對(duì)物理學(xué)中美育素材的尋探

對(duì)物理學(xué)中美育素材的尋探美育是學(xué)校教育的一個(gè)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(lè)、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(shuō)的好，生活中從來(lái)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(shí)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(lèi)智慧對(duì)這種完美的邏輯結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)表達(dá)。無(wú)不閃耀著物理之美的詩(shī)情畫(huà)意，只要我們物理教育人在平時(shí)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(huì)潛移默化中受到物理科學(xué)美的陶冶，提高感受對(duì)稱(chēng)、簡(jiǎn)潔、和諧統(tǒng)一美的能力。其實(shí)，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(wú)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(diǎn)和心理特點(diǎn)，充分挖掘教材中的美育素材，就會(huì)有大量的工作要做，就會(huì)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(shí)際談一談自己的一些粗淺認(rèn)識(shí)。

一、簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)潔性。比如，牛頓第一定律，不到40個(gè)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)實(shí)在在地展現(xiàn)其完美性與簡(jiǎn)潔性，這是上世紀(jì)以來(lái)被科學(xué)界公認(rèn)的，對(duì)自然世界的最美表述；還有就是量子力學(xué)和相對(duì)論，從更加廣闊的時(shí)空領(lǐng)域描述出一幅極其簡(jiǎn)潔的物質(zhì)建構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的精彩畫(huà)面；使人們深深地感受到了一種簡(jiǎn)單而又高度概括的美；再如，熱這個(gè)概念讓許多物理學(xué)家探索了一個(gè)多世紀(jì)，最后是以大量分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)畫(huà)上了圓滿的句號(hào)；還有動(dòng)能定理的數(shù)學(xué)表達(dá)，愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程和光電方程，以極其簡(jiǎn)潔而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮瘮?shù)關(guān)系描繪了錯(cuò)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(jiǎn)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(jiǎn)單性。宇宙中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和組構(gòu)，客觀上都展示出極其簡(jiǎn)單的屬性，一切物質(zhì)都由最簡(jiǎn)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(jiǎn)單的幾何曲線運(yùn)動(dòng)；光在微引力下總是沿著最簡(jiǎn)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(jiǎn)單。比如由電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電路組成了電磁學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。再如動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)中的動(dòng)能定理、動(dòng)量定理和牛頓運(yùn)動(dòng)定律也是一脈相承的。

物理學(xué)在結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)潔性，其實(shí)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(lái)揭示，而簡(jiǎn)潔和簡(jiǎn)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(jiǎn)緊密的聯(lián)系在一起。

（三）在方法上的簡(jiǎn)單性?？茖W(xué)家們對(duì)宇宙物質(zhì)世界呈現(xiàn)出的簡(jiǎn)單性和簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性是顯而易見(jiàn)人，但科學(xué)家們智慧而巧妙地從復(fù)雜的真實(shí)世界中抽象出最簡(jiǎn)單的物理模型，諸如：點(diǎn)電荷、理想彈簧振子、質(zhì)點(diǎn)、理想單擺、理想氣體、理想變壓器、電場(chǎng)線、磁感線、光線、理想薄透鏡等，以這些簡(jiǎn)單的理想模型概括出物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，變繁雜為簡(jiǎn)明，既抽象又形象，既簡(jiǎn)潔又合理，給師生們帶來(lái)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(jiǎn)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(méi)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(shí)驗(yàn)，不完全的歸納出很多規(guī)律。長(zhǎng)期的實(shí)踐證明，由有限次數(shù)的實(shí)驗(yàn)得出的這種不完全歸納，在經(jīng)受了有限次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jiǎn)單美。如，一定置信度下有限次實(shí)驗(yàn)法；單變量實(shí)驗(yàn)法；理想化處理法等。

二、對(duì)稱(chēng)美在物理學(xué)中的體現(xiàn)

