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[摘要]美是純潔道德、豐富精神的重要源泉，在高校中普及推廣美育教育尤為重要。但是，在一般的理工科大學中還普遍缺乏美育的教育。為促進美育教育，提出了將美學原理有機融入物理化學的教學中的各種具體實施方法。這些措施包括在教學中介紹和欣賞科學美，將詩歌、圖騰以及悲劇等美學表現形式與科學內容相結合，培養審美想象力等等。通過這些措施提高了學生學習興趣，而且在教學中實現價值引領與專業知識教育、能力培養的有機統一，為自然科學教學有機融入美育提供了可借鑒的方法。
[關鍵詞]美學；物理化學；科學美；審美判斷；想象力
1前言
美育是以培養學生認識、愛好和創造美的能力，從而促使學生追求人生的情趣與理想境界等為目標的教育。借助美育引導學生超越現實面向理想，以潤物無聲、潛移默化形式影響學生的情感、趣味、氣質、胸懷，是學生擺脫狹隘的自私功利和低級趣味的羈絆，其重要性越來越得到認可。[1]在2018年的全國教育大會上，強調“要加強學校美育，以美育人、以文化人，提高學生審美和人文素養”。[2]中共中央辦公廳，國務院辦公廳印發了多項政策、意見以促進美學的教育工作。其中，2020年10月，印發的《關于全面加強和改進新時代學校美育工作的意見》指出，以提高學生審美和人文素養為目標，弘揚中華美育精神，把美育納入各級各類學校人才培養全過程。[3]基于國家的推動，審美教育是所有當代大學生的重要教育。然而對于理工科學生，美育存在明顯的薄弱環節。目前，理工科高校中為推行美育的教育，主要采取的措施是開設通識課、第二課堂或者公共選修課程進行藝術教育，比如《電影欣賞》、《音樂欣賞》等。這些措施對學生樹立良好的審美情趣，完善人格，提高想象力、創新能力產生了一定的效果，但也存在較多的弊病。比如將美育作為第二課堂，很容易陷入邊緣化的境地，評價缺乏標準，監管流于形式，與第一課堂基本沒有銜接。如果選課人數不足或者與專業課沖突則有可能導致美育課程的停擺。[4]如果能夠在第一課堂的專業課中融入美學的概念理論可能將是一種較好的方法。
2研究背景與現狀
盡管美學與自然科學有很大的不同，按“美學之父”鮑姆嘉通的定義美學是關于完善的感性認識的學科，不同的人對同一美學對象會有不同的審美感受，具有個體性。[5]而自然科學以自然知識為研究對象反映事物的自然規律和運行機理，具有客觀性。然而，科學家的創作過程，對定理定律反映的對象的描述，以及學生學習都有感性的成分等等，都可運用美學的方法，并反過來促進美學學科的發展。關于科學中的感性因素，愛因斯坦曾說過“科學作為一種現存的和完成的東西，是人們所知道的最客觀的，同人無關的東西。但是，科學作為一種尚在制定中的東西，作為一種被追求的目的，卻同人類其他一切事業一樣，是主觀的，受心理狀態制約的。”[6]鑒于科學美在科學研究和教學中的重要性，國內一些學者針對自然科學與美學結合提出有意義的建議。大慶石油學院的朱元海曾建議把自然科學中的科學美溶入教學，通過自然科學自身的美誘發學生的求知欲。不過作者僅提出一些觀點，沒有很明確的具體措施或者實例介紹。[7]河南科技大學的鞏曉陽等人探討了美學中的詩詞歌賦可以揭示物理現象之美、蘊含物理規律之美、形容物理學發展之美三方面闡述兩者之間的和諧美，探討了美學對物理學的教學產生的深遠影響。[8]但目前，美學是哲學的一個分支，屬于人文科學，研究自然科學的人基本不太了解美學原理，將美學原理與自然科學的結合不夠緊密。而且，將美學與自然科學結合主要都是專門研究美學學者提出來，對自然科學知識相對缺乏，只是在傳統美學上“貼片子”，貼上一些自然科學概念。很多結合過于生硬，并沒有被廣泛推廣。[9]而在物理化學這門課提到與美學結合的文章就更少，物理化學的教學老師主要從自己各種實際經驗中給出了一些提升物理化學教學效果的建議。比如湖南工業大學的李廣利等人建議將人文精神融入物理化學教學，通過分享物理化學趣聞軼事，引入物理化學科學發展史，挖掘物理化學定理和公式的審美價值，提高學生的學習興趣和效果，同時傳遞了人文精神，提高了學生的道德修養、科學精神等方面人文素質。[10]這些方法建議中，有不少實際上都是不自覺的將美學的某一個方面在物理化學教學的應用。由于缺乏相關美學知識，使得美學方法原理與物理化學結合的不夠。或者不涉及到美學的改革，或者停留在運用詩詞等簡單方法，我們結合自己經驗，從美學原理的研究內容特征原則等方面出發，對美學在物理化學中應用做出一些探討，希望對美學原理與自然科學結合有所啟示。
