论物理教学中的审美教育

1、论物理教学中的审美教育乔通1 邢红军2 胡扬洋2（1.西南大学 科学教育研究中心，重庆 400715；2.首都师范大学 物理系，北京 100048）摘要：物理美是在物理研究或学习中，通过理性与感性的相互交融在人的头脑中形成的感性形象。物理美育可以促进学生理解物理知识，激发学习动机，培养追求科学真理的价值观。实施物理美育的关键是让学生经历科学发现过程，体会科学发现乐趣和科学思想方法。关键词：物理美；美感；美育对于物理美的认同，早已成为物理学共同体不争的事实。早在两千多年前，毕达哥拉斯学派就提出了“美是和谐与比例”的美学思想1。近代物理学家哥白尼曾这样评价日心说：“我们发现在这种排列的背后是宇宙令

2、人惊叹的对称性，以及天球的运动和大小之间明显的和谐关联。”2现代物理学家更是对美情有独钟，爱因斯坦认为：“从那些看来同直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉。”3费曼说：“自然界具有简单性，因而是极其美丽的。”4可见，物理学家在探索自然过程中都有着深刻的美感体验。然而，大多数学生学习物理的感受却与物理学家大相径庭。在学生眼中，物理世界是一个严格服从物理规律的冰冷、死寂的世界，不容许个人进行主观创造，物理课本中充满了枯燥的数学推导和冷峻的物理公式，因此，物理学没有丝毫美感可言。有鉴于此，本文对物理美育展开深入研究，以期对中学物理美育有所启示。一、物理美的追

3、问要进行物理美育，首先应该明确物理美是什么？这是物理美育的本体论问题。目前，主要有四种观点。物理学家海森堡认为物理美是“部分同部分、部分同整体的固有协调”。5部分是指个别的物理规律，整体是指物理原理，通过数学关系把两个原本彼此独立的部分配合成一个整体，这样就产生了美。这一观点从形式美的角度对物理美的本质做了探索，不足之处在于仅仅看到美产生的客观条件，而忽视了产生美感的主观因素。第二种观点把物理美归属于自然美。这种观点看到了物理学的研究对象是自然界，与自然美的研究对象是一致的，因此认为物理美属于自然美。6这种观点也存在理论困难，因为我们欣赏自然美借助的是直接感性的判断，不需要动用思想，而体验物理

4、美却需要发挥理智的作用。因此需要将物理美和自然美加以区分，于是便有了第三种观点。第三种观点源于物理学家彭加勒，他认为物理美“不是打动感官的美，也不是质地美和外观美；这样的美与科学无关，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。”7这种观点看到物理学在研究过程中借助了逻辑和数学的理性工具，并用数学形态表现出物理学的定律和理论架构。它诉诸人的理智，由此便认定物理美不是感性的审美意象，而是一种理性美。在第三种观点的基础上，就产生了第四种观点。这种观点认为，物理美不是简单的理性美，物理美的产生过程是感性和理性相互交融和统一的过程。8显然，这种观点明确了理性的作用，

5、体现了物理美的特点。并且这种观点强调了感性因素是美的不可或缺的成分，不仅符合事实，而且与美学界对美的普遍认识有共同之处，因而体现出了很好的理论兼容性。我们认为，所谓物理美就是在物理研究或学习中，通过理性和感性的相互交融在人的头脑中所形成的感性形象（即意象）。是人在物理认识活动的基础上，对其中的物理图像再创造所形成的情、景、理相互交融的世界，即审美意象。在这个意象世界里，学生会感到物我合一，陶醉其中。这种体验既不是聆听物理学家轶事，也不是观察新奇的物理实验，因为这些都还属于认知愉悦感，而审美体验的愉悦感远远不止于此。需要说明的是，在物理学习中学生头脑里都会形成物理图像或物理图景，比如物体自由落体

