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[摘要]美是纯洁道德、丰富精神的重要源泉，在高校中普及推广美育教育尤为重要。但是，在一般的理工科大学中还普遍缺乏美育的教育。为促进美育教育，提出了将美学原理有机融入物理化学的教学中的各种具体实施方法。这些措施包括在教学中介绍和欣赏科学美，将诗歌、图腾以及悲剧等美学表现形式与科学内容相结合，培养审美想象力等等。通过这些措施提高了学生学习兴趣，而且在教学中实现价值引领与专业知识教育、能力培养的有机统一，为自然科学教学有机融入美育提供了可借鉴的方法。
[关键词]美学；物理化学；科学美；审美判断；想象力
1前言
美育是以培养学生认识、爱好和创造美的能力，从而促使学生追求人生的情趣与理想境界等为目标的教育。借助美育引导学生超越现实面向理想，以润物无声、潜移默化形式影响学生的情感、趣味、气质、胸怀，是学生摆脱狭隘的自私功利和低级趣味的羁绊，其重要性越来越得到认可。[1]在2018年的全国教育大会上，强调“要加强学校美育，以美育人、以文化人，提高学生审美和人文素养”。[2]中共中央办公厅，国务院办公厅印发了多项政策、意见以促进美学的教育工作。其中，2020年10月，印发的《关于全面加强和改进新时代学校美育工作的意见》指出，以提高学生审美和人文素养为目标，弘扬中华美育精神，把美育纳入各级各类学校人才培养全过程。[3]基于国家的推动，审美教育是所有当代大学生的重要教育。然而对于理工科学生，美育存在明显的薄弱环节。目前，理工科高校中为推行美育的教育，主要采取的措施是开设通识课、第二课堂或者公共选修课程进行艺术教育，比如《电影欣赏》、《音乐欣赏》等。这些措施对学生树立良好的审美情趣，完善人格，提高想象力、创新能力产生了一定的效果，但也存在较多的弊病。比如将美育作为第二课堂，很容易陷入边缘化的境地，评价缺乏标准，监管流于形式，与第一课堂基本没有衔接。如果选课人数不足或者与专业课冲突则有可能导致美育课程的停摆。[4]如果能够在第一课堂的专业课中融入美学的概念理论可能将是一种较好的方法。
2研究背景与现状
尽管美学与自然科学有很大的不同，按“美学之父”鲍姆嘉通的定义美学是关于完善的感性认识的学科，不同的人对同一美学对象会有不同的审美感受，具有个体性。[5]而自然科学以自然知识为研究对象反映事物的自然规律和运行机理，具有客观性。然而，科学家的创作过程，对定理定律反映的对象的描述，以及学生学习都有感性的成分等等，都可运用美学的方法，并反过来促进美学学科的发展。关于科学中的感性因素，爱因斯坦曾说过“科学作为一种现存的和完成的东西，是人们所知道的最客观的，同人无关的东西。但是，科学作为一种尚在制定中的东西，作为一种被追求的目的，却同人类其他一切事业一样，是主观的，受心理状态制约的。”[6]鉴于科学美在科学研究和教学中的重要性，国内一些学者针对自然科学与美学结合提出有意义的建议。大庆石油学院的朱元海曾建议把自然科学中的科学美溶入教学，通过自然科学自身的美诱发学生的求知欲。不过作者仅提出一些观点，没有很明确的具体措施或者实例介绍。[7]河南科技大学的巩晓阳等人探讨了美学中的诗词歌赋可以揭示物理现象之美、蕴含物理规律之美、形容物理学发展之美三方面阐述两者之间的和谐美，探讨了美学对物理学的教学产生的深远影响。[8]但目前，美学是哲学的一个分支，属于人文科学，研究自然科学的人基本不太了解美学原理，将美学原理与自然科学的结合不够紧密。而且，将美学与自然科学结合主要都是专门研究美学学者提出来，对自然科学知识相对缺乏，只是在传统美学上“贴片子”，贴上一些自然科学概念。很多结合过于生硬，并没有被广泛推广。[9]而在物理化学这门课提到与美学结合的文章就更少，物理化学的教学老师主要从自己各种实际经验中给出了一些提升物理化学教学效果的建议。比如湖南工业大学的李广利等人建议将人文精神融入物理化学教学，通过分享物理化学趣闻轶事，引入物理化学科学发展史，挖掘物理化学定理和公式的审美价值，提高学生的学习兴趣和效果，同时传递了人文精神，提高了学生的道德修养、科学精神等方面人文素质。[10]这些方法建议中，有不少实际上都是不自觉的将美学的某一个方面在物理化学教学的应用。由于缺乏相关美学知识，使得美学方法原理与物理化学结合的不够。或者不涉及到美学的改革，或者停留在运用诗词等简单方法，我们结合自己经验，从美学原理的研究内容特征原则等方面出发，对美学在物理化学中应用做出一些探讨，希望对美学原理与自然科学结合有所启示。
