让高中物理课堂闪现“美学”之光

范永梅

(南通大学附属中学,江苏 南通 226019)

在全国教育大会之后,如何“全面加强和改进学校美育,坚持以美育人、以文化人,提高学生审美和人文素养”成为越来越多教育工作者关注的话题．就高中物理课程来说,绝大多数人很难将科学理性的物理概念和规律,与感性抽象的美育联系起来．不少物理教师认为,只有音乐、美术、文学、哲学等学科中才有美的因素,而事实上,物理概念思辨中的哲学之美、数学推演中的逻辑之美、实验探究中的发现之美、模型建构中的思维之美、实践应用中的创造之美……都能激发和深化学生对物理美的感受,培育审美意识,提升审美能力,实现“以美启真”、“以美育人”的目标．

1 引领概念思辨,感受哲学之美

谈到“哲学”,很多物理教师往往会“敬而远之”或认为与自己的课堂教学“相去甚远”．实际上,“哲学”在古希腊语中原意是“爱智慧”,即“爱真理”,是指批判性反省的精神与方式．哲学的基本归旨是指导人们对自己的观点、行动、环境等保持慎思的态度,从而形成敏锐的判断、思考和实践的能力．这种哲学的思辨之美,并非仅蕴藉在人文社会学科．物理学中很多概念规律也是通过现象与本质、整体与部分、主要与次要、主观与客观等哲学思辨而逐步建立起来的．

学生在形成一个物理概念之前,基于生活体验或生活经验在头脑已经形成了经验性认识或观点,有的是正确的,有的是错误的,有的是清晰的,有的是模糊的,因此要在经验尝试基础上建构正确物理观念,就需要教师在教学过程中引领学生从现象观察、客观情境中进行概括、思辨,抽象出本质特征规律,总结形成物理概念．因此,物理概念规律形成的过程,往往是与批判性思维一路同行的过程,教师若善于抓住形成物理概念过程的关键美学因素、美学思想,加以引导,定能让学生感受到感性美与理性美相互交融统一的“物理美”．

比如在自由落体的教学中,要建立“轻重不一样的物体,仅在重力作用下,下落快慢相同”的正确认识,教师可以引领学生从伽利略对轻重不一样物体假设下落快慢不同而得出的逻辑矛盾出发,引领学生思考影响物体下落快慢的因素,让学生领略哲学思辨的美妙和成功体验．学生再通过同质量纸片和纸团下落实验、牛顿管实验等观察,感受和印证空气阻力对物体下落的影响,从而明晰平常看到的轻重不同、密度不同的物体下落快慢不同是因为受到阻力不同的缘故．这样通过对主要和次要因素的思辨探究,学生纠正了头脑中已有的错误概念,建立了对自由落体新的正确认识,如果教师再让学生通过实验测定自由落体运动物体的加速度,学生更能体验到从日常现象,如何通过积极思辨,自主探究建立正确概念的科学路径．这种建立概念的过程,变成了一次充满理性美和哲学美的发现之旅,在学生头脑中形成了包含实验现象、认知愉悦和科学思维的“审美意象”,激发了学生探索物理世界的激情!

2 关注数学推演,感受逻辑之美

物理学家彭加勒认为,物理美“不是打动感官的美,也不是质地美和外观美;并非我小看这样的美,完全不是,而是它与科学无关;我意指那种比较深奥的美,这种美来自各部分的和谐秩序,并且纯粹的理智能够把握住它”．可见,物理学在研究过程中,离不开逻辑和数学工具,最终常常通过数学形态以理智的方式建构物理学的定律和理论框架．

在实际教学中,通过让学生了解相关物理学史,感知数学推演在物理规律建立过程中的重大意义．比如在学习开普勒第三定律时,可以和学生一起经历科学家数学推演的过程．先把六大行星(开普勒数学推演时肉眼只能够看到六大行星),与太阳的距离——行星椭圆轨道的半长轴,列成表格(如表1第4列),学生没有看出规律．再加入六大行星的公转周期(如表1第2列),让学生尝试探究周期和半长轴是否存在某种规律．学生进行多种尝试未能找出规律．教师此时可以介绍,开普勒当年把这张表格抄了很多份,贴在他能看到的任何一块地方．他用各种可能的运算方法进行计算,加、减、乘、除、平方、立方,……,整整10年,他一直在做这样的数学推演．学生此时内心受到极大震撼．开普勒一直没有放弃,他坚信存在着一个把全体行星完整地联系在一起的简单法则,宇宙存在和谐美,数据之间定当存在一种和谐美．这时学生迫切想知道开普勒用10年时间到底推演出什么数学规律．教师此时增加公转周期的平方(如表1第3列)和轨道半径的立方(如表1第5列),让学生自己通过运算填写数据,学生通过比较,发现其比值是一个常数(如表1中第6列列出的)．教师此时可以补充介绍,1618年,开普勒出版了《世界的和谐》,发表了开普勒第三定律,和学生们刚才发现的规律一致．

