物理學形式美及教學研究論文
物理學形式美及教學研究論文
物質世界的客觀存在是真與美的和諧統一，物理學家通常也是透過發現物質世界的美來證實事實、總結規律．然而，在實際的物理教學中，教師往往忽略了物理學科的形式美，只是一味的向學生灌輸教材上的物理知識，從而導致學生因難以體會物理學中美的愉悅而將物理知識的學習當成是一項索然無味的學習任務．鑑此情況，本文以物理學中的形式美為切入點，並重點論述瞭如何將其滲透至實際的物理教學活動中，旨在為後續的高中物理教學工作提供參考依據．
一、結合歷史，發掘人文美
近代物理發展至今，經過了一個漫長的發展過程，在這一過程中，無數熱愛物理的科學家們窮盡自己一生的精力與才華不斷地探知、論證全新的物理領域，而正是由於他們對於物理的執著追求，才真正造就了我們現在所清晰存在的世界．由此可見，物理學科濃重的人文精神不應被認知領域的物理定律而掩蓋．在教師的教學過程中，有選擇性地穿插一些物理學史，會讓略顯乏味的物理課堂鮮活起來，讓學生能夠充分領略物理學家們對於物質世界清晰認識的執著追求．教師在教授物理知識時，可以為學生講述自由落體理論的發展過程，從而進一步幫助學生樹立物理物理辨證觀．例如，教師在教授“自由落體運動”一課時可以先為學生介紹自由落體運動定律的發展歷史．落體理論最早是由古希臘物理學家亞里士多德提出，他認為物體從高空墜落的速度應與物體本省的重力勢能成正比，而這一理論在當時也被冠以真理而沿用．直到16世紀，伽利略對這一觀點提出了異議，並進而假定:如果將兩個物體所受到的空氣阻力忽略不計，那麼這兩個質量不同的物體將以同樣的速度下落，並同時到達地面．為了論證這一觀點，伽利略與眾多擁護亞里士多德理論的學者共同來到比薩斜塔，將一個重100磅與一個重1磅的鐵球同時從塔頂拋下，而試驗的結果使得在場觀看的人們目瞪口呆，兩個鐵球出人意料地幾乎是平行地一齊落到地上，這就是著名的“比薩斜塔試驗”，也是推翻了沿用近兩千年的落體運動重要事實依據．
二、認識規律，啟蒙對稱美
物理學科事實上就是一門解釋物質存在、構成、運動及其轉化規律的一門科學．對於接觸物理較多的人群而言，他們對物理現象進行研究時，時常會沉浸在具有規律性變化特徵的物理美學上．物理現象本身所具有的規律對稱性而產生的藝術美通常被稱為物理學的對稱之美，而學生若想感受到這種美，就必須先對物理規律形成一個初步的認識．而在對科學規律的認識過程中，物質內部的對稱性也能在一定程度上反映出物質的規律．所以，物理對稱美的研究往往還能進一步推動物理科學的發展．在研究物理對稱美這一科學發展史上，畢達哥拉斯是最早提出對稱性這一物理審美標準，他認為，在所有的對稱圖形中，圓是最美的，圓點與圓周之間呈現出來的是絕對對稱、絕對和諧的狀態．而他這一理論也一直影響者後續物理科學的發展．因此，教師在學生的學習過程中，更應善於引導學生髮現物理知識中所客觀存在的對稱美．例如，教師在教學“電荷的電場線分佈”這一知識點時，教師就可以利用各種電荷的電場線之間的對稱規律來為學生詳細講解點電荷、同種電荷以及異種電荷之間的'電場線分佈情況．如此一來，原本枯燥乏味的理論現象就會轉化為學生感受物理對稱美的真實體驗．同時，磁體中磁感線的分佈規律與平面鏡的成像規律相似的物質空間對稱性的特點也應該被教師深切融入至實際物理課程的內容講解中，幫助學生將原本抽象的物理知識轉化為形象的影象記憶．
三、概括經驗，透視簡潔美
