物理学美与中学物理教学

王长富

(徐州师范大学 物理与电子工程学院， 江苏 徐州 221116)

物理学美与中学物理教学

王长富

(徐州师范大学 物理与电子工程学院， 江苏 徐州 221116)

物理学美包括优美和壮美。优美体现为对称、简洁与和谐，壮美则体现在艰险、统一和物理学家的人格上。物理学美能提高学生学习物理的兴趣，发展学生鉴赏和创造美的能力，培养学生高尚的情操。可以通过营造审美化的学习环境、精心组织审美化的课堂教学、开展审美化的课外活动和利用现代化教学手段等途径来充分发掘其价值。

物理学美；物理教学；作用；途径

0 引言

自然界是奇妙与和谐的，我们可以从中体会无穷无尽的美。物理学探究自然界奥秘，反映的是自然界最普遍的规律，是人类认识自然界的高级形式。那么，我们能否从物理课程的学习中体会到美呢？现在有很多高中理物理学生，可能物理成绩很突出，但如果真要问他是否在物理学习中体会到了美，得到的答案大多都是否定的。还有更多的学生对物理学习有一种抵制情绪，在他们眼中，物理就是抽象和枯燥的象征。学习物理只是迫于考试和升学的压力。在高中，厌学、怕学物理是比较常见的现象。

那么，物理学到底美不美，物理学的美在哪里，我们怎么把物理学的美展示给学生，物理学的美对于中学物理教学又有什么价值和意义？这些都是比较尖锐和需要迫切解决的问题。本文就物理学中蕴涵的美、物理学美在教学中的作用及如何在物理教学中发掘利用物理学美谈几点浅显的看法。

1 物理学中蕴涵的美

物理学中蕴涵着丰富多彩的美学因素，可以把物理学中的美分为两个方面：优美和壮美。

1.1 优美

人们日常生活中所说的美，大多指优美。物理学领域中的优美可以进一步分为对称美、和谐美和简洁美。

1.1.1 对称美

对称是优美的典型表现之一，“对称是指整体各部分之间的相称或对应，如空间上的和谐布局、时间上的节奏协和等”[1]。物理学的对称美主要体现为时空对称、数学对称和抽象对称。比如平面镜成像、电荷的正负、作用力与反作用力、引力与斥力等表现了物质在空间上的对称形式；周期、频率则体现出了时间的对称性；简谐振动图线、波动图线体现了数学图线的对称性；动量定理FΔt=Δp与动能定理FΔS=ΔEK之间、万有引力定律F=G(m1m2)/r2与库仑定律F=K(q1q2)/r2之间体现了物理公式之间的数学对称性；处于平衡态的气体对容器的压强处处相等、处于平衡态的气体分子热运动在三维空间各个自由度上发生的几率相等，这些都体现物理内容的抽象对称。另外，竖直上拋运动、简谐运动、圆周运动等存在时间和空间规律的对称性。对称性现在已经成为现代人们探索自然界基本规律的基本出发点之一。

1.1.2 和谐美

“和谐”是美学的重要法则之一。“和谐是指事物和现象的各种要素、各个部分、各个方面的配合得当，井然有序、协调一致、匀称流畅，是具有多样化的特殊统一美”[2]。物理学的和谐美主要表现为物理理论的内容协调、自然和形式匀称。客观物质世界是和谐的，小到微观粒子，大到宇宙，世界万物都在和谐中遵循着自己的存在规则。物理学知识体系庞大，各分支既各具规律又互有联系，和谐并存。

自然界存在的和谐性是很多物理学家固定的思想方式和研究方法，并成为一种信念和追求。例如，磁通量把本来并不存在的抽象物理模型—磁感线与描述客观存在的磁场强弱的物理量—磁感应强度有机地联系了起来。大凡物理学理论和物理学规律，都具有和谐美。

1.1.3 简洁美

自然界的现象是错综复杂的，然而自然界本身却是简单和谐的。“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，称为物理学的简洁美”[3]。正如爱因斯坦所说：“真实的世界在逻辑上总是简单的。要从尽可能少的假说或公式出发,通过逻辑的演绎,概括尽可能多的经验事实。”[4]物理学正是建筑在这一基础之上，任何物理理论，归根到底只有少数几条基本的假定：经典力学建立在牛顿三定律之上，电动力学建立在法拉第的“场”和麦克斯韦方程组之上，狭义相对论建立在狭义相对性原理与光速不变假定之上，量子力学建立在波函数与薛定谔方程之上……这些简单的假定是从大量的自然现象和物理实验中抽取并提升出来的，然而，建之于上的物理理论反过来却能解释几乎所有的自然现象，并在生产实践中得到广泛的应用，极大地推动生产力的发展。

作为一门实验物理学，在研究过程中，物理学常常以最简单的实验设备就得出简洁明了的实验结论，给人以一种简洁的美感。物理学是一门严密的理论物理学。数学方法是物理学常用的一种研究问题的方法，它不仅是表述物理内容的最精炼、最凝聚的语言，而且是物理推理论证的最简洁、最有效的手段和工具。我们的前辈大物理学家们，都不同程度地接受了古希腊的美学思想，都相信自然界是按照和谐优美的数学方式设计的，自然界是合理的、简单的和有秩序的。

