在物理教学中引导学生发现学科之美

于 飞 吉宁虎

（广东省深圳市盐田外国语学校，广东省深圳市盐田区教育科学研究院）

物理教师应是物理学科之美的挖掘者、欣赏者、收藏者，如果胸中无美，那么教学会是枯燥的，他只能讲出物理的形，而不能讲出物理的神。事实上，整个物理学科体系的各部分是互通的、有灵性的，是一个完整的“生命体”。物理学科中从不缺少美，而是缺少发现美的眼睛。物理教学中到处都充满着美的“金块”，美的“钻石”。作为教师，要引领学生发现物理学科之美，并以美去引领物理教学。那么，物理之美，美在何处呢？

一、物理的学科之美

物理美不仅仅有外显的形式的美，更有内涵的、思想的美，它是反映事物内在结构的和谐、秩序的美。它更多的是一种抽象的美，是需要经过大脑的分析归纳形成美的意识或美的观点的。物理美是理性的美，是内容的真与形式的美相结合，它需要用数理语言去感悟和描绘。

（一）新奇美

人类与生俱来的对未知世界探求的渴望是这种美感的动因。创新、创造、发现、发明是物理学科发展的主旋律。科学界对独创性的科研成果有着特殊的尊崇，它能给人带来强烈的新奇美感，是科学进步的源泉。如当我们初次接触到“时间和空间的相对性”“弯曲空间”等全新的概念和相对论、描述微观世界结构、运动与变化规律的量子力学、解释宇宙起源、宇宙大爆炸理论时，就会被这种美感所震撼。

（二）统一美

看似散乱和自由的自然界，其实有着严格的秩序和规律，正是这些秩序和规律保证了自然界的美妙、和谐的发展进化。物理学科的研究思路是从不同事物运动变化的多样性中找出它们的内在联系和共性，去寻找理论的统一美。

一部物理学科史，实际上也就是由分化到统一，再分化，再统一的历史。因此，追求物理理论的统一性，也就成为了物理科学大师们坚定不移的信念和始终不渝的目标。正如爱因斯坦所说：“从各种复杂的现象和真理中认识到它们的统一性，那是何等壮丽的感觉。”

迄今为止，物理学科已经发生了5次影响深远的理论统一：牛顿在他的运动三定律和开普勒三定律的基础上导出万有引力定律，使人类认识到天体和地上的物体遵循相同的规律，这是人类对自然界认知的第一次理论大统一。第二次是麦克斯韦用四个美妙的方程实现了电和磁的统一，并预言电磁波的存在。第三次是认识到光的波动性，把光统一到电磁波谱中。第四次是人类认识到微观粒子的波粒二相性，实现了波和粒子的统一。第五次是爱因斯坦的相对论，它实现了描述宏观物体运动规律的经典物理学科与描述微观粒子运动规律的量子物理学科的兼容。目前，人类已经实现了电磁力与弱相互作用力的统一，正朝着三力统一的方向努力，最终试图实现爱因斯坦四力统一的理想。这其中的每一次统一都会让人体会到那种壮丽的统一美。

（三）和谐美

物理学科的和谐美主要表现为物理理论的内容协调、规律自洽和形式匀称。物理学科理论的发展就是沿着不和谐—和谐—不和谐—和谐的方向螺旋上升的。

经典物理学科以哥白尼和伽利略发现亚里斯多德和托勒密理论诸多不和谐为开端，至20世纪初，开尔文在英国皇家科学院作新年展望，认为科学的大厦已经基本完成，和谐的经典物理学理论取得了空前的成功。当然，他又说道：“在物理学科晴朗天空的远处，有两朵令人不安的乌云”。其中，一朵与黑体辐射和光电效应有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。这两朵“乌云”提示了牛顿力学和经典电磁学理论的不和谐。一年后，从第一朵“乌云”中诞生了量子论，从第二朵“乌云”中诞生了相对论。描述微观高速的量子论和相对论兼容宏观低速的经典力学和经典电磁学理论，使整个物理学理论又变得和谐了。（如图1）

图1

（四）简单美

这是学生在学习物理学科的过程中最不容易认可的一种美。其实，物理学家在对自然执着探索的过程中，越来越认识到自然是以“美和简单”来构造自己的。因此，物理学科规律是简洁的。

牛顿说自然界是简单的，这是他推理牛顿三定律的基本理念。因此，每一个定律都惊人的简单。爱因斯坦也认为，简单是判定一个理论是否完善的重要原则，物理学科美的本质是它的简单性，著名的狭义相对论就建立在两个简单的基本假设的基础上。

