中学物理美学渗透

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一、物理学本身渗透着美学

爱因斯坦曾经描述说，物理学是至善至美的科学，他还特别把物理的美归纳为“简单、和谐、完善、统一”。

（一）物理学发展史是一部美学发展史。在物理学发展的过程中，物理学家们探索物理学规律，总是一方面体现出对美的热烈追求，另一方面体现出他们精神上的种种美德。正是由于他们在美学思想指导下，通过不懈的努力，才能取得一个个重大成果得以推动了物理学的发展。哥白尼、开普勒是带着强烈审美意识探索自然规律的先驱者。哥白尼与托勒密地心说的决裂，就是有其执着追求美的因素，他深信完美的理论在数学上应该是“和谐与简单”的。托勒密为了解释天文观测的现象，引入了许多“均轮”、“本轮”，使得天文理论既复杂又失洽。因此，在极端困难的条件下，哥白尼研究了三十多年，终于建立了不朽的日心说。后来，开普勒深切感受到日心说的美，不懈坚持几十年的观察，积累的大量的天文数字，提出行星运动的三定律来论述天体的运动是如此的简单与和谐。物理学家根据世界的对称性，通过预言、设想来推测未来事物的存在。“电可以生磁、磁可以生电”，法拉第经过十几年的不懈努力实现了由“磁生电”的梦想。牛顿追求规律的统一，是他发现“万有引力定律”的关键，他把天上的力学和地上的力学统一起来，实现了物理发展史上的第一次大综合。每一位物理学家背后不知隐藏了多少可歌可泣、感人肺腑的故事。他们对自然科学美的追求，他们为真理奋斗不息的精神之美，都是我们的榜样，也是在教学中培养学生高尚品质的典范，可以启迪学生的智慧，引发学习兴趣，激励他们成功的意志。

（二）物理学规律的美学特征：物理学“是一门研究自然规律与秩序的学科，它探索物质和谐地存在与运动的根源”。杨振宁在《美和理论物理》一文中提出物理理学具有“物理现象之美”“理论描述之美”“理论结构之美”。也有不少物理学家认为，物理学的美学特征主要表现为“多样统一美”“和谐奇异美”“简洁明快美”等。对物理学的种种美学评估，只是摄入角度或提法上的不同，本质上都是揭示科学真与科学美的辩证关系。科学美是科学对象美与科学表现美的统一。下面，简析物理学所体现的简单美、对称美、和谐美。1、简单美物理学揭示自然界物质的存在、组成、运动及其转化等规律的简单性而产生美感，称为物理学的简单美。物理学的简单美主要体现在物理学的理论和方法上。物理学家巧妙地从复杂的真实世界中，把研究对象抽象出最简单的物理模型，诸如质点、理想弹簧振子、理想单摆、理想气体、点电荷、光线、薄透镜等等，以这些优美的理想模型概括出物质运动宇宙中纷乱的各种物体通过牛顿引入的质点概为一体，牛顿只用几条简单的定律就概括了物质世界纷繁的运动现象，麦克斯韦只用四个方程组就概括了复杂的电磁运动，量子力学理论使行踪飘忽不定的微观粒子眉目清晰等。这些都体现了物理学理论整体的简洁美。物理理论的简单美还体现在组成物理理论的物理概念和物理规律表达上，如“力是物体间的相互作用”、F=ma概括了牛顿运动第二定律等。还有在物理方法上如：理想化模型、理想化方法本身就是遵循简单性原则。2、对称美对称现象是辩证法的生动体现，物理学揭示自然界物质的存在、构成、运动及其转化等规律的对称性而产生的美感，称为物理学的对称美。物理学的对称美主要表现为时空对称、数学对称和抽象对称。如杠杆的平衡、平面镱成像、磁体的磁感线分布、电荷的正负、等量同种、异种电荷的电场线分布等表现了物质的直观形象在空间上的对称性；周期和频率等体现出时间的对称性；简谐振动图线、波动图线的对称性体现了数学图形的对称性。物理学还体现了抽象对称性，即从一个概念、一个命题或一个理论中所反映出来的对称性。较典型的例子是1905年爱因斯坦创立狭义相对论时，把伽利略的力学相对性原理作为基本假设，而在1916年创立广义相对论时，把电磁理论中的洛仑兹不变性作为对称性假设。正是这些抽象的对称性思考，有助于解开宇宙密码，推动物理学的进展。3、和谐美“和谐”是美学的一个重要法则。古希腊毕达哥拉斯学派认为，宇宙与数之间之所以美，是因为它们是和谐的。而物理学家认为，物质世界自身及物理理论的“统一”“对应”乃是宇宙和谐的反映。物理学庞大的知识体系，既遵循各自内在的规律，又相互联系，构成一个统一体。例如，以运动定律和万有引力定律的简洁形式所表示的牛顿力学，把地上的力学与天上的力学统一了起来；优秀的麦克斯韦方程把电、磁、光统一为电磁场理论；而作为近代物理支柱的爱因斯坦相对论，又把牛顿力学与麦克斯韦电磁场理论统一了起来。而三大守恒定律（物质、能量、动量）乃是物质世界和谐性最完美的体现。宇宙、地球、分子、原子、核与粒子，就象交响乐团的各种配器，演奏出物质运动的雄浑主旋律；力学、热学、电磁学、原子物理学之间相互渗透，还与其他学科形成了许多交叉学科，其节奏、韵律体现了层次和谐美。

