讓高中物理課堂閃現(xiàn)“美學(xué)”之光

范永梅

(南通大學(xué)附屬中學(xué),江蘇 南通 226019)

在全國(guó)教育大會(huì)之后,如何“全面加強(qiáng)和改進(jìn)學(xué)校美育,堅(jiān)持以美育人、以文化人,提高學(xué)生審美和人文素養(yǎng)”成為越來(lái)越多教育工作者關(guān)注的話題．就高中物理課程來(lái)說(shuō),絕大多數(shù)人很難將科學(xué)理性的物理概念和規(guī)律,與感性抽象的美育聯(lián)系起來(lái)．不少物理教師認(rèn)為,只有音樂(lè)、美術(shù)、文學(xué)、哲學(xué)等學(xué)科中才有美的因素,而事實(shí)上,物理概念思辨中的哲學(xué)之美、數(shù)學(xué)推演中的邏輯之美、實(shí)驗(yàn)探究中的發(fā)現(xiàn)之美、模型建構(gòu)中的思維之美、實(shí)踐應(yīng)用中的創(chuàng)造之美……都能激發(fā)和深化學(xué)生對(duì)物理美的感受,培育審美意識(shí),提升審美能力,實(shí)現(xiàn)“以美啟真”、“以美育人”的目標(biāo)．

1 引領(lǐng)概念思辨,感受哲學(xué)之美

談到“哲學(xué)”,很多物理教師往往會(huì)“敬而遠(yuǎn)之”或認(rèn)為與自己的課堂教學(xué)“相去甚遠(yuǎn)”．實(shí)際上,“哲學(xué)”在古希臘語(yǔ)中原意是“愛(ài)智慧”,即“愛(ài)真理”,是指批判性反省的精神與方式．哲學(xué)的基本歸旨是指導(dǎo)人們對(duì)自己的觀點(diǎn)、行動(dòng)、環(huán)境等保持慎思的態(tài)度,從而形成敏銳的判斷、思考和實(shí)踐的能力．這種哲學(xué)的思辨之美,并非僅蘊(yùn)藉在人文社會(huì)學(xué)科．物理學(xué)中很多概念規(guī)律也是通過(guò)現(xiàn)象與本質(zhì)、整體與部分、主要與次要、主觀與客觀等哲學(xué)思辨而逐步建立起來(lái)的．

學(xué)生在形成一個(gè)物理概念之前,基于生活體驗(yàn)或生活經(jīng)驗(yàn)在頭腦已經(jīng)形成了經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識(shí)或觀點(diǎn),有的是正確的,有的是錯(cuò)誤的,有的是清晰的,有的是模糊的,因此要在經(jīng)驗(yàn)嘗試基礎(chǔ)上建構(gòu)正確物理觀念,就需要教師在教學(xué)過(guò)程中引領(lǐng)學(xué)生從現(xiàn)象觀察、客觀情境中進(jìn)行概括、思辨,抽象出本質(zhì)特征規(guī)律,總結(jié)形成物理概念．因此,物理概念規(guī)律形成的過(guò)程,往往是與批判性思維一路同行的過(guò)程,教師若善于抓住形成物理概念過(guò)程的關(guān)鍵美學(xué)因素、美學(xué)思想,加以引導(dǎo),定能讓學(xué)生感受到感性美與理性美相互交融統(tǒng)一的“物理美”．

