谈高中物理美学教育的四个层次，本文主要内容关键词为：美学论文,高中物理论文,层次论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理学是一门充满生机和魅力的学科，对物理科学美的认识是对物理学知识更深层次的认识，是从整体上对物理科学特性的一种把握，在物理教学中教师应努力致力于揭示物理知识的美，适时地展示物理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，使学生能够感受、体验和欣赏科学美，逐步引导学生去发现、追求和利用科学美，把物理的美育功能真正落实到课堂教学中。
我们认为，物理教学中的美学教育有以下四个层次：美观、美好、美妙、完美。
第一个层次：美观 这主要是指物理对象以形式上和结构上的对称、和谐、简洁，给人的感观带来美的感受。
物理学中的许多运动因具有简单、对称或和谐的美，这种运动美包括：运动的轨迹美——如所有行星的椭圆运动、抛体的抛物线运动、带电粒子在匀强磁场中的圆周运动或螺旋线运动等；运动的对称美——如抛体运动的上升与下降的时空对称、在交流电和电磁振荡中出现的时间对称、变化的磁场产生电场与变化的电场产生磁场的结构对称等；运动图像美——如匀变速运动速度图像是一条直线、简谐运动图像和波动图像都是正余弦曲线等，揭示和欣赏这些运动形式美能激发学生物理学习的热情。
物理教学中的美观认识，不仅在物理现象和物理运动中随处可见，在物理公式中也很多。公式的外观美包括：公式的对称美——如动
这些公式非常对称与和谐，同样给人以美观感受。
追求公式的美观与和谐也可以导致科学的发现。例如查理在研究一定质量的气体等容变化的规律时，得到的规律表达式为p[，1]=p[，0]（1+（1/273））。开尔文为了使公式的线性关系简化为正比关系，建立了热力学温标，将查理定律表达式变为P[，1]/T[，1]=P[，2]/T[，2]。后者更简洁、更对称，寓意更丰富，因而显得更美观。
第二个层次：美好 物理知识的真是美的基础，没有真就没有美，只有认识到它的真实性和正确性，才能感受到其“美好”。上面提到的那些错误公式，一但理解了它们的错误，甚至跌了跟斗，就不会再感到其外在的“美”了。
“美观”的物理对象，也必须进到“美好”的层次。例如机械能守恒定律
从公式上看是极其美观对称的，从物理意义上看它也十分美好，揭示了物质运动过程中存在着变化中的不变性，而这正是物质和运动都不可创造和不可消灭的具体体现。例如在物体的自由下落过程中，既有速度的变化，又有竖直位置的变化，速度的变化正是由位置的变化变换而来的，这就是两种能量（动能和势能）的转化。而在这转化中，一种能量的增加必等于另一种能量的减少。如果不相等，便意味着有额外增加的能量或额外减少的能量，这显然违背了物质和运动不可创造也不可消灭的原理。通过这样使学生建立初步的守恒观点，也使学生确信守恒定律是物质运动中所必须遵循的最基本法则。
反映自然界运动特征的物理规律是高度抽象和概括的，常常既不直观也不美观。比如楞次定律的内容——感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。从定律的内容看，它揭示感应电流方向的方式较为抽象隐蔽，而没有象“右手定则”那样直观又直接的揭示出感应电流的方向。但是，当我们去分析、理解和运用它时，就会发现它的价值，它的“内秀”：当回路的磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，以阻碍其增加；当回路的磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，以阻碍其减少。而阻碍“磁通量的变化”就必然会产生阻碍“引起磁通量变化的原因”，包括阻碍“导体与磁体的相对运动”、阻碍“原电流的变化”等等。由于在电磁感应现象中产生了电能，正是通过这种阻碍作用消耗了机械能或其它形式能而转化为电能的。可见，椤次定律美好地展现了电磁感应现象中内在的能量守恒美。所以当你和它熟悉了，就会觉得它内容虽抽象，本质却是美好的。
物理学中的理想模型舍弃了实际事物的非本质物征或无关特征，提取了其本质特征和相关特征，诸如质点、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、电力线、理想变压器、光线、薄透镜等等，这些优美的理想模型概括出了物质运动的基本规律，变复杂为简单，既抽象又形象，既简洁又合理，因而十分美好。在教学中应突出物理模型的建立过程，充分展示物理模型的内在美。
第三个层次：美妙 美妙的感觉需要培养。在物理学史上有许多精彩的物理实验，由于实验设计思想的创造性、实验装置设计的新颖性和实验技术的艺术性，从而克服了种种困难，做出物理学上的重大发现或技术上的出色发明。在教学中充分展示这些精湛优美的实验可以使学生发现和体验物理实验的精彩和美妙。例如万有引力常数的测量，由于普通两个物体之间的引力实在太小了，无法显示出来，以至在牛顿发现万有引力定律后的一百年内，一直没有人在实验室内测量它。直到卡文笛许采用了扭秤装置，通过三次巧妙的测量变换和放大，将力的测量变换为力矩的测量；又将力矩的测量转变为石英丝转动角度的测量；再将转动角度的测量转变为光点移动距离的测量。这一精妙设计终于获得了历史性的突破，测出了这一微小的万有引力常量。
教师在课堂上应该多给学生一些创新、探究，以至发现的机会，让学生体验发现真理的快乐。高中新课程标准明确提出物理教学要让学生经历科学探究过程，尝试用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。比如让学生用光电计数器探究恒力做功与物体动能变化的关系；通过实验探究感应电流的方向，发现楞次定律；通过实验探究变压器与匝数的关系；通过，探究单摆的周期与摆长的关系等等。可以想见，让学生自己发现一个物理规律并亲身体验这一探究的过程该是何等的兴奋和惊喜，一旦体会到科学探索的“美妙”，对物理学科产生由衷的兴趣，也就是顺理成章的事了。
第四个层次：完美 自然界本身是一个简单、和谐、统一的整体，作为描述和揭示自然现象和规律的物理科学也应是简单、和谐和统一的。“多样性的完美统一”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，科学家将大自然的这种完美升华为一种哲学信仰，正是追求这种至善至美、完美无缺，激起了他们强烈的探索动机，给他们带来无穷无尽的探索力量和智慧。牛顿为追求天体运动和地面物体运动的完美统一发现了万有引力定律；焦耳为追求热与功的完美统一测出了热功当量；法拉第为追求电和磁的完美统一发现了电磁感应现象；爱因斯坦为追求时间与空间的完美统一发现了相对论、为追求质量与能量的完美统一发现了质能方程等等。作为支撑经典物理大厦的牛顿运动定律，在宏观低速领域，实实在在地展现了其简洁和完美；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结构和运动的生动图像。科学的完美，不仅体现在科学理论本身的和谐统一、完美无缺上，还体现在科学技术的巨大进步上。海王星与冥王星的发现、人造卫星的升空、原子弹的制造等等，这些人工之作无不叫人惊叹科学的伟大。在物理教学中渗透科学家追求科学完美的典型事例能促进学生对科学美的认识转化为对科学美的追求。
例如在学完力学知识后，可引导学生总结力和运动的各种关系，将力产生的瞬时或累积效应及其相互间的联系归纳成下图。
曾有位科学家说过：“科学家的灵窍，诗人的心扉，画家的慧眼，所感受的都是同样的和谐，同样的优美，同样的富有韵律和节奏”。对物理科学美的认知，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，令学生在感知审美物理对象的基础上引起情感反应，产生积极联想和深刻理解，从而迸发出创造美学体验，表达自己的科学美学感受，弘扬科学美学的文化价值，当是一种值得重视的经验。