對物理學(xué)中美育素材的尋探

王景元

摘 要：美學(xué)教育是物理學(xué)科教學(xué)不可忽視的一項任務(wù)。如何挖掘教材中的美學(xué)素材，為物理教學(xué)中的美育教育提供極為豐富的內(nèi)容，充分展現(xiàn)物理學(xué)科中內(nèi)在美，是一個物理教育工作者始終追求的一種境界。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)的簡潔美；對稱美；和諧美；哲學(xué)美

中圖分類號：G637 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009 — 2234（2017）06 — 0109 — 03

美育是學(xué)校教育的一個重要組成部分，美育可以凈化人的心靈，陶冶人的情操，還可以培養(yǎng)學(xué)生的聰明才智。美學(xué)教育不僅是音樂、美術(shù)教學(xué)的重要任務(wù)，也是包擴(kuò)物理學(xué)在內(nèi)的各學(xué)科教學(xué)不可忽視的重要任務(wù)。有句話說的好，“生活中從來就不缺少美的元素，只是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛。徜徉在物理知識的海洋里，物質(zhì)世界本身所具有的完美的邏輯結(jié)構(gòu)、人類智慧對這種完美的邏輯結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)表達(dá)。無不閃耀著物理之美的詩情畫意，只要我們物理教育人在平時的備課或集體備課中認(rèn)真發(fā)掘物理學(xué)中的美學(xué)特征，并在教學(xué)中與學(xué)生們進(jìn)行分享，學(xué)生們就會潛移默化中受到物理科學(xué)美的陶冶，提高感受對稱、簡潔、和諧統(tǒng)一美的能力。其實，在物理學(xué)中蘊(yùn)藏著豐富的美育教育的素材，這些素材無不閃耀著科學(xué)美的光環(huán)。只要我們的教師在物理教學(xué)中結(jié)合學(xué)生的審美特點和心理特點，充分挖掘教材中的美育素材，就會有大量的工作要做，就會取得豐碩的成果。從而為物理教學(xué)中的美育教育提供極為豐富的內(nèi)涵。下面就結(jié)合本人的工作實際談一談自己的一些粗淺認(rèn)識。

一、簡潔美在物理學(xué)中體現(xiàn)

主要體現(xiàn)在內(nèi)涵、結(jié)構(gòu)和方法上。

（一）在內(nèi)涵上的簡單性。物理學(xué)不論是在理論體系、規(guī)律表述還是公式表達(dá)上都體現(xiàn)了邏輯上的簡潔性。比如，牛頓第一定律，不到40個字就準(zhǔn)確地闡明了“宇宙中一切物體所具有的共同屬性——慣性；比如經(jīng)典的牛頓力學(xué)，在宏觀低速領(lǐng)域，概括了自然界一切物體的機(jī)械運動規(guī)律，實實在在地展現(xiàn)其完美性與簡潔性，這是上世紀(jì)以來被科學(xué)界公認(rèn)的，對自然世界的最美表述；還有就是量子力學(xué)和相對論，從更加廣闊的時空領(lǐng)域描述出一幅極其簡潔的物質(zhì)建構(gòu)和運動的精彩畫面；使人們深深地感受到了一種簡單而又高度概括的美；再如，“熱”這個概念讓許多物理學(xué)家探索了一個多世紀(jì)，最后是以“大量分子的無規(guī)則運動”畫上了圓滿的句號；還有動能定理的數(shù)學(xué)表達(dá)，愛因斯坦的質(zhì)能方程和光電方程，以極其簡潔而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮瘮?shù)關(guān)系描繪了錯綜復(fù)雜的物理現(xiàn)象。既反映了某些物理量之間一種內(nèi)在聯(lián)系的簡潔美，又給人感受到這種數(shù)學(xué)表達(dá)的形式美。

（二）在結(jié)構(gòu)上的簡單性。宇宙中物質(zhì)的運動和組構(gòu)，客觀上都展示出極其簡單的屬性，一切物質(zhì)都由最簡單的粒子而構(gòu)成；星體總是沿著圓、橢圓、拋物線或雙曲線等最簡單的幾何曲線運動；光在微引力下總是沿著最簡單的直線傳播等。

物理學(xué)所研究的領(lǐng)域多元而且廣泛，內(nèi)容也十分豐富，但各領(lǐng)域和分支的脈絡(luò)卻十分簡單。比如由電場、磁場和電路組成了電磁學(xué)的知識結(jié)構(gòu)。再如動力學(xué)結(jié)構(gòu)中的動能定理、動量定理和牛頓運動定律也是一脈相承的。