6、、天体圆周运动等等，但这些不是审美“意象”。审美意象是渗透了认知发现愉悦感和物理思维的图像，在审美意象中已经很难彻底分清物理图像、认知愉悦和物理思维，意象是主体的感性和理性完美融合的产物。可以说，意象的形成就是美感产生的标志。不同的认识过程会造成审美意象的差异，进而物理美感也不尽相同。以彩虹为例，没有学过物理的人也能够感受到彩虹的美，但这种美仅仅是感性的美。物理学家通过测量发现虹成42°弧，红在外，紫在内；而霓却是50°弧，红在内，紫在外，这就增进了对自然的理解，形成了物理现象美。当物理学家发现42°弧和50°弧是由于太阳光通过小雨滴发生折射和反射形成的

7、，这就构成了理论描述之美。进一步研究发现折射与反射现象可以通过麦克斯韦方程推导出来，此时的物理美就上升到了理论结构之美。9 事实上，物理教学中并不都是彩虹这样悦耳悦目的美，更多的则是身边寻常事物，实验仪器等等，这在许多外行看来毫无美感可言。但是，由于学生基于物理认识活动发挥想象，在头脑中对这些现象进行再创造，同样可以形成审美意象。正如彭加勒所说：“当我们不习惯在一起的东西意外相遇时，可能会产生出一种出乎意外的雅致感。”10例如，在学习物理之前，地球上物体下落和月球运行之间看似没有任何关联，当万有引力定律的成功发现使学生看到这两者服从同样的定律时，就会激发学生在头脑中形成一幅宇宙万物和谐运动的壮

8、丽图像，从而产生物理美感。那么，为什么很多学生没有物理美感体验呢？对此，爱因斯坦做出了很好的解释：“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况”11不难看出，科学知识本身不能产生美感，美感产生于知识发现过程之中。在这个过程中，有两个因素对美感的产生起着至关重要的作用。其一，伴随着创造性的解决问题，学生才会体会到的发现的乐趣；其二，精密的逻辑推理、精巧的实验设计和隽永的科学思想方法，才能使学生体会到知识的内涵。因此，正是经历了创造性的科学认识活动，体验到了探索发现的乐趣，学生才会对物理现象进行创造性想象，最终

9、才能形成审美意象。二、物理美育的教育价值在初步认识了物理美的本质之后，我们进一步探讨物理美育的教育价值，主要体现在如下几个方面：1.物理美育能够促进学生获取物理知识要实施物理美育，就必须让学生经历科学知识发现的过程，理解其中的科学方法。进而，学生只有深入理解物理知识获得的过程，运用科学方法，才能促使学生对知识深层建构，才能真正理解物理知识。显然，美育的过程就是促进学生理解知识和掌握方法的过程，在这个意义上，可以说美育与智育是统一的。进一步，物理美的体验还能够帮助学生学会学习。学生如果对物理知识获得过程中的美具有深刻体会，就不仅仅只会记住物理公式和结论，还会更加注重对知识的理解，并能够对知识获得

10、过程进行揣摩和玩味，体会科学方法的神来之笔，体会实验设计中令人称奇的精妙思路。这样，学生才会懂得哪里是物理学的精妙之处，哪里是需要重点理解的关键之处。正如杨振宁所说：“学习一个东西不只是学到一些知识，学到一些技术上面的特别方法，而是更要对它的意义有一些了解，有一些欣赏。假如一个人在学了量子力学以后，他不觉得其中有的东西是重要的，有的东西是美妙的那我觉得他对这个东西并没有学进去。”12更进一步，如果学生体会到知识点之间的联系所形成的统一美，就能在知识积累到一定阶段时，自觉根据简洁和谐原则去总结所学知识，对知识进行比较分类，理清内在联系并形成有序的认知结构；甚至可以总结归纳解题的思路与方法，形成方

11、法体系。可以说，懂得欣赏物理美的学生才是真正会学习的学生。2、物理美育能够激发学生的学习动机学习动机分为外部动机和内部动机。内部动机指向学习活动本身，以求知为目标。外部动机则以交往、声望或成就等社会学需要为基础，与学习没有直接联系。研究表明，内部动机可以促使学生有效进行学习活动，具有自主性、主动性。具有外部动机的学生的学习具有诱发性、被动性，对学习内容本身的兴趣较低。13在物理教学中，物理美育能够使学生体会到学习物理的乐趣，有助于培养学生的内部动机。例如，用演绎法推演物理规律之前，首先让学生了解演绎法的基本思路，启发学生回忆已有的知识，明确演绎所依据的理论，然后在教师的点拨下，由学生自己动手推

