中学物理教育中美育_教法学法-查字典物理网

一、美育与物理教育

作为美育理论基础的美学与物理学，就独立的两门学科而言，都各有自己的周界，但它们又相互交叉、渗透。图1表示了物理学与美学、教育学、心理学之间的学科生成结构。图中区域Ⅰ物理教育学；Ⅱ为物理心理学；Ⅲ物理（科学）美学；Ⅳ为物理教育心理学；Ⅴ为物理审美心理学；Ⅵ为物理教育艺术。这些交叉学科（或称边缘学科）的研究目前已出不少成果。尽管这种学科生成的模式只是选了某种摄入角度，但从中却可看出美学在物理学中的地位，或者说从某种角度反映出两者的关系。

那么，深入到物理教育与审美教育中，两者又存在什么关系呢？我们不妨用比较的方法来探究。

物理教育的使命可表述为：培养学生认识宇宙，学会从物质组构和运动的繁杂、混乱无序之中，整理出统一的、简洁的秩序和规律。

审美教育的使命可表述为：培养学生具有正确的审美观和鉴赏美、创造美的能力，学生从零散、无序的艺术哲学之中整理出令人神往的秩序和规律。

这里所谓的“秩序”意味着真理与和谐。可是，物理教育与审美教育都是为了秩序”，追求“规律”，只是学科不同，相应的教育方式和方法各有特色而已。

其实，天下的学问本是相互交叉、彼此渗透的。人们将学问机械地分为数学、物理学、化学、生物学、天文学、海洋学、地质学、经济学、哲学、法学、美学等，这只是人类漫长的文明发展史上某一特定时期的一种文化现象。

随着人类社会的进步与文明的进一步发展，各学科间相互渗透、影响更趋广泛和深入，当今知识的日趋统一和学科朝各自专业化纵深进展，已成为人类文明发展的大趋势。美育不断渗透进物理教育，日益综合，正是顺应了人类知识大统一的大潮，而探索物理教学与审美教学的关系，则是这股大潮中溅起的一朵浪花。

物理学具有自身的科学美，体现了美学原理，并不能就此将物理学等同于美学，或者将两者混为一谈，其实它们作为独立的学科，都具有不可相互取代的独立性。

二、物理学中美育的任务

物理教育中的美育应根据学科教育目标，结合中学生审美心理特点和生理特点，通过揭示物理学的“真”与“美”，使广大中学生开阔视野、和谐关系、陶冶心灵、开发智能、活泼气氛、增强情趣。

（一）培养学生正确的审美观，激发他们创造美的热情

物理知识的真是美的基础，没有真就没有美。美不是抽象的、空洞的、神秘的东西，它离不开物质的结构与运动。凡是美的事物，总符合事物发展的规律，代表事物发展的趋势的。因此，物理学中的美体现着真，包含着真的。物理教学活动从来不是单向的抽象思维活动，而是师生双边活动；在教学活动中，师生间不仅仅是知识概念的交流，也是心灵与情感的沟通，因此，无论从教育内容，还是从教育方法来说，都应体现真、善、美的统一。中学生进入青春期后，爱美意识逐渐加强，从单一注重外表逐渐转向内在的精神价值的崇尚；审美范围也逐渐由周围狭窄的生活圈子扩展广阔的社会生活与自然现象中去；审美思维式也逐渐从形象进化到抽象，从感性进化到理性。因此，适时地引导他们树立对自然现象、自然法则思维艺术的审美情趣，以提高感受、鉴别和理解美的能力，是完全符合人才成长规律的，不容延误，更不容轻视。

事实表明，凡对自然美和艺术美有追求的学生，一旦剖析了物理学的科学美，往往令他们在对物理学美的赞叹中，提高学习物理的热情，逐渐领悟到物理学有如同诗一般的简洁、对称与和谐之美，他们对学好物理学的兴致会更浓，学习潜能挖掘得更深，进而从尝到的学习成果滋味中，更激励他们主动学习、刻苦钻研的求索精神，构成动因与效果间的“正反馈”。要达此目的，关键在于教师在教学活动中怎样创造美的氛围，怎样诱发学生的审美激情，让审美主体的学生能最大限度地发现美、欣赏美、享受美。

