实施物理学美育，培养学生创新力

杨仕娥，郭巧能，赵维娟，王杰芳，岳学东，唐伟跃

(郑州大学 物理工程学院，河南 郑州 450001)

《理工科类大学物理课程教学基本要求》(2008与2010年版)“素质培养基本要求”一节，所提出的求实精神、创新精神和科学美感只有通过大学物理课程教学，将学生科学美感素质培养升华到创造性解决问题能力培养，引导学生认识物理学所具有的明快简洁、均衡对称、奇异相对、和谐统一等科学美学特征，培养学生的科学审美观，物理学现象、概念、理论和规律包含着丰富美的内容，其各自几乎都蕴涵着对称、简洁、和谐、统一这“四大美”.而心理学上的创造力开发的七法则(即综合、对应、移植、离散、换元、逆反、群体法则)［1］正好与这些物理学美育是一脉相承的，因此通过物理学美育就可培养出学生创造性问题解决能力.

1 物理学美育与创造力培养的关系

物理学现象、概念、理论和规律包含着丰富美的内容，虽然其各自几乎都蕴涵着对称、简洁、和谐、统一这“四大美”，但多数情况下，它们分别显示更多的对称美、简洁美、和谐美、统一美.

1.1 物理现象、对称美与创新力培养

物理现象中的对称无处不在，而对称意味着美，对称是美的化身.孩童斜上抛球运动的对称性轨迹代表了(遵从牛顿第二定律的)基本力学现象，色彩缤纷的肥皂泡代表了光的薄膜干涉现象，漂亮景物与其水面下倒影的对称美景代表了光的反射现象，雨后彩虹绚丽多彩颜色对称分布的美景代表了光的折射现象……探索物理现象对称性的奥秘，就是对美的追求，正是利用对称性原理简化复杂的物理问题，才不断创新更新更美的物理定律.在1897年英国物理学家汤姆生发现负电子后，正是对对称美的追求，1930年量子力学的奠基人狄拉克从理论上预言了正电子的存在，1932年安德森等人发现了正电子.正电子是人类发现的第一个反粒子，由此粒子和反粒子的新领域被开辟出来了，与质子、中子、中微子、介子、超子相对称的反质子、反中子、反中微子、反介子、反超子等一系列的反粒子相继被发现，困扰科学家多年的电荷符号分配不对称的问题终于得到了解决.可见对称美的魅力无穷.这种美的追求类似于创造力开发的移植法则(把一个研究对象的概念、原理、方法运用于另一个研究对象并取得成果的有效法则)、换元法则(换元的含义主要指用一事物代替另一事物，通过对替代事物的研究来发现被替代事物的某些规律)和逆反法则(打破习惯的思维方式对已有的理论、科学技术、产品设计等持怀疑态度“反其道而行之”往往会得到极妙的设计、创造发明).因此，在物理教学中，教师要不失时机地把这些物理学的对称美揭示出来，让同学们充分体会感受，这样在同学们解决问题时才会辨认出对称性问题，提出对称性问题，利用对称性分析和解决问题，因而才能培养学生的对称性思维能力和创造思维能力.有些物理问题，按照常规思路来分析思考，解题过程繁琐复杂或无法解出，可是用对称性方法，就能免去繁杂推理，十分容易解决问题.比如电荷分布如果具有对称性，应用高斯定理就很容易算出任一点的场强，否则很难计算电场强度.

1.2 物理模型、简洁美与创新力培养

物理学概念中的理想模型充满简洁美.具有理想化和形象化的质点、刚体、理想气体、点电荷、光子、光线等概念具体而简明、科学而实用.使得实际纷繁而复杂、涉及诸多因素的物理研究对象变得简单明了且适宜定量研究，进而才可得出接近实际有用的物理学规律和理论.建立每个物理学的理想模型，都需要抓住研究对象的本质属性、舍弃非本质因素，用理想结构替代实际结构;而这些和创造力开发的离散法则(即冲破原先事物面貌的限制，将研究对象予以分离，创造出新概念、新产品)和还原法则(即抓住事物的本质回到根本，抓住关键将最主要的功能抽出来集中研究其实现的手段以得到具有创造性的最佳效果)一致，因此，“理想模型”的建构自身就是一个创新性思维的过程，对理想模型的认识和理解甚至建立“理想模型”，是培养学生创新性思维和创新能力的一个重要途径.