物理學(xué)在結(jié)構(gòu)上的簡潔性，其實體現(xiàn)了自然物質(zhì)世界的一種科學(xué)必然性。自然物質(zhì)世界的“真”最終也必然要由自然科學(xué)來揭示，而簡潔和簡單是真的印記，自然物質(zhì)世界的“真”也必將和表達(dá)方式的“簡”緊密的聯(lián)系在一起。

（三）在方法上的簡單性。科學(xué)家們對宇宙物質(zhì)世界呈現(xiàn)出的簡單性和簡潔性具有強(qiáng)烈的自信。從微觀的基本粒子到宏觀的宇宙天體，物質(zhì)世界及其運動的復(fù)雜性是顯而易見人，但科學(xué)家們智慧而巧妙地從復(fù)雜的真實世界中抽象出最簡單的物理模型，諸如：點電荷、理想彈簧振子、質(zhì)點、理想單擺、理想氣體、理想變壓器、電場線、磁感線、光線、理想薄透鏡等，以這些簡單的理想模型概括出物質(zhì)運動規(guī)律，變繁雜為簡明，既抽象又形象，既簡潔又合理，給師生們帶來研究客觀物理世界美的享受。

物理學(xué)內(nèi)涵和組構(gòu)的簡潔美，和物理探索中所采取的研究方式和方法有著重要和密切的關(guān)系。如，在研究探索中沒有采取嚴(yán)密的完全歸納法，而是智慧地根據(jù)有限次數(shù)的實驗，不完全的歸納出很多規(guī)律。長期的實踐證明，由有限次數(shù)的實驗得出的這種不完全歸納，在經(jīng)受了有限次實驗驗證之后，已經(jīng)有效的形成了科學(xué)的內(nèi)涵和體系。在科學(xué)研究中使用的許多具體研究和處理的方法也不乏這種簡單美。如，一定置信度下有限次實驗法；單變量實驗法；理想化處理法等。

二、對稱美在物理學(xué)中的體現(xiàn)

“對稱美”在美學(xué)中是一種常見的形式美的表現(xiàn)，它是指整個體系和結(jié)構(gòu)在組成上的對應(yīng)和相稱，如，在時間節(jié)律上的和諧；空間布局上的諧調(diào)。在物理學(xué)研究探索中科學(xué)家們從探索物質(zhì)運動的對稱性、宇宙結(jié)構(gòu)的對稱性和追求理論的對稱之美方面取得了豐碩的研究成果，同時也為科學(xué)家們提供了一種有效的研究途徑。

第一，在時間和空間結(jié)構(gòu)上所體現(xiàn)出的形象對稱性。振動圖象、平面鏡成像、簡諧波的波動圖象等都具有對稱性，它給人們帶來一種勻稱、圓滿、均衡的美感。靜止與運動、杠桿平衡、引力和斥力、勻速與變速，反射和折射、磁電相生、電子正負(fù)、磁場的雙極等揭示了自然界物質(zhì)存在、構(gòu)成、運動及其運動規(guī)律的對稱性。豎直上拋和斜體運動的時空對稱性，電磁振蕩、交流電中出現(xiàn)的時間對稱，鐘擺的運動的周期性，地球自傳、公轉(zhuǎn)帶來的白天、黑夜與年復(fù)一年的周期與節(jié)律，波形圖所反映的交流電隨時間做周期性變化，這些規(guī)律都表現(xiàn)出運動在時間上的對稱性。

第二，公式定律表達(dá)方式上和理論結(jié)構(gòu)上的對稱性。當(dāng)數(shù)學(xué)被引入物理以后，數(shù)學(xué)的形象就具有了物理的直觀對稱美。數(shù)學(xué)中的正弦曲線的對稱性，在物理學(xué)中以振動、波、交流電等不同涵義直觀表現(xiàn)出來。再如，從力學(xué)的作用與反作用，到電學(xué)的通過正電子、負(fù)電子的客觀存在對物質(zhì)和反物質(zhì)的尋找。機(jī)械運動中的萬有引力定律和電磁學(xué)中靜電力定律在平方反比上的高度統(tǒng)一。

第三，在物理學(xué)理論發(fā)展和研究中還體現(xiàn)出抽象的對稱性。如，愛因斯坦在1905年創(chuàng)立狹義相對論時就把伽利略的力學(xué)相對性原理作為基本假設(shè)，愛因斯坦在1916年創(chuàng)立廣義相對論時，以把電磁學(xué)中的洛侖茲不變性作為對稱性假設(shè)。再如1956年，楊振寧、李政道發(fā)現(xiàn)弱相互作用下宇稱不守恒（不對稱）他們利用臻美的方法，爾后建立了CP聯(lián)合守恒（對稱）。對美的追求是物理學(xué)發(fā)展的動力之一，正是科學(xué)家們這些抽象的對稱性思考，才破解了宇宙密碼，推進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展。