表1 开普勒第三定律的数据分析

开普勒第三定律发现的过程是物理学发展史上精确的科学观测与严密的数学推演完美结合的典范,开普勒也成为用数学公式表述物理原理的第一人．学生通过经历开普勒的数学推演,感受到了科学家发现规律的美妙与艰辛．这种基于数学推演的美学因素在物理课程中还有很多,只要加以巧妙引导和整合,会让课堂呈现别样之美.

3 经历实验探究,感受发现之美

爱因斯坦认为美是探求理论物理学中一个重要的指导原则．对美的追求如同对真的追求一样,是物理学家进行科学研究的目标．物理学的发展是一个循序渐进的过程,理论上的每一次飞跃,都标志着人类对自然规律认识的一次进步,都是科学家对真理和美不断追求的结果．

科学家在探索自然的过程中都有着深刻的美感体验,也为学生构筑了集形式美和内容美于一体的辉煌壮丽的科学殿堂,但为什么学生在学习物理时却无法获得与科学家相同的美感体验呢?爱因斯坦对此作出了很好的解释:“科学结论几乎总是以完成的形式出现在读者面前,读者体验不到探索和发现的喜悦,感觉不到思想形成的生动过程,也很难达到清楚地理解全部情形……”,可见,更多的美感体验存在于探究发现过程．

例如人教版“闭合电路欧姆定律”这节,教材中通过能量守恒定律,由非静电力做的功应该等于内外电路中电能转化为其他形式的能的总和,理论推导出闭合电路欧姆定律．笔者将理论推导改成学生的自主实验探究．首先设计了一个演示实验,用3 V的干电池给额定电压为3.8 V的小灯泡供电,让学生观察灯泡亮度,然后拿出9 V的层叠电池,让学生猜想接上灯泡后的现象,绝大多数学生担心灯泡会烧掉,结果事实是灯泡很暗,学生猜想可能层叠电池电压不是9 V,我让学生用数字电压表自己测量验证,发现这种猜想不正确,层叠电池两端电压约9.61 V,有学生猜想,接入电路时,电池内部是否有内耗?我让学生自己设计实验方案,验证自己的猜想．学生通过测量,发现层叠电池给灯泡供电时,灯泡两端电压只有约1.72 V,在此基础上,教师再引导学生想办法利用化学电池可以同时测内外电压的特点,自主设计实验方案,分小组探究寻找内外电压关系,从而得出闭合电路欧姆定律．实验探究让规律发现过程成为一段美妙的发现之旅．

在实际课堂教学中,教师可以更多地从真实情境出发,让学生发现和提炼问题,对问题的答案进行可能性假设,运用已有的知识设计制定探究计划,分工合作,通过资料查询,实地观察,实验论证等多种手段,经历科学家发现和形成规律的探究过程, 最终获得相关结论,感受物理规律形成过程的内在之美,体验探索发现的美妙乐趣!

4 重视模型建构,感受思维之美

很多教师感觉习题教学中美育效果常常差强人意,学生刷题的感觉也味同嚼蜡．之所以出现这种情况,很多时候是习题本身忽视了真实问题情境和模型建构,学生只需将数据代入公式,无需深度思考,按部就班就能获得结果,同时如果教师又缺乏引导学生归纳模型建构、一题多解、多题一解等科学方法的美妙,习题教学的美感自然大打折扣．因此,在习题教学中更需要让学生明确建模的基本思路,通过复习引导,帮助学生搭设思考的脚手架,明晰问题解决所依据的相关理论,然后放手让学生利用数学知识和物理知识,总结出一般方法和路径,以实现触类旁通,做一题会一类.这样的学习过程是对知识的再发现再创造,让学生充分体验物理学各类模型之美,有助于激发学生学习物理的内在动机,提高获得感和成功的愉悦感．