1.3 物理理论、和谐美与创新力培养

物理学理论和谐美包含物理学理论内部相互间的自洽(不相矛盾的)和谐美、不同理论间的对应关系和谐美、各部分之间的互补关系和谐美.动能定理与动量定理都表示一种累积效应，只是前者表示了空间上累积效应，而后者表示了时间上累积效应.把它们隔离开各自来看，它们本身都是自洽的，它们体现了物理理论的对应和谐美.如果把它们归入物理累积效应理论，它们具有了互补关系和谐美.还有，本来相对论力学与经典力学具有完全不同的时空观，可是当物体的运动速度远小于光速时，相对论力学却能还原为牛顿经典力学，这种还原揭示了物理学理论在整体上的和谐.在物理教学中，要多引导同学们发现物理理论中的和谐美.即经常把物理理论对应、对比、归类，类似于创造力开发的对应法则(在设计创造中相似原则、仿形仿生设计、模拟比较、类比联想等)和群体法则(科学的发展使创造发明越来越需要发挥群体智慧集思广益、取长补短)，就可加深同学们对物理理论的理解，站得高、看得远，培养他们的对比整理能力，有利于提高他们的创新能力.

由此自然和谐美推演到人文和谐美，如果教师能在教学过程中构建出师生间情感的、活动的、思维的和谐美，与学生打成一片，给学生以充分的尊重，多提能发挥其主动性的问题，不管学生回答正确与否，都要给予鼓励，这样的尊重和鼓励才能转化为学生智慧和思维的火花，调动其创造性的发挥.

1.4 物理规律、统一美与创新力培养

物理学中的统一美比比皆是，尤其光本身所具有的波粒二象性，最能反映物理学中的统一美，因为波粒二象性竟然把水火不相容的波动和微粒统一起来了.光的波动说与微粒说之争从17世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至21世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间.以牛顿为代表的微粒说和以惠更斯为代表的波动说双方论战异常激烈、艰辛困苦.正是他们“几经欢喜几经忧愁”的不懈努力，在普朗克大胆提出了光的量子学说后，爱因斯坦毅然决然提出:对于时间的平均值，光表现为波动;对于时间的瞬间值，光表现为粒子性.终于揭示出了光波动性和粒子性的统一，即波粒二象性.醉心于统一美，一个问题始终困扰着牛顿:是什么力量导致了天上的无数星球与地上万物的运动呢?他全力以赴、废寝忘食、如醉如痴于伽利略的自由落体定律和开普勒的行星运动规律的研究.终于在1687年创立了宇宙中最基本的法则——万有引力定律和三大运动定律，闪烁着多样统一美的光辉.这正好符合创造力开发的综合法则，这里所讲的综合不是将对象各个要素简单相加，而是按其内在联系综合构成要素中的可取部分，使综合后的整体具有创新特征.在教学中要求学生将已学过的知识组合统一成一个完整的知识系统，从全局来把握知识的内在联系和规律，如梳理完力学知识后会发现:牛顿三定律贯穿整个力学体系.训练学生自己体会认识物理学中的统一美，培养学生归纳整理能力，点燃学生渴望发现统一美、创造美的欲望.

2 物理学美育与创新力培养的实施

只有利用物理学的美最大限度地激起大学生学习物理的兴趣，才能培养学生创造力.那么，如何激起大学生学习物理的兴趣和培养学生创造力呢?这里给出结合物理学美育、创造力开发法则、物理教学实践初步探索出的方法:启发式引领+三结合贯彻→创造力培养，即“启发与三结合”教学模式.

所谓“启发与三结合”教学模式，就是在教学过程中，将创造力开发的综合、对应、移植、离散、换元、逆反、群体等七法则融入物理学美育中设计一系列启发式问题，以启发式教学为主，再根据由教学内容确定出的多媒体教学、板书教学和科学美教学“度”的比率进行时间分配，实现这三者充分有机结合起来的教学模式.

