大学物理教学与科学美教育

【摘 要】物理学家们在探索自然规律的同时,对科学美有着强烈地追求,他们追求美的精神对物理学的发展起着积极地推动作用.物理学中蕴含的科学美可归结为简洁美、对称美、和谐美和统一美,在物理教学中进行科学美教育,能使学生领悟科学美的魅力,感受科学美的精神,从而激发学生的学习热情和探索创新能力.

【关 键 词 】物理学；科学美；物理教学；教育

科学美来源于自然美,是潜藏在感性美背后的理性美,是审美者通过理解、逻辑思维才能体会到的美.物理学是一门揭示物质存在与运动规律的自然科学,在物理学的理论体系中处处体现出科学美.物理学家们在探索自然规律的同时,总是伴随着对美的热烈追求,他们追求科学美的精神对物理学的发展起着重要的推动作用.

1.物理学中的科学美

1.1 简洁美

简洁美是以简单、洁净呈现其美感.自然界的现象是错综复杂的,然而背后隐藏的规律却是简单的.因此研究的方法和规律的表达方式应是简单的,也就是说物理理论在体系上呈现出高度的简洁美.科学家们用最简洁的语言、最少的符号、最简单的形式来表达知识及自然规律.正如著名物理学家爱因斯坦所说：“真实的世界在逻辑上总是简单的.”所以,作为反映物质运动规律的物理学来说,那种最简洁的物理理论最能给人以美的享受.物理美的简洁性并不是指物理内容本身简单,而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁.例如经典力学建立在牛顿三定律之上,由牛顿三定律可以推导出全部经典力学理论,电磁学建立在法拉第的“场”和麦克斯韦方程组之上,由此可对电磁现象做出全面的解释.只有当麦克斯韦用一组简单的方程式,把大量的有关电与磁的知识以及规律概括出来,才给人以美的感受.这些简单的物理关系式,包含的内容极其丰富,揭示的规律无比奥妙.

1.2 对称美

对称美是指整体各部分之间的相称与对应.自然界中的许多现象都有着对称性,对称总能给人以美感,因此作为揭示自然界规律的物理学,当然会显示出对称美.物理学中的对称美既有物理现象的对称美,例如引力与斥力、电生磁与磁生电、粒子与反粒子等.又有物理规律的对称美,例如圆周运动、简谐振动、光与波的反射等.还有公式的对称美,例动量、能量和角动量守恒定律、洛伦兹变换式等,麦克斯韦方程组更是具有完美的对称形式.近代物理学中,对称性已成为重要的研究方法,著名结晶学家和几何学家费多罗夫,用几何体的规则系统来代替晶体的原子系统,从而将物理学问题转化为几何学中的美学问题,并借助几何学框架使晶体学问题得到了圆满地解决.

1.3 和谐美

自然界处处呈现着和谐美.物理学其理论的和谐性、体系的逻辑自洽性及各种守恒性都给人以和谐美之感.著名科学家庞加莱说：“世界的普遍和谐是众美之源”.在宇宙领域中,各种星系、各种天体尽管进行着复杂的运动,但各种星体的运动轨道又是有规律的,例如月球一边自转一边绕地球公转,旋转的速度和轨道也几乎没有差错,宇宙太空中各天体的运动配合得如此默契和谐,像是在合奏一首雄伟壮丽的交响曲.电磁学中的麦克斯韦方程组,把E、D、B、H四个物理量用优美的数学形式联系起来,并把电学中的重要常数和磁学中的重要常数与光速联系起来,从而建立了和谐无矛盾的电磁场理论.在微观领域中,原子世界是一个和谐的世界,核外电子绕着核运动、分子间存在相互作用力.