從本質上說，物理的簡潔美主要是來自於自然界的基本發展規律，而對於自然界本身所具有的規律特性又具有相對簡潔的美感．物理學科的簡單性也只要是以簡潔美的主要形式體現，物理科學家們正是透過將複雜的事物進行一一分解，並根據以往對於自然界規律探索的經驗而總結出嶄新的物理理想模型，最後再借助這些構想出來的模型去形象的理解客觀存在的物質世界．愛因斯坦認為，物理工作就是要先儘可能的從假說或設想出發，並將所有設想運用邏輯思維進行論證，最後再根據以存在的經驗事實，概括總結出更為簡潔的物質物理特性．例如，宇宙間所存在的作用力可以大致分為如下三種:強作用力、弱電作用力以及萬有引力，牛頓運動定律將宏觀低速條件下的各種機械運動規律歸結為一個簡單有序的集合;麥克斯韋方程組的提出則將複雜的電磁規律以簡潔的形式加以概括;量子力學理論則更是將抽象、微觀的例子運動以更加清晰、明瞭的形式出現在人們面前．在教師的實際教學過程中，對於物理科學的整體簡潔美決不可一掠帶過，這是由於物理的簡潔美不僅是建立在眾多物理科學的探究經驗之上，更是因為當學生對物理的簡潔美的理解能更為深刻時，學生對於物理理論概念與相關物理規律的掌握就會變得更加便捷．例如，“溫度是決定一系統是否與其它系統處於熱平衡的物理量”、“力是一物體對另一物體的作用，它使受力物體改變運動狀態”，這些物理概念以準確、簡潔、的語言表達了物理科學的本質．此外，物理規律的表達也是在科學、準確的基礎上力求達到簡潔的美化目的，如開普勒在哥白尼的天文體系的基礎上以“恆量=Ｒ3/T2”這一簡明形式總結出了眾星繞日的運動規律，從而使得繁星浩瀚的太空圖景清晰地呈現在人們眼前．
四、客觀辨證，展現理性美
物理科學世界是千姿百態的，但作為物理科學論證的強大支撐，對物理科學的客觀辨證看待與理性認識才是物理知識學習的根本所在．與其他學科相比，物理學科更重視以實驗來論證並檢驗觀點，同時，在進行論證實驗時，物理所展現出來的理性美更是物理世界科學性與和諧性的真實體現．作為客觀事物存在並反映出的物質世界科學，物理學理論更多的是強調各種事物中所客觀存在的差異與矛盾統一，而要找出這種差異與矛盾，所依靠的恰恰是物理的理性之美．因此，在進行理論知識的教學基礎上，組織學生投身於物理科學實驗是高中階段物理知識系統結構的重要組成部分．而只有學生在試驗中達到對物理知識的理性認識，才進一步將物理學中的形式美滲透到物理教學過程中．例如，在教授學生“曲線運動”這一課程時，教師可以先讓學生自己運用控制變數法:將大小不同的球從不同的高度向下拋，分別記錄小球不同的水平平移距離，觀察其試驗結果的不同變化，並指導學生分析小球的下落時間與水平位移距離及下落高度之間的關係．在幫助學生確立了與試驗結果有關的試驗因素變化後，再指導學生將“S=vt，h=gt2/2”這兩個公式應用於試驗設計，當得出試驗結果後，在運用反推法以試驗結果論證相關的試驗條件．這樣一來，物理知識點的應用就會在學生的實驗過程中直接被進一步強化，而物理科學的理性美也能展現得淋漓盡致．物理科學是一門集人文美、形式美與對稱美於一體的課程，在物理課程的教學過程中，教師對於物理知識的講解不能停留在表面的認知領域，而應該將其本身所具有的形式美滲透至學生的學習過程中，儘可能給學生帶來美的感受，充分發揮物理科學的獨特魅力．總而言之，在物理教學中以美啟真，陶冶學生的思想情操，激發學生的創造性思維，達到提升其物理綜合能力的目的．
參考文獻:
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