2.1 备课时，设计好“三结合”，准备好启发式问题

首要任务须掌握教学内容，其次须熟悉教学内容的特征.注重物理学内容含“四大美”，就要发挥其丰富美的作用.同时注意板书教学内容直观、简洁、形象，对学生掌握课堂内容、启迪学生智慧、发展学生潜力等起着很大的作用;多媒体教学内容丰富、具体、生动，能帮助学生更容易地接受和理解抽象的概念和理论，进而极大地激发学生的求知欲望、激励学生创造思维活动.为此需要根据每次所讲大学物理的教学内容及其所含科学美的内容，来确定多媒体教学、板书教学和科学美教学定量配比［2］.这里就是要注意结合现代大学生的心理与审美特点，尽量采用渗透美学原理的各种教学手段去创设美的教学情境，来体现物理学中的科学美.因为只有针对教学内容的特征、教学对象的心理与审美特点，以能贯穿物理学中的科学美为前提，结合使用两种教学手段去创设美的教学情境，这“三结合”教学模式就能使师生双方身心和谐舒畅地进入“美”与“乐”的境界，在这样轻松愉快的氛围中就会达到“满怀兴趣学物理，创造能力易发挥”的教学效果.

但要真正实现发挥创造能力，还必须靠教师按照讲授物理内容的美(对应于创造力开发法则)去创设各种问题，为学生提供“在实践活动中发现问题，着手解决问题，使学生成为学习的主人”氛围.再将这种启发式教学与“三结合”教学模式综合起来就会达到“创造”与“美乐”的教学境界.由此会极大提高学生学习积极性，进而激发学生的创造热情，培养其创新能力.

2.2 上课时，启发式引领，贯彻“三结合”

原则上，确定多媒体教学、板书教学和科学美教学各自所占的比例后，适度利用多媒体图文声像并茂的特点以增加生动形象美，同时不失时机地进行板书教学和添加科学美的内容，如用多媒体动态播放实验现象，静态显示概念、定理、定律、公式、结论、例题题目;而用板书教学推导定律、定理以及讲解例题等.教学内容心中有数后，具体在教学实施过程中，作为学生的“协作者”，教师应使用创造力开发的七法则去创设各种环环相扣的问题，为学生提供“在教学实践活动中发现问题，着手解决问题，使学生成为学习的主人”氛围，又不失时机插入体现美感四个特征的美学因素，制造美的氛围，达到“创造”与“美乐”并举的境界，以极大提高学生学习积极性，进而激发学生的创造热情，培养创新能力.这样，教师用启发式教学法来牵引学生的思维，和学生形成互动，根据学生反应微调授课内容和形式，如对学生的疑惑应及时增加板书给予讲解、对反应不上来的内容及时回放再解释等.教师还要注重用自己的形体语言、面部表情、板书文字、手势引导、讲解语气来体现出本身美，激发出学生兴趣.这样以启发式教学为主导，多媒体教学、板书教学为辅助，贯穿科学美，实施“启发与三结合”教学模式，就能切实提高物理教学的魅力和美感，有效地突破重点和难点，从多角度调动学生的情绪和情感，提高学生的兴趣和注意力，因而就可游刃有余地进行创造力的培养.

下面以“刚体定轴转动的角动量定理和角动量守恒定律”为例来说明“启发与三结合”教学模式.

首先根据这一教学内容确定三者的配比.因为推导刚体角动量定理过程中涉及学生不熟悉且是刚刚学过的“刚体”、“角动量”、“转动惯量”等概念，且用微积分来推导，总体上属于“较难”的教学内容，所以三者的配比定为，多媒体教学∶板书教学∶科学美教学=7∶2∶1(随时注意学生对所讲内容的反应，如互动教学过程中感到或观察到学生回应不佳，可立即增加板书细讲，三者的配比可变为，多媒体教学∶板书教学∶科学美教学=6∶3∶1).同时设计一些启发式问题，能否依据对应关系和谐美直接由牛顿第二定律大胆写出角动量定理呢?哪位同学能说出天上或地上符合刚体或质点角动量守恒定律的例子(以体现理论、实验互补印证的互补关系和谐美)?

