科学杂志文章!
世界名画与开放性思考题
褚慧玲

  

   荷兰著名画家埃舍尔(M.C.Escher)创作了许多富于智能启发的力作,他的作品能引起观赏者的想象力,众多数学家也为之迷恋。当我看到埃舍尔的名画《瀑布》时,想到要让我的学生和我共享一下。于是我用这幅名画编制了一道供高中学生发散思维的开放性问题,希望通过欣赏世界名画的方式,使课堂教学和问题思考产生一种奇特而又浪漫的意境,引发学生的观察力和想象力。

   如图是著名画家埃舍尔1961年完成的题为《瀑布》的石版画。请你用所学的科学知识对该画进行分析。

   问题是以图片的形式呈示的,并没有限定某一具体的学科,但学生的分析过程实际是一个科学的探究过程,测试了学生观察现象和提出问题的能力,收集、处理信息的能力,科学解释和评价的能力,表达和交流的能力。而且回答问题时,还要选择和组合运用学科知识,测试了学生运用科学方法分析解决问题的能力,通过分析过程也可反映学生科学态度,体现其科学素养。因为高中学生的思维已开始具有辩证逻辑思维的特点,且具有独立性,他们从事物的对立统一中进行合乎逻辑的推理,他们乐于独立提出问题、解决问题,他们喜欢探讨问题发生的原因,能解释和论证事物或现象间较为复杂的因果关系。以下是学生的两种解答。

   学生解答一:通过对图片的仔细观察,可以发现一个明显的问题,在同一水平面上的水形成了瀑布,这是该图中存在的科学性错误。如果运用数学知识,可以看出错误的原因是由于:在同一平面上有两个三角形,而形成瀑布的那条线与两个三角形的三个点连接,一定和这两个三角形在同一平面上,因此不能形成瀑布。

   学生解答二:图中经瀑布流下的水势能变小,在没有外力做功的情况下,又回到瀑布的上流,即重力势能较高的地方。根据物理知识可知,只有重力做功,物体重力势能应减小。流动的水会形成瀑布,是因为水有重力势能。当水流下后,重力势能转化成其他形式的能。此时,水的势能应变小,因此需要通过对水做功增加水的重力势能,该图中的瀑布违反了能量守恒定律。

   学生的解答很好地反映了他们运用所掌握的知识来分析和解释问题的能力。

   埃舍尔的画中常常出现这样的主题,即所谓的怪圈,一种无休止的过程。《瀑布》是埃舍尔依据数学家彭罗斯(R.Penrose)的不现实的三角形原理,将两个正常三角形以非正常方式连接在一起,组成了不现实的瀑布水流。这种不合情理的结构亦见于埃舍尔的其他作品中。埃舍尔的作品初看起来没有什么奇怪的地方,但其实当中蕴藏的幻觉事物是最引人入胜的,埃舍尔虚构的景象,现实世界是找不到的。《瀑布》的流水川流不息,从各个局部看,水在不断下流,可是水柱又回到了起点,违反了物理学原理。画家的这种表现手法使原本相当清楚的三维空间形状及其本性突现出来,从而为人们开辟了想象的天地。

   在世人眼里,艺术与物理学似乎毫不相干。因为艺术用图形和寓意给人以美的享受,而物理学则因其数字和公式给人以抽象和枯燥的感觉。每当谈到某人是从事艺术职业的,人们立刻会想到一份潇洒和浪漫,而谈到某人是从事与物理有关的职业时,人们的眼前便浮现出严肃和刻板的神态。

   史莱因(L.Shlain)以其对自然科学的认识和对艺术的研究功底,创作了《艺术与物理学》一书,以人类的想象力这一特有的禀赋为切入口,沿着绘画和物理学发展的漫漫历程逐步阐明艺术与物理学是相通的,将我带入了一个物理学与艺术融合的完美的、理想的、超越现实的世界。我再一次尝试要让学生展开自己想象的翅膀,漫游一次物理世界。我利用《新概念物理》书中的一幅插图编制了如下题目。