對(duì)稱(chēng)美在美學(xué)中是一種常見(jiàn)的形式美的表現(xiàn)，它是指整個(gè)體系和結(jié)構(gòu)在組成上的對(duì)應(yīng)和相稱(chēng)，如，在時(shí)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(yùn)動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性、宇宙結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性和追求理論的對(duì)稱(chēng)之美方面取得了豐碩的研究成果，同時(shí)也為科學(xué)家們提供了一種有效的研究途徑。

第一，在時(shí)間和空間結(jié)構(gòu)上所體現(xiàn)出的形象對(duì)稱(chēng)性。振動(dòng)圖象、平面鏡成像、簡(jiǎn)諧波的波動(dòng)圖象等都具有對(duì)稱(chēng)性，它給人們帶來(lái)一種勻稱(chēng)、圓滿、均衡的美感。靜止與運(yùn)動(dòng)、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(chǎng)的雙極等揭示了自然界物質(zhì)存在、構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的對(duì)稱(chēng)性。豎直上拋和斜體運(yùn)動(dòng)的時(shí)空對(duì)稱(chēng)性，電磁振蕩、交流電中出現(xiàn)的時(shí)間對(duì)稱(chēng)，鐘擺的運(yùn)動(dòng)的周期性，地球自傳、公轉(zhuǎn)帶來(lái)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(shí)間做周期性變化，這些規(guī)律都表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上的對(duì)稱(chēng)性。

第二，公式定律表達(dá)方式上和理論結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)美。數(shù)學(xué)中的正弦曲線的對(duì)稱(chēng)性，在物理學(xué)中以振動(dòng)、波、交流電等不同涵義直觀表現(xiàn)出來(lái)。再如，從力學(xué)的作用與反作用，到電學(xué)的通過(guò)正電子、負(fù)電子的客觀存在對(duì)物質(zhì)和反物質(zhì)的尋找。機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的萬(wàn)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(duì)稱(chēng)性。如，愛(ài)因斯坦在1905年創(chuàng)立狹義相對(duì)論時(shí)就把伽利略的力學(xué)相對(duì)性原理作為基本假設(shè)，愛(ài)因斯坦在1916年創(chuàng)立廣義相對(duì)論時(shí)，以把電磁學(xué)中的洛侖茲不變性作為對(duì)稱(chēng)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(chēng)不守恒（不對(duì)稱(chēng)）他們利用臻美的方法，爾后建立了CP聯(lián)合守恒（對(duì)稱(chēng)）。對(duì)美的追求是物理學(xué)發(fā)展的動(dòng)力之一，正是科學(xué)家們這些抽象的對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)性，已經(jīng)越來(lái)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(shuō)：在我們?nèi)粘Ｉ钪械拇_存在隱而不見(jiàn)的對(duì)稱(chēng)性。我認(rèn)為，在物理學(xué)中還沒(méi)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(gè)重要的法則就是和諧。古希臘畢達(dá)哥拉斯學(xué)派說(shuō)過(guò)：宇宙各數(shù)之間之所以美，是因?yàn)樗鼈兪呛椭C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(duì)應(yīng)中體現(xiàn)和諧美。