对物理美的认知，可以激发物理学家破译宇宙密码的强烈激情与灵感，同样也完全可以使学生产生探索物理的激情与创造的动机，令学生在感知审美对象的基础上引起情感反应，产生积极联想和深刻理解，从而迸发出创造性思维的火花。近年来，我国不少中学生发表了大量极有创见的科学论文、科学实验、科学制作，甚至有被美国宇航局采纳的航天飞行中的实验项目和方案。近几届国际物理奥林匹克竞赛金奖桂冠也大都由我国中学生摘取，从这些创造性思维成果中，我们都能寻找到美育的痕迹。

可以肯定地说，对科学美的认识是诱导学生学好物理学的桥梁，伴随而来，展现在学生面前的就再也不是一堆死气沉沉的公式，而是一串串令人赞美的珍珠了。不过，这些定律、公式能给学生带来美的享受是有前提的，那就是这种对物理美的感受不是光靠肉眼来辨析，更要靠心智去体验。这要求物理教师从素质上注意培养学生具有像科学家那样敏锐的辨析力和丰富的想像力。

其实，对科学美的认识本身也有助于完善和促进学生观察能力、思维能力、想像能力、记忆能力和操作能力，尤其对培养学生具有扩散性思维的想像能力作用更显著。艺术的想像力给人类喜欢钻研的思想添上了双翼。难怪爱因斯坦一贯强调“想像力比知识更重要”。艺术的想像力会刺激科学的想像力，这些都是对美的追求的表现。

（二）培养学生高尚的情操，使他们成为：身心健康、全面发展和有道德的人美育通过陶冶学生的心灵，起到以形悦心，以情感人，以美引善，以美育人的作用，从而培养学生具有优良的道德。这一作用根源于美与善的辩证统一。美育与道德的善是一致的，美以善为前提，善是美的本源，善又是真与美的归宿和家园。美和德是亲姊妹，美的情感和善的行为是道德的基础。

不论哪一套中学物理教材，都涉及近百名中外著名物理学家。这些物理学家虽然国籍不同，所处年代不同，各人经历不同，但他们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；视苦为乐，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，定能使学生深感染，进而学习和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、美作为正视生活的理想，扬起生命的风帆，去追求美，表现美，创造美。通过物理学美的内容和教育方法，陶冶学生爱美的情操，逐步净化他们的心灵，引导他们做一个有道德的、崇高的人，身心健康全面发展的人。

三、物理学的美学特征

“原子弹之父”奥本海默认为，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”。

物质世界的真与美从来都是统一的，物理学家往往借助美来认识真理，整理事实，以从中得出普遍的规律或结论。诚如为牛顿作传的著名作家沙利文所说；“因为科学理论的主要宗旨是发现自然中的和谐，所以我们能够立即看到这些理论必定有美学价值。”并断言：“一个科学理论成就的大小，事实上就是它的价值的大小。”美学因素不仅仅存在于物理论创立的原动力之中，还渗透于其理论体系的构思与表达之中。

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性、对称性、和谐性。

（一）简单性

物质世界的构成和运动，客观地展现出“简单”的风采：一切物质都由最简单的粒子成；光沿着最简单的直线传播；行星沿着简单的几何曲线──圆、椭圆、抛物线或双曲线运动；等等。

物理学家对宇宙呈现的简单性具有强烈的信念，他们采用“宁可寻求简单”的逻辑与手法来研究物质世界。从天体到基本粒子，物质运动纷繁复杂，但物理学家巧妙地从复杂的真实世界中，把研究对象一一分割，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、电力线、理想变压器、光线、薄透镜等等，以这些优美的理想模型概括出物质运动的基本规律，变复杂为简单，既简洁又合理，既抽象又形象，给师生带来研究物质世界美享受。

