李学生 （lixueshenglxs@21cn.com）　2007.05

我们的教育目的在于使学生在学习过程中德、智、体、美、劳全面发展。其中美育就是审美教育，其目的在于使学生具有美的素养，由此升华而使之具有美的情操，有辨别真善美与假恶丑的能力，并且去为美好的明天、美好的生活而奋斗。美育是社会主义精神文明建设中一个不可缺少的组成部分，进行美育教育就是要提高学生的审美能力，它主要包括审美感知力、审美想象力和审美鉴赏力。科学美的特点与各种艺术美的特点有所不同，艺术美突出地表现在它的形式美和情感美，科学美是理性美，内容的真与形式的美相结合，其美感以知识为基础，但也离不开形象思维，离不开想象。在物理教学过程中，不但应该重视物理的德育功能与智育功能，而且应该充分发挥物理教材的美育功能。笔者结合自己的教学实践，谈一点儿粗浅看法，仅供商榷。

一、 科学美在物理教学中的作用

科学美在物理教学过程中具有极其重要的作用，正如苏霍姆林斯基所强调的：“我一千次确信，没有一条富有诗意的感情的和审美的清泉，就不可能有学生的全面的智力发展。”我国近代的教育家蔡元培说：“无不于智育作用中，含有美育之原素；一经教师之提醒，则学者自感有无穷之兴趣。”因此物理教育与教学的目的之一，应当让学生获得对科学美的审美能力，从而既有利于激发他们对物理科学的爱好，也有助于增长他们的创造发明能力。“他们特地指出Einstein的思想方式与传统的思想方式完全不同。对他们来说，Einstein似乎不是一位严格而有逻辑的理论家，而是一位具有创新性的艺术家，具有丰富的想象力，他所采用的论述对于一篇科学文章经常是不合适的：他所追求的不是一个概念狭义的逻辑，而是它的美感。在他的工作中，Einstein一直在寻求美感。”

（1） 以美启真。

美籍华人著名的物理学家扬振宁讲：“美的追求是科学发展的一个动力，美的鉴赏是作出科学抉择的一个重要条件，在美的探索中形成了科研的不同风格，今天我们比以往任何时候都没有理由容许我们被迫放弃这个奇妙的信念。作科学研究是有所谓风格的，每一个人对于规律的美和妙的地方会有不同的感受，通过一个人不同的感受，他对于一切现象、结论、结构就有偏好，通过这些偏好，他就发展出他的风格。这个风格影响到他将来研究工作课题的研究方向，影响到他将来研究问题的方法，所以风格有决定性作用。”由此可见，在科学研究中，选择的直觉经常表现为美的直觉，激发学生科学的美感，培养美的直觉，有利与直觉思维的发展，有利于创造性思维能力的培养。

（2） 以美启趣。

科学美能引起学生学习的兴趣，促进对知识的理解和掌握，减轻学生的心理压力和学习负担，提高效率。现代教学论告诉我们，学生是学习的主体，能否激发起学生的学习积极性是我们教学成败的关键。孔子曾说过：“知之者不如好之者，好知之不如乐知者。”科学史和教学史都证明，审美感成为构成意志行动的主要因素之一，是能够转化为探索未知世界的巨大动力的。科学家在研究自然、改造自然的过程中得到了乐趣，而他们能从中得到乐趣，那是因为它美。爱因斯坦对二十世纪物理学的发展作出了重大贡献，这与他对科学美的认识是密不可分的，正如有人所讲的：“在爱因斯坦那里，大自然的和谐统一这种美感已经上升为一种坚定的信念，这给他带来无穷无尽的探索力量与智慧。”

（3） 以美启德。

德育与美育是相辅相成的，美育对于培养人的高尚的道德情操，陶冶人的心灵，树立正确的世界观和人生观，提高道德水准，都有着特殊的功效。科学美既严肃有高雅，其渗透感染作用极其深刻与稳定，是一种高层次的美的追求。在物理教学中，重视以美启德是物理教师的重要任务。

