大学物理中的美育研究

段秀芝 户立春 窦 超 吴君君 徐园园

唐山学院基础教学部 河北唐山 063000

1 概述

我们在对青年学生进行专业教育的同时，还应努力将青年学生培养成德智体美劳全面发展的社会主义接班人。《国务院办公厅关于全面加强和改进学校美育工作的意见》强调了学校美育的重要性[1]，要让每位学生都享有接受美育的机会。在向学生传授学科知识的同时，对学生进行美育教育尤为重要，美育不只存在于艺术类学科中，还存在于理工科中[2-4]。

许多著名的物理学家在研究物理问题时考虑了物理学的美[5]。哥白尼认为应该用全部精力来研究那些与最美的事物有关的东西；狄拉克阐明物理学定律中具有数学美；杨振宁将物理之美分为三种：现象之美、理论描述之美和理论结构之美。如何使学生在学习的过程中感受到物理之美是大学物理教学中不可忽视的问题，在大学物理课程中展开美育教学需要教师积极探索物理之美，并选择合适的载体在课堂教学中深入阐述物理之美。

2 物理之美

美是什么？这是美学研究中的一个基本问题。不同学者对此问题持有不同见解,下面对物理之美进行讨论。

2.1 现象美

大学物理中的现象美是指与物理相关的实体呈现出的美丽现象，如蓝天、白云、彩虹、极光及晶体等，这种现象比较容易观察到，不需要专业的知识背景。另外，大学物理实验中的现象也能带来美感，如光的干涉、散射及全息成像等，这些实验上呈现出的现象美需要通过专业操作才能观察到。

2.2 简洁美

2.3 对称美

对称美突出了系统各部分之间比例的平衡与协调，我国新石器时代就出现了具有对称性的图案。大学物理中具有许多对称的形式，如正电荷与负电荷、正功与负功、吸热和放热等。一些守恒律，如动量守恒定律、角动量守恒定律、能量守恒定律、电荷守恒定律等，均体现出了对称的特性，具有对称美。

物理学中的对称性不是绝对的，典型例子是弱相互作用中的宇称不守恒。从更高层次来考虑，对称美与不对称美也属于一种对称美。这与诗歌中的对称美异曲同工。比如，在唐诗《静夜思》中，作者在明月中寄托了思乡之情。“床前明月光，疑是地上霜。举头望明月，低头思故乡。”这首诗朗朗上口，音调和谐，这四句诗的末尾字“光”“霜”“月”和“乡”发音韵律同中有异，这体现出了对称性中的不对称性。大自然中的对称性亦是如此，如果绝对对称，就体现不出美了。物理学中的定理和定律描述的正是大自然中的特征，具有对称美。

2.4 和谐美

物理学中的各部分之间是和谐统一的，如波包括机械波和电磁波，这两种波的波动方程在形式上相一致；电场和磁场看似是独立的，麦克斯韦方程组体现出了两者之间的联系；物质的运动不仅包括宏观运动还包括微观运动；几何光学和波动光学从不同角度阐述了光的内涵。物理学中还存在互补和谐美，如德布罗意提出的波粒二象性，物质不仅具有粒子性，还具有波动性。物理学的各个组成部分与其他学科结合而形成的交叉学科呈现出了层次和谐美。

2.5 广博美

物理学研究了大到天体，小到原子范围的物理规律，如此大的研究范围给人带来了广博之美。天体的运动满足开普勒三大定律，此定律不仅推进了天文学的发展，还为牛顿发现万有引力打下了坚实基础。微观粒子的运动满足物理学家薛定谔提出的波动方程，即著名的薛定谔方程。

2.6 奇异美

物理学家提出新思想的过程无不体现出物理学的奇异之美。牛顿看到苹果落地时，想到了奇异的问题[5]，从而发现了万有引力定律；爱因斯坦童年时代存在着强烈的好奇心，经常想到一些奇特问题，比如：如果与光一起飞行，光会是什么样子？此问题是狭义相对论思想来源之一[5]。尽管爱因斯坦提出的相对论在不同时期均遭受到了研究者的质疑，但这仍不会掩盖其奇特之处，反而更能体现出奇异之美，如狭义相对论中的光速不变原理和广义相对论中的时空弯曲。量子力学的诞生也充分体现了这种奇特的美，量子力学不仅是电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用的基础，也是物理学许多分支的基础，其奇特之处体现在描述的是物理量取值的可能性，即概率，概率波满足的薛定谔方程体现出了奇异之美。在所有物理学方程中，具有相当大魔力的是“狄拉克方程”。它是在不受约束的情况下发现的，受实验约束最少，具有最奇特的结果，预言了正电子的存在，后来此结论被安德森从实验上证实。狄拉克方程标志着量子理论新纪元的到来，它在理论上的巨大美学价值是它具有无可争议地位的原因之一。

2.7 人格美

物理学家能够发现常人不能发现的物理现象和物理规律，是因为他们在科学研究中具有坚持不懈的精神，有的物理学家为了坚持真理不惜牺牲生命。物理学家所具有的这些品质体现出了人格美。开普勒从小饱受疾病折磨，一生穷困潦倒，但他凭借着顽强的毅力和对学术的满腔热爱，不断致力于天文学研究，发现了著名的开普勒三大定律；著名物理学家狄拉克由于其父亲厌恶社交，使得他童年时期几乎不与其他人交流。狄拉克并没有因此而堕落，而是将大部分精力用在思考科学问题上，痴迷于相对论，最终建立了狄拉克方程——现代物理学的基石之一。物理学家们的伟大人格美使我们敬佩不已。

