物理实验教学中的美学教育

一、物理实验中美学因素

1、物理实验的现象美

物理实验展示的现象实际上是实验物理学家对自然现象或自然过程重新组织或者重新构建。因此物理实验中的现象美就包含两方面的内容:物理观察的自然现象美和物理实验展现的现象美。物理观察的自然现象美和传统美学中所谓的自然美的内涵是不尽相同的。后者是审美主体的感官直接感受到的自然界表面属性，如日月星辰的光芒、银河系的广阔幽深、彩虹的绚丽多彩等等这些自然物的自然属性。前者所涉及的广度和深度要大得多。物理观察可以获得诸如星系的漩涡结构、行星的椭圆轨道等宇宙结构图，物质的晶体、分子、原子等物质层次结构图等等反映自然、物质结构奥秘的特征。这些特征本身也有非常多的美，而这些又是自然美无法体现的。

既然，物理观察存在大量的自然现象美，那么，对自然现象美进行重构的物理实验也必然展现很多的现象美。看一看实验物理学家给我们展现的图景:棱镜或光栅展示的多色光谱，由若干不同颜色的细亮谱线按波长顺序排列组成，展现了简单有序美;双缝干涉条纹呈现出了明暗相间的等间距的直条纹，单缝衍射花样中各极大处的光强是不相同的，中央明纹光强最大，其他明纹光强迅速下降，呈现对称分布;两个频率不同相互垂直谐振动的合成得到的李萨如图形展现的对称美;平面镜成像的物象对称;点电荷电场的球对称;无限长直导线周围磁场的轴对称等等，这些令人赏心悦目、回味无穷的图景，是人们感性认识的范围内就可以体验其美感效应的，与绘画有同样的审美价值。这些美丽的图景具有对称、简洁、和谐等特点。

2、物理实验的设计、方法的美

物理实验的审美价值不仅仅表现在现象美上，还表现在独具创造性的实验构思、精巧完美的实验设计上，以及精湛的实验操作和控制技术中。在历史上人们一直认为光的传播不需要时间。直到十七世纪，物理学家才开始尝试测定光的速度。刚开始物理学家测定光速时，必需利用很大的距离，用精巧的方法准确地测出很短时间间隔，得到的结果误差很大，后来迈克尔逊设计了一个十分精巧的实验，非常准确地测出了光速度。他选择两个山峰，测出两山峰间的距离。在第一个山峰上安装一个强光光源和一个正八面棱镜及一个望远镜;另一个山峰上安装一面凹镜和一个平面反射镜。通过调节八面棱镜的转速，测定光速。爱因斯坦称赞这一实验的优美和方法的精湛时说:“迈克尔逊是科学的艺术家”。是的，他的实验装置和方法是优美的。他使用的仪器是普通的，原理是众所周知的，然而得到的结果却是完满的。他后来又利用干涉仪做了一个更美妙的实验，从而否定了“以太”的存在，为相又抓仑和量子力学的建立奠定了基础，引起近代物理学的革命，进而促进了新技术革命和产业革命的到来，物理实验创造了人类美好的未来。

再如对称性的方法是现代物理实验的一个重要方法，并且物理实验过程中也展现了对称美的美学形式。传统美学中的对称仅指人们感性意识中的三维空间的对称，物理学中的对称则包含各种数学空间的对称，是一种理性范畴的对称。对称性原理在现代物理学研究中发挥了越来越大的作用，对称性的方法其实已经是当代物理学家研究物理学问题的一种方法。实验物理学家对于对称这种美学形式更是宠爱有加，义无反顾地去追求这种美。法拉第从对称性中得到了很大的启发，他想既然电能生磁，那么磁也一定能生电，这样才能显示出自然界的对称美。他经过10年的艰苦努力，终于用实验证实了电与磁之间存在对称美的设想。对称性思想已经是现代物理学实验的一个重要思想。物理学史上的诸多实验，在科学发展及人类进步的历史舞台上闪耀着艺术的光辉，堪称物理世界中的艺术精品。如库仑的电抨实验;托马斯杨的光双缝干涉实验;盖革与马斯登在卢瑟福指导下进行的粒子散射实验;赫兹的电磁波实验;查德威克发现中子的实验和吴健雄验证弱相互作用下宇称不守恒理论的实验等。

3、物理实验结论美

物理实验展示出人的认识与自然界的和谐统一。物理实验的最终目的不是创造艺术作品，而是为理解自然提供细节观察或者是为理论寻找证据。其中物理实验结论与理论的和谐统一是物理实验美的突出体现。近代物理学的一个特点是理论的发展走在实验的前头。暂时造成美与真的矛盾的主要原因是物理学家极其广阔的思维空间与现实空间由于实验手段和技术的限制而暂时无法沟通。只有理论与实验和谐统一了，物理学新理论才得以在科学界被广泛接受和应用，才能推动人类社会的进步。

二、在物理实验教学中进行美学教育

在教学中，教师的教学能否产生艺术效果，既取决于教师的教学艺术，也有赖于学生的艺术情趣。一个从未体验过科学美的人在学习科学理论时可能会觉得遇到的不过是一大堆枯燥无味的符号、公式和图表，毫无美感可言。正像一个毫无艺术素养的人听到旋律优美、节奏明快的音乐时会觉得那不过是叮叮咚咚的杂音;看到构图新颖、寓意深刻的绘画时会觉得那只是一些五颜六色的堆积罢了。所以，一个精通教学艺术，讲究教学效果的教师一定会在备课中充分挖掘物理实验的科学美的因素，在教学中培养学生科学的审美能力，从而提高学生的实验技能。

