何靜 張暉

【摘 要】物理學(xué)具有簡(jiǎn)單、對(duì)稱、和諧等特征，挖掘科學(xué)美的素材并把它融入物理教學(xué)中，實(shí)施美育，不僅可提高學(xué)生的審美素質(zhì)，而且對(duì)物理教學(xué)和素質(zhì)教育的順利實(shí)施也將產(chǎn)生重要影響。

【關(guān)鍵詞】物理教學(xué) 科學(xué)美 美育

美育是素質(zhì)教育的重要組成部分，可以培養(yǎng)學(xué)生的智慧，發(fā)展學(xué)生的空間思維想象力，激發(fā)學(xué)生研究事物、增強(qiáng)創(chuàng)新的欲念。真正的美育是將美學(xué)原則滲透于各科教學(xué)的教育，它是一種兼顧知識(shí)和發(fā)展，旨在提高學(xué)生整體素質(zhì)的融合式教育。

物理學(xué)揭示了自然界物質(zhì)的存在、構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)化等規(guī)律，反映了自然界內(nèi)在的本質(zhì)的美。雖然物理理論體系并不具備形象特征，它不同于感性事物那樣，通過其物質(zhì)材料的自然屬性以及它們的組合規(guī)律產(chǎn)生出美的感染力，但卻以其內(nèi)在體系的和諧、簡(jiǎn)單、對(duì)稱與秩序，表征著物質(zhì)世界深層固有的結(jié)構(gòu)，滲透出理性的科學(xué)美。

一、物理教學(xué)中科學(xué)美的內(nèi)涵

雖然物理學(xué)的研究范圍極為廣泛，物理規(guī)律極為復(fù)雜，但物理學(xué)的美卻具有簡(jiǎn)單、對(duì)稱、和諧等特征。

（一）物理學(xué)的簡(jiǎn)單美

首先，物理學(xué)的簡(jiǎn)單美源于自然界。自然的基礎(chǔ)構(gòu)造是簡(jiǎn)單的，是物理學(xué)簡(jiǎn)單性思想方法的客觀基礎(chǔ)。物理學(xué)家在選擇可能描繪自然結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)表示時(shí)，選擇了對(duì)稱、簡(jiǎn)潔的優(yōu)美形式，正是已經(jīng)深入他們骨髓里的這種強(qiáng)烈的簡(jiǎn)單性信念所使然。比如理想模型的方法就是對(duì)客觀簡(jiǎn)單性信念的一種體現(xiàn)。模型的方法巧妙地將復(fù)雜的事物一一分割，抽象出一個(gè)簡(jiǎn)潔明了的物理模型，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、理想氣體、電場(chǎng)線等。這些模型就像一幅幅生動(dòng)形象的簡(jiǎn)筆畫，把物體的特征和個(gè)性勾畫得淋漓盡致，既簡(jiǎn)潔又合理，既抽象又形象，給人以美的享受。

其次，物理公式或方程是自然界所遵守的法則，優(yōu)美的物理公式或方程常被稱之為漂亮的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，它給人的美感是顯而易見的。從藝術(shù)的角度去審視愛因斯坦的質(zhì)能公式：E=mc2時(shí)，就好像看到一位高明的畫家，用極簡(jiǎn)練的筆調(diào)在淋漓盡致地勾勒一幅肖像畫，寥寥幾筆就把一個(gè)人的外表特征和性格特點(diǎn)躍然于紙上， 使人們對(duì)質(zhì)量和能量之間的邏輯關(guān)系的認(rèn)識(shí)推進(jìn)到一個(gè)更高的層次。

（二）物理學(xué)的對(duì)稱美

對(duì)稱總能給人以美感。由物理學(xué)所揭示的自然界物質(zhì)的存在、構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)及其轉(zhuǎn)化等規(guī)律的對(duì)稱性而產(chǎn)生的美感，就是物理學(xué)的對(duì)稱美。物理學(xué)中的對(duì)稱美既有物理現(xiàn)象的對(duì)稱美，比如引力與斥力、“電生磁”與“磁生電”、粒子與反粒子、物質(zhì)與反物質(zhì)等等；但更重要的是包含各種數(shù)學(xué)空間的對(duì)稱美，那是一種理性范疇的對(duì)稱，比如能量、動(dòng)量和角動(dòng)量守恒就分別顯示宇宙具有時(shí)間平移、空間平移和空間轉(zhuǎn)動(dòng)的對(duì)稱性。這種對(duì)稱性雖然不直接顯現(xiàn)，但卻更受到物理學(xué)家的推崇。