物理理论体系、规律、公式表达上体现在逻辑上的简单美，更令人赞叹。作为支撑经典物理大厦的牛顿运动定律，在宏观低速领域，实实在在地展现其简洁和完美；而作为现代物理大厦支柱的相对论和量子力学，又从更广阔领域描绘了一幅极其简洁的物质组构和运动的生动图象。

至于采用数学工具，以极其简洁而严谨的函数关系或明快而直观的数学图线来描绘错综复杂的物理现象，那在整个物理学的研究中就比比皆是了。

（二）对称性

在美学中，“对称”是形式美的表现，指整个组成部分之间的相称或对应，如空间上的和谐布局，时间上的节律协和。

在物理学中，物理学家追求的是所研究的宇宙结构的对称性和物质运动的对称性。他们也常把追求理论的对称之美作为一种有效的研究途径。

探索物质世界时空的形象对称性始终是物理学的热门话题之一，最形象的要数镜像对称。诸如物体竖直上抛和斜体运动的上升过程与下降过程的时空对称；在光学和固体物理中屡屡出现的空间对称；在交流电和电磁振荡研究中出现的时间对称。学生最易体会的时间对称例子是地球自传、公转带来的白天、黑夜与年复一年的周期与节律。其实，伽利略的“力学定律在所有惯性系中都相同”的相对性原理，深刻地揭示了建立在直觉经验基础上的时空形象对称性。

物理学公式、定律表达方式上和理论结构上所反映的对称性更是不胜枚举。诸如电磁学中静电力的平方反比定律的公式表达就是追求跟万有引力平方反比定律的对称而获得的。卢瑟福的原子有核模型的构想则得益于长冈的思想，如他论文中承认：“长冈从数学上考虑的土星原子是值得注意的。”而日本物理学家长冈半太郎的“土星系原子模型”也完全是出于对宏观天体与微观粒子间的对称性考虑。又如，麦克斯韦根据电与磁的对称性及磁力线图象的对称性，在没有任何实验支持的情况下，大胆地在安培定律中平添了“位移电流”矢量项，使麦克斯韦得以建立起他的呈现对称美的方程组，其中主要的四个方程彼此相容，成为自洽的关于电磁场的完整理论体系，被誉为自然界最优美的诗。

除形象对称性外，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。

在理论物理中，对称性又往往表现为对运动方程或描述物质系统状态的函数作某些数学变换后，该方程或函数保持不变的特性。

探寻宇宙的对称性，已成为当代物理学发展的突破口，难怪温伯格认为，在我们日常生活中的确存在隐而不见的对称性。我认为，在物理学中还没有比这样一种想法更有希望了。

（三）和谐性

“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。

“多样的统一”之美是人类追求的永恒主题。整个物理学史，在某种程度上也可以说是物理学大师们为建立统一的物理理论的奋斗史。只用一个理论以说明存在于宇宙的四种力──重力、电磁力、弱力和强力的“统一场论”，是爱因斯坦耗费30多年宝贵岁月，孜孜以求的目标，尽管抱憾以终，但他的前瞻性思想，对现代物理进展的影响至为深远。寻求迈向统一场论之路，仍是当今物理学的前沿课题之一。

“对应”是物理学和谐美的另一表现形式。电子、质子、中子与正电子、反质子、反中子体现了物质构成的对应；而E＝mc²的质能公式则体现了质量与能量的对应。除了这些类比性对应关系外，还存在理论继承性对应关系。热力学理论初创时，物理学家们就坚信：表示物体温度、压强、热容量等宏观物理量与表征分子和原子的大小、质量、速度、能量等微观物理量间存在对应关系。以后，随着统计物理学的发展，物理学家果真能圆满地以分子动理论和统计方法揭示出宏观热现象的微观本质，体现了新旧理论间的继承性对应关系。