比如在自由落體的教學(xué)中,要建立“輕重不一樣的物體,僅在重力作用下,下落快慢相同”的正確認(rèn)識(shí),教師可以引領(lǐng)學(xué)生從伽利略對(duì)輕重不一樣物體假設(shè)下落快慢不同而得出的邏輯矛盾出發(fā),引領(lǐng)學(xué)生思考影響物體下落快慢的因素,讓學(xué)生領(lǐng)略哲學(xué)思辨的美妙和成功體驗(yàn)．學(xué)生再通過(guò)同質(zhì)量紙片和紙團(tuán)下落實(shí)驗(yàn)、牛頓管實(shí)驗(yàn)等觀察,感受和印證空氣阻力對(duì)物體下落的影響,從而明晰平常看到的輕重不同、密度不同的物體下落快慢不同是因?yàn)槭艿阶枇Σ煌木壒剩@樣通過(guò)對(duì)主要和次要因素的思辨探究,學(xué)生糾正了頭腦中已有的錯(cuò)誤概念,建立了對(duì)自由落體新的正確認(rèn)識(shí),如果教師再讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定自由落體運(yùn)動(dòng)物體的加速度,學(xué)生更能體驗(yàn)到從日常現(xiàn)象,如何通過(guò)積極思辨,自主探究建立正確概念的科學(xué)路徑．這種建立概念的過(guò)程,變成了一次充滿理性美和哲學(xué)美的發(fā)現(xiàn)之旅,在學(xué)生頭腦中形成了包含實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、認(rèn)知愉悅和科學(xué)思維的“審美意象”,激發(fā)了學(xué)生探索物理世界的激情!

2 關(guān)注數(shù)學(xué)推演,感受邏輯之美

物理學(xué)家彭加勒認(rèn)為,物理美“不是打動(dòng)感官的美,也不是質(zhì)地美和外觀美;并非我小看這樣的美,完全不是,而是它與科學(xué)無(wú)關(guān);我意指那種比較深?yuàn)W的美,這種美來(lái)自各部分的和諧秩序,并且純粹的理智能夠把握住它”．可見,物理學(xué)在研究過(guò)程中,離不開邏輯和數(shù)學(xué)工具,最終常常通過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)以理智的方式建構(gòu)物理學(xué)的定律和理論框架．

在實(shí)際教學(xué)中,通過(guò)讓學(xué)生了解相關(guān)物理學(xué)史,感知數(shù)學(xué)推演在物理規(guī)律建立過(guò)程中的重大意義．比如在學(xué)習(xí)開普勒第三定律時(shí),可以和學(xué)生一起經(jīng)歷科學(xué)家數(shù)學(xué)推演的過(guò)程．先把六大行星(開普勒數(shù)學(xué)推演時(shí)肉眼只能夠看到六大行星),與太陽(yáng)的距離——行星橢圓軌道的半長(zhǎng)軸,列成表格(如表1第4列),學(xué)生沒(méi)有看出規(guī)律．再加入六大行星的公轉(zhuǎn)周期(如表1第2列),讓學(xué)生嘗試探究周期和半長(zhǎng)軸是否存在某種規(guī)律．學(xué)生進(jìn)行多種嘗試未能找出規(guī)律．教師此時(shí)可以介紹,開普勒當(dāng)年把這張表格抄了很多份,貼在他能看到的任何一塊地方．他用各種可能的運(yùn)算方法進(jìn)行計(jì)算,加、減、乘、除、平方、立方,……,整整10年,他一直在做這樣的數(shù)學(xué)推演．學(xué)生此時(shí)內(nèi)心受到極大震撼．開普勒一直沒(méi)有放棄,他堅(jiān)信存在著一個(gè)把全體行星完整地聯(lián)系在一起的簡(jiǎn)單法則,宇宙存在和諧美,數(shù)據(jù)之間定當(dāng)存在一種和諧美．這時(shí)學(xué)生迫切想知道開普勒用10年時(shí)間到底推演出什么數(shù)學(xué)規(guī)律．教師此時(shí)增加公轉(zhuǎn)周期的平方(如表1第3列)和軌道半徑的立方(如表1第5列),讓學(xué)生自己通過(guò)運(yùn)算填寫數(shù)據(jù),學(xué)生通過(guò)比較,發(fā)現(xiàn)其比值是一個(gè)常數(shù)(如表1中第6列列出的)．教師此時(shí)可以補(bǔ)充介紹,1618年,開普勒出版了《世界的和諧》,發(fā)表了開普勒第三定律,和學(xué)生們剛才發(fā)現(xiàn)的規(guī)律一致．

表1 開普勒第三定律的數(shù)據(jù)分析

開普勒第三定律發(fā)現(xiàn)的過(guò)程是物理學(xué)發(fā)展史上精確的科學(xué)觀測(cè)與嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推演完美結(jié)合的典范,開普勒也成為用數(shù)學(xué)公式表述物理原理的第一人．學(xué)生通過(guò)經(jīng)歷開普勒的數(shù)學(xué)推演,感受到了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)規(guī)律的美妙與艱辛．這種基于數(shù)學(xué)推演的美學(xué)因素在物理課程中還有很多,只要加以巧妙引導(dǎo)和整合,會(huì)讓課堂呈現(xiàn)別樣之美.