在物理學(xué)中，追求理論的對(duì)稱之美可以作為一種有效的研究途徑探索物質(zhì)世界。比如物體豎直上拋和斜拋運(yùn)動(dòng)的上升過程與下降過程的時(shí)空對(duì)稱；在交流電和電磁振蕩研究中出現(xiàn)的時(shí)間對(duì)稱。伽利略的“力學(xué)定律在所有慣性系中都相同”的相對(duì)性原理，深刻地揭示了建立在直覺經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的時(shí)空形象對(duì)稱性。物理學(xué)公式、定律表達(dá)方式上和理論結(jié)構(gòu)上所反映的對(duì)稱性更是不勝枚舉。比如磁體磁感線分布，左右手定則，平面鏡成像中物與像的對(duì)稱美，電磁學(xué)中靜電力的平方反比定律的公式表達(dá)就是追求跟萬有引力平方反比定律的對(duì)稱而獲得的。又如，麥克斯韋根據(jù)電與磁的對(duì)稱性及力線圖象的對(duì)稱性，在沒有任何實(shí)驗(yàn)支持的情況下，大膽地在安培定律中添加了“位移電流”矢量項(xiàng)，使麥克斯韋得以建立起他的呈現(xiàn)對(duì)稱美的方程組，四個(gè)方程彼此相容， 成為統(tǒng)一的關(guān)于電磁場(chǎng)的完整理論體系，被譽(yù)為自然界最優(yōu)美的詩(shī)篇。

（三） 物理學(xué)的和諧美

和諧是指配合適當(dāng)、協(xié)調(diào)、勻稱的意思。和諧給人以渾然一體、恰如其分、輕松自如的美感。從古代到今，和諧美是物理學(xué)一貫追求的目標(biāo)。

物理理論揭示了自然界物質(zhì)的存在、構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)化等規(guī)律整體上和諧性而產(chǎn)生的美感，表現(xiàn)在自洽、對(duì)應(yīng)和互補(bǔ)三個(gè)方面，物理學(xué)中各分支理論內(nèi)部以及各分支理論之間的現(xiàn)象、概念、規(guī)律等卻是互不矛盾的——自洽和諧美，物理高級(jí)理論對(duì)低級(jí)理論的包容，或者說低級(jí)理論與高級(jí)理論中在某一特定條件下的結(jié)論相一致。如當(dāng) V 《 C 時(shí)，相對(duì)論力學(xué)運(yùn)動(dòng)的描述就還原為牛頓力學(xué)的描述，當(dāng) h → 0 時(shí)，量子學(xué)回到經(jīng)典力學(xué)。光的波動(dòng)性與粒子性分別從不同的測(cè)面反映了光與微觀客體的本質(zhì)，而波動(dòng)性與粒子性既互補(bǔ)又互斥。對(duì)熱現(xiàn)象進(jìn)行研究，既可用熱力學(xué)理論，也可用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論，一個(gè)是從宏觀上揭示其規(guī)律，另一個(gè)則從微觀上揭示其本質(zhì)，兩者互相彌補(bǔ)，構(gòu)成了完整的熱學(xué)理論——這就是互補(bǔ)和諧美。

二、物理教學(xué)中的美育

物理學(xué)中有著豐富的美育素材，到處映射著科學(xué)美的光輝。挖掘科學(xué)美的素材并把它融入物理教學(xué)中，實(shí)施美育，不僅可提高學(xué)生的審美素質(zhì)，而且對(duì)物理教學(xué)和素質(zhì)教育的順利實(shí)施也將產(chǎn)生重要影響。

（一）形成科學(xué)的審美觀

物理學(xué)中的科學(xué)美不同于藝術(shù)形象，它往往不能僅靠肉眼去辨析，更多的要靠心智去體驗(yàn)，它帶給學(xué)生美的享受不只是視覺或聽覺，而更多的是一種振憾人心的愉悅和力量。