探索宇宙物質(zhì)世界的對稱性，已經(jīng)越來越成為現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的有效突破口，所以溫伯格說：“在我們?nèi)粘Ｉ钪械拇_存在隱而不見的對稱性。我認(rèn)為，在物理學(xué)中還沒有比這樣一種想法更有希望了”。

三、和諧美在物理學(xué)中的體現(xiàn)

美學(xué)中一個重要的法則就是“和諧”。古希臘畢達(dá)哥拉斯學(xué)派說過：“宇宙各數(shù)之間之所以美，是因為它們是和諧的”。和諧是所有科學(xué)家們一貫追求的目標(biāo)。

（一）在統(tǒng)一對應(yīng)中體現(xiàn)和諧美。

“對應(yīng)”是和諧美的表現(xiàn)形式之一。在物理學(xué)中，電子與正電子、質(zhì)子與反質(zhì)子、中子與反中子體現(xiàn)了物質(zhì)構(gòu)成的對應(yīng)關(guān)系；愛因斯坦的質(zhì)能方程體現(xiàn)了能量與質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系；太陽系里各行星都在各自的軌道上繞太陽這個中心運行，這與盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)中，電子都在各自特定的軌道上繞原子核旋轉(zhuǎn)，非常相似，顯示了宏觀和微觀之間巧妙對應(yīng)性。

“統(tǒng)一”是和諧美的又一種表現(xiàn)形式。物理學(xué)廣闊的知識體系，既相互聯(lián)系又各自遵循內(nèi)的規(guī)律，構(gòu)成了一個相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一體。如，自由落體、各種拋體運動及各種勻變速直線運動都可以統(tǒng)一在運動學(xué)的速度和位移兩個公式中；再如，麥克斯韋方程把光、磁、電統(tǒng)一為電磁場理論；以萬有引力定律和運動定律的簡單形式所表示的牛頓力學(xué)，把天上的力學(xué)與地上的力學(xué)統(tǒng)一起來；而作為近代物理學(xué)支柱的愛因斯坦相對論，又把麥克斯韋電磁場理論與牛頓力學(xué)統(tǒng)一起來；而三大守恒定律（物質(zhì)、能量、動量）乃是物質(zhì)世界和諧性最完美的體現(xiàn)；愛因斯坦耗費30多個歲月，孜孜以求的目標(biāo)就是想用一個理論來說明存在于宇宙中的四種力——重力、電磁力、弱力和強(qiáng)力的“統(tǒng)一場論”這仍是當(dāng)今物理學(xué)的前沿課題之一。

（二）在互補(bǔ)中體現(xiàn)和諧美。我國早在春秋以前產(chǎn)生的太極圖就反映了互補(bǔ)思想。圖中有黑白陰陽魚互相環(huán)抱，形成對稱、和諧的圓形太極圖。黑白二色表示兩種不同的屬性，它們之間的樸素斗爭、滲透、協(xié)調(diào)和彌補(bǔ)決定著宇宙間的一切，并最終達(dá)到互滲互補(bǔ)的和諧。物理學(xué)世界中互補(bǔ)和諧的例子很多，因為幾乎任何一個物理現(xiàn)象、過程、規(guī)律都必須從不同的側(cè)面加以闡述。如，通過實驗驗證的平拋運動與自由落體運動的等時性，說明平拋運動中包含著自由落體運動，從而體現(xiàn)出自然界中多種機(jī)械運動間的融洽互補(bǔ)和諧美。再如大量分子的運動組合與一個分子的無規(guī)則運動，二者都不能獨立構(gòu)成熱運動。描述熱運動，必須從分子數(shù)量與運動方式兩個方面分析才能科學(xué)地揭示其真實的內(nèi)涵。

四、哲學(xué)美在物理學(xué)中的體現(xiàn)