3美学与物理化学融合的方法及措施
3.1寻找物理化学中存在的美学特征
科学美作为美学的一个分支，将科学美的欣赏可以贯穿整个物理化学的教学过程，通过欣赏科学美，学生自然而然热爱科学、热爱生命。科学美的含义包括简洁性、对称性以及统一性等特征。简洁性不但指理论的数学表述精简，而且包括逻辑前提的简单(即包含的彼此独立的公设或公理尽可能少)。物理化学中的理想气体定律相对于实际气体的范德华方程、维里方程等，形式简洁，但包括了气体主要特征参数及规律，与哲学中的抓住事物主要矛盾的思想一致。整个热力学主要以热力学三大定律为基本假设，结合适当的概念推导出，符合逻辑简单原则。对称性的概念来源于日常生活，比如动物体外部一般左右对称，大多数花簇具有旋转对称等，化学中的分子、晶体中也具有很多对称性。物理学中的对称性被定义为在某种变换或操作下，形式不变的特性。每一种对称性存在一个对应的守恒定律。物理化学中的热力学第一定律也就是能量守恒定律是时间平移对称性的结果。热力学第二定律中的Q1/T1+Q2/T2=0则体现直观的对称性。化学平衡中范霍夫方程、相平衡中的克拉伯龙-克劳修斯公式以及动力学中的阿累尼乌斯公式在形式上几乎一致，是科学美中统一性的代表之一。[12]几何对于科学与艺术的联系起着十分重要的作用。在绘画中，如何将三维物体反映在二维画面的透视问题应用了射影几何。[11]在自然科学中，欧几里得的平面几何奠定了自然科学公理体系，成为建立任何完备知识体系的典范。物理化学中最重要的内容是热力学，而经典热力学理论已相对成熟，除了几个基本定律外，别的公式往往可以从基本定律推导出来，已接近于公理化体系。另外，物理化学的动力学一章中，对动力学方程的精确求解往往会导致混沌的出现，化学混沌与分形几何也能体现很多传统美学特征，比如平衡、和谐、对称等。但分形的对称又超越普通的美学对称，它既不是左右对称也不是上下对称，而是画面的局部与更大范围的局部的对称，或说局部与整体的对称，从而为美学注入更多的研究领域。
3.2将美学表现形式与物理化学教学相结合
传统文化中的诗词歌赋、戏曲音乐以及神话图腾等有很多美学元素，有非常强烈的感染力，它们所描述的对象或者采用的方法往往可以与物理化学结合。诗性直观是美学的重要课题，诗性言说是审美活动的呈现方式之一。将诗词歌赋引入到物理化学教学，被证明是引起学生兴趣有效方法。[12]物理化学包罗现象广泛，在物理化学每一章几乎都可引入适当的诗词描述提到的现象。比如在热力学第二定律，可以引入李白的《将进酒》中的“君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪”描述不可逆过程。在《沁园春·长沙》中的一句诗词“问苍茫大地，谁主沉浮？”本意是探寻决定社会发展的力量，但也可用来形容自然现象化学变化过程的决定因素。在界面现象章节，可引入曹操《短歌行》中的“人生几何，对酒当歌。譬如朝露，去日苦多。”描述露水与荷叶之间的界面现象。除了诗词歌赋，音乐，图画，影视，戏剧等等都是美学的表现形式。另外，喜剧与悲剧，崇高与优美等都具有强烈的美学色彩，是美感经验的形态。[13]现在丰富的科幻文学，影视作品，内容涉及时空旅行，平行世界，多维世界等等，都是与物理化学比较紧密相关的，可以在适当的地方引入，对丰富学生视野，引发学习兴趣有较大帮助。悲剧通过借助于产生的痛苦，怜悯等情感，具有深刻的感染力。一些科学人物的事迹具有崇高的意义，有些科学家则具有强烈的悲剧色彩。