大學物理中的美育研究

段秀芝 戶立春 竇 超 吳君君 徐園園

唐山學院基礎教學部 河北唐山 063000

1 概述

我們在對青年學生進行專業教育的同時，還應努力將青年學生培養成德智體美勞全面發展的社會主義接班人。《國務院辦公廳關于全面加強和改進學校美育工作的意見》強調了學校美育的重要性[1]，要讓每位學生都享有接受美育的機會。在向學生傳授學科知識的同時，對學生進行美育教育尤為重要，美育不只存在于藝術類學科中，還存在于理工科中[2-4]。

許多著名的物理學家在研究物理問題時考慮了物理學的美[5]。哥白尼認為應該用全部精力來研究那些與最美的事物有關的東西；狄拉克闡明物理學定律中具有數學美；楊振寧將物理之美分為三種：現象之美、理論描述之美和理論結構之美。如何使學生在學習的過程中感受到物理之美是大學物理教學中不可忽視的問題，在大學物理課程中展開美育教學需要教師積極探索物理之美，并選擇合適的載體在課堂教學中深入闡述物理之美。

2 物理之美

美是什么？這是美學研究中的一個基本問題。不同學者對此問題持有不同見解,下面對物理之美進行討論。

2.1 現象美

大學物理中的現象美是指與物理相關的實體呈現出的美麗現象，如藍天、白云、彩虹、極光及晶體等，這種現象比較容易觀察到，不需要專業的知識背景。另外，大學物理實驗中的現象也能帶來美感，如光的干涉、散射及全息成像等，這些實驗上呈現出的現象美需要通過專業操作才能觀察到。

2.2 簡潔美

2.3 對稱美

對稱美突出了系統各部分之間比例的平衡與協調，我國新石器時代就出現了具有對稱性的圖案。大學物理中具有許多對稱的形式，如正電荷與負電荷、正功與負功、吸熱和放熱等。一些守恒律，如動量守恒定律、角動量守恒定律、能量守恒定律、電荷守恒定律等，均體現出了對稱的特性，具有對稱美。

物理學中的對稱性不是絕對的，典型例子是弱相互作用中的宇稱不守恒。從更高層次來考慮，對稱美與不對稱美也屬于一種對稱美。這與詩歌中的對稱美異曲同工。比如，在唐詩《靜夜思》中，作者在明月中寄托了思鄉之情。“床前明月光，疑是地上霜。舉頭望明月，低頭思故鄉。”這首詩朗朗上口，音調和諧，這四句詩的末尾字“光”“霜”“月”和“鄉”發音韻律同中有異，這體現出了對稱性中的不對稱性。大自然中的對稱性亦是如此，如果絕對對稱，就體現不出美了。物理學中的定理和定律描述的正是大自然中的特征，具有對稱美。

2.4 和諧美

物理學中的各部分之間是和諧統一的，如波包括機械波和電磁波，這兩種波的波動方程在形式上相一致；電場和磁場看似是獨立的，麥克斯韋方程組體現出了兩者之間的聯系；物質的運動不僅包括宏觀運動還包括微觀運動；幾何光學和波動光學從不同角度闡述了光的內涵。物理學中還存在互補和諧美，如德布羅意提出的波粒二象性，物質不僅具有粒子性，還具有波動性。物理學的各個組成部分與其他學科結合而形成的交叉學科呈現出了層次和諧美。

2.5 廣博美

物理學研究了大到天體，小到原子范圍的物理規律，如此大的研究范圍給人帶來了廣博之美。天體的運動滿足開普勒三大定律，此定律不僅推進了天文學的發展，還為牛頓發現萬有引力打下了堅實基礎。微觀粒子的運動滿足物理學家薛定諤提出的波動方程，即著名的薛定諤方程。

2.6 奇異美

物理學家提出新思想的過程無不體現出物理學的奇異之美。牛頓看到蘋果落地時，想到了奇異的問題[5]，從而發現了萬有引力定律；愛因斯坦童年時代存在著強烈的好奇心，經常想到一些奇特問題，比如：如果與光一起飛行，光會是什么樣子？此問題是狹義相對論思想來源之一[5]。盡管愛因斯坦提出的相對論在不同時期均遭受到了研究者的質疑，但這仍不會掩蓋其奇特之處，反而更能體現出奇異之美，如狹義相對論中的光速不變原理和廣義相對論中的時空彎曲。量子力學的誕生也充分體現了這種奇特的美，量子力學不僅是電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用的基礎，也是物理學許多分支的基礎，其奇特之處體現在描述的是物理量取值的可能性，即概率，概率波滿足的薛定諤方程體現出了奇異之美。在所有物理學方程中，具有相當大魔力的是“狄拉克方程”。它是在不受約束的情況下發現的，受實驗約束最少，具有最奇特的結果，預言了正電子的存在，后來此結論被安德森從實驗上證實。狄拉克方程標志著量子理論新紀元的到來，它在理論上的巨大美學價值是它具有無可爭議地位的原因之一。

2.7 人格美

物理學家能夠發現常人不能發現的物理現象和物理規律，是因為他們在科學研究中具有堅持不懈的精神，有的物理學家為了堅持真理不惜犧牲生命。物理學家所具有的這些品質體現出了人格美。開普勒從小飽受疾病折磨，一生窮困潦倒，但他憑借著頑強的毅力和對學術的滿腔熱愛，不斷致力于天文學研究，發現了著名的開普勒三大定律；著名物理學家狄拉克由于其父親厭惡社交，使得他童年時期幾乎不與其他人交流。狄拉克并沒有因此而墮落，而是將大部分精力用在思考科學問題上，癡迷于相對論，最終建立了狄拉克方程——現代物理學的基石之一。物理學家們的偉大人格美使我們敬佩不已。