1.2 壮美

壮美，美学一般称之为崇高，是美的另一重要形态。物理学领域的壮美又可进一步分为艰险美、统一美和物理学家的人格美三个方面。

1.2.1 艰险美

物理学家们在物理学的征途上面临着千难万险的境地，通过一代一代人的不懈努力寻求真理，在此过程中获得的愉悦情感可称为艰险美。

物理学的发展历程充满了艰难险阻。哥白尼的日心说直至其逝世后才敢于发表，教会却将其污蔑为异端学说；布鲁诺为捍卫哥白尼学说甚至葬身于罗马鲜花广场的熊熊火海之中；亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”的观念影响西方一千余年，直至伽利略才得以纠正；光的本质问题一直是近代物理学争论的焦点之一，微粒说和波动说各执一词纠葛二百多年，最终才归结至波粒二象上；19—20世纪之交，一系列经典物理学无法解释的实验事实使得经典物理学的理论基础受到严重冲击，从而引起了物理学的一场伟大革命，导致了以相对论和量子力学为代表的现代物理学的诞生。物理学中这样的例子不胜枚举，物理学的发展不是一帆风顺的，在其道路上充满荆棘和坎坷，物理学的历史其实就是一代代物理学家不断勇攀高峰、克服重重困难的历史。一部物理学史，可以清晰地显示出这种过程。而正是这种艰险显示了人作为实践主体的巨大力量，越是艰难的挑战，越是能从成功中获得愉悦。

1.2.2 统一美

统一，是一个震撼人心的字眼，是千百万物理学家毕生追寻和奋斗的目标。在自然界中，千篇一律和杂乱无章的东西都不能给人以美感。只有把千姿百态的物理现象用统一理论加以概括和解释后，才能给人以美感。牛顿力学把地上的和天上的运动统一起来，麦克斯韦电磁理论把电现象、磁现象和光现象统一起来，光子的波粒二象性概念把粒子运动和波动统一起来，原子、分子结构理论把宇宙和物质统一起来，能量概念沟通了力、热、电、磁、光、原子等领域，质能方程E=mc2把质量和能量、实物和场统一起来，能量守恒把能量和力统一起来，等等。物理学终极的目标也是要将强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用统一成一种力，即实现大统一。这些例子无不显示着多样性的统一美。

1.2.3 物理学家的人格美

“高山仰止，景行行止”，这个千古传诵的名句比喻人如果品德高尚、行为光明正大，就会受到人们的景仰和效法。孔子的弟子借此描写自己的恩师，钦服于师尊的高深学识造诣和伟大人格魅力。在物理学史上，许多现物理学家也有着不凡的学术品格和人格魅力。伟大的天文学家哥白尼，经过几十年的观测实践和研究，写成“天体运行论”著作，创立了著名的“日心说”，招致宗教势力的敌视；伽利略被终身监禁而矢志不渝；开普勒贫病交加，历尽迫害，死在小客店内；富兰克林为研究雷电冒险进行“费城实验”，而利赫曼为同一目的遭雷击而死；法拉第鄙视名利，一生进行实验探索，最后老死在书桌旁；居里夫妇为提炼镭元素而甘受放射线的伤害，他们的女儿和女婿也因长期从事放射线研究而英年早逝……虽然处于不同的国家、民族和时代，有着迥异的个人经历，但他们在探索物质世界规律的过程中，无不闪烁着人性美的光辉。他们敢于挑战、勇于创新、追求真理、百折不挠、坚持到底、勇敢坚强的优秀品格造就了他们的成功，也给后人留下了光辉灿烂的宝贵精神财富。

2 物理美学在中学物理教学中的作用

物理学是求真、趋善和臻美的有机统一。物理教学不应当只是科学知识和技能的传授，而是要在科学教育的过程中融入美育。物理学美对于物理教学有着多方面的促进作用，具体可归纳为：

2.1 提高学生学习物理的兴趣

孔子曾说过：“知之者不如好知者，好之者不如乐之者。”兴趣是学生学好物理的最有力推动因素，只要学生有兴趣，他们就能不畏艰辛地克服各种困难去钻研去学习，学习的主动性会变得更强，物理难学的情况也就会大为改善。物理学中充满美的因素,如果在教学中能尽可能多地向学生展现物理现象、物理实验、物理理论的美，对提高学生学习物理的兴趣是大有帮助的。学生在学习过程中得到更多美的享受,就会对物理学有良好的心理感受,把学习物理学当成对美的追求和享受。

2.2 发展学生鉴赏美和创造美的能力，树立正确的审美观

随着长大，中学生爱美意识逐渐增强，对物质世界中各种形式的美的关注也在随之增加。这个时期是审美思维形成发展和审美观确立的关键时期，教师有责任适当地加以引导，以提高学生感受鉴别和理解美的能力。学生通过自身生活经历和各门艺术课程的学习，对自然美和艺术美已经有了较多的接触和认识，然而物理学美是一种理性美，不同于自然美和艺术美，鉴赏物理学美需要一定的专业基础和美学修养。引导学生发现和欣赏物理学简洁、对称与和谐之美，能够有效地激发学生的审美激情，并使学生在对物理学美的震撼中更加全面和深刻地认识美，发展和完善其审美能力，形成正确的审美观。