如在应用牛顿运动定律处理连接体问题时,对于整体法和隔离法的应用(如表2),可以设置合理的思维台阶,让学生通过对多种连接体模型的建构中,逐步发现和总结方法,让学生感知在多变的物理题型中所蕴含的不变规律．

表2 连接体问题中模型建构与拓展

通过对水平面内、斜面上、竖直面内连接体各类模型的讨论,让学生感受到整体隔离法的妙用,感知到所有连接体问题其实属于同一类物理模型,培养从真实情境中构建物理模型的能力．不管在习题教学还是新授课教学中,教师要尽可能避免直接将结论或规律呈现给学生,要舍得花时间让学生经历物理建模过程,理解不同物理模型解决的科学方法,在完成对模型的深层次建构中理解物理规律的精妙之处,感受物理模型之美,培养科学思维能力．

5 倡导实践应用,感受创造之美

海森伯在《跨越界线》一文中指出“美是真理的光辉”,他认为,科学家正是在美的光辉照耀下逐步认识真理．美学因素成为科学理论体系的重要内容,更成为科学创造的原动力．

高中物理教学虽然负载了对物理基本知识、技能、方法的训练任务,但教学的根本目的却并不在此,而在于引导学生在“理解”知识、“使用”知识过程中养成科学思维习惯,增强创新意识和实践能力,感受科学创造之美以及生活中无处不在的科学应用之美．

在传统物理教学中,物理往往会与一大堆抽象枯燥的公式、符号联系在一起,令学生望而生畏,很难让学生感受到严谨的理论之外的科学美．而事实上,物理的很多理论与生活、实践息息相关,蕴含很多的美学特征、美学思想,教师要多角度将美学感悟与学生的实际生活有机融合,引导学生运用物理规律解决实际问题,让学生在科学创造、生活应用的实践中获得成功的愉悦,激发对未知世界的探究和改造的欲望,培养学生科学的审美观,塑造学生鉴赏美、挖掘美、创造美的能力,同时在科学创造中培育责任感和远大理想．

比如在引领学生学习磁场和电磁感应内容时,教师一方面可以介绍我国古代对磁现象的认识与应用,通过介绍公元前4世纪左右《管子》中对磁的最早记载、我国古代四大发明之一指南针的制作演变过程、第一个描述磁偏角的沈括等等,让学生感叹古人的智慧,培育民族自豪感的同时,激发其探究科学、创造未来的愿望;另一方面,可以重点让学生了解电磁波在现代社会中的应用,同时结合人类对电磁认识的逐步深入,未来可能对社会进步带来的深刻影响,布置一些开放性的实践应用任务,由小组去探究,培养学生运用知识改造社会、服务社会的意识.任务1.家用电器电视机、电磁炉、电脑等中广泛运用到电磁知识,请通过网络查询、查看用电器说明书、拆解旧家电等方式,选取其中一个家电或家电的某个部分来说明电磁在其工作中的应用,并在小组中分享交流.任务2.设计一个实验来模拟手机无线充电过程,了解电磁感应对现代社会的深刻影响,畅想电磁感应可能对生产生活某个领域带来的技术变革,尝试设计可行性方案.任务3.查阅资料了解我国古代对磁现象的认识和应用及其对人类文明的影响,调查电磁波在现代社会军事、医学、生产等某个领域应用和危害防治,形成调查报告．

基于核心素养培养的新一轮课程改革已经逐步推进,在《普通高中物理课程标准》(2017年版)中明确要求:“引导学生经历科学探究过程,体会科学研究方法,养成科学思维习惯,增强创新意识和实践能力．……能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测……具有批判思维的意识,能基于证据大胆质疑,从不同角度思考问题,追求科技创新”．希望更多的一线物理教师能通过主动变革,积极开发各类综合实践课程,打破课程之间的壁垒,创新评价和考核方式,注重物理知识在生产生活中的应用,培养出更多面向未来社会的创新人才．

著名教育家蔡元培先生曾经说过:“凡是学校所有课程,都没有与美育无关的”．随着现代技术在学科领域的不断渗透,跨学科的思维方法正受到越来越多的关注,希望更多的一线教师,认识并挖掘物理学中美学元素,多角度、多方法地引领学生发现美、欣赏美、创造美,让物理教育充满“美学”之光!