简单性从古到今都是一代代科学家们的不懈追求。匀变速运动中位移与时间的关系、牛顿第二定律、动能定理、动量定理等公式都充分显示了这一特点。质能方程：E=mc2，揭示出了物体质量与能量之间的联系，奠定了核反应可以提供巨大能量的理论基础，而其公式却惊人的简单。

（五）对称美

对称美是学生认识自然时最早能发现的美之一。对称的形式给人们以一种平衡、稳定、圆满和规律的感觉。发现生活和科学中的对称规律，会给人们带来成就感。物理学科中对称可以分为两种，形式上的对称有点对称、轴对称、平移对称、镜面对称、时间反演对称等；概念中的对称有作用力与反作用力、正负电荷、正负电子、正负功，等等。物理规律的对称性引领着科学家去寻找新的定律。如在奥斯特发现了电流可以产生磁场后，法拉第根据对称的理念，认为磁场也能产生电流，经过十年的艰苦实验，他终于证明了变化的磁场能够产生电流，为发电机的发明奠定了理论基础，将人类带入了电气时代。

1918年，德国女数学家艾米·诺特首先发现了物理定律对称性与物理量守恒定律有着对应的关系。如能量守恒对应着某种时间变换中的不变性；动量守恒对应着某种空间变换下的不变性。所谓时间变换中的不变性，就是选择不同的时间原点观察，规律不变。诺特定理指出，守恒定律来源于对称，物理规律的每一种对称性通常都对应一种守恒定律，相应的，有一个守恒量，对称和守恒有着必然的联系。

（六）实用美

物理学科的发展对人类的发展有着巨大的推动作用。蒸汽机的广泛使用开启了第一次工业革命，被称为蒸汽时代。发电机和电动机的使用则把人类带入了第二次工业革命。电气时代发展的两百年中，其所创造的物质财富是此前人类所创造物质财富的总和。第三次工业革命是以半导体技术为基础的信息控制技术革命，人类进入了信息时代。目前，以人工智能技术为代表的第四次工作革命正悄然来临。

当人类采撷到智慧的果实，用它来进行发明创造，并应用到生活和生产中取得成功时，就会有把握感，这种把握感给人类带来了巨大的美的享受。这就是实用美。

对学生而言，当利用所学的物理学科知识解决了物理问题时也会享受到这种实用美，从而不断地获得成就感，这也是学生学习动力的源泉之一。

以上所述的是比较典型的物理学科之美，物理学科之美当然远不止这六种，需要我们在教学的过程中睁大能发现美的眼睛，不断地去发现和挖掘新的物理学科之美。

二、以物理之美引领物理教学的策略

物理教学的使命之一就是培养学生学会从物质运动和相互作用的繁杂、丰富、精彩的现象中挖掘出统一的、简洁的秩序和规律，逐步形成适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。“没有美的教育是不完全的教育，不贯彻美学的物理教学也是不完全的教学”。这当然不是要求教师在教学过程中单纯讲美学，而是要求教师在教学过程中创造美的氛围，引领学生剖析和领悟物理学科之美，达到以美动情、以美促思、以美激智的境界。

要提高学生挖掘物理学科之美的能力，教师必须具备更深刻的洞察力和挖掘能力。首先，应该时刻保持强烈的感悟和挖掘物理学科之美的意识。为此，我们建议增加新的教学目标：审美目标。物理学科之美比比皆是，有必要对每一节课内容中包含的美进行深入地挖掘。

从广度上来看，物理学科的每一个篇章，从力学、电学到热学、光学、原子物理，处处都充满着物理学科之美。从深度上来看，从知识点到规律，再到思路和方法，物理学科之美不断变得抽象和深奥，更加地让人有研究的兴趣。

（一）以物理学科之美激发学生的好奇心和学习兴趣

激发学生学习的主动性是教学成败的关键。兴趣是最好的老师，在教学过程中，应注意让学生感悟到物理现象、物理实验、物理理论的美，从而激发和提高学生学习物理的兴趣，进而使学生进入主动学习的状态。而兴趣又能使学生在学习中感受到更深层的物理学科之美，从而形成一种正反馈的循环机制，这种学习机制是提高学生学习效率的重要因素。一个因发现了物理学科之美而感动的人就会充满激情地去学习新的物理知识，就会有浓厚的兴趣去探索新的领域，就会轻松地取得好的学习成绩。

