讓科學(xué)之美在課堂里綻放

池邦東

摘 要：自然科學(xué)是一個美的世界，蘊含著豐富的自然美，包括知識中的簡潔美、對稱美、統(tǒng)一美和知識探究中的發(fā)現(xiàn)美。認識與發(fā)掘自然科學(xué)之美，從美的角度去認識自然、研究自然、發(fā)現(xiàn)自然，可以提高學(xué)生的學(xué)習興趣，加深對知識的理解，培養(yǎng)科學(xué)的審美觀念，提高學(xué)生的審美情趣。

關(guān)鍵詞：自然科學(xué)；美；課堂

自然科學(xué)是研究自然界中物質(zhì)的性質(zhì)、變化和規(guī)律的一門學(xué)科，涵蓋了生活中的方方面面，知識點包羅萬象，是初中課程中最能拓寬學(xué)生視野的一門學(xué)科。而現(xiàn)行的科學(xué)教育，在應(yīng)試教育的指揮棒下，教學(xué)的價值取向產(chǎn)生了偏離。本文根據(jù)科學(xué)美的一般范疇，結(jié)合初中教材，簡述蘊藏于自然科學(xué)知識和知識傳授中的美。

一、簡潔美

科學(xué)知識的簡潔美，在數(shù)學(xué)形式表現(xiàn)的科學(xué)公式中得到最集中的體現(xiàn)。如愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的質(zhì)能方程E=mc2，它反映了物質(zhì)的質(zhì)量與能量之間的聯(lián)系，其數(shù)學(xué)表達形式簡潔無比，但卻成為了指導(dǎo)人們進一步認識核反應(yīng)規(guī)律和從核反應(yīng)中獲得巨大能量的基礎(chǔ)理論，從這一點講，它又是深刻的。在教學(xué)中，通過從核反應(yīng)中原子核質(zhì)量的變化并伴隨釋放或吸收巨大的能量，而原子核質(zhì)量的變化與釋放或吸收能量之間的關(guān)系卻由E=mc2這樣簡潔的關(guān)系式所描述，可以使學(xué)生感悟到復(fù)雜的物理表象背后其關(guān)系式卻透出無比的簡潔美。

再如：門捷列夫發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)立的元素周期表，其靈感來源簡單的撲克。無事時排列撲克牌讓他想起元素是否可以按順序排列，隨后他就付之于行動，于是，一項偉大的發(fā)現(xiàn)誕生了。排列的元素周期表是如此簡單，但這個表格是在他“經(jīng)過多次更精確的實驗完善并維護了周期表的完美性，經(jīng)歷了一個‘真必須服從‘簡的科學(xué)美的原則”之后完成的，是在不斷地趨美求真、去繁求簡中完善起來的。如此簡單的元素周期表，卻演繹出化學(xué)世界的神奇紛繁、千變?nèi)f化，成為人類探素自然世界周期發(fā)展的金鑰匙，從而使令人眼花的化學(xué)世界顯示出有序而又簡潔的本質(zhì)。

二、對稱美

天與地、陰與陽、上與下這些自古以來就有的對稱，給人一種和諧、穩(wěn)定、勻稱的美感。科學(xué)的對稱美源自客觀物質(zhì)世界的存在、作用、運動、形態(tài)所具有的對稱性。如，自然科學(xué)中的運動與靜止、引力與斥力、勻速與變速、變力與恒力、反射與折射、溶解與結(jié)晶、液化與汽化，數(shù)學(xué)中的正與負、奇與偶、加與減、實數(shù)與虛數(shù)，等等，都是自然美的對稱性反映。