3 經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究,感受發(fā)現(xiàn)之美

愛(ài)因斯坦認(rèn)為美是探求理論物理學(xué)中一個(gè)重要的指導(dǎo)原則．對(duì)美的追求如同對(duì)真的追求一樣,是物理學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究的目標(biāo)．物理學(xué)的發(fā)展是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程,理論上的每一次飛躍,都標(biāo)志著人類對(duì)自然規(guī)律認(rèn)識(shí)的一次進(jìn)步,都是科學(xué)家對(duì)真理和美不斷追求的結(jié)果．

科學(xué)家在探索自然的過(guò)程中都有著深刻的美感體驗(yàn),也為學(xué)生構(gòu)筑了集形式美和內(nèi)容美于一體的輝煌壯麗的科學(xué)殿堂,但為什么學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)卻無(wú)法獲得與科學(xué)家相同的美感體驗(yàn)?zāi)?愛(ài)因斯坦對(duì)此作出了很好的解釋:“科學(xué)結(jié)論幾乎總是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前,讀者體驗(yàn)不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅,感覺(jué)不到思想形成的生動(dòng)過(guò)程,也很難達(dá)到清楚地理解全部情形……”,可見,更多的美感體驗(yàn)存在于探究發(fā)現(xiàn)過(guò)程．

例如人教版“閉合電路歐姆定律”這節(jié),教材中通過(guò)能量守恒定律,由非靜電力做的功應(yīng)該等于內(nèi)外電路中電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的總和,理論推導(dǎo)出閉合電路歐姆定律．筆者將理論推導(dǎo)改成學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)探究．首先設(shè)計(jì)了一個(gè)演示實(shí)驗(yàn),用3 V的干電池給額定電壓為3.8 V的小燈泡供電,讓學(xué)生觀察燈泡亮度,然后拿出9 V的層疊電池,讓學(xué)生猜想接上燈泡后的現(xiàn)象,絕大多數(shù)學(xué)生擔(dān)心燈泡會(huì)燒掉,結(jié)果事實(shí)是燈泡很暗,學(xué)生猜想可能層疊電池電壓不是9 V,我讓學(xué)生用數(shù)字電壓表自己測(cè)量驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)這種猜想不正確,層疊電池兩端電壓約9.61 V,有學(xué)生猜想,接入電路時(shí),電池內(nèi)部是否有內(nèi)耗?我讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,驗(yàn)證自己的猜想．學(xué)生通過(guò)測(cè)量,發(fā)現(xiàn)層疊電池給燈泡供電時(shí),燈泡兩端電壓只有約1.72 V,在此基礎(chǔ)上,教師再引導(dǎo)學(xué)生想辦法利用化學(xué)電池可以同時(shí)測(cè)內(nèi)外電壓的特點(diǎn),自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,分小組探究尋找內(nèi)外電壓關(guān)系,從而得出閉合電路歐姆定律．實(shí)驗(yàn)探究讓規(guī)律發(fā)現(xiàn)過(guò)程成為一段美妙的發(fā)現(xiàn)之旅．

在實(shí)際課堂教學(xué)中,教師可以更多地從真實(shí)情境出發(fā),讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提煉問(wèn)題,對(duì)問(wèn)題的答案進(jìn)行可能性假設(shè),運(yùn)用已有的知識(shí)設(shè)計(jì)制定探究計(jì)劃,分工合作,通過(guò)資料查詢,實(shí)地觀察,實(shí)驗(yàn)論證等多種手段,經(jīng)歷科學(xué)家發(fā)現(xiàn)和形成規(guī)律的探究過(guò)程, 最終獲得相關(guān)結(jié)論,感受物理規(guī)律形成過(guò)程的內(nèi)在之美,體驗(yàn)探索發(fā)現(xiàn)的美妙樂(lè)趣!

