中学的科学知识综述

对称美是大自然内在的和谐与秩序体现

天与地，阴与阳，上与下这些自古以来就有的对称，给人一种和谐、稳定、匀称、谐调的美感。科学的对称美源自客观物质世界的存在、作用、运动、形态所具有的对称性。如，自然科学中的运动与静止、引力与斥力、匀速与变速、变力与恒力、反射与折射、溶解与结晶、液化与汽化，数学中的正与负、奇与偶、加与减、实数与虚数等等，都是自然美的对称性反映。这种自然界中的对称在教学中对学生的思维启示也有着重要作用。如：初中教学中在讲述了通电线圈在磁场中发生转动以后，就可以启发学生：线圈通电后可以在磁场中转动，那么如果线圈先在磁场中转动，有可能产生什么现象呢，学生自然就想到有可能产生电流，这样，对于电磁感应现象学生就很容易理解了。再比如，对学生进行电磁波教学时，可以先给学生讲授变化的电场可以产生变化的磁场这一知识，然后提问：变化的电场可以产生变化的磁场，而大家都知道，电和磁之间可以互相转化，并且电和磁的存在都可以不需要媒介，如果空中有一个变化的电场，那后面的情况会是怎样的呢？学生通过对称性这一规律可以进行猜想：变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又会产生变化的电场，这样互相转换，如果这种转换在空间上具有延续性，就会在空中不断的传播下去。这时教师再对电和磁之间的转化作一个简单的讲述，学生学起来就容易的多了。另外，课堂教学中也可以根据知识的对称性让学生大胆进行猜想，以拓宽学生的思维方式和空间：如（1）如果我们所处环境中的物质是正物质，那么宇宙中还可能存在______物质，如果这两种物质相遇，可能会发生什么现象？（2）如果我们的时空中时间为正时间，那么宇宙中还可能存在______时间，如果这两种时空相汇，可能会发生什么现象？（3）如果我们所用的能量为正能量，那么宇宙中还可能存在______能量，如果这两种能量相汇，可能会发生什么现象，如果人们能利用这一现象，可以如何解决现在的能源危机。（4）小电动机通电之后会转动起来，如果我们先用外力将其转动起来，那么可能出现什么现象？根据这一现象，如何将电动机改装成一个风力发电机。（5）灯泡通电后可以发光，如果先将光照在灯泡上，可能会出现什么现象？如果这一现象存在，对于我们的生活又有什么现实意义。上述问题会引起学生激烈的讨论、思索，辨答，甚至动手实践。然后教师再告诉学生，他们的一些猜想也正是现在许多伟大的科学家正在研究的最新课题，学生听后会获得巨大的成就感，并且对自然科学产生浓厚的兴趣，更好的促进自然学科的学习。

统一美是对大自然认知境界的最高体现

统一，给人以整齐、谐调、一致的美感，科学的统一美是物质在自然界中和谐统一的本质体现，也是审美者对大自然认知境界的最高体现。在自然界中，各种不同甚至对立的自然事物和现象通过多种渠道联系在一起，它们相互依存、互相影响，环环相扣、谐调有秩，呈现出和谐统一的自然之美。万物归一，辩证统一是所有科学家探索未知世界过程中梦寐以求的最高目标，科学家总是力图从变化万千的自然现象中看到某种一致或某种相似，亦即某种统一。爱因斯坦的两个著名相对论即是他追求统一美的完美结果，当时，牛顿力学相对性原理与麦克斯韦电磁学原理运用于运动物体时发生不对称的矛盾，爱因斯坦结合同时性的相对性原理和洛伦兹变换原理，成功地将两者协调、统一起来，从而将经典力学中分立的时间、空间、物质、运动、时空等概念统一起来，建立了狭义相对论这一著名理论，并最终将经典力学中分立的质量与能量、动量与能量概念也统一了起来。初中的自然科学知识，相对比较简单、基础，学生自己可能难以悟出知识的统一美，但有一些知识可以在教师的引导下让学生领悟这种统一性。如圆（球）形在自然界的普遍存性必然与其特点相适应，就此，可以设计以下的问题：（1）从数学上讲，圆（球）形具有什么特点？（2）鹅卵石为什么是圆球形的？（3）地球为什么是圆球形的？星球为什么大多是圆球形的？星球的运动轨迹为什么大多也是圆的？（4）航天器材为什么很多都做成圆形的？彩虹为什么是圆弧形的？（5）如果没有重力，水滴会是什么形状，蜡烛燃烧的火焰会是什么形状？为什么？（6）如果宇宙有边界的话，可能是什么样的边界？（7）在常见的形体中，什么样的形体最稳定？万物在宇宙之中，都想趋于什么状态？（8）词语“圆滑”一词由何而来？生活中它又有什么现实意义。上面这些问题，必然会引起学生的思辨、讨论、联想，然后教师稍作引导，便可以总结出如下自然规律：世界万物都想趋于稳定，而圆（球）形是最稳定、最坚固、最均衡、最节省面（体）积的一种形状，圆形是自然选择的结果，是万物适应自然，趋于稳定的一种表现。通过上述过程，学生也就领悟到自然界中很多看似不相关的表象下面，有些许相似和统一。

