對物理學中美育素材的尋探

王景元

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

關鍵詞：物理學的簡潔美；對稱美；和諧美；哲學美

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

美育是學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，還可以培養學生的聰明才智。美學教育不僅是音樂、美術教學的重要任務，也是包擴物理學在內的各學科教學不可忽視的重要任務。有句話說的好，“生活中從來就不缺少美的元素，只是缺少發現美的眼睛。徜徉在物理知識的海洋里，物質世界本身所具有的完美的邏輯結構、人類智慧對這種完美的邏輯結構的數學表達。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真發掘物理學中的美學特征，并在教學中與學生們進行分享，學生們就會潛移默化中受到物理科學美的陶冶，提高感受對稱、簡潔、和諧統一美的能力。其實，在物理學中蘊藏著豐富的美育教育的素材，這些素材無不閃耀著科學美的光環。只要我們的教師在物理教學中結合學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。從而為物理教學中的美育教育提供極為豐富的內涵。下面就結合本人的工作實際談一談自己的一些粗淺認識。

一、簡潔美在物理學中體現

主要體現在內涵、結構和方法上。

（一）在內涵上的簡單性。物理學不論是在理論體系、規律表述還是公式表達上都體現了邏輯上的簡潔性。比如，牛頓第一定律，不到40個字就準確地闡明了“宇宙中一切物體所具有的共同屬性——慣性；比如經典的牛頓力學，在宏觀低速領域，概括了自然界一切物體的機械運動規律，實實在在地展現其完美性與簡潔性，這是上世紀以來被科學界公認的，對自然世界的最美表述；還有就是量子力學和相對論，從更加廣闊的時空領域描述出一幅極其簡潔的物質建構和運動的精彩畫面；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家探索了一個多世紀，最后是以“大量分子的無規則運動”畫上了圓滿的句號；還有動能定理的數學表達，愛因斯坦的質能方程和光電方程，以極其簡潔而嚴謹的函數關系描繪了錯綜復雜的物理現象。既反映了某些物理量之間一種內在聯系的簡潔美，又給人感受到這種數學表達的形式美。

（二）在結構上的簡單性。宇宙中物質的運動和組構，客觀上都展示出極其簡單的屬性，一切物質都由最簡單的粒子而構成；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。

物理學所研究的領域多元而且廣泛，內容也十分豐富，但各領域和分支的脈絡卻十分簡單。比如由電場、磁場和電路組成了電磁學的知識結構。再如動力學結構中的動能定理、動量定理和牛頓運動定律也是一脈相承的。

物理學在結構上的簡潔性，其實體現了自然物質世界的一種科學必然性。自然物質世界的“真”最終也必然要由自然科學來揭示，而簡潔和簡單是真的印記，自然物質世界的“真”也必將和表達方式的“簡”緊密的聯系在一起。

（三）在方法上的簡單性。科學家們對宇宙物質世界呈現出的簡單性和簡潔性具有強烈的自信。從微觀的基本粒子到宏觀的宇宙天體，物質世界及其運動的復雜性是顯而易見人，但科學家們智慧而巧妙地從復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運動規律，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。

物理學內涵和組構的簡潔美，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系。如，在研究探索中沒有采取嚴密的完全歸納法，而是智慧地根據有限次數的實驗，不完全的歸納出很多規律。長期的實踐證明，由有限次數的實驗得出的這種不完全歸納，在經受了有限次實驗驗證之后，已經有效的形成了科學的內涵和體系。在科學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、對稱美在物理學中的體現

“對稱美”在美學中是一種常見的形式美的表現，它是指整個體系和結構在組成上的對應和相稱，如，在時間節律上的和諧；空間布局上的諧調。在物理學研究探索中科學家們從探索物質運動的對稱性、宇宙結構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，同時也為科學家們提供了一種有效的研究途徑。

第一，在時間和空間結構上所體現出的形象對稱性。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、磁場的雙極等揭示了自然界物質存在、構成、運動及其運動規律的對稱性。豎直上拋和斜體運動的時空對稱性，電磁振蕩、交流電中出現的時間對稱，鐘擺的運動的周期性，地球自傳、公轉帶來的白天、黑夜與年復一年的周期與節律，波形圖所反映的交流電隨時間做周期性變化，這些規律都表現出運動在時間上的對稱性。

第二，公式定律表達方式上和理論結構上的對稱性。當數學被引入物理以后，數學的形象就具有了物理的直觀對稱美。數學中的正弦曲線的對稱性，在物理學中以振動、波、交流電等不同涵義直觀表現出來。再如，從力學的作用與反作用，到電學的通過正電子、負電子的客觀存在對物質和反物質的尋找。機械運動中的萬有引力定律和電磁學中靜電力定律在平方反比上的高度統一。