   仔细观察下图,你能否想象它是描述什么结构的图?其中蛇头咬住蛇尾的含义是什么?根据自己的想象,把宇宙空间尺度的等级用图的方式展示出来。

   学生的解答,对前面两个问题基本一致,而在用图表示空间尺度时,有多种表示形式,如以三角形、直线、圆形图案,或以直方图的形式表示各级尺度等等,充分发挥了他们的想象力和信息转换能力。

   此题在呈示形式和编制方式上采用了不同于一般试题的处理方式,除了能够检测学生观察能力、思维能力、分析和综合选择解决问题策略的能力、综合运用语言和图形实现问题解决的能力等以外,最突出的就是对学生的想象力测量和转换信息能力的测量。这是在对学生能力测量方面的一个突破。我们的社会发展需要创新型人才,而想象力应该是创新的重要组成部分,高中学生具备一定的想象力。而对想象力的测试也是能力测量的难点。爱因斯坦有句名言:“想象力比知识更重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界上的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉。”

   学生在完成了上述题目的解答后,感叹这样的题目做起来很有兴趣,没有压力,能够尽可能发挥自己的能力,还可以感悟艺术之美。

   我国基础教育课程改革纲要中明确指出:新课程的培养目标应体现时代要求。要使学生具有初步的创新精神、实践能力、科学和人文素养以及环境意识;具有适应终身学习的基础知识、基本技能和方法;具有健壮的体魄和良好的心理素质,养成健康的审美情趣和生活方式……同时,根据社会和科学技术的发展,中学阶段需要培养涵盖科学技术知识、科学思想、科学方法和科学精神等的科学素质。其中科学知识与技能是培养能力的载体;包括过程、方法和能力的科学探究是科学方法的核心;科学态度、情感与价值观是形成科学思想和科学精神的基础;科学、技术与社会则是现代公民科学素质的重要内容。

   科学态度、情感与价值观则是指拥有正确科学理念与科学观念,并能够依赖科学概念正确运用辩证逻辑、形式逻辑、形象思维和直觉思维等诸种方法分析解决问题的能力。通过科学探究过程,使中学生初步形成分析和综合的能力,能从整体上认识自然、观察与解决问题。其中有观察现象和提出问题的能力,提出猜想和形成假设的能力,制定计划、进行简单的实验设计和手脑并用的实践能力,收集信息和处理信息的能力,科学解释和评价的能力,表达和交流的能力等。

   以上两题都采用了图片呈示的方式,且题目在回答和选择测量方面属于开放型,没有试题难度方面的测试,但有综合解决问题能力的测试。除了在能力测试方面有所突破外,为能力测试题目的编制和对能力测量题目的评定带来了新的启示。如可以将评价内容中题目用文字呈示的方式转变成图片、图像、表格和文字等多元化的呈示方式;再如,对于开放性题目的评定标准也应该有所改变,唯一答案的评定已经不太适用。

   科学不是艺术,艺术也不是科学,但艺术与科学探究世界的本质是一致的,统一的。从改造世界的能力来说,物理学常被誉为科学之王,从17世纪以来一直表现出最强的能力;艺术只在美化生活、陶冶情操方面承担重任。但当你换个角度去看物理学,不仅可以加深对物理学的理解,还可以发现物理学也能给人带来美的享受,而艺术在人类认识世界、改造世界过程中也起着直接的推动作用。

   作为一个物理教师,如果能够跳出题目和公式的围城,实在地领略物理学之美,也许可以使教学成为陶冶情操的美学阵地,同时能够丰富自身的想象力,也给学生提供多彩的课程资源,创设人性化的学习环境。

  

   (本文作者为上海七宝中学高级教师。)

  

   [1] [美]伦纳德· 史莱因. 艺术与物理学.吉林:吉林人民出版社,

   2000

   [2] 赵凯华. 新概念物理.北京:高等教育出版,2000

  

  



关闭该窗口