浅谈物理教学中艺术美感

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  随着发展学生核心素养的公布,我们高中物理课程教学肩负起提高学生科学素养、促进学生终身发展和未来发展的重任。对于喜欢文科类的学生而言,大都是因为他们喜欢有艺术美、有人文美的学科,对物理都有不喜欢、不欣赏、不重视的心态,物理课堂普遍是枯燥沉闷的、单调的,物理学科对于他们而言是毫无美感而言的。
  核心素养的提出使我们教师认识到通过课堂教学,学生通过高中学业水平测试等级考试和高考等级匹配并不是教学所追求的最终目标,只是学生过程学习的一种检验方式。
  我校也于2016年11月中旬申报江苏省人文艺术教育课程基地,同年5月28日被批准为省级课程基地,我校以“以艺术涵养人生,用人文关照生命”课题理念引领下,在教学的新的生态环境形势下,笔者认为物理应与人文、艺术、经济和社会发展有机地联系在一起,肩负起提高学生科学素养、促进学生全面发展的重任,包括现在必修班的学生也不例外。这样一来物理课必须要丰满起来,要灵动起来,就是要让学生也感觉物理的“艺术美”。什么是“艺术美”,笔者认为能引起人们感官愉悦的东西就是艺术美。物理具有“艺术美”,学生通过美的感受来提高学生的学习积极性,从而提高学生的科学素养。
  在很多学生心目中,物理是与艺术、人文学科是冲突的,是矛盾的,是不兼容的,是字母公式和文字定律叠加,物理课堂是那样枯燥、懵懂,根本发现不出物理有什么“艺术之美”,其实并非如此,罗丹曾经说过:“生活中从不缺少美,而是缺少发现美的眼睛。”所以,笔者认为物理学之美要待我们教师去挖掘、去发现、去开发和创造,在物理课堂渗透物理学科所独有的“艺术美”。
  要有美的眼睛发现的物理学的艺术美
  物理学是一门渗透艺术美的学科,它的美不仅体现在物理学现象和操作上、也体现在物理规律的形势与表达上,更体现在物理学探究的过程之中。作为探索自然界物质运动的规律的科学,物理学研究的过程和规律都在展示科学自身的艺术美。
  每个学期开学的时候,学生总会跑过来问我:“老师,物理好难啊,你怎么会想去学物理呢,还做物理老师?”
  我总会诚实地告诉他们:“老师和你们一样,一开始选择学物理是因为学长学姐们说学物理可以好找工作,回想着高中时做不完的物理题,实在谈不上对物理有多么热爱。但是学着学着发现物理其实挺美的,挺艺术的。大概还是自己内心对这个世界的美与艺术好奇吧。因为我想知道天空为什么是蓝色的,想知道为什么会有美丽的极光,想知道原子内部是什么样的,想知道时空扭曲到底怎么回事……”这自然界的规律,物理总可以给你最基本的思路,引发内心无限的遐想。只要你还怀着好奇心,物理就可以带给你意料之外的乐趣,但首先我们要有一双善于观察物理艺术美的眼睛。
  每年的每一学期我的第一节物理课我都会问:物理是什么?是声光热电?是有意思的实验操作?還是记不完的公式原理?是无处不在的受力分析或者电路图……这些答案或许都出现在你的心中,但是我想说物理学本身也是一件艺术品,具有艺术美。
  物理学一幅美丽的画眷
  神奇绚丽的极光
  每当我展示北极光的图片或视频,告诉学生这种缤纷多彩的光带就是极光,像五彩的烟花,把整个冰雪世界照的通明透亮,极光绚烂妖娆,变幻莫测,甚为美丽,像巨大的探照灯光,又像彩色的烟火或多彩的丝绸,在天地中横铺起来,波澜壮阔,此起彼伏,忽隐忽现,使人应接不暇,七色的的彩色延展可达数百公里以上,出现一次通常可以在天空持续一二小时,仿佛进入童话世界一样。
  这就是大自然的魅力,这就是物理中的艺术美,我接着会说,其实极光的产生,其实和老式(CRT)电视的显示原理是差不多的,而老式(CRT)电视的显示原理就是我们物理中带电粒子在磁场中的偏转运动,当然了,极光不仅仅是与地球高空地磁场的大规模相互作用有关,还与地理高空大气和太阳风(太阳喷发出来的高速带电粒子流)有关。极光的变化多姿和不断运动则是由于粒子束受到磁层中电场和磁场变化的调制造成的。学生欣赏着大自然的美,同时也会惊讶于物理学的画面美。
  美丽的力学
  美轮美奂的房子,气势恢弘的桥梁,长龙般的隧道,流线型的汽车,风驰电掣的飞机....当我们看到这些建筑物或交通工具我们会惊讶它们的实用性和设计师的巧夺天空,其实也会赞叹蕴含在其中的力学原理。 高中的力学作为一门基础学科,当我们看到这些宏伟的设计,我们更要想到物理科学的内在的美,无形的美,没有物理的奥妙,就没有这些艺术品的震撼。
  如斜拉桥,我会解释到斜拉桥承受的主要荷载主要是其自身的重量,不是它上面的汽车或者火车,主要是我们脚下的主梁。现在可以等效索塔两侧只有两根斜拉索,左右对称各一条,这两根斜拉索受到主梁的重力作用,对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力,根据受力分析,主梁左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力;同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力;由于这两个力是对称的,所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了,最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力,这样,力又传给索塔下面的桥墩了。
  美丽的天文物理
  当我投影到美丽宇宙星空图片时,所有人抬着头,眼睛大大的,一个好奇的脸蛋渴望着、期待着……其实热爱物理课堂都是从美丽和渴望开始的,所以我想说学物理,首先你得有一双热爱的眼睛,通过自己肉眼或者通过天文望远镜去眺望那遥远的星河和美丽星球,去欣赏那个浪漫的璀璨星空,然而远在看不到的地方,有更多美丽的事情已经发生、正在发生或者将要发生,当你在一个宁静的夜晚抬头仰望着满天星河,让你得到更多感动的,到底是眼睛所能看到的美丽,还是那些看不见的东西。我们所在的银河系内部拥有近2000亿恒星,这些恒星能够围绕银河系的中心长期运转,其实就是我们所将要学习的万有引力。拥有这些物理知识我们可以测算星体的质量,旋绕速度和形体结构特征。   那些美丽的光学干涉
  生活中我们经常会看到这样的美丽:小朋友吹得泡泡在空中飘摇着,透明的薄膜闪显出七彩的光芒,在阳光下显得格外色彩纷呈,而且随着泡泡被逐渐吹得越来越大,它的色彩也会变得越来越亮丽,直至爆灭。这究竟是怎么回事,有什么样的物理知识在其中呢?