1.4 统一美

物理学中的统一美除指理论体系的统一还有真与美的统一.理论的统一就是要求理论在不附加太多的基本检测定的基础上尽可能前后一致地解释更多的物理现象.例如通过热力学与统计物理学的统一、电学与电磁学规律的统一、时间与空间的统一、物质与能量的统一、实物粒子与场等几次大的综合与统一,建立起如今的物理大厦.统一美还包括真与美的统一,毕达哥拉斯学派对于真和美的理解是：美的事物一定是真的,因此美比真更本质.当他们还不知道天体的具体运动轨道时,即还不了解“真”的时候就敢于从美的愿望出发,设定天体运动的轨道是圆的.哥白尼日心说的提出,就是在美比真更本质的观点指导下的结果.从真的角度来看日心说和地心说很难判断哪一个理论更正确,因为根据这两种理论制定的历法相差无几.但从美的角度来看日心说更美一些.日心说具有无与伦比的对称性和统一性,在与托勒密的地心说之间的理论竞争中,毕达哥拉斯的科学美学思想成为这两种理论审美评价的标准.

2.物理教学中进行科学美教育

纵观物理学的发展过程可看出,物理学家对美的追求,在物理理论的发现、发展中起着十分重要的推动作用.爱因斯坦对对称美的坚定信念引导他走向相对论,他对和谐美更是近乎宗教般地相信,他说：“如果不相信我们世界的内在和谐性,那就不会有任何科学,这种信念永远是一切科学创造的根本动力等”.法拉第由于相信对称性,受奥斯特电生磁现象的启发发现了磁生电现象.狄拉克追求统一美,凭着娴熟的数学技巧,把量子力学与相对论相统一.因此在物理教学中进行科学美教育具有重要意义.

在物理教学中进行科学美教育,不是进行机械式的美学教育,而是渗透于物理课程中对科学美的发现.要求教师结合具体的教学内容,去发现科学美并把其渗透到课程教学之中,引导学生去体验科学美的奥妙.很多学生在学习物理时常常感到枯燥乏味,其主要原因是把科学理论当成一堆呆板的公式和条条框框,看不到物理学中的科学美.所以物理教师在传授知识的同时,要引导学生了解知识的产生过程、知识之间的相互联系以及知识体系的框架结构,理解物理的思维形式和思维方法,向学生展示和揭示隐藏在物理学中的科学美,从而促使学生领悟其中的魅力,激发学生学习物理的热情.例如电磁学中的麦克斯韦方程组,其本身从数学形式上看具有完美的对称性.麦克斯韦用数学方法把电磁场及其相互作用规律完美地表达出来,而且进一步又发现了电磁学与光学的联系,这就是和谐美与统一美.从发现摩擦琥珀可以吸引小物体开始,在电磁学发展的漫长岁月里,人们掌握了丰富的有关电与磁的知识以及规律,如果这些纷繁复杂的知识一一罗列出来,那么根本没有美可言,只有麦克斯韦在一八年用一组简单的方程式概括出电磁学规律,才给人以简洁、对称、和谐、统一之美.正是对科学美的享受,麦克斯韦预言了电磁波的存在,奠定了无线电通讯的基础.

物理学之美除了体现在物理知识的形式、体系结构和研究方法上,还体现在物理学家的精神上.物理学巨匠们比如开普勒、伽利略、牛顿、爱因斯坦、狄拉克等都不同程度地接受了科学美学,他们相信自然界是按和谐优美的数学公式设计的.物理学家对美的追求,强烈地影响着物理学成果的内容与形式,物理学的发展历史是一部物理学家对科学美进行孜孜不倦的追求的历史.

总之,物理学中处处蕴含着科学美,只要在物理教学中善于发现和剖析其中的科学美,引导学生去体会物理学中的简洁、和谐、对称、统一等科学之美,就能焕发学生的学习兴趣和热情,使学生陶醉于科学美的情景,领悟到科学美的奥妙,感受到科学美的精神,从而激发他们探索和创造的能力.

【参考文献】

[1]杨庆余.物理学研究的美学精神[J].大学物理,2002,21（11）：37-41.

[2]宋琳.论科学美在科学发现中的作用[J].北京科技大学学报：社会科学版,2010,26（2）：140-144.

[责任编辑：王迎迎]