二、科学美的特点及其在物理教学中渗透途径初探

法国著名的雕塑学家罗丹曾经讲过：“美是到处都有的，对于我们的眼睛不是缺少美，而是缺少发现。”物理学科所包含的内容是真实的、生动的、美好的，它本身充满了情趣。“仁者见仁，智者见智，美者见美，”教学艺术的美学核心是由方法美和启迪美构成的，方法美是体，启迪美是神，两者是辨证统一的。美的主要形式就是秩序、匀称和确定性，这正是无论教育所应遵循的原则。

然而，科学美并不像艺术美那样容易被人赏识和接受，由于物理科学的抽象性与逻辑性的特点，使科学美常常“是初睹者所不能见及者”物理科学中的美感是人们对客观世界物质的最基本的结构和最基本的规律认识的结果，常常是在实验、观察、抽象、概括、推理论证、作图演算等科学活动中产生的，所以科学美必须以一定的物理知识水平为前提，对科学美的感受随着物理水平的提高而不断增长，而且这种增长，离不开教师的启发和引导。物理学中的审美对象主要通过实验、观察已经教学语言体现出来，它是直接性与间接性的统一，因此应当通过实验、观察等手段将形象的物理现象上升为抽象的物理规律，并运用这些物理规律解决具体的物理问题。科学审美活动是从科学审美注意开始的，教师要根据物理规律的特点把学生引向对科学美的注意。因此在物理教学中渗透美育，重视发挥其美育功能十分重要。

所谓物理教学中渗透美育，就是要在教授物理知识的同时，揭示科学美，培养学生对科学美的感知、鉴赏、评价、再现或创造的能力，以利于物理教学质量和学生素质的提高。物理教学过程是师生之间的信息交流过程，它是通过语言交流（语言美）、文字交流（书法板书美）、实验观察与身形交流（形象美）以及物理规律的渗透（科学美）四种渠道实现的，因此应当选择的教学方法，创造美的教学情况，运用美的教学机智，在解题过程中注意运用美的思想方法来指导，运用科学美激发学生的兴趣。在渗透美育的过程中，应当做到有计划、有步骤地实施，使德育、智育和美育在物理教学过程中同步发展。物理教学过程中的美育教育是多方面的，下面仅就科学美在物理科学中的渗透谈一下个人掘见。

科学美的直觉虽然不是一种严格的逻辑思维活动，但是科学美有其确定的内容。物理科学中之美感包含物理概念的简单性、统一性，结构系统的协调性、对称性和物理模型的概括性、典型性和普遍性，物理量的守恒性与物理理论的创造性等方面。科学美的范畴主要有六点：

①哲理美。进行辨证唯物主义教育是物理学教学的目的之一，在渗透辨证唯物主义观点的同时，也能引起学生美的体验。例如讲授运动与静止的关系，使学生认识到运动是绝对的，静止是相对的；讲授熔解与凝固的过程中，使学生认识到量变引起质变的道理；讲授人们对光的本质以及原子结构的探索过程中，使学生认识到从实践到认识，从认识到实践不断往复是人们发现真理的基本过程，真理是相对性与绝对性的统一，从而树立辨证唯物主义认识论的观念；讲授晶体与非晶体的区别在于内部结构的不同以及温度的高低是有分子的热运动的剧烈程度所决定的，从而使学生树立事物的质是由事物内部特殊的矛盾所决定的；讲授牛顿第二定律F=ma时，使学生认识到a=F/m，内因（质量）是事物变化的根据，外因是事物变化的条件；中学物理中力学一直是教学难点，知识繁杂。由于力学主要研究机械运动的规律，力是改变物体运动状态的原因，因此运动和力的关系成为贯穿于力学始终的最基本的主线，它可分为四个方面：力的瞬时效应（牛顿运动定律，当便成为静止力学中的物体平衡条件）、力对时间的累积效应 （动量定理与动量守恒定律）、力对空间的累积效应（动能定理与角动量守恒定律）、力的旋转累积效应（角动量定理与角动量守恒定律，这一部分中学暂不涉及，但当角加速度为零时，便成为静力学中的转动平衡条件）；热学有两条主要线索：一条是从宏观上研究热现象，以能量守恒定律为工具考察能量变化，一条从微观上研究热现象，以分子运动论为工具考察压强变化，两条线索忽明忽暗，构建了整个热学大厦；电磁学也有两条主要线索：一条是“场”，一条是“路”，由静电场到稳恒电路，由磁场到交流电路；物理光学也是围绕着光的粒子性与波动性两条主线展开的，原子物理学是紧密地围绕着从宏观到微观的顺序展开的。学生形成了知识网络，不但有利于理解规律，而且学生认识客观事物由孤立静止的观点转到联系发展变化的观点，由衷地体现到哲理美。“在这篇文章中，Einstein再现了有知识、有自由思想的人对宗教的批评，强调一种高水平的宇宙宗教信仰，以自然和观念世界中奇迹般的秩序为基础，避免所有以人为中心的重述。他最后总结到，不仅自然科学与宇宙宗教信仰没有冲突，而且后者事实上是科学研究中最强和最卓越的主流。从字里行间可以看出，在某种意义上，Einstein具有很深的宗教意识。”