2.3 培养学生高尚的情操，促进学生的全面发展

中学物理教材涉及数十位中外物理学家。这些物理学家虽然国籍不同，所处时代不同，各人经历不同，但他们身上都充分体现出为追求科学真理而不懈努力的美德。他们生平大量动人的事迹，尤其是不怕挫折的拼搏精神、爱国奉献的敬业精神和相互协作的精神都是一部绝好的美育教材，能激起学生心灵的震动。教学过程中若能把物理学家勇于探索实事求是的科学精神、以苦为乐顽强拼搏的不屈精神、只图贡献不求索取的奉献精神、坚持真理并为捍卫真理不怕牺牲的献身精神等生动事例穿插讲授，定能使学生深受感染，进而学习仿效物理学家的这种崇高的精神风貌与美德。这无疑是最理想最成功的情感教育。物理教育就是要激发学生的爱美本性，像科学家那样，把追随真、善、美作为生活的理想，扬起生命的风帆，去追求美、表现美、创造美。

3 在物理教学中发掘物理学美的途径

物理学是美的,但如何才能使学生学会欣赏,使他们在学习中获得美的享受,从而激起学习物理的浓厚兴趣呢?这是当前物理教师面临的主要问题之一。

3.1 营造审美化的学习环境

在物理教学中，我们应首先该为学生营造出一个具有审美氛围的良好环境。这一个环境既包括物质环境(主要指教室、实验室、课外活动室的设备、设施等物质因素)又包括精神环境(主要指和谐的师生关系、学风等人文因素)。

良好的审美化学习环境为师生提供了一个在审美氛围中进行教与学的活动空间。它就像一部立体的、多彩的、富有魅力的无声“教科书”，相对于课堂开设的“显性课程”而言是一种“隐性课程”。它对学生进行着潜移默化的审美感染和熏陶，具有很强的审美功能。

3.2 精心组织审美化的课堂教学

课堂教学是学校教育的主渠道，一定要按照美的规律，精心设计和组织课堂教学，把物理学作为物理学诗来教。教学是一门科学，也是一门艺术。在物理教学中,教师既要按照物理学科的教学规律、教学内容向学生“传道、授业、解惑”；又要按照美的规律，并通过自己美的心灵、美的情操、美的智慧、美的仪表姿态影响、感染学生。

3.3 积极开展审美化的物理课外活动

课外活动是学校课堂教学之外，按照一定的教育目标，有计划地组织学生参加的一种教育活动，是课堂教学主渠道外的另一渠道。在物理课外活动中渗透美学，对于激发学生的审美意识，培养学生对物理和物理学美的热爱、探索与追求，开发学生的智力，拓展学生的知识视野，激活学生的学习兴趣，发展学生的创造能力、动手能力都是大有帮助的。

3.4 充分利用现代化教学手段

近年来，随着多媒体手段在教学中的运用，物理教学的改革进入了一个崭新的阶段。多媒体课件不但具有很强的知识性和思想性，还有着丰富的美学价值。充分发挥多媒体课件的美学价值，通过现代化的音像画面的动态组合，再现宇宙间的种种物理现象，为学生学习物理知识创设一个仿佛亲临其境的逼真环境，能使物理教学更好地按照从感性到理性、再从理性到实践的认识规律，加深学生对概念的理解与应用。

物理教学与物理学美是紧密相连的。教师要不断提高自己的专业水平和美学素养，积极地引导学生感受和认识物理学的美，增强学生的审美意识和审美能力，为国家培养身心和谐发展的高素质人才。

[1] 徐志君.物理美学与物理教学中的美育[J].浙江工业大学学报：社会科学，2002(12)：27.

[2] 张宪魁，王欣.物理学方法论[M].西安：陕西人民教育出版社,1992：270.

[3] 方鸿辉.中学物理教学中的美育[J].课程·教材·教法，1999(4)：28-29.

[4] 爱因斯坦文集：第三卷[M].北京：商务印书馆,1984：74-75.

[责任编辑：仇海燕]

TheBeautyofPhysicsandPhysicsTeachinginMiddleSchool

WANG Chang-fu

(College of Physics and Electronic Engineering Xuzhou Normal University，Xuzhou Jiangsu 221116，China)

The beauty of physics includes beautiful and sublime. Beautiful embodied in the symmetrical, concise and harmony, sublime is embodied in preciousness, Unify and physicists' personality. The Beauty of Physics can enhance the interest of student on physical learning, develop students' ability of appreciating and creating beauty, and cultivate students' lofty sentiment. We can through creating aesthetics learning environment, orchestrating aesthetics classroom teaching, carrying on esthetic physical extracurricular actives and making use of the modern teaching means and so on ways to fully explore its value.

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G633.7

A

1671-6876(2011)02-0179-04

2011-04-01

王长富(1984-)，男，山东菏泽人，课程与教学论(物理)专业硕士研究生，主要从事中学物理教学研究。