這種自然界中的對稱在教學(xué)中對學(xué)生的思維啟示也有著重要作用。比如：對學(xué)生進行電磁波教學(xué)時，可以先給學(xué)生講授變化的電場可以產(chǎn)生變化的磁場這一知識，然后提問：“變化的電場可以產(chǎn)生變化的磁場，而大家都知道，電和磁之間可以互相轉(zhuǎn)化，并且電和磁的存在都可以不需要媒介，如果空中有一個變化的電場，那后面的情況會是怎樣的呢？”學(xué)生通過對稱性這一規(guī)律可以進行猜想：變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又會產(chǎn)生變化的電場，這樣互相轉(zhuǎn)換，如果這種轉(zhuǎn)換在空間上具有延續(xù)性，就會在空中不斷地傳播下去。這時教師再對電和磁之間的轉(zhuǎn)化做一個簡單的講述，學(xué)生學(xué)起來就容易多了。

三、統(tǒng)一美

統(tǒng)一，給人以整齊、一致的美感，科學(xué)的統(tǒng)一美是物質(zhì)在自然界中和諧統(tǒng)一的本質(zhì)體現(xiàn)。在自然界中，各種不同甚至對立的自然事物和現(xiàn)象通過多種渠道聯(lián)系在一起，呈現(xiàn)出和諧、統(tǒng)一的自然之美。萬物歸一是科學(xué)家探索未知世界過程中夢寐以求的最高目標。愛因思坦的相對論即是他追求統(tǒng)一美的結(jié)果。當時，牛頓力學(xué)相對性原理與麥克斯韋電磁學(xué)原理運用于運動物體時發(fā)生不對稱的矛盾，愛因斯坦結(jié)合相對性原理和洛倫茲變換原理，成功地將兩者統(tǒng)一起來，從而將經(jīng)典力學(xué)中分立的時間、空間、物質(zhì)、運動、時空等概念統(tǒng)一起來，建立了狹義相對論這一著名理論，并最終將經(jīng)典力學(xué)中分立的質(zhì)量與能量、動量與能量概念也統(tǒng)一了起來。

初中的自然科學(xué)知識，相對比較簡單、基礎(chǔ)，學(xué)生自己可能難以悟出知識的統(tǒng)一美，但對于一些知識，可以在教師的引導(dǎo)下讓學(xué)生領(lǐng)悟這種統(tǒng)一性。如圓（球）形在自然界的普遍存在性必然與其特點相適應(yīng)，就此，可以設(shè)計以下的問題：（1）從數(shù)學(xué)上講，圓（球）形具有什么特點？（2）鵝卵石為什么是圓球形的？（3）地球為什么是圓球形的？星球為什么大多是圓球形的？星球的運動軌跡為什么大多也是圓的？（4）航天器材為什么很多都做成圓形的？彩虹為什么是圓弧形的？（5）如果沒有重力，水滴會是什么形狀，蠟燭燃燒的火焰是什么形狀？為什么？（6）如果宇宙有邊界的話，可能是什么樣的邊界？（7）在常見的形體中，什么樣的形體最穩(wěn)定？萬物在宇宙之中，都想趨于什么狀態(tài)？（8）詞語“圓滑”一詞由何而來？生活中它又有什么現(xiàn)實意義？

上面這些問題，必然會引起學(xué)生的思辨、討論、聯(lián)想，然后教師稍做引導(dǎo)，便可以總結(jié)出如下自然規(guī)律：世界萬物都想趨于穩(wěn)定，而圓（球）形是最穩(wěn)定、最堅固、最均衡、最節(jié)省面（體）積的一種形狀，圓形是自然選擇的結(jié)果，是萬物適應(yīng)自然、趨于穩(wěn)定的一種表現(xiàn)。通過上述過程，學(xué)生也就領(lǐng)悟到自然界中很多看似不相關(guān)的表象下面，有些許相似和統(tǒng)一。

總之，教師只有對科學(xué)知識中所蘊涵的美有深刻的領(lǐng)悟，在講解科學(xué)概念、定理、公式時，才能向?qū)W生講清楚這些知識的美以及當初科學(xué)家們探索時走過的審美歷程，并把自己對科學(xué)的審美感悟、態(tài)度、信念傳達給學(xué)生。