②抽象美。物理是一门来源于生活以实验为基础而高度抽象和具有严密系统的科学，我们认为物理之美即源于此，正因为此物理才有其广泛的应用性。质点、刚体、点电荷、理想气体、镜面反射、均匀电场、均匀磁场等虽然在生产实践中存在着模型，但是不完全等同于客观世界，又可代表更多种类型客观物体，场（包括引力场、电力场、磁场等）看不见，摸不着，便是人类智慧高度抽象化的结果，尤其是电力线、磁力线客观世界中根本就不存在但利用它们便能解决很多物理问题。由于物理学是研究客观世界最基本的结构与最基本的规律的一门科学，因此物理学便成了现代自然科学与技术科学的基础。在教学过程中一方面引导学生运用学过的物理学知识观察分析日常生活中的物理现象，另一方面应当将所学过的物理学知识运用到化学、生物、地理、体育中，全面提高教学质量，从而树立大学大教育的观念。例如：当学习完毛细现象之后，我曾向学生分析一句农民谚语“锄头有水，锄头有火”的道理。“锄头有水”是说农民在旱天时应当多锄地，主要是切断草根之类的毛细管，减少毛细现象发生；“锄头有火”说农民在涝天时应当多锄地，主要是地表土壤松散，增加氧气供应与加快水份蒸发，地表深层水份多不影响影响农作物生长。化学中不同能级电子能量的差异、能量变化、气体压强与体积的关系等，生物学中的渗透压、蒸腾作用的机理等，地理中季风的形成等都可用物理学知识来解释。这样不但有利于其它各门功课的教学，也有利于提高学生学习物理学的兴趣。

③推理美。对于科学研究王淦昌说：“大胆怀疑 小心求证”；熊大闰说：“联想类比 突破传统”；杨叔子说：“了解具体 超越具体”；宋健说：“筚路蓝缕 寻找超越”.物理是一门高度抽象的科学，解决物理问题，推理是一种常见的思维形式。推理可分为逻辑推理和非逻辑的臻美推理，在逻辑推理中学生依据一个或几个判断得出另一个判断，这些判断之间依次线性运动，学生会感受到严谨、清晰和简明的推理美。非逻辑的臻美推理则是依靠想象与直觉的矛盾运动而从整体上推出理想的结果，它的基本结果是想象、直觉与灵感，是一种或然的非线性推理。在物理学教学过程中，应当充分利用这种推理形式。例如在学习电场与磁场后，曾引导学生分析，由于万有引力也是通过场来传递，并且静电力公式与万有引力公式相似，因此也可以用引力线、引力场强度来表达（在重力场中引力场强度即为重力加速度 g）。周期性变化的电场可能产生引力波，引力波电磁波的传播速度可能都等于等光速C。波具有反射现象与折射现象，并且光波遵循反射定律与折射定律，因此机械波、电磁波也应当具备类似性质。