1、以真实的生活情景为实验蓝本，体现物理科学的自然美，提高学生的学习兴趣

自然美是客观世界中自然物、自然现象的美。物理学是一门自然科学，是以观察和实验为基础建立起来的，物理学中涉及到大量的物理现象和自然现象，无不体现物理科学的自然美。

例如，除前面的举例之外，还有电子的绕核运动、天体的和谐运动;结晶体的多样化、液体的表面能;高压放电、摩擦起电、磁石吸铁、电磁感应;四季变更，风、雨、雷、电的形成等，物理实验教学中，必须以观察实验为基础，尽量从现代日常生活中寻找物理现象，创设物理环境，让学生获得详实、直观、具体的感性美，使实验教学更加贴近生活、贴近社会。使学生感受物理实验就在身边，物理科学的自然美就在现实生活中，从而提高学生的学习兴趣。物理学是自表面向深层的发展。表面有表面的结构，有表面的美。比如虹和霓是极美的表面现象，人人都可以看到。实验工作者作了测量以后发现虹是420的弧，红在外，紫在内;霓是500的弧，红在内，紫在外。这种准确规律增加了实验者对自然现象的美的认识。这是第一步。进一步的唯象理论研究可以了解到这42与50可以从阳光在水珠中的折射与反射推算出来，此种了解显示出了深一层的美。还可以引导学生再进一步地研究，可深人了解折射与反射现象本身可从一个包容万象的麦克斯韦方程推算出来，这就显示出了极深层的理论架构的美。

2、开设综合性、设计性实验，给学生体验实验的设计、手段的方法美与创造美的空间

多开设一些综合性、设计性实验，给学生更大的空间去创造、思考，充分挖掘学生的潜能来完成实验，从而完成体验实验的设计、手段的方法美与创造美。随着科学技术的迅猛发展、许多边缘学科、交叉学科的兴起，学科互相渗透、互相结合的整体化发展日益迅速，某一疑难科技问题的解决不再仅仅依赖于某一个学科，而是多学科的综合化。因此，培养学生的融合意识和知识整合能力成为大学物理实验教学的重要使命，而物理学是自然科学中的基础学科，它与化学、生物学数学等学科的联系相当密切。因此，为了培养学生的发散思维能力，提高探究能力，在物理实验内容的选择方面可涉及其他学科与物理学相联系的综合性问题，如光谱技术、真空技术、磁共振技术、光纤技术、传感器技术、光学信息处理技术等等。

设计性物理实验是在学生具有一定能力的基础上，运用有关物理实验知识、技能、科学过程与方法，独立(或在老师启发下)分析实验目的和要求，对实验的仪器、装置、步骤和操作方法所进行的一种规划。设计性物理实验对于发展学生科学研究能力、提高他们的实践能力和创新精神、培养学生的兴趣具有重要意义。例如“光电传感器的设计与应用”，教师可提供一定的资料，让学生用计算器作为计数器，用光敏三极管和其他电子元器件设计一个计数电路，记录迈克尔逊干涉条纹“涌出”和“陷人”数目困。再如还可以在经典实验内容之一——霍尔效应的基础上开设“用霍尔元件测地磁场”、“用霍尔传感器设计制作数字高斯计”等带有一定应用性与设计性的实验。在大学物理实验中适当增加设计性和综合性的实验不仅可以提高学生的学习兴趣，拓展学生的视野，激发学生的学习动机，而且可以锻炼他们的实践能力，在完成实验的过程中学生可以充分体验实验的设计、手段的方法美与创造美。

3、结合物理学史教学，体现物理学家科学品格和人性美，激发学生人格力量美人性是社会美的一种，是指人的思想、品格、志趣、情操、智慧、情感等多方面的美。大学物理中涉及到几十位中外著名的物理学家，尽管他们的国籍不同，所处的年代不同，个人经历不同，但在他们探索物质世界的奥秘的动人事迹中，都闪烁着人性美的光辉。科学品格是科学家得以科学成功的重要保证，科学品格的高下，决定科学家科学贡献的大小。科学品格包括科学家的探索勇气、创新精神、追求真理的理想、实事求是的方法论、百折不挠坚忍不拔不怕失败的性格特征等。

伟大的天文学家哥白尼，经过几十年的观测实践和研究，写成“天体运行论”著作，创立了著名的“旧心说”，招致宗教势力的敌视;伽利略被终身监禁而矢志不移;开普勒贫病加，历受迫害，死在小客店内;富兰克林为研究雷电冒险进行的“费城实验”，利赫曼为同一目的遭雷击而死;法拉第鄙视名利，一生进行实验探索，最后老死在书桌旁;居里夫妇为提炼镭元素而甘受放射线的伤害，他们的女儿和女婿也因长期从事放射线研究而英年早逝……。科学家们视苦为乐，顽强不屈的与困难作斗争的美德，他们献身科学的精神是一曲人类最美好的赞歌，是宝贵的精神财富。在物理实验的教学过程中结合具体的实验内容穿插相关物学家们的动人事迹，用物理学家的人性美感染和熏陶学生，激发学生的人格力量美。

综上所述，教师充分挖掘物理实验中的美的因素，在物理实验教学中充分展示和利用物理实验的美学特征，让学生充分感受物理的美，不但可以提高物理实验的教学效果，让物理实验教学充分发挥其效力，而且可以引导学生探索物理中的美并将这种追求转变为学习动力，同时还能够潜移默化地影响学生的科学品质，让学生在物理实验教学中充分领略科学家追求科学真理的勇气、创新精神和为科学献身的品格。

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