在教学过程适当引入对学生可以进行隐性渗透式的理想信念、使命感和科学精神等教育。以部分同时具有崇高和悲剧的事迹为例，玻尔兹曼提出“原子论”，与当时占统治地位的“唯能论”矛盾，最终在重重压力之下玻尔兹曼以自杀结束自己一生，然而他死后不久原子论取得最终胜利。另外图腾是美学的一种表现方式，容易唤起人们心中的崇拜、敬畏以及好奇等各种感觉，也是早期美学的起源，各个民族都有自己相关的神话传说故事流传下来，也体现人们对世界以及人类起源的探究。中国的《山海经》、《封神演义》等书籍描绘的各种神话、怪兽，体现了人们丰富的直观想象力，反映了中国历史文化的基本特点和文化精神的价值取向。青龙、白虎、朱雀以及玄武被认为是中国的四大神兽。而物理学中也有四大神兽，分别是薛定谔猫，芝诺龟，拉普拉斯兽，麦克斯韦妖。它们分别联系物理学的不同领域。在讲授热力学第二定律时，可以结合中国四大神兽，介绍为解决热寂论而引入的麦克斯韦妖。
3.3将审美的一些基本原则、思想有机融合到物理化学中
审美判断的一个重要原则是无功利性，审美是为了追求心灵自由和内心愉悦，而不寻求直接利益(经济等方面)的满足，尽管很多与美学相关的作品可能在市场上有很高价格。康德在《判断力批判》的书中，充分认同了审美鉴赏是自然与人、感性与理性在感性个体上的统一，将人的纯粹主观而不涉利害的快感作为审美判断的唯一标准，有利于引导学生自觉抵制拜金主义、享乐主义等思潮。[14]科学美中的无功利性可以体现在理想化方法，而不是简单地符合实验(实际)。法国数学家庞加莱说过，科学家研究自然并不是因为实用，而是因为自然之美使他获得愉悦。狄拉克坚信数学美所具有的真实性，他认为使一个方程具有美感比使它符合实验更重要，这也是他提出反物质概念的信心。物理化学中，理想气体定律可视为理想化方法的一个简单例子。另一个重要的理想化方法是热力学可逆过程，它是热力学最重要的过程，很多定律公式都需要借助可逆过程这一概念，但它是无限缓慢的过程，在现实中是无法实现的。卡诺基于热力学可逆过程，卡诺由理论上的可逆热机，得出卡诺定理，以确定热机的理论最高效率。当时的科学家、工程师们为追求提高热机的实际效率，其中一个主要思路是改变热机中的工作介质，这确实有一定的生产实用价值。然而卡诺定理却说明工作于同温度的两个热源之间，无论工作介质怎么变化，都不会改变热机的理论最高效率。由此看出追求实用价值与理想化方法是具有很大不同的两种思路。
3.4想象力与科学发现的紧密联系
想象力是美学创作欣赏最重要的能力，也是科学发现的重要源泉。在数学中，有各种猜想，比如费马猜想、哥德巴赫猜想的猜想，希尔伯特的23个数学问题甚至可以说是20世纪数学发展纲领。随着自然科学发展的复杂性和越来越远离经验事实，想象力将日益显示出自己强大的生命力。教师的责任在于向学生展示知识的魅力和培养学生对知识的兴趣，使学生感受到学习的乐趣，要积极鼓励学生自由地思考问题和提出问题。[15]美学对于培养人的想象力有着重要的作用。然而在化学领域，除了少数的事例外，比如凯库勒梦中发现苯环的结构，想象力对科学研究创造的作用似乎还没被广泛发现或提及，老师教学过程中对想象力的重视可能也不够，这个可能需要广大化学家的共同努力。
4结论
美育教育在目前的高校中尤其理工科中基本处于边缘化的地位，即使开设相关课程，也仅仅限于艺术课程，与各专业课程的教育没有衔接融合。我们以物理化学课程为例，提出在自然科学教学中融入美学原理的具体措施方法，使美育能真正在高校理工科中有效贯彻实施，真正发挥“以美育人”的效果。物理化学是化学化工等相关专业主干课程，有理论抽象、逻辑性强等特点，同时物理化学又蕴含丰富的人文哲理，生动的科学历史材料，强烈的美学特征。在物理化学等自然科学的教学中寻找各种美学元素，引入适当的美学原理，将有效提高学生学习兴趣，培养科学精神和创造能力，提高学生人文修养，有利于推动美学在高校理工科专业的应用。
作者:雷艳华 邓斌 单位:湘南学院化学生物与环境工程学院