④对称美。现代物理学是以对称性、守恒性、数学形式的变换不变性为基础的正统方法。对称性,从辩证唯物主义观点看来,是一种特殊形式的对立统一;从数理观点看来,就是变换出不变性,守恒性。反过来也可以说,变换不变性反映了自然界的一种对称性,一种守恒律。“自然界是可以想象到的最简单的数学观念的实际体现。我坚信，我们能够用纯数学的构造来发现概念以及把这些概念联系起来的定律，这些概念和定律是理解自然现象的钥匙。”爱因斯坦曾在英国牛津大学斯宾塞讲座中这样讲道。

每一个变换不变性都含有两个基本关系式,即不变量与变换式。在科学发展的常规阶段,不变量与变换式是互相适应的,它们共同构成某种变换不变性。而在科学革命阶段,常常会不断地发现一些新的不变量及新的变换式,它们常和旧的不变量或变换式发生深刻的矛盾。科学革命的任务之一就是用新的变换不变性来代替旧的变换不变性。变换不变性方法的实质也就在于,抓住不变量与变换式之间的内在矛盾,并通过不断扩大变换不变性来解决两者的矛盾,从而达到变革旧理论、发展新理论的目的,达到物理学基本规律逐渐扩大统一性的目的。传统的对称性简单地说就是：从不同角度看某个事物都是一样的。相对性原理就是对称性的一种描述和反映。没有这种、对称性，我们的物理学理论，不要说美丽，就是存在都会变得艰难。比如空间和时间的对称性，使我们的实验室可以建立在任何地点，实验可以在任何时间做，都不会影响实验结果。我们无法想象实验结果与实验的时间和地点有关，会给物理学带来什么灾难。在量子理论中，对称性也无所不包不在，如弱电理论、局域对称性等。但这些对称有别与传统的对称。

由于自然界存在完全对称和不完全对称,当我们通过各种办法使不完全对称的现象被平衡和补偿起来而达到完全对称时,我们对自然界的认识就前进一步,从而才能进一步改造自然。这也就是科学理论研究的目的。

自从本世纪初,在发现物理规律的洛仑兹变换不变性之后,物理学界逐渐认识到变换不变性概念和物理学对称性概念的内在联系,以及变换不变性方法对现代物理学发展的极端重要性。可以说,现代物理学的每一次重大进展,从狭义相对论、广义相对论、量子力学、量子场论,到规范场理论,都是以变换不变性思想为模线,发展起来的。狄拉克更是指出,理论物理学进一步前进的方向是继续扩大变换不变性。目前,物理学已经建立了将定域同位旋对称性与对称性自发破缺相结合的弱电统一理论,正在向更进一步的大统一理论目标前进。而从整体对称性到定域对称性的深入,是达到这一目标的最有希望的探索方向。

同时,我们还应该看到,任何一个守恒律都是在一定的条件下得到的,都有一定的适用范围,这本身就反映了对称性不是绝对的无条件的适用于一切场合的。宇称在弱相互作用下不守恒就证明了这一点。

所以说,现代物理学理论研究要把发现不变性,寻求变换式及适用范围作为目标。在原始的意义上，对称是指组成某一事物或对象的两个部分的对等性。物理是研究客观世界的最基本规律的一美科学，而它们在很多方面存在着对等性，例如：正电荷和负电荷。电荷的负极与正极、光速的可逆性、空间与时间、正功与负功、质子与中子、电子与正电子等均具有对称性。力对时间的旋转不变性得到机械能守恒定律，力对空间的旋转不变性得到动量守恒定律。在物理教学过程中，如果经常渗透对称性观点，无疑将有助于知识的掌握与巩固。万有引力公式F=GMm/r²与静电力公式F=KQ₁Q₂/r²，弹性势能公式E=0.5kx²与动能公式E=0.5mv²，凸透镜成象公式1/u+1/v=1/f与并联电阻公式1/R₁+1/R₂=1/R、弹簧串联公式1/k₁+1/k₂=1/k，欧姆定律公式I=U/R与压强公式P=F/S、密度公式ρ=m/V 、电场强度E=F/Q、电压U=W/Q与电容C=Q/U，安培力F=BIL与电功W=Uit，重量G=ρgV与热量Q=cmΔt等均具有相似性根据这些相似性，学生便很容易地掌握这些物理公式。