4 重視模型建構(gòu),感受思維之美

很多教師感覺(jué)習(xí)題教學(xué)中美育效果常常差強(qiáng)人意,學(xué)生刷題的感覺(jué)也味同嚼蠟．之所以出現(xiàn)這種情況,很多時(shí)候是習(xí)題本身忽視了真實(shí)問(wèn)題情境和模型建構(gòu),學(xué)生只需將數(shù)據(jù)代入公式,無(wú)需深度思考,按部就班就能獲得結(jié)果,同時(shí)如果教師又缺乏引導(dǎo)學(xué)生歸納模型建構(gòu)、一題多解、多題一解等科學(xué)方法的美妙,習(xí)題教學(xué)的美感自然大打折扣．因此,在習(xí)題教學(xué)中更需要讓學(xué)生明確建模的基本思路,通過(guò)復(fù)習(xí)引導(dǎo),幫助學(xué)生搭設(shè)思考的腳手架,明晰問(wèn)題解決所依據(jù)的相關(guān)理論,然后放手讓學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識(shí)和物理知識(shí),總結(jié)出一般方法和路徑,以實(shí)現(xiàn)觸類旁通,做一題會(huì)一類.這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程是對(duì)知識(shí)的再發(fā)現(xiàn)再創(chuàng)造,讓學(xué)生充分體驗(yàn)物理學(xué)各類模型之美,有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的內(nèi)在動(dòng)機(jī),提高獲得感和成功的愉悅感．

如在應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律處理連接體問(wèn)題時(shí),對(duì)于整體法和隔離法的應(yīng)用(如表2),可以設(shè)置合理的思維臺(tái)階,讓學(xué)生通過(guò)對(duì)多種連接體模型的建構(gòu)中,逐步發(fā)現(xiàn)和總結(jié)方法,讓學(xué)生感知在多變的物理題型中所蘊(yùn)含的不變規(guī)律．

表2 連接體問(wèn)題中模型建構(gòu)與拓展

通過(guò)對(duì)水平面內(nèi)、斜面上、豎直面內(nèi)連接體各類模型的討論,讓學(xué)生感受到整體隔離法的妙用,感知到所有連接體問(wèn)題其實(shí)屬于同一類物理模型,培養(yǎng)從真實(shí)情境中構(gòu)建物理模型的能力．不管在習(xí)題教學(xué)還是新授課教學(xué)中,教師要盡可能避免直接將結(jié)論或規(guī)律呈現(xiàn)給學(xué)生,要舍得花時(shí)間讓學(xué)生經(jīng)歷物理建模過(guò)程,理解不同物理模型解決的科學(xué)方法,在完成對(duì)模型的深層次建構(gòu)中理解物理規(guī)律的精妙之處,感受物理模型之美,培養(yǎng)科學(xué)思維能力．

5 倡導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用,感受創(chuàng)造之美

海森伯在《跨越界線》一文中指出“美是真理的光輝”,他認(rèn)為,科學(xué)家正是在美的光輝照耀下逐步認(rèn)識(shí)真理．美學(xué)因素成為科學(xué)理論體系的重要內(nèi)容,更成為科學(xué)創(chuàng)造的原動(dòng)力．

高中物理教學(xué)雖然負(fù)載了對(duì)物理基本知識(shí)、技能、方法的訓(xùn)練任務(wù),但教學(xué)的根本目的卻并不在此,而在于引導(dǎo)學(xué)生在“理解”知識(shí)、“使用”知識(shí)過(guò)程中養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣,增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力,感受科學(xué)創(chuàng)造之美以及生活中無(wú)處不在的科學(xué)應(yīng)用之美．