3美學與物理化學融合的方法及措施
3.1尋找物理化學中存在的美學特征
科學美作為美學的一個分支，將科學美的欣賞可以貫穿整個物理化學的教學過程，通過欣賞科學美，學生自然而然熱愛科學、熱愛生命。科學美的含義包括簡潔性、對稱性以及統一性等特征。簡潔性不但指理論的數學表述精簡，而且包括邏輯前提的簡單(即包含的彼此獨立的公設或公理盡可能少)。物理化學中的理想氣體定律相對于實際氣體的范德華方程、維里方程等，形式簡潔，但包括了氣體主要特征參數及規律，與哲學中的抓住事物主要矛盾的思想一致。整個熱力學主要以熱力學三大定律為基本假設，結合適當的概念推導出，符合邏輯簡單原則。對稱性的概念來源于日常生活，比如動物體外部一般左右對稱，大多數花簇具有旋轉對稱等，化學中的分子、晶體中也具有很多對稱性。物理學中的對稱性被定義為在某種變換或操作下，形式不變的特性。每一種對稱性存在一個對應的守恒定律。物理化學中的熱力學第一定律也就是能量守恒定律是時間平移對稱性的結果。熱力學第二定律中的Q1/T1+Q2/T2=0則體現直觀的對稱性。化學平衡中范霍夫方程、相平衡中的克拉伯龍-克勞修斯公式以及動力學中的阿累尼烏斯公式在形式上幾乎一致，是科學美中統一性的代表之一。[12]幾何對于科學與藝術的聯系起著十分重要的作用。在繪畫中，如何將三維物體反映在二維畫面的透視問題應用了射影幾何。[11]在自然科學中，歐幾里得的平面幾何奠定了自然科學公理體系，成為建立任何完備知識體系的典范。物理化學中最重要的內容是熱力學，而經典熱力學理論已相對成熟，除了幾個基本定律外，別的公式往往可以從基本定律推導出來，已接近于公理化體系。另外，物理化學的動力學一章中，對動力學方程的精確求解往往會導致混沌的出現，化學混沌與分形幾何也能體現很多傳統美學特征，比如平衡、和諧、對稱等。但分形的對稱又超越普通的美學對稱，它既不是左右對稱也不是上下對稱，而是畫面的局部與更大范圍的局部的對稱，或說局部與整體的對稱，從而為美學注入更多的研究領域。
3.2將美學表現形式與物理化學教學相結合
傳統文化中的詩詞歌賦、戲曲音樂以及神話圖騰等有很多美學元素，有非常強烈的感染力，它們所描述的對象或者采用的方法往往可以與物理化學結合。詩性直觀是美學的重要課題，詩性言說是審美活動的呈現方式之一。將詩詞歌賦引入到物理化學教學，被證明是引起學生興趣有效方法。[12]物理化學包羅現象廣泛，在物理化學每一章幾乎都可引入適當的詩詞描述提到的現象。比如在熱力學第二定律，可以引入李白的《將進酒》中的“君不見黃河之水天上來，奔流到海不復回。君不見高堂明鏡悲白發，朝如青絲暮成雪”描述不可逆過程。在《沁園春·長沙》中的一句詩詞“問蒼茫大地，誰主沉浮？”本意是探尋決定社會發展的力量，但也可用來形容自然現象化學變化過程的決定因素。在界面現象章節，可引入曹操《短歌行》中的“人生幾何，對酒當歌。譬如朝露，去日苦多。”描述露水與荷葉之間的界面現象。除了詩詞歌賦，音樂，圖畫，影視，戲劇等等都是美學的表現形式。另外，喜劇與悲劇，崇高與優美等都具有強烈的美學色彩，是美感經驗的形態。[13]現在豐富的科幻文學，影視作品，內容涉及時空旅行，平行世界，多維世界等等，都是與物理化學比較緊密相關的，可以在適當的地方引入，對豐富學生視野，引發學習興趣有較大幫助。悲劇通過借助于產生的痛苦，憐憫等情感，具有深刻的感染力。一些科學人物的事跡具有崇高的意義，有些科學家則具有強烈的悲劇色彩。