  我会耐心地解释:原来,这是物理学中的光的薄膜干涉现象,当然也不是所有透明膜都会发生光的干涉现象。膜有两个表面,上表面和下表面,当上下两个薄膜厚度比较薄时,就会相互干涉。当肥皂泡被吹得越来越大时,膜也会随着越变越薄,当能满足光的干涉条件时,才会形成美丽的七彩球珠。五彩斑斓的肥皂泡,水面上光鲜彩色条纹的油膜都是白光在透明薄膜的上、下表面反射并相互干涉的结果。
  物理是一首诗歌,它揭示了自然的主题,演绎着生命的乐章
  那一天,你在我的参照系里静止,你透过我的瞳孔衍射,在视网膜上刻下一组爱里斑……顽皮地开关着那扇命运之门,于是对称性破缺了,自发地,在这个混沌的世界,这首诗是南京大学物理系博士俞杰作为男嘉宾在江苏卫视的《非诚勿扰》节目中念出的这首“物理情诗”并迅速在网络上走红。这其中透露着我们物理学中的“简谐振动、黑洞、参考系、衍射、相对论、薛定谔的猫”等很多物理原理和规律。这首诗歌在论坛和微博上深受广大网民追捧,这首物理情诗一方面在表达自己的爱意的同时,另一方面不正是说明物理学科和学物理的人完全具备这种艺术美感和浪漫思维。把这首诗歌投放在大屏幕,下面的同学们顿时沸腾了。
  当然还有一些诗歌中也渗透着物理原理知识的,“绿树阴浓夏日长,楼台倒影入池塘,水晶帘动微风起,满架蔷薇一院香。”说明分子处于永不停息的运动中;“但闻其声,不见其人”说明波在传播的过程中的衍射现象,即当障碍物的尺寸小于等于波长时,可以发生明显的衍射现象;“坐地日行八万里”是因为地球的半径约为6400千米,地球每转一圈,其表面上的物体也就是行走了一圈,路程约为40000千米,大概8万里,它科学地揭示了物理学的运动和静止关系;“月晕而风,础润而雨”告诉我们当我们看到有月暈时,预示着将要有大风来临,那是因为风来时,高空中气温迅速下降,空中的水蒸气迅速凝结成小水珠,月光通过这些小水珠就会发生色散现象,形成月晕所以“月晕而风”“础润而雨” 是说地面潮湿,就会预示着要下雨了。
  因为大雨来临之前,空气湿度很大,地面温度下降,地面附近的水蒸汽遇冷会凝结着为小水滴,另一方面地面含有的盐成分也会吸附着水蒸汽,所以“础润而雨”告诉我们大雨将至。
  物理是一部充满科幻和想象的小说
  其实科幻小说不是玄幻小说,它并不是完全的科幻离谱,他是取材于物理理论新设想,是物理理论让科幻小说界焕发了无尽的活力,比如“穿越”“平行宇宙”“空间折叠”获得了一定程度上的“理论支持”。
  科幻小说往往会借助物理学理论来让自己的故事逻辑性“看上去”更强些,更有具说服力,若离开了物理学理论,脱离了物理学支持,那么小说真的成为玄乎不切合实际的东西了,也不靠谱和具有吸引力。
  一位学生在周记中写道:“我好想有一天乘坐光速飞机去遨游太空,去追逐星星,去拜访黑洞,去寻找另一个地球,去感受我和火星之间的万有引力,去寻觅、去研究宇宙中的奥秘,不断地发掘宇宙的更多美丽。”另一位学生也写道:“我很喜欢天文和物理,对太空有极大的向往,但是我是文科生,看到了物理学充满那么多的神秘感和艺术感,我真的很想去靠近它,去接触他,去了解它,我想用2年或者更久的空闲时间来自学物理。”
  大自然是美丽的,是艺术的,艺术美丽的大自然的美绝不仅仅是因为其外表的漂亮和和谐,更是因为其中蕴含的物理规律和知识尤其显得奇妙和令人向往。在物理学的世界中,其实都是一步一景,移步换景,像一幅画卷,一首诗歌,一部小说,物理学的世界其实处处都是艺术和美丽的,我们做教师的要有发现的眼睛和想象的头脑。深入挖掘物理知识的艺术美,使学生们更多更好地接触大自然和物理,让物理和艺术美感更好地融合一起,更好地继承和研究这些科学,同时提高欣赏艺术美感的能力和学习物理的兴趣。
  粒子穿梭加速碰撞的奇妙,光的波粒二象性的诡异,牛顿圆环的对称,宇宙中的行星运动的永恒……物理世界的一切的一切都充满了艺术美感,宛如磁石吸引着我们,引导着我们一起前去一探究竟。
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