物理學(xué)內(nèi)容本身包括物理知識和物理學(xué)的研究方法及物理學(xué)史中有著豐富的辯證唯物主義觀點的素材。教師應(yīng)深入研究教材，細(xì)心體會，筆者認(rèn)為教學(xué)中應(yīng)注意使學(xué)生感受以下幾個基本哲學(xué)觀點：（1）物質(zhì)第一性的觀點。物理是研究物質(zhì)運動最一般規(guī)律，物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)相互作用的學(xué)科。從基本粒子、原子核、原子、分子、物體、太陽系、銀河系乃至整個宇宙都是由物質(zhì)構(gòu)成的。引力場和電場、磁場也是物質(zhì)，物質(zhì)之間是相互關(guān)聯(lián)、相互依賴的統(tǒng)一體?！边\動是物質(zhì)最普遍，最根本的屬性，運動是絕對的。沒有物質(zhì)的運動和沒有運動的物質(zhì)都是不可思議的。（2）實踐的觀點。物理學(xué)是一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理的許多概念的建立，規(guī)律的得出，是人們從大量的實踐中總結(jié)出來的，而學(xué)習(xí)物理，就是要引領(lǐng)導(dǎo)學(xué)生把握科學(xué)實驗的方式和方法，樹立科學(xué)實驗的思想和理念。因為實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。（3）矛盾的觀點。物理學(xué)中有許多矛盾，如：電子的正與負(fù)，物質(zhì)與反物質(zhì)，運動與靜止，作用與反作用，合成與分解，熱脹與冷縮，加速與減速，壓縮與伸長，透鏡成像中的實與虛，吸熱與放熱等都充分說明了事物內(nèi)部的矛盾性。又如光的波動性與粒子性是矛盾的兩個方面，在光電效應(yīng)中，光表現(xiàn)為粒子性，在干涉和衍射現(xiàn)象中，光表現(xiàn)為波動性，光的波粒二象性在宏觀上是對立的，但在微觀世界中卻是統(tǒng)一。而矛盾的雙方互相對立、互相制約，互為依存，在一定的條件下，矛盾的雙方可以互相轉(zhuǎn)化。如電與磁的相互轉(zhuǎn)化。不僅物理知識本身，而且，物理的科學(xué)研究方法，如分析與綜合也具有辯證統(tǒng)一的關(guān)系，分析是綜合的基礎(chǔ)，分析也離不開綜合，綜合必須根據(jù)分析，綜合是分析的后續(xù)，它們之間相互依存，相互制約，在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化。（4）守恒的觀點。自然界的運動，不論是機(jī)械的，物理的，化學(xué)的還是生物的“盡管有各種不斷變換的形式，但總和始終是不變的。”（恩格斯）而物理學(xué)中的動量守恒定律和能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律正是這種哲學(xué)觀點的具體表達(dá)。這些守恒定律揭示了物質(zhì)不同運動形式之間的內(nèi)在聯(lián)系，使人們認(rèn)識到，自然界的運動不僅在量上而且在質(zhì)上都是守恒的，它既不能創(chuàng)造也不能消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。整個自然界就是這樣一個永恒運動和無限發(fā)展的物質(zhì)世界。（5）從量變到質(zhì)變的觀點。物理學(xué)中有許多從量變到質(zhì)變的現(xiàn)象，如在透鏡成像中，物距變化至焦點時，像的正倒、虛實大小的變化；入射角大于臨界角時發(fā)生全反射；大于極限頻率時發(fā)生光電效應(yīng)；物質(zhì)的溫度升高到熔點時，物態(tài)發(fā)生質(zhì)的變化；當(dāng)溫度降到絕對零度附近時，某些材料的電阻率突然減小到零的現(xiàn)象等。通過挖掘這些物理現(xiàn)象中的哲學(xué)含義，可引導(dǎo)學(xué)生逐步形成從量變到質(zhì)變的觀點。（6）發(fā)展的觀點。事物總是在不斷運動、變化和向前發(fā)展的，物理科學(xué)所研究的物質(zhì)世界是在不斷的變化發(fā)展的，物理理論本身也是不斷地從低級階段向高級階段發(fā)展變化的，而且遵循著“否定之否定”的途徑，從實踐中來，又回到實踐中去，并隨著實踐的發(fā)展而發(fā)展。因而，應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生從這種發(fā)展變化中逐步形成發(fā)展的觀點。

通過以上分析，我們可以看到：物理學(xué)不僅是開啟宇宙密碼的鑰匙，同時也展現(xiàn)出物理世界“和諧中的美妙、簡單中的必然、對稱中神秘的”。物理學(xué)中蘊(yùn)藏著豐富的哲學(xué)思想和美學(xué)特征，等待著我們物理教育工作者在平常的研修和教學(xué)中去認(rèn)真的尋找和挖掘，讓這些哲學(xué)思想和美學(xué)特征給我們的學(xué)生帶來潤物無聲地物理科學(xué)美的熏陶，感覺到知識的美妙，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，這樣才能讓我們的物理課堂成為深受學(xué)生喜愛、并不斷閃耀科學(xué)美的光輝的課堂。才能讓我們的學(xué)生在美的感受和探索中體會我們所生活的這個世界。

〔責(zé)任編輯：侯慶海〕