（二）以物理学科之美激发学生的想象力和创造力

爱因斯坦曾经说过：“想象力比知识更重要，它是创造力的源泉。”钱学森的世纪之问，直指中国教育的核心弊端：是仅仅培养学习与工作的机器，还是培养有自己独立思想的、自尊的、有想象力和创造力的人，乃至大师？以往的有些教育方式，过于注重整齐划一的、严格的标准，整个教育体系如同一部制作工件的流水线，忽视了对教育对象的人文关怀，只注重“双基”。这样的教育方式压制了学生想象力和创造力的培养空间。

物理学科之美能更好地激发学生的想象力，促进学生创造性思维的发生和发展，起到“以美启真”的作用。

在物理教学中，真与美是紧密联系在一起的，物理规律的自洽与和谐之美，物理公式的简约之美，物理模型的简洁之美，物理实验的巧妙精湛之美，都会使学生产生美感。在充满美感的心境下，学生不仅会对知识和技能掌握得更加深刻，也能和谐共振出创新精神，激发出无限的想象力和创造力。

如由牛顿运动定律推导出动能定理和动量定理进而得到机械能守恒定律和动量守恒定律的过程也存在着令人惊叹的对称。（如图2）

图2

在高三复习课上，引领学生欣赏这样的对称美，能让他们产生赞叹：原来研究力学的三大方法有如此美妙的、紧密的联系。认识到这个系统联系的简单美，会增强学生应用知识解决实际问题的能力。

（三）以物理学科之美提升学生的学科素养

物理学科之美是一种需要提取和加工的抽象的理性美，对物理学科之美的感悟和鉴赏是需要训练和培植的。学生在学习物理理论和进行物理实验时，如果觉得面临的是一大堆单调枯燥甚至令人望而生畏的符号、公式，那么就毫无美感可言。因此，教师应特别注意在课堂上营造美的情境。在教学中，要循序渐进地引导学生去领略自然界的美妙，认识物理学科的精妙，让学生的情意场与教师的情意场和谐共振，让物理之美源源不断地融进学生的心灵。学生如果能像物理学家一样保持探索科学的兴趣与热情，在认识自然的过程中获得成就感，那么就能树立正确的世界观，养成独立思考、敢于质疑、尊重事实、勇于创新的物理学科核心素养和关键能力。

法拉第电磁感应定律是这样表述的：“电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。”这个定律说得多么简洁明了，几乎一个字都不能动，真是“增之一分则太肥，减之一分则太瘦。”充分体现了简洁美。

同样，牛顿第二定律F合＝ma以简单的数学形式概括了极其深刻而丰富的内容，当人们的理解愈深刻时，就愈能感到它的美。当学生初学F合=ma这个公式时，他们的认知水平只停留在识记、理解、应用的层次上；当他们经过分析、解决各种问题的训练，能从世界的统一性来欣赏这个公式时，他们对这个公式的认识就深化到了综合、评价、创新的高阶水平。

模仿和复制美的东西也是人的天性，在欣赏和领会物理学科之美的过程中，学生会自然地养成简洁清晰的思路和良好的审题、做题习惯。

如我们将解决力学问题的三类方法总结成如图3所示的三“剑”：

图3

力学问题无非有两类，一是已知受力情况，根据这三个规律去求运动的量；二是已知运动情况，根据这三个规律去求力的相关量。受力分析和运动分析是力学思维的两翼。缺一不可，插上这两翼，学生的力学思维就能“腾飞”。

在具体解题的思路中，我们引领学生总结出了如图4所示的力学大思路：

图4

前三步要扎扎实实地走完，不能凭感觉，必须落实到位，否则后面的过程就成了空中楼阁。选择研究对象是最重要、最基本的一步，应按照先整体后局部的原则进行。受力分析和运动分析可以交替进行，运动分析决定了对哪个过程用“剑”，而受力分析则决定了第四步选“剑”。

选“剑”的顺序应是先“动量”再“能量”再“牛顿运动定律”。具体地说，如果系统所受的合外力为零，那么首选考虑用动量守恒定律解题。如果只有重力和弹力做功，那么就要用机械能守恒定律。如果不符合上述条件，那么先考虑动能定理，最后才考虑用牛顿运动定律解题。有时一个过程只用一把“剑”可能解决不了问题，此时就要“双剑合壁”，甚至“三剑合壁”。庞大的力学体系，无数的力学题目，在这样一个自然而合理的大思路下被游刃有余地剖析和解决，折射出的是炫目的简单美和统一美的理性光辉。