12、出结论。这样的教学，让学生在学习过程中对知识进行再发现，充分体验物理学的逻辑美，学生就会对物理学习流连忘返。又如，在应用知识教学中，如果学生用多种思路完成一题多解时，对独特解法会产生和谐奇异的美感；当多题一解找到统一的解题规律时，又能产生多样统一的美感。14正是这些对物理美的体验让学生产生内在学习动机，乐此不疲。不仅如此，如果学生多次体会到物理美，形成了物理学习的内在动机，就可以洗涤那些外在的功利性学习动机，并在激烈的竞争环境中，对成绩保持一份超脱的心境。当学生对物理美有了体会之后，才会努力克服学习中的困难，才会更加积极主动地学习，并真正感受到更深层次的物理美，从而形成良性循环。3、物理美育能

13、够孕育学生的价值观在物理美感体验中，学生不仅得到一种认知愉悦和感官需要的满足，而且能使学生的感知、想象、思维等心理结构的不同层次相互贯通，这种贯通性使整个意识活动起来，多种心理因素发生自由的相互作用，从而导致整个身心得到巨大的满足。不难发现，这种带有美感体验的学习与人本主义心理学提倡的“有意义学习”具有相通之处。所谓“有意义学习”，不仅仅是一种增长知识的学习，而且是一种与人的各部分经验融合在一起的学习，是一种使个体的行为、态度、个性以及未来选择行动时发生重大变化的学习。与此相反，“无意义学习”只涉及心智，而不涉及情感和个人意义，是一种“颈部以上发生的学习”。15这样看来，通过物理美育，学生在学

14、习中不仅仅收获了物理知识，还多了一种美的价值体验，并在这种审美体验中发现自我，肯定自我。此时，物理学习就不再是外在于学生的东西，而成为学生自身价值的一部分。正如彭加勒所言：“科学家研究自然，并非因为它有用处；他研究它，是因为他喜欢它，他之所以喜欢它，是因为它是美的。如果自然不美，它就不值得了解；如果自然不值得了解，生命也就不值得活着。”16综上所述，物理美育对于促进学生获取知识、发展情感和价值观都具有重要作用。如果说知识教育的目的在于求真，价值教育的目的在于求善，而物理美育则体现了真与善的统一。于是不难得出这样的结论，物理美育并不是物理教学的附属物，而是物理教学的内在要求。三、实施物理美育的途

15、径实施物理美育，有必要明确物理美感产生的心理过程：首先要使学生经历知识发现的过程，正是这个过程对美感的产生起着至关重要的作用。在知识发现之后，发现愉悦、物理图像将与科学思想相互融合，形成审美意象，使学生获得美感体验。最后，学生对审美体验做出理智的解释，进行审美判断。因此，物理美育最关键的步骤是合理组织教学过程，引导学生对知识进行再发现。基于此，我们从物理知识教学、物理实验教学和物理问题教学三个方面探讨物理美育的实施。 1、物理知识教学通常的教材编写，由于考虑到行文简洁，往往对物理知识的发现过程呈现并不完整；另一方面，由于教师闻道在先，往往容易剥夺学生对知识的再发现机会。正是这两方面的原因，阻碍

16、了学生对物理知识发现过程的真切体会，最终导致学生难以体会到物理美之所在。比如楞次定律一节，现行教材从条形磁铁相对螺线管运动的实验出发，引导学生将“感应电流的磁场”作为“中介”，通过填表比较，归纳出楞次定律。这样的教学安排涉及原磁场方向、感应电流方向、线圈绕向、感应电流的磁场方向、磁场的变化方向等众多因素，造成学生难以理解实验设计思路，更不用说参与知识发现的过程，自然也难以体验到物理美。而我们选用“楞次环”实验，先用条形磁铁的两极分别插入和拔出铝环，判断出感生电流的磁场方向，之后根据安培定则判断感生电流的方向。17这样的教学过程，不仅符合物理教学的逻辑，而且符合物理美的要求。这样使学生经历一步步