奇异与和谐的配置也是美的体现。不和谐在和谐的背景下才给人以美感。古人认为，圆是最和谐的，于是，托勒攻和哥白尼就用圆形轨道建立起一幅和谐的宇宙图景，开普勒用实验观察，发现了行星运动的椭圆轨道理论。很显然，椭圆是圆的奇异，圆只是椭圆的特例，开普勒的行星运动定律体现了和谐奇异美，爱因斯坦的相对论又解释了行星椭圆轨道还会发生运动。运动的椭圆又是圆的奇异，但它逼真地体现了物理规律的动态之美。难怪现代物理学把“对称加破缺”看作是一条重要的美学原则，这正体现了和谐奇异美的思想。

通过上述简析，我们不难清晰地看到：物理学在破译宇宙密码的同时，实实在在地展示了其“惊人的简单”“神秘的对称”“美妙的和谐”。

四、物理教育中美育的实施

（一）物理教育中的美育途径

物理教育中的美育，并不是要求物理教师把物理课上成美育课，而是要求物理教师应注重美育的渗透，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氛围。诸如在学校的教室、实验室、走廊里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，从许多名人成才道路的剖析中，都不一而同地揭示了他们当年求学时代校园文化对形成崇高审美素质所起的作用，是如此深刻与牢固，以致影响他们终生。另外，还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，开设有关物理美学讲座等。当然，物理课堂教学活动是渗透美育的最重要场所。

在物理教育的各个环节中，教师应适时地展示研究对象和物理现象的美，发掘物理思想、理论框架、物理规律、表述方法的美。不光追求教育形式的美，更应刻意追求教育思想内在的美。真正达到寓美育于知识教育之中。

（二）物理教学艺术

每堂物理课都应该是教师创作的优美作品，要求在授课艺术上充分体现物理学科自身的美学规律，产生审美效果。

一般而言，教学艺术的审美性显现在教学设计美、教学过程美、教学语言美、教态美、板书美等常规的可操作方面。其中教学设计美往往体现在教学计划、教学方案别具一格，新颖可行，富有成效。教学过程美应体现在开始能引起学生兴趣，全神贯注地投入；衔接能环环紧密相扣，别具匠心；转化能自然畅达，波澜起伏，引人入胜；结尾能令学生茅塞顿开，余味无穷，发人深思。教学语言美体现在无论书面还是口头语言都应该生动形象、言简意赅，精确明快，富有情感和幽默感。物理教师的语言是思维艺术的展露，课堂语言的组织和设计也反映了教学思维的深刻程度。精湛的语言能使物理规律表述得妙趣横生。尤其是具有直观性和启发性的形象化比喻手法，能激起学生展开想像的翅膀。诸如教师在讲述原子结构时，可把原子比作一个体育馆，而原子核就像挂在馆中央的一个玻璃球。这种形象描述生动地展示了原子核与原子关系的图景，令学生理解更容易，记忆更深刻。当然，教学语言还要求有和谐的节奏，抑扬顿挫，注重轻重缓急，力争声情并茂。总之，物理教学语言美对教师提出了语言修养的要求。至于教态美则应体现为教师衣着打扮美观大方，仪态端庄，待人真诚，举止自然。板书美则体现为布局协调，重点突出，书写规范，字体漂亮。但是，这些教学艺术还应该跟物理学自身具有的简单、对称、和谐的美学特征紧密结合，在学科教育中最大限度地渗透美育。

总之，从物理教师应该是“塑造新一代心灵美的科学人才的工程师和艺术家”这一视角出发，物理教育中的美育万万忽视不得。如果说学生是神话中的阿里巴巴，物理学是珍藏宝贝的山洞，那么，物理教育中的审美观点就是“芝麻，芝麻开门吧！”的神秘符咒。调动学生的审美思维，启发学生的审美联想，让学生树立起这样一种信念：宇宙存在着一种最终的简单、对称、和谐之美，有待他们去发现，去揭秘，去“原天地之美，而达万物之理”。

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