測量,發現層疊電池給燈泡供電時,燈泡兩端電壓只有約1.72 V,在此基礎上,教師再引導學生想辦法利用化學電池可以同時測內外電壓的特點,自主設計實驗方案,分小組探究尋找內外電壓關系,從而得出閉合電路歐姆定律．實驗探究讓規律發現過程成為一段美妙的發現之旅．

在實際課堂教學中,教師可以更多地從真實情境出發,讓學生發現和提煉問題,對問題的答案進行可能性假設,運用已有的知識設計制定探究計劃,分工合作,通過資料查詢,實地觀察,實驗論證等多種手段,經歷科學家發現和形成規律的探究過程, 最終獲得相關結論,感受物理規律形成過程的內在之美,體驗探索發現的美妙樂趣!

4 重視模型建構,感受思維之美

很多教師感覺習題教學中美育效果常常差強人意,學生刷題的感覺也味同嚼蠟．之所以出現這種情況,很多時候是習題本身忽視了真實問題情境和模型建構,學生只需將數據代入公式,無需深度思考,按部就班就能獲得結果,同時如果教師又缺乏引導學生歸納模型建構、一題多解、多題一解等科學方法的美妙,習題教學的美感自然大打折扣．因此,在習題教學中更需要讓學生明確建模的基本思路,通過復習引導,幫助學生搭設思考的腳手架,明晰問題解決所依據的相關理論,然后放手讓學生利用數學知識和物理知識,總結出一般方法和路徑,以實現觸類旁通,做一題會一類.這樣的學習過程是對知識的再發現再創造,讓學生充分體驗物理學各類模型之美,有助于激發學生學習物理的內在動機,提高獲得感和成功的愉悅感．

如在應用牛頓運動定律處理連接體問題時,對于整體法和隔離法的應用(如表2),可以設置合理的思維臺階,讓學生通過對多種連接體模型的建構中,逐步發現和總結方法,讓學生感知在多變的物理題型中所蘊含的不變規律．

表2 連接體問題中模型建構與拓展

通過對水平面內、斜面上、豎直面內連接體各類模型的討論,讓學生感受到整體隔離法的妙用,感知到所有連接體問題其實屬于同一類物理模型,培養從真實情境中構建物理模型的能力．不管在習題教學還是新授課教學中,教師要盡可能避免直接將結論或規律呈現給學生,要舍得花時間讓學生經歷物理建模過程,理解不同物理模型解決的科學方法,在完成對模型的深層次建構中理解物理規律的精妙之處,感受物理模型之美,培養科學思維能力．

5 倡導實踐應用,感受創造之美

海森伯在《跨越界線》一文中指出“美是真理的光輝”,他認為,科學家正是在美的光輝照耀下逐步認識真理．美學因素成為科學理論體系的重要內容,更成為科學創造的原動力．

高中物理教學雖然負載了對物理基本知識、技能、方法的訓練任務,但教學的根本目的卻并不在此,而在于引導學生在“理解”知識、“使用”知識過程中養成科學思維習慣,增強創新意識和實踐能力,感受科學創造之美以及生活中無處不在的科學應用之美．

在傳統物理教學中,物理往往會與一大堆抽象枯燥的公式、符號聯系在一起,令學生望而生畏,很難讓學生感受到嚴謹的理論之外的科學美．而事實上,物理的很多理論與生活、實踐息息相關,蘊含很多的美學特征、美學思想,教師要多角度將美學感悟與學生的實際生活有機融合,引導學生運用物理規律解決實際問題,讓學生在科學創造、生活應用的實踐中獲得成功的愉悅,激發對未知世界的探究和改造的欲望,培養學生科學的審美觀,塑造學生鑒賞美、挖掘美、創造美的能力,同時在科學創造中培育責任感和遠大理想．

比如在引領學生學習磁場和電磁感應內容時,教師一方面可以介紹我國古代對磁現象的認識與應用,通過介紹公元前4世紀左右《管子》中對磁的最早記載、我國古代四大發明之一指南針的制作演變過程、第一個描述磁偏角的沈括等等,讓學生感嘆古人的智慧,培育民族自豪感的同時,激發其探究科學、創造未來的愿望;另一方面,可以重點讓學生了解電磁波在現代社會中的應用,同時結合人類對電磁認識的逐步深入,未來可能對社會進步帶來的深刻影響,布置一些開放性的實踐應用任務,由小組去探究,培養學生運用知識改造社會、服務社會的意識.任務1.家用電器電視機、電磁爐、電腦等中廣泛運用到電磁知識,請通過網絡查詢、查看用電器說明書、拆解舊家電等方式,選取其中一個家電或家電的某個部分來說明電磁在其工作中的應用,并在小組中分享交流.任務2.設計一個實驗來模擬手機無線充電過程,了解電磁感應對現代社會的深刻影響,暢想電磁感應可能對生產生活某個領域帶來的技術變革,嘗試設計可行性方案.任務3.查閱資料了解我國古代對磁現象的認識和應用及其對人類文明的影響,調查電磁波在現代社會軍事、醫學、生產等某個領域應用和危害防治,形成調查報告．

基于核心素養培養的新一輪課程改革已經逐步推進,在《普通高中物理課程標準》(2017年版)中明確要求:“引導學生經歷科學探究過程,體會科學研究方法,養成科學思維習慣,增強創新意識和實踐能力．……能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測……具有批判思維的意識,能基于證據大膽質疑,從不同角度思考問題,追求科技創新”．希望更多的一線物理教師能通過主動變革,積極開發各類綜合實踐課程,打破課程之間的壁壘,創新評價和考核方式,注重物理知識在生產生活中的應用,培養出更多面向未來社會的創新人才．

著名教育家蔡元培先生曾經說過:“凡是學校所有課程,都沒有與美育無關的”．隨著現代技術在學科領域的不斷滲透,跨學科的思維方法正受到越來越多的關注,希望更多的一線教師,認識并挖掘物理學中美學元素,多角度、多方法地引領學生發現美、欣賞美、創造美,讓物理教育充滿“美學”之光!