3 将物理之美融入大学物理教学的方式

人们通常会将美育与艺术类专业联系在一起，很难联想到在大学物理教学中贯穿美育。物理之美无处不在，如何将大量的、形式多样的物理之美融入大学物理教学之中是难以解决的问题。

3.1 以图画为载体

画家通过图画向人们展示了大自然的美，物理学同样刻画了大自然的美。阐述物理之美时可与图画的美相对比。比如，水墨画是我国的一种绘画艺术形式，由不同颜色的颜料和水调和之后作画。水墨画中的留白、湿笔与干笔体现出了和谐美，而物理学中也存在着和谐美。在讲授光的干涉时，首先向学生展示相关图片，如呈现出紫红色的照相机镜头、五彩缤纷的肥皂泡、美丽的蝴蝶，然后引导同学们思考能够观察到不同种颜色的原因是什么，再进行下一步讲解，最后给出原因，使学生感受到大学物理是美的。

3.2 以诗歌为载体

物理学家玻尔兹曼和麦克斯韦不仅是物理学大师，还是写诗高手[5]。玻尔兹曼在他的著作《力学原理》一书中，开篇以诗的形式描写了他对科学事业的执着追求。麦克斯韦在看过威廉·汤姆逊发明的镜式电流计以后，以诗的形式表达了麦克斯韦对新仪器的赞美和兴奋之情。科学家能够不断提出新问题，开拓新领域，取得伟大的科学成就，是由于他们具有诗人般的想象力。

唐诗和宋词以简洁的语言展示了丰富的内涵[6]，这类似于简洁的物理公式体现出了复杂的物理本质，都呈现出了简洁之美。诗歌中的互文体现出了对称美，对称美在我国传统文化“对联”中体现得淋漓尽致。诗歌的内容也涵盖了物理知识，如“飞流直下三千尺，疑是银河落九天”“危楼高百尺，手可摘星辰”体现出了古人对天文学的朴素认知；“不知天上宫阙，今夕是何年”能够使人联想到相对论中描述的时间、空间所满足的特征。

在讲授大学物理课程时，可引入相关诗词，使学生感受到他们所学习的大学物理是美的。进一步鼓励学生以诗词的形式描述所学到的物理知识，从美的角度来欣赏它。

3.3 以音乐为载体

音乐所体现出的韵律给我们带来了美感，呈现出了和谐美。物理学家开普勒不仅专门研究了行星发出的四种声音，即女高音、女低音、男高音和男低音，还认为上帝通过天体运动在宇宙中奏响美妙的天体音乐[5]。毕达哥拉斯是古希腊哲学家，他认为上帝创造的世界是完美的。牛顿在钻研物理问题时也有美学上的考虑，他宣称自己是毕达哥拉斯信徒，非常重视琴弦和谐振动的平方反比关系，将这些关系视为“天体音乐的伟大主题”。另外，牛顿在做色散实验时，第一次只描述了五种颜色：红、黄、绿、蓝和紫，后来加上了橙和青，这是由于牛顿认为光和声音应该有相似的地方，基色的数目应和音阶的七个音调相对应。这再一次体现他用音乐感来引导他的光学研究[5]。

在讲授大学物理课程时，可以采用音乐为载体，使学生感受到物理之美。振动在弹性介质中传播会形成声波，声波是能量的传递，也是振动形式的传递。此外，美声的唱法训练中运用到了物理规律[7]。以拨弹形式演奏的乐器，如二胡、吉他和古筝等，这些乐器的演奏涉及了驻波知识，可在讲授驻波时播放一段采用拨弹形式演奏的乐曲，使学生在感受美的同时思考其蕴含的物理规律。

3.4 以我国的名著为载体

我国名著中刻画的人物栩栩如生，引人入胜，将其恰当地引入大学物理中能够激发学生的学习兴趣。比如相对论中涉及了高速问题，而我们能感受到的速度属于低速，名著《西游记》中的主角孙悟空的人物形象给学生留下了深刻印象，这能够使学生很容易联想到高速问题，从而感受到大学物理中的广博美和奇异美。

3.5 以优美的语言和方式为载体

尽管美育在人的全面发展中的地位和作用非常明确，但人们对美育还存在着片面认识。如将美育对象局限于艺术美。此认识严重限制了美育对象和美育施教者的范围，把物理教师排除在美育工作者之外。因此在大学物理中实施美育，要求大学物理教育工作者主动将自身列于美育工作者行列。

在大学物理教学过程中渗透美育，对教师自身有较高的要求。教师在教学过程中所选择的优美的语言、合理的板书设计及教学方式的多样性会给学生带来美的感受。这不仅会激发学生的学习兴趣，还能够提高学生的审美能力。

除了上述载体之外，大学教师在教学过程中还应注重理论和实践相结合，激发学生发现某一节课中的美，表达出学生所认为的美。这些美包括课堂教授的物理知识的美、作业中的美及其他同学提出的观点的美，从而培养出不仅能够发现美、欣赏美，还善于探索美、创造美的新时代大学生。

结语

为了培养学生发现美和创造美的能力，在大学物理教学过程中应进行美育教育。归纳和总结大学物理中的美育元素后，以图画、诗歌、音乐、名著、优美的语言和方式为载体向学生展示不同种类的美，通过对比的方法阐述了这些美与物理之美具有相似之处。在传授物理知识的同时，深入挖掘物理之美，并将其合理融入教学过程中，注重理论和实践相结合。在大学物理教学过程中对学生进行美育教育，能够培养学生发现美和创造美的能力。