二、如何在物理教育中渗透美学

中学物理教育不是美学专业课，但是可以要求物理教师应注重美学的渗透，即由教师根据学生的审美心理特点，在物理教育全过程中处处创设美的情境。

（一）尽可能创造美的物理学习环境。诸如在学校的教室、实验室、张贴体现物理美的挂图或者带有哲理话语的物理学家头像的挂图，在学校科技橱窗里展示优秀的物理实验制作和报道最新物理学进展与物理学前沿的情况等。校园文化、校园美育氛围，对学生审美情趣的导向和培育具有潜移默化的作用。另外，可以创设开放性实验室，以培养学生的物理学创造性思维，在课外活动时开设有关物理美讲座等。

（二）物理课堂上的教学活动是渗透美学的最重要场所。

1、从教材中挖掘出物理现象美的素材，培养学生审美能力。“色”。如：白光通过三棱镜发生色散现象，七色光在学生眼里新奇而美丽。“声”。如声音的共鸣、回音壁的声学现象等表现出来的奇异性；再如“闻其声不见其人”的现象，正好说明声与光的不同特性。在中学物理教学中，经常带领学生在和谐奇异的百花园里漫游，既可以培养学生的审美能力也可以激发他们沿着科学的艰险道路去探索真理的热情。2、采取多样的教学方法，使探究过程具有美感。如：类比教学法。在高中教学中，当我们给学生讲清了匀速运动的速度公式v=（s2-s1）/t后，再讲匀加速运动公式a=（v2-v1）/t时，通过类比，着重讲清二公式中各对应物理量的物理概念的差异，明显地降低教学难度，加深学生对速度和加速度概念的理解。如：对比教学法。在初中教学中，对真空不能传声和光在真空中速度最快等进行对比。这类比较的方法使学生对物理现象和规律的异同认识深刻。3、讲故事能创设美的情境。中学物理教材中有大量的物理学史素材，我们在介绍物理知识的同时向学生展示科学家的拼搏精神，揭示物理学家的人性之美、至善之美，以美感人、以美育人。居里夫人不惜用两年多的时间研制铀盐，并提炼出放射性元素，她为了纪念自己的祖国把其中一种元素命名为钋。她在功名成就的情况下，依然保持着不折不挠的献身精神和爱国主义精神；布拉特为了证实卢瑟福人工核转变实验中发现的质子，从拍摄的两万多张照片的四十多万条径迹中找到了八条分叉。这种不畏艰难、治学严谨的精神，使学生知、情、感、意、行得到美的升华，使学生学到物理知识的同时，得到情操上的熏陶，心灵上的启迪。从而使学生的审美能力得到提高。总之，物理学里处处渗透着美学，中学物理学中蕴含了丰富的美学素材。教师教学中向学生展示物理科学的美，培养学生的审美能力，能大大激发学生学习的兴趣，有助于提高学生的整体素质，科学素养和审美能力。

作者：何倩工作单位：武汉市第六中学