17、可以理解的步骤，透彻明白知识的来龙去脉。不仅如此，学生在学习过程中也容易发挥自己的创造力，一步步地去主动猜想，做出推理判断，真正参与到知识的发现过程中，体验发现的乐趣，品味发现过程的逻辑力量和思想方法之巧妙。当最后通过实验总结出楞次定律的时候，学生会感受到一种物理规律的简单美。2、物理实验教学目前，很多课堂实验仅仅停留在演示实验阶段，只起到了直观教学的作用，学生实验则多是已经提供了实验器材和步骤，让学生去“照方抓药”操作一番。看似简捷省时，实则让学生感觉是在复制前人的工作而索然无味，自然也就无从欣赏实验中的物理美。因此，实验教学就需要合理安排方案，尽可能为学生提供探索的情境，让学生亲历实验的设

18、计和操作过程。比如验证动量守恒定律，首先应让学生体验如何根据实验目的去确定研究对象。这是因为，找出一些符合动量守恒的事例并不困难，但重要的是要权衡研究对象是否有利于物理量的测定。经过教师的启发，学生可以通过分析筛选，确定“一球静止，对心碰撞”实验模型。接着，再引导学生研究如何转移测量对象，把较难测量的速度，通过“等高平抛”的方法巧妙地转化为较易测量的位移，从而形成了实验设计的基本构想。最后学生根据自己亲自设计的实验方案去进行实验操作、处理数据得出结果。18不难看出，在这个过程中学生不仅发挥了聪明才智，进行了创造性思维活动，而且弄清了实验设计的思路，领会了实验思想的精髓。当经历了这样一个复杂的过

19、程，最后根据实验数据精确地验证了定律时，学生才能体验到实验成功的愉悦。进一步，这种愉悦感融合了实验过程中的两物体碰撞的物理图景和精妙的设计思路，在学生头脑中生成意象，使他们感受到实验结果的精密美。 3、物理问题教学教学经验告诉我们，物理习题的美育效果往往差强人意。这是因为，习题虽然貌似给出了真实的问题情境，但却提供了完美而详细的数据。正是那些已知数据或条件，还有抽象过的模型，在提示学生用哪些物理知识解决问题。学生在解题中明显感觉到出题者已经设定好一个个路标，暗示他们走入预先安排好的路径，中间几乎没有任何悬念，也无需过多思考，只需把已知数据带入公式就可以了。这样，学生做出习题之后就会感觉味同嚼蜡

20、，更遑论产生美感。而原始物理问题则具有习题所不具备的美育功能。原始物理问题是对物理现象的描述，保持着物理现象的“原汁原味”。与习题相比较，原始问题只有现象，没有“抽象”；只有描述，没有“数据”。由于原始问题把“数据”和“条件”隐藏在真实的物理现象中而不直接给出，就需要学生借助物理事实和已知理论，运用类比、猜测等非逻辑的方法对原始问题的本质形成启发性的思考，经过顿悟之后学生才能明白应该使用哪些物理知识解决问题。进一步，还需要借助理想化方法对原始问题情境进行简化、纯化，使其升华为一种理想化状态，最后进行解答。19在这个过程中，学生不知道要使用什么知识、使用什么数据、使用什么模型，这些都需要学生自己

21、去探索、去发现。这样学生才能深切体会到问题解决过程中思维的乐趣，体会到探索发现的乐趣，从而更容易产生美感体验。例如有这样一道原始物理问题：有一只兔子，一只猎狗，兔子位于猎狗的正西方向一定距离处，假设兔子与猎狗同时发现对方并一起起跑，兔子往正北方向一定距离处的巢穴跑，猎狗的追击方向时刻朝向兔子，问题是兔子能否安全逃回巢穴？这个问题只有对现象的描述，没有数据和条件，学生要通过理解题意，独立建立理想模型，设置相关物理量，才能运用物理知识和科学方法解答。这个问题解决过程不仅充分展现了学生的创造性，更为重要的是，在正确解答之后，从未“学习”过物理学的猎狗运动的美妙轨迹能使学生沉浸在无尽的审美愉悦之中。参

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