課堂上，在討論某一定理、定律、公式或?qū)嶒?yàn)時(shí)，用科學(xué)美的觀點(diǎn)加以賞析，往往會(huì)使課堂氣氛轉(zhuǎn)向活躍，學(xué)生精神專注，探索物理世界的興趣油然而生，并逐漸領(lǐng)悟到物理學(xué)有如同詩(shī)一般的簡(jiǎn)潔、對(duì)稱與和諧之美，從而促使學(xué)生在感受科學(xué)美的同時(shí)形成科學(xué)的審美觀。例如，在“洛侖茲變換”的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生從美學(xué)角度來品味洛侖茲變換，理解其深刻的物理內(nèi)涵。首先，從簡(jiǎn)單美的角度，理解洛侖茲變換應(yīng)該是線性的，否則它將破壞時(shí)間和空間的均勻性，那樣的話，世界將變得非常的繁亂；其次，從對(duì)稱美的角度，理解時(shí)間和空間的地位應(yīng)該是對(duì)等的，空間的變換依賴于時(shí)間，在同樣意義下，時(shí)間的變換也依賴于空間；最后，從和諧美的角度，理解時(shí)間不再是一個(gè)獨(dú)立的參量，它應(yīng)該和空間“聯(lián)姻為一家人”，成為“四維時(shí)空坐標(biāo)”中的個(gè)坐標(biāo)軸。這樣的教學(xué)，能引導(dǎo)學(xué)生透過有限的形象去領(lǐng)悟其深含的意蘊(yùn)和無限的內(nèi)容，使學(xué)生達(dá)到韻味無窮的審美境界，在習(xí)得物理知識(shí)的同時(shí)提高科學(xué)美的欣賞能力。

（二）激發(fā)科學(xué)的創(chuàng)造力

對(duì)美的追求可以激發(fā)物理學(xué)家探索自然奧秘的激情和靈感，同樣也完全可以使我們的學(xué)生產(chǎn)生探索物理的激情和創(chuàng)造的動(dòng)機(jī)，使學(xué)生在感知美的基礎(chǔ)上引起積極的情感反應(yīng)，產(chǎn)生積投的聯(lián)想和深刻的理解，從而迸發(fā)出創(chuàng)造性思維的火花。

在教學(xué)中，向?qū)W生介紹物理美學(xué)思維，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展思維理念。比如愛因斯坦在分析牛頓力學(xué)時(shí)，發(fā)現(xiàn)絕對(duì)時(shí)空并不符合簡(jiǎn)單性這一科學(xué)美原則，洞察到牛頓力學(xué)的不完美，在追求更簡(jiǎn)單的理論（獨(dú)立的假設(shè)或公理最少而內(nèi)涵更深廣的理論）中建立了“狹義相對(duì)論”。他還依據(jù)美的統(tǒng)一和諧原則，分析了廣義相對(duì)論雖然使引力理論建立在十分簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)上，使質(zhì)量、能量統(tǒng)一起來，慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量統(tǒng)一起來，慣性系與非慣性系統(tǒng)一起來，但是并沒有解決引力場(chǎng)同電磁場(chǎng)統(tǒng)一問題。他看到了相對(duì)論不是絕對(duì)美的，認(rèn)為場(chǎng)應(yīng)該是統(tǒng)一的，于是用了整整四十年的時(shí)間探索統(tǒng)一場(chǎng)問題，開創(chuàng)了統(tǒng)一場(chǎng)論的道路。

（三）培養(yǎng)高尚的情操

世界范圍內(nèi)新教育改革普遍重視學(xué)生道德、情操的教育。著名教育家蘇霍姆林斯基在他的教育理論中認(rèn)為：“美是道德純潔、精神豐富和體魄健全的有力源泉?！蔽锢韺W(xué)中蘊(yùn)含的科學(xué)美，不僅體現(xiàn)在物理知識(shí)的形式結(jié)構(gòu)上，還體現(xiàn)在探索科學(xué)的過程中，體現(xiàn)在科學(xué)家的精神上。物理學(xué)家的人格力量和獻(xiàn)身科學(xué)的精神之美，比起物理學(xué)知識(shí)更具有震撼人心的教育力量，它在凈化學(xué)生思想、培養(yǎng)學(xué)生情操方面具有積極的作用。焦耳把畢生的精力都放在熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)研究上；居里夫人為科學(xué)終身視苦為樂；開普勒不顧貧病交加，堅(jiān)持觀察天體運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了天體運(yùn)動(dòng)三大定律等等，這些都體現(xiàn)了科學(xué)精神之美，這種科學(xué)精神之美是物理學(xué)美的重要組成部分，是一部絕好的美學(xué)教材，在教學(xué)中不失時(shí)機(jī)地向?qū)W生穿插講授，定能激起學(xué)生情感上的共鳴，把追求真、善、美作為生活的理想，從而成為有道德并全面和諧發(fā)展的人。

總之， 物理教學(xué)并不是一些枯燥的公式和定理，而是蘊(yùn)藏著豐富的內(nèi)在美，這種美需要我們不斷挖掘，使其嶄露出光彩奪目的美麗色彩，讓學(xué)生能夠深刻領(lǐng)悟物理世界的對(duì)稱、和諧、簡(jiǎn)潔的美感，并由此轉(zhuǎn)化為巨大的動(dòng)力，去追求美、表現(xiàn)美和創(chuàng)造美。

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