對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系；愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程體現(xiàn)了能量與質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；太陽(yáng)系里各行星都在各自的軌道上繞太陽(yáng)這個(gè)中心運(yùn)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(duì)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(shí)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(gè)相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一體。如，自由落體、各種拋體運(yùn)動(dòng)及各種勻變速直線運(yùn)動(dòng)都可以統(tǒng)一在運(yùn)動(dòng)學(xué)的速度和位移兩個(gè)公式中；再如，麥克斯韋方程把光、磁、電統(tǒng)一為電磁場(chǎng)理論；以萬(wàn)有引力定律和運(yùn)動(dòng)定律的簡(jiǎn)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(lái)；而作為近代物理學(xué)支柱的愛(ài)因斯坦相對(duì)論，又把麥克斯韋電磁場(chǎng)理論與牛頓力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)；而三大守恒定律（物質(zhì)、能量、動(dòng)量）乃是物質(zhì)世界和諧性最完美的體現(xiàn)；愛(ài)因斯坦耗費(fèi)30多個(gè)歲月，孜孜以求的目標(biāo)就是想用一個(gè)理論來(lái)說(shuō)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(chǎng)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(guó)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(yáng)魚(yú)互相環(huán)抱，形成對(duì)稱(chēng)、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(zhēng)、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?yàn)閹缀跞魏我粋€(gè)物理現(xiàn)象、過(guò)程、規(guī)律都必須從不同的側(cè)面加以闡述。如，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的平拋運(yùn)動(dòng)與自由落體運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性，說(shuō)明平拋運(yùn)動(dòng)中包含著自由落體運(yùn)動(dòng)，從而體現(xiàn)出自然界中多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)間的融洽互補(bǔ)和諧美。再如大量分子的運(yùn)動(dòng)組合與一個(gè)分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，二者都不能獨(dú)立構(gòu)成熱運(yùn)動(dòng)。描述熱運(yùn)動(dòng)，必須從分子數(shù)量與運(yùn)動(dòng)方式兩個(gè)方面分析才能科學(xué)地揭示其真實(shí)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(shí)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(diǎn)的素材。教師應(yīng)深入研究教材，細(xì)心體會(huì)，筆者認(rèn)為教學(xué)中應(yīng)注意使學(xué)生感受以下幾個(gè)基本哲學(xué)觀點(diǎn)：（1）物質(zhì)第一性的觀點(diǎn)。物理是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(yáng)系、銀河系乃至整個(gè)宇宙都是由物質(zhì)構(gòu)成的。引力場(chǎng)和電場(chǎng)、磁場(chǎng)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。運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)最普遍，最根本的屬性，運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的。沒(méi)有物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)都是不可思議的。（2）實(shí)踐的觀點(diǎn)。物理學(xué)是一門(mén)以觀察和實(shí)驗(yàn)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(shí)踐中總結(jié)出來(lái)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(shí)驗(yàn)的方式和方法，樹(shù)立科學(xué)實(shí)驗(yàn)的思想和理念。因?yàn)閷?shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。（3）矛盾的觀點(diǎn)。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(yùn)動(dòng)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(zhǎng)，透鏡成像中的實(shí)與虛，吸熱與放熱等都充分說(shuō)明了事物內(nèi)部的矛盾性。又如光的波動(dòng)性與粒子性是矛盾的兩個(gè)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(dòng)性，光的波粒二象性在宏觀上是對(duì)立的，但在微觀世界中卻是統(tǒng)一。而矛盾的雙方互相對(duì)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(shí)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(kāi)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(diǎn)。自然界的運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(diǎn)的具體表達(dá)。這些守恒定律揭示了物質(zhì)不同運(yùn)動(dòng)形式之間的內(nèi)在聯(lián)系，使人們認(rèn)識(shí)到，自然界的運(yùn)動(dòng)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(gè)自然界就是這樣一個(gè)永恒運(yùn)動(dòng)和無(wú)限發(fā)展的物質(zhì)世界。（5）從量變到質(zhì)變的觀點(diǎn)。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(diǎn)時(shí)，像的正倒、虛實(shí)大小的變化；入射角大于臨界角時(shí)發(fā)生全反射；大于極限頻率時(shí)發(fā)生光電效應(yīng)；物質(zhì)的溫度升高到熔點(diǎn)時(shí)，物態(tài)發(fā)生質(zhì)的變化；當(dāng)溫度降到絕對(duì)零度附近時(shí)，某些材料的電阻率突然減小到零的現(xiàn)象等。通過(guò)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(diǎn)。（6）發(fā)展的觀點(diǎn)。事物總是在不斷運(yùn)動(dòng)、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(jí)階段向高級(jí)階段發(fā)展變化的，而且遵循著否定之否定的途徑，從實(shí)踐中來(lái)，又回到實(shí)踐中去，并隨著實(shí)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(diǎn)。

通過(guò)以上分析，我們可以看到：物理學(xué)不僅是開(kāi)啟宇宙密碼的鑰匙，同時(shí)也展現(xiàn)出物