第三，在物理學理論發展和研究中還體現出抽象的對稱性。如，愛因斯坦在1905年創立狹義相對論時就把伽利略的力學相對性原理作為基本假設，愛因斯坦在1916年創立廣義相對論時，以把電磁學中的洛侖茲不變性作為對稱性假設。再如1956年，楊振寧、李政道發現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聯合守恒（對稱）。對美的追求是物理學發展的動力之一，正是科學家們這些抽象的對稱性思考，才破解了宇宙密碼，推進了物理學的發展。

探索宇宙物質世界的對稱性，已經越來越成為現代物理學發展的有效突破口，所以溫伯格說：“在我們日常生活中的確存在隱而不見的對稱性。我認為，在物理學中還沒有比這樣一種想法更有希望了”。

三、和諧美在物理學中的體現

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

（一）在統一對應中體現和諧美。

“對應”是和諧美的表現形式之一。在物理學中，電子與正電子、質子與反質子、中子與反中子體現了物質構成的對應關系；愛因斯坦的質能方程體現了能量與質量的對應關系；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構中，電子都在各自特定的軌道上繞原子核旋轉，非常相似，顯示了宏觀和微觀之間巧妙對應性。

“統一”是和諧美的又一種表現形式。物理學廣闊的知識體系，既相互聯系又各自遵循內的規律，構成了一個相互關聯的統一體。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一在運動學的速度和位移兩個公式中；再如，麥克斯韋方程把光、磁、電統一為電磁場理論；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，把天上的力學與地上的力學統一起來；而作為近代物理學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統一起來；而三大守恒定律（物質、能量、動量）乃是物質世界和諧性最完美的體現；愛因斯坦耗費30多個歲月，孜孜以求的目標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、弱力和強力的“統一場論”這仍是當今物理學的前沿課題之一。

（二）在互補中體現和諧美。我國早在春秋以前產生的太極圖就反映了互補思想。圖中有黑白陰陽魚互相環抱，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、協調和彌補決定著宇宙間的一切，并最終達到互滲互補的和諧。物理學世界中互補和諧的例子很多，因為幾乎任何一個物理現象、過程、規律都必須從不同的側面加以闡述。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，從而體現出自然界中多種機械運動間的融洽互補和諧美。再如大量分子的運動組合與一個分子的無規則運動，二者都不能獨立構成熱運動。描述熱運動，必須從分子數量與運動方式兩個方面分析才能科學地揭示其真實的內涵。

四、哲學美在物理學中的體現

物理學內容本身包括物理知識和物理學的研究方法及物理學史中有著豐富的辯證唯物主義觀點的素材。教師應深入研究教材，細心體會，筆者認為教學中應注意使學生感受以下幾個基本哲學觀點：（1）物質第一性的觀點。物理是研究物質運動最一般規律，物質基本結構和物質相互作用的學科。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構成的。引力場和電場、磁場也是物質，物質之間是相互關聯、相互依賴的統一體。”運動是物質最普遍，最根本的屬性，運動是絕對的。沒有物質的運動和沒有運動的物質都是不可思議的。（2）實踐的觀點。物理學是一門以觀察和實驗為基礎的學科，物理的許多概念的建立，規律的得出，是人們從大量的實踐中總結出來的，而學習物理，就是要引領導學生把握科學實驗的方式和方法，樹立科學實驗的思想和理念。因為實踐是檢驗真理的唯一標準。（3）矛盾的觀點。物理學中有許多矛盾，如：電子的正與負，物質與反物質，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，在光電效應中，光表現為粒子性，在干涉和衍射現象中，光表現為波動性，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化。如電與磁的相互轉化。不僅物理知識本身，而且，物理的科學研究方法，如分析與綜合也具有辯證統一的關系，分析是綜合的基礎，分析也離不開綜合，綜合必須根據分析，綜合是分析的后續，它們之間相互依存，相互制約，在一定的條件下可以相互轉化。（4）守恒的觀點。自然界的運動，不論是機械的，物理的，化學的還是生物的“盡管有各種不斷變換的形式，但總和始終是不變的。”（恩格斯）而物理學中的動量守恒定律和能量的轉化和守恒定律正是這種哲學觀點的具體表達。這些守恒定律揭示了物質不同運動形式之間的內在聯系，使人們認識到，自然界的運動不僅在量上而且在質上都是守恒的，它既不能創造也不能消滅，只能從一種形式轉化為另一種形式。整個自然界就是這樣一個永恒運動和無限發展的物質世界。（5）從量變到質變的觀點。物理學中有許多從量變到質變的現象，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生全反射；大于極限頻率時發生光電效應；物質的溫度升高到熔點時，物態發生質的變化；當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象等。通過挖掘這些物理現象中的哲學含義，可引導學生逐步形成從量變到質變的觀點。（6）發展的觀點。事物總是在不斷運動、變化和向前發展的，物理科學所研究的物質世界是在不斷的變化發展的，物理理論本身也是不斷地從低級階段向高級階段發展變化的，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，并隨著實踐的發展而發展。因而，應注意引導學生從這種發展變化中逐步形成發展的觀點。

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

〔責任編輯：侯慶海〕