发现美是探究自然科学的动力之源

未知的事物总有一种神秘的美，科学家所从事的科学活动就是要揭开盖在事物表面上的那一层面纱，而将科学美展现在大众面前。物理学家海森堡曾指出：“科学的探索者们最初往往是在美的光辉照耀下，去认识和发现真理。”数学家彭加勒也曾坦率地说过：“科学家研究自然……是因为他从中得到乐趣，而他之所以能从中得到乐趣，那是因为它美。如果自然并不美，就不值得去了解它。”爱因斯坦也认为，把人们引向科学的最强烈的积极动机，就是“人们总想以最适当的方式来画出一幅简化和易领悟的世界图象。”他进一步指出，在科学上有伟大创造成就的人，全都“相信我们这个宇宙是完美的，并且是能够使追求知识的理性努力有所感受的”，如果这种信念不是一种有强烈感情的信念，“那么他们就很难会有那种不屈不挠的献身精神，而只有这种精神才能使人达到他的最高的成就。”科学发展的历史也是科学家对美的追求和创造的历史。在初中的教学中，教师主要是引导学生学习已有的知识，虽然不是去发现真理，但在教学的过程之中，也应该尽量去满足学生的发现欲和探究欲，所以自然科学的教学应该尽量给学生创设探究发现的情景。如《声音的发生与传播》一课中，讲授声音的产生时可以制定如下的探究步骤：（1）观察发声物体的特征，得到初步猜想：声音是由物体振动产生的；培养学生观察能力。（2）自己动手做物体振动发声的实验；培养实验能力、组织能力、逻辑思维能力。（3）得到结论，验证假设；学会用“现象—假设—验证———结论”的方法进行科学探究。（4）学生总结：做一个完整的实验要学会组织、协作、讨论、创新等精神。（5）最后体会：自然美的和谐、奇异，以及体现自我的学习价值。如果说（1）是知识目标；那么（2）、（3）、（4）是发展目标；（5）则是延伸性目标———学生体会到发现过程之美；上述整个过程蕴含了人的认知能力、探究方法、科学精神和科学态度。当然在上述活动之后，还可让每一组同学自己选择想要研究的对象进行自由探究，学生作为小组一员，既有自主意识，又有贡献意识，在你嚷我哝，你说我做的过程中便有了新的发现和收获。如，有一小组同学想到验证竖笛发声时空气振动这个实验，但看法就各不相同：“我把小纸条放在竖笛的气孔上，一吹竖笛，纸条就要向上飘起来。”“我把塑料泡沫小球放在气孔上，一吹竖笛，小球就会跳舞。”“我把手指放在孔上，一吹竖笛，感到有一股风。”……喜悦、自豪、满足写满了一个个笑脸，学生的创新精神、创新能力得到了发展；学生的发现欲、探究欲得到满足；自然科学的发现美、探究美得到升华。美，蕴藏于科学知识之中；美，体会于探索与发现之中；美，闪烁于教师的辛勤传播之中。教师只有对科学知识中所蕴涵的美有着深刻的领悟，在讲解科学概念、定理、公式时，才能向学生讲清楚这些知识的美以及当初科学家们探索时所走过的审美历程，并把自己对科学的审美感悟、态度、信念传达给学生。做到这些并不容易，但十分必要，因为科学课程的审美价值最终是通过教师向学生传递来实现的，学生的棎究步伐和审美精神需要教师的精心培植才能顺利成长，才能进一步前进。

作者：彭金菊 单位：宁波市鄞州区古林镇中学