其次具体课堂教学可做如下安排:回忆上节课重点内容(复习物理概念的“刚体”、“角动量”、“转动惯量”的简洁美)再讲新课，用多媒体一步一步显示，且把重点或难点式子用鲜艳颜色标示，并根据学生反应情况决定是否需要把这些式子再用板书细化、举例或详加解释、讨论，则既可避免条理凌乱、费时过多，又可详略得当、生动有趣.除此以外，还必须不时插入引人入胜的小问题、小例子、物理学史小故事以进行对学生的创造力培养.譬如此处就可不失时机采用创造力开发的对应和移植法则教学:既然知道刚体中力矩M、转动惯量J、角速度ω分别和质点中的力F、质量m、和速度ν对应，那么就可把牛顿第二定律的数学表达式F=d(mν)/d t移植到刚体中，“创造性”写出M=d(Jω)/d t;然后鼓动学生:如不信我们刚用体现物理和谐美的手段——类比法轻易得到的此式子，我们就来推导一下，这样学生就会饶有兴趣听下去并恍然大悟:原来此式子就是刚体角动量定理数学表达式.至此，学生就好理解难懂的J和ω了，也会让学生感受神奇美并进入奇异美的境界，且环环相扣，引出小故事:学历史的法国青年德布罗意正是利用光的波粒二象性类比出了将要讲的实物粒子波动性，为此他还获得了诺贝尔物理学奖……这些物理学家追求美的事例，可使他们感受到物理学“何其简单美?可望又可即”，激发他们创造美的强烈愿望.最后，总结梳理本节课内容，给其整体条理美感.总之，这样不仅能使学生有声有色地接受物理知识，也在不知不觉中提高了他们的创造能力以及科学和美学素养，学生何乐而不为呢?如果学生理解掌握本节课快，亦可再增加些科学美内容，可使三者配比为，多媒体教学∶板书教学∶科学美教学=6.8∶2∶1.2.在这种情况下，可使学生真正感受到发生在身边的物理美，改“让学生想象的教学方式”为“观看美妙无比的花样滑冰和跳台跳水表演录像”的教学方式，其间插入启发式问题:哪些动作正好反映角动量守恒定律?待其回答完毕，发现闪光点，马上送鼓励，以体现其智慧美.而后老师再把正好反映角动量守恒定律的片段边慢放边归纳总结.花样滑冰运动员原地旋转时，先把两臂张开，并绕通过自身中心垂直转轴以一定角速度旋转，然后迅速把两臂朝身边靠拢，这时由于转动惯量变小，根据角动量守恒定律，角速度必增大，因而旋转更快［3］.跳水运动员常在空中先把手臂和腿蜷缩起来，以减小转动惯量而增大转动角速度，在快到水面时，则又把手、腿伸直，以增大转动惯量而减小转动角速度，并以一定的方向落入水中，溅出的水花就小.这样会使他们不仅欣赏和享受到运动员表演美，更真正体会到日常生活中物理规律的“美”和“妙”，以最大限度地激发他们学物理的兴趣，使他们在美滋滋乐滋滋地学物理中充分发挥其主观能动性，切实培育其创造力!

3 结语

注重创造力的培养，仔细琢磨每节物理课教学内容，将其中的科学美充分挖掘出来，然后利用“启发与三结合”教学模式进行课堂教学，即由教学内容确定出多媒体教学、板书教学、科学美教学这三者的配比，并在讲课过程中根据创造力开发的法则用启发式方法具体实施教学，真正实现对学生的创造力培养.

［1］全国十二所重点师范大学.心理学基础［M］.2版.北京:教育科学出版社，2008.

［2］郭巧能.传统板书·现代多媒体·物理学的美［J］.学理论，2011(12):333－334.

［3］张三慧.大学物理学［M］.3版.北京:清华大学出版社，2009.