在傳統(tǒng)物理教學(xué)中,物理往往會(huì)與一大堆抽象枯燥的公式、符號(hào)聯(lián)系在一起,令學(xué)生望而生畏,很難讓學(xué)生感受到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝獾目茖W(xué)美．而事實(shí)上,物理的很多理論與生活、實(shí)踐息息相關(guān),蘊(yùn)含很多的美學(xué)特征、美學(xué)思想,教師要多角度將美學(xué)感悟與學(xué)生的實(shí)際生活有機(jī)融合,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用物理規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題,讓學(xué)生在科學(xué)創(chuàng)造、生活應(yīng)用的實(shí)踐中獲得成功的愉悅,激發(fā)對(duì)未知世界的探究和改造的欲望,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的審美觀,塑造學(xué)生鑒賞美、挖掘美、創(chuàng)造美的能力,同時(shí)在科學(xué)創(chuàng)造中培育責(zé)任感和遠(yuǎn)大理想．

比如在引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)磁場(chǎng)和電磁感應(yīng)內(nèi)容時(shí),教師一方面可以介紹我國(guó)古代對(duì)磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用,通過(guò)介紹公元前4世紀(jì)左右《管子》中對(duì)磁的最早記載、我國(guó)古代四大發(fā)明之一指南針的制作演變過(guò)程、第一個(gè)描述磁偏角的沈括等等,讓學(xué)生感嘆古人的智慧,培育民族自豪感的同時(shí),激發(fā)其探究科學(xué)、創(chuàng)造未來(lái)的愿望;另一方面,可以重點(diǎn)讓學(xué)生了解電磁波在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用,同時(shí)結(jié)合人類對(duì)電磁認(rèn)識(shí)的逐步深入,未來(lái)可能對(duì)社會(huì)進(jìn)步帶來(lái)的深刻影響,布置一些開放性的實(shí)踐應(yīng)用任務(wù),由小組去探究,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)改造社會(huì)、服務(wù)社會(huì)的意識(shí).任務(wù)1.家用電器電視機(jī)、電磁爐、電腦等中廣泛運(yùn)用到電磁知識(shí),請(qǐng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢、查看用電器說(shuō)明書、拆解舊家電等方式,選取其中一個(gè)家電或家電的某個(gè)部分來(lái)說(shuō)明電磁在其工作中的應(yīng)用,并在小組中分享交流.任務(wù)2.設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬手機(jī)無(wú)線充電過(guò)程,了解電磁感應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的深刻影響,暢想電磁感應(yīng)可能對(duì)生產(chǎn)生活某個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)的技術(shù)變革,嘗試設(shè)計(jì)可行性方案.任務(wù)3.查閱資料了解我國(guó)古代對(duì)磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用及其對(duì)人類文明的影響,調(diào)查電磁波在現(xiàn)代社會(huì)軍事、醫(yī)學(xué)、生產(chǎn)等某個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用和危害防治,形成調(diào)查報(bào)告．

基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的新一輪課程改革已經(jīng)逐步推進(jìn),在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)中明確要求:“引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程,體會(huì)科學(xué)研究方法,養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣,增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力．……能運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)……具有批判思維的意識(shí),能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑,從不同角度思考問(wèn)題,追求科技創(chuàng)新”．希望更多的一線物理教師能通過(guò)主動(dòng)變革,積極開發(fā)各類綜合實(shí)踐課程,打破課程之間的壁壘,創(chuàng)新評(píng)價(jià)和考核方式,注重物理知識(shí)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用,培養(yǎng)出更多面向未來(lái)社會(huì)的創(chuàng)新人才．

著名教育家蔡元培先生曾經(jīng)說(shuō)過(guò):“凡是學(xué)校所有課程,都沒(méi)有與美育無(wú)關(guān)的”．隨著現(xiàn)代技術(shù)在學(xué)科領(lǐng)域的不斷滲透,跨學(xué)科的思維方法正受到越來(lái)越多的關(guān)注,希望更多的一線教師,認(rèn)識(shí)并挖掘物理學(xué)中美學(xué)元素,多角度、多方法地引領(lǐng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)美、欣賞美、創(chuàng)造美,讓物理教育充滿“美學(xué)”之光!