在教學過程適當引入對學生可以進行隱性滲透式的理想信念、使命感和科學精神等教育。以部分同時具有崇高和悲劇的事跡為例，玻爾茲曼提出“原子論”，與當時占統治地位的“唯能論”矛盾，最終在重重壓力之下玻爾茲曼以自殺結束自己一生，然而他死后不久原子論取得最終勝利。另外圖騰是美學的一種表現方式，容易喚起人們心中的崇拜、敬畏以及好奇等各種感覺，也是早期美學的起源，各個民族都有自己相關的神話傳說故事流傳下來，也體現人們對世界以及人類起源的探究。中國的《山海經》、《封神演義》等書籍描繪的各種神話、怪獸，體現了人們豐富的直觀想象力，反映了中國歷史文化的基本特點和文化精神的價值取向。青龍、白虎、朱雀以及玄武被認為是中國的四大神獸。而物理學中也有四大神獸，分別是薛定諤貓，芝諾龜，拉普拉斯獸，麥克斯韋妖。它們分別聯系物理學的不同領域。在講授熱力學第二定律時，可以結合中國四大神獸，介紹為解決熱寂論而引入的麥克斯韋妖。
3.3將審美的一些基本原則、思想有機融合到物理化學中
審美判斷的一個重要原則是無功利性，審美是為了追求心靈自由和內心愉悅，而不尋求直接利益(經濟等方面)的滿足，盡管很多與美學相關的作品可能在市場上有很高價格。康德在《判斷力批判》的書中，充分認同了審美鑒賞是自然與人、感性與理性在感性個體上的統一，將人的純粹主觀而不涉利害的快感作為審美判斷的唯一標準，有利于引導學生自覺抵制拜金主義、享樂主義等思潮。[14]科學美中的無功利性可以體現在理想化方法，而不是簡單地符合實驗(實際)。法國數學家龐加萊說過，科學家研究自然并不是因為實用，而是因為自然之美使他獲得愉悅。狄拉克堅信數學美所具有的真實性，他認為使一個方程具有美感比使它符合實驗更重要，這也是他提出反物質概念的信心。物理化學中，理想氣體定律可視為理想化方法的一個簡單例子。另一個重要的理想化方法是熱力學可逆過程，它是熱力學最重要的過程，很多定律公式都需要借助可逆過程這一概念，但它是無限緩慢的過程，在現實中是無法實現的。卡諾基于熱力學可逆過程，卡諾由理論上的可逆熱機，得出卡諾定理，以確定熱機的理論最高效率。當時的科學家、工程師們為追求提高熱機的實際效率，其中一個主要思路是改變熱機中的工作介質，這確實有一定的生產實用價值。然而卡諾定理卻說明工作于同溫度的兩個熱源之間，無論工作介質怎么變化，都不會改變熱機的理論最高效率。由此看出追求實用價值與理想化方法是具有很大不同的兩種思路。
3.4想象力與科學發現的緊密聯系
想象力是美學創作欣賞最重要的能力，也是科學發現的重要源泉。在數學中，有各種猜想，比如費馬猜想、哥德巴赫猜想的猜想，希爾伯特的23個數學問題甚至可以說是20世紀數學發展綱領。隨著自然科學發展的復雜性和越來越遠離經驗事實，想象力將日益顯示出自己強大的生命力。教師的責任在于向學生展示知識的魅力和培養學生對知識的興趣，使學生感受到學習的樂趣，要積極鼓勵學生自由地思考問題和提出問題。[15]美學對于培養人的想象力有著重要的作用。然而在化學領域，除了少數的事例外，比如凱庫勒夢中發現苯環的結構，想象力對科學研究創造的作用似乎還沒被廣泛發現或提及，老師教學過程中對想象力的重視可能也不夠，這個可能需要廣大化學家的共同努力。
4結論
美育教育在目前的高校中尤其理工科中基本處于邊緣化的地位，即使開設相關課程，也僅僅限于藝術課程，與各專業課程的教育沒有銜接融合。我們以物理化學課程為例，提出在自然科學教學中融入美學原理的具體措施方法，使美育能真正在高校理工科中有效貫徹實施，真正發揮“以美育人”的效果。物理化學是化學化工等相關專業主干課程，有理論抽象、邏輯性強等特點，同時物理化學又蘊含豐富的人文哲理，生動的科學歷史材料，強烈的美學特征。在物理化學等自然科學的教學中尋找各種美學元素，引入適當的美學原理，將有效提高學生學習興趣，培養科學精神和創造能力，提高學生人文修養，有利于推動美學在高校理工科專業的應用。
作者:雷艷華 鄧斌 單位:湘南學院化學生物與環境工程學院