⑤简洁美。

英国杰出的理论物理学家史蒂芬•霍金被视为爱因斯坦之后最伟大的物理学家。他说：“我们必须试图在科学的基础上理解宇宙，科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙，那将是人类理智的最终极胜利！如果我们足够聪明的话，总有一天会找到它！”最小作用量原理从提出到发展渊源流长。它不仅在物理学的诸领域，甚至在整个自然科学乃至更大的学科范围内，都具有深刻的作用与宝贵的价值。仅就最小作用量原理在物理学中的地位而论，没有哪一个定律或定理能在如此漫长的历史长河中，如此贯彻始终地伴随着物理学全部进程而发展，也没有哪一个规律能有如此的魅力，始终吸引着众多的哲学家和科学家们；也没有哪一个规律能像它一样，把经典物理与近代物理，甚至把物理学与数学如此紧密地结合起来。最小作用量原理不仅反映了自然界的真与美，也反应了人们对自然规律的普遍性与简单性的追求。“在晚年，Einstein认为自然得到的定律是具有美感的。他十分相信这一点，并且带有宗教的狂热，他认为简单定律是存在的，并且是可以发现的。除了在青少年时期外，Einstein从来不愿使用基督教人格化了的上帝。但即使在年轻时，他只认为上帝是自然定律的保护人。一开始，这似乎只是一个顽皮的表述，但是当他渐渐长大时，这种对上帝的隐喻变成一种启发式原则：Einstein本人扮演成世界及其定律创造者的角色。他判断事物的标准使B•霍夫曼大吃一惊，他说：‘当我判断一个理论正确与否时，我首先问我自己，如果我是上帝，我是否会用这样的方式安排这个世界。’”“在寻找统一理论的20多年来，是这种对世界具有确定结构的信念使Einstein一直保持充沛的精力和坚强的毅力。他天生就非常适于追求理论概念，具有极大的热情，这种热情可以持续几个月，甚至几年；但是当他发现自己的观点有严重缺陷时，他会马上放弃这个观点，对所浪费的时间和精力并不感到失望。第二天清晨，至多几天，他将又想出一个新的主意，以同样的热情追求这个新思想。” “1942年夏天，Einstein做如下解释：‘对于我本人，我是一位过时而顽固的人，我仍不相信已经揭示了自然的秘密。因为如果自然界要那样做的话，他就应该做得彻底，而不应该有所保留，不全力以赴。如果真的存在那样的话，我们就不用去寻找定律了。事实上，所有的事情都与完美的规律发生矛盾。但我仍一直在寻找这种规律。如果最终我的发现没有任何价值，那么应该是我的过错，而不是上帝的过错。’”【1】"逻辑简单性",按照爱因斯坦的看法,即是指一个理论体系所包含的彼此独立的假设或公理最少。在建立相对论逻辑体系的过程中,"逻辑简单性"发挥了重要的作用,以后就成为创建科学理论的指导原理。为什么呢?因为自然界本身是"统一的"、"简单的"、"和谐的",而反映自然规律的理论体系与客观存在之间存在着主客观的对应关系,所以要求它的逻辑在基础上也必须是简单的。正如爱因斯坦所说:"逻辑简单的东西,当然不一定就是物理上真实的东西。但是,物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西。"同时,"逻辑简单性"要求一个理论体系在结构上必须是"和谐的"、"对称的"、"自然的",要求理论体系的基础的"简单性"与结构上的"和谐性"必须是统一的、等价的。爱因斯坦正是遵从"逻辑简单性"要求,针对牛顿力学满足伽里略相对性原理、而电动力学不满足这个原理,这种不对称、不和谐的情况,提出了相对性原理(即物理定律在所有惯性系中都是相同的)和光速不变原理(即真空中的光速恒等于C),从而建立了狭义相对论的理论体系。爱因斯坦又针对力学中惯性系相对于非惯性系处于一种特殊的优越地位,这种不对称、不和谐的情况,提出了广义相对性原理(即物理定律在所有参照系中都成立)和等效原理(即一个均匀的引力场与一个勾加速参照系完全等价),从而建立了广义相对论的理论体系。广义相对论就其创造性思想的深湛、丰富和形式的完整、美丽,都是非凡和令人赞叹的。"广义相对论大概是(人类)已经作出的最伟大的科学发现。"(狄拉克语)却是建立在两个原理的基础上。爱因斯坦又针对自然界存在的四种作用力(强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用),化了自己后半生的精力,致力于统一场论的研究,追求"和谐"、"对称"、"统一"的自然"美"。虽然由于客观条件的不成熟,而未成功。但他的方向是正确的,他的思想走在了时代前面几十年,并对当代科学产生了极为深远的影响。爱因斯坦曾说过 ：“大自然总是喜欢简单与美感，”其实简单本身就是一种美感。世界上机械运动形式纷芸复杂，但都满足牛顿运动定律；只有重力做功时，系统的机械能守恒；只要合外力的动量为零时，系统的动量守恒；电路类型多种多样，但都满足欧姆定律、焦耳定律；这些都体现了物理量的守恒性与简洁性。这里说的简单，不是方程简单或符号少的那种外在的简单，而是思想的简单，或说基本原理的简单。牛顿的引力理论有三个方程（对应三个空间方向），而爱因斯坦的引力理论却有14个方程（10个场方程和4个运动方程），它们都是描述引力的理论。牛顿的引力理论，因方程少而具有外在的“简单”。爱因斯坦的引力理论，因思想和原理简单，而具有内在的简单，因而具备因简单而美丽的特征。思想和原理的简单性，主要是由“等效原理”所带来的。仅仅这样一个“简单实惠”的思想，就成就了一个伟大的理论。当您听一首经典音乐，或看一部经典小说、诗歌时，您会感觉作品是那样的协调，一切都“恰到好处”，仿佛是自然生成的。任何人都有同样的感觉：这部作品没有任何需要改动的地方。相对论就具有这中必然性的美，一旦您接受了爱因斯坦的一般物理学原理，您就会有一种感觉：谁都不可能导出一个与与爱因斯坦不同的理论来。“两论”在逻辑上的严密性，使它的一切内容都具有极其强烈的完整性、唯一性和必然性。表现在整个理论是不可修改的，任何一个内容出了问题，整个理论体系就会完全彻底完结，修改而不破坏它的整体结构是不可能的。牛顿理论就不具有这样的必然性。根据实际天文观测数据的需要，牛顿可以把它的引力修改成与距离的立方成正比，但不会影响到他理论的整体。而爱因斯坦就不能把立方纳入他的理论中，除非抛弃理论的基础。