3 將物理之美融入大學物理教學的方式

人們通常會將美育與藝術類專業聯系在一起，很難聯想到在大學物理教學中貫穿美育。物理之美無處不在，如何將大量的、形式多樣的物理之美融入大學物理教學之中是難以解決的問題。

3.1 以圖畫為載體

畫家通過圖畫向人們展示了大自然的美，物理學同樣刻畫了大自然的美。闡述物理之美時可與圖畫的美相對比。比如，水墨畫是我國的一種繪畫藝術形式，由不同顏色的顏料和水調和之后作畫。水墨畫中的留白、濕筆與干筆體現出了和諧美，而物理學中也存在著和諧美。在講授光的干涉時，首先向學生展示相關圖片，如呈現出紫紅色的照相機鏡頭、五彩繽紛的肥皂泡、美麗的蝴蝶，然后引導同學們思考能夠觀察到不同種顏色的原因是什么，再進行下一步講解，最后給出原因，使學生感受到大學物理是美的。

3.2 以詩歌為載體

物理學家玻爾茲曼和麥克斯韋不僅是物理學大師，還是寫詩高手[5]。玻爾茲曼在他的著作《力學原理》一書中，開篇以詩的形式描寫了他對科學事業的執著追求。麥克斯韋在看過威廉·湯姆遜發明的鏡式電流計以后，以詩的形式表達了麥克斯韋對新儀器的贊美和興奮之情。科學家能夠不斷提出新問題，開拓新領域，取得偉大的科學成就，是由于他們具有詩人般的想象力。

唐詩和宋詞以簡潔的語言展示了豐富的內涵[6]，這類似于簡潔的物理公式體現出了復雜的物理本質，都呈現出了簡潔之美。詩歌中的互文體現出了對稱美，對稱美在我國傳統文化“對聯”中體現得淋漓盡致。詩歌的內容也涵蓋了物理知識，如“飛流直下三千尺，疑是銀河落九天”“危樓高百尺，手可摘星辰”體現出了古人對天文學的樸素認知；“不知天上宮闕，今夕是何年”能夠使人聯想到相對論中描述的時間、空間所滿足的特征。

在講授大學物理課程時，可引入相關詩詞，使學生感受到他們所學習的大學物理是美的。進一步鼓勵學生以詩詞的形式描述所學到的物理知識，從美的角度來欣賞它。

3.3 以音樂為載體

音樂所體現出的韻律給我們帶來了美感，呈現出了和諧美。物理學家開普勒不僅專門研究了行星發出的四種聲音，即女高音、女低音、男高音和男低音，還認為上帝通過天體運動在宇宙中奏響美妙的天體音樂[5]。畢達哥拉斯是古希臘哲學家，他認為上帝創造的世界是完美的。牛頓在鉆研物理問題時也有美學上的考慮，他宣稱自己是畢達哥拉斯信徒，非常重視琴弦和諧振動的平方反比關系，將這些關系視為“天體音樂的偉大主題”。另外，牛頓在做色散實驗時，第一次只描述了五種顏色：紅、黃、綠、藍和紫，后來加上了橙和青，這是由于牛頓認為光和聲音應該有相似的地方，基色的數目應和音階的七個音調相對應。這再一次體現他用音樂感來引導他的光學研究[5]。

在講授大學物理課程時，可以采用音樂為載體，使學生感受到物理之美。振動在彈性介質中傳播會形成聲波，聲波是能量的傳遞，也是振動形式的傳遞。此外，美聲的唱法訓練中運用到了物理規律[7]。以撥彈形式演奏的樂器，如二胡、吉他和古箏等，這些樂器的演奏涉及了駐波知識，可在講授駐波時播放一段采用撥彈形式演奏的樂曲，使學生在感受美的同時思考其蘊含的物理規律。

3.4 以我國的名著為載體

我國名著中刻畫的人物栩栩如生，引人入勝，將其恰當地引入大學物理中能夠激發學生的學習興趣。比如相對論中涉及了高速問題，而我們能感受到的速度屬于低速，名著《西游記》中的主角孫悟空的人物形象給學生留下了深刻印象，這能夠使學生很容易聯想到高速問題，從而感受到大學物理中的廣博美和奇異美。

3.5 以優美的語言和方式為載體

盡管美育在人的全面發展中的地位和作用非常明確，但人們對美育還存在著片面認識。如將美育對象局限于藝術美。此認識嚴重限制了美育對象和美育施教者的范圍，把物理教師排除在美育工作者之外。因此在大學物理中實施美育，要求大學物理教育工作者主動將自身列于美育工作者行列。

在大學物理教學過程中滲透美育，對教師自身有較高的要求。教師在教學過程中所選擇的優美的語言、合理的板書設計及教學方式的多樣性會給學生帶來美的感受。這不僅會激發學生的學習興趣，還能夠提高學生的審美能力。

除了上述載體之外，大學教師在教學過程中還應注重理論和實踐相結合，激發學生發現某一節課中的美，表達出學生所認為的美。這些美包括課堂教授的物理知識的美、作業中的美及其他同學提出的觀點的美，從而培養出不僅能夠發現美、欣賞美，還善于探索美、創造美的新時代大學生。

結語

為了培養學生發現美和創造美的能力，在大學物理教學過程中應進行美育教育。歸納和總結大學物理中的美育元素后，以圖畫、詩歌、音樂、名著、優美的語言和方式為載體向學生展示不同種類的美，通過對比的方法闡述了這些美與物理之美具有相似之處。在傳授物理知識的同時，深入挖掘物理之美，并將其合理融入教學過程中，注重理論和實踐相結合。在大學物理教學過程中對學生進行美育教育，能夠培養學生發現美和創造美的能力。