我们对物理学理论美的最直接感受，是简单性和必然性完美的结合（温伯格说的）。我们之所以感觉到物理学理论，不时简单而是深奥。是因为物理学理论需要用数学语言来描述，而数学语言不是我们平时的交流工具。因此，物理学因为数学的“深奥”，而变得深奥。象只有少数内行才能听懂的高雅艺术那样，为了深奥而深奥是极其愚蠢的思想。物理学家们所追求的理论美，是寻求由简单的基本原理，赋予整体理论以刚性的面貌，出现在人们面前——这就是简单性和必然性的结合。

⑥创造美 。创造能力是一种高级的能力，它是在创造活动过程中形成和发展起来的。在物理的学习活动中培养学生的创造能力，就是使学生在学习的过程中，独立地发展现新知识，独立解决为曾解决过的问题或把所学的知识应用到新的情境中去的能力。美感的产生，是审美者接受到审美对象的信息刺激，调动了过去的生活经验和知识积累，在头脑中开展了创造性思维活动后，在生理和心理上产生出一种逾越感。其间，创造性想象活动是把信息刺激转变为愉悦情感的“催化剂”。否则，整个心理活动只能停留在获得信息的感觉阶段，美的感受是无法得到的。所以，美感的产生是不能没有创造性想象活动的。

参考文献:【1】《Einstein传》 715-717页【美】A•弗尔辛 著薛春志遥遥 译时代文艺出版社出版，1998年10月第1版

【2】《Einstein传》 651页【美】A•弗尔辛 著薛春志遥遥 译时代文艺出版社出版，1998年10月第1版

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