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科学美来源于自然美，但它不是指大自然的美的景色，而是指潜藏在感性美之后的理性美，并为理智所能领悟的自然界内在结构所显示的和谐、秩序、简单、统一的美，是审美者通过理解、想象、逻辑思维所体验到的美。科学美是中小学生审美素质教育的重要组成部分之一。
1．科学美的意义
科学美感是指具有科学美的事物作用于审美者。在其内心世界激起欢乐和愉悦等特殊心理感受。
在科学认识和探讨中能唤起科学美感，这对科学家来说，是不言而喻的。法国数学家彭加勒说：“科学家研究自然，并非因为这样做有用处。他所以研究它，是因为他从中能得到乐趣。他所以能得到乐趣，那是因为它美。”爱因斯坦在分析自己科学感受时说：“照亮我的道路，并不断给我新的勇气去愉快地正视生活的理想，是善、是美和真。”
科学美的客观存在是毋庸置疑的，科学家大都有科学美的审美感受。因此，科学学习就不但是一种科学认知活动，也是一种审美感知过程。如果在科学学习中，能把求知和审美结合起来，以美求知就会激发学习兴趣，减轻学习负担，增长才干，获得提高学习效率的效果。
2．科学美的内涵
科学美又称科学理论美，包括科学实验美。自然科学是研究自然界的客观规律的，科学理论是客观物质运动规律的反映和总结。因此，了解科学美还要从科学与美的联系和人在科学认识活动中产生美感两个方面去理解。
科学理论是科学家的头脑对自然界内容美的反映。科学理论的发现过程，就是科学家对自然界的内容美的审美感受过程。科学美是客观存在的，正如现代物理学家扬振宁教授所说：“科学中存在美，所有科学家都有这种感受。”科学家一旦创造性地发现了自然界的内在规律，理解了自然界内在结构的惊人的秩序性、统一性与和谐性，这种有机统一的自然图景同审美者对自然对科学的热爱之情达到情景交融时，就会产生科学美感。正如科学家巴斯德所说：“当你终于确实明白了某件事物时，你所感到的快乐是人类所能感到的一种最大的快乐。”这种快乐就是指科学美感。从这个意义上说，一个学生经过刻苦地学习实践，从而掌握科学知识和规律，增强了学习兴趣，这其中就体现了科学美。
科学美在各门自然科学中是广泛存在着的。作为科学研究的对象的自然界，它既繁纷复杂、气象万千，又和谐统一。千百年来，各门自然科学正是从不同侧面去揭示大自然的内在秩序和奥秘，形成各自学科的科学理论。这里既告诉人们真理，也展示美的光辉。以下仅就中学数学、物理、化学、生物等学科的科学美内容，作些简要举例说明：
①数学。数学是研究客观世界存在的空间形式和数量关系的科学。数学是一个“美的王国”，数学中的美，不仅表现在数的美、形的美、比例的美，还表现在它的精确美、抽象美、逻辑美、简单美、符号美、和谐美、对称美、秩序美、统一美上。正如英国数理学家罗素所说：“数学如果正确地看它，不但拥有真理，而且也具有至高的美。”纵观数学领域的一切公理、公式和定理，无不是对客观世界存在的秩序、对称、和谐、统一的美的反映。数学家正是由于对这种真理和美的追求才促进了数学自身的发展，从计数到总结运算法则；从加法、乘法的逆运算到减法、除法；从具体数字到建立代数方程；数的概念也从正数发展到负数，从正有理数发展到负有理数，从实数发展到复数和虚数等，无一不是对数的王国的秩序、对称与和谐的追求。
数学中各种公式、定理、定律，无不以简洁、优美的形式，显示已知和未知、定量和变量、数量和质量、空间与时间之间的逻辑关系，使人感到一种逻辑的力量。数学研究的成功，使得各门自然科学，能用数学的方法和语言建立起自己的理论，成为精确的科学。数学中存在的美不仅为数学家所倾心，也越来越被其他门类的科学家所推崇，它被誉为是科学美中的皇后。
②物理学。物理学是研究物质运动最基本的形式，如机械运动、分子运动、电磁运动、原子和原子核等一般规律的科学。就中学而言，我们可以接触到力、热、声、光、电、磁、原子核各个分科的物理内容。正是物理学的研究成果转化为一代科技，使今天的世界发生了惊人的变化。把古人嫦娥奔月的梦想变成阿波罗登月的现实。对声、光、电、磁的规律的认识，才创造了现代化的生产，丰富了现代化的生活。
物理学中的美，有物理现象的美，如阳光在棱镜下分解成不同色光的美，更重要的是物理规律所显示的美。科学规律是美的。科学规律的发展或认识必然引起人们的喜悦。这种喜悦，与单纯的知识不同，它之所以发生，是因为它是需寓变化于整齐，在杂多中见出一致，定理只有一条，包含的事例可以无穷，人们在研究自然界，对某些重大的原理或者普遍的规律的认识就具有这种美。例如，伽里略发现惯性定律把匀速直线运动和静止状态统一起来；牛顿力学更被后人称为科学美的典范，他从4条法则、8个原始定义、3条定律出发，运用演绎法极其明晰地得出其完美的力学体系，把天上和地上的机械运动完美地统一起来。学习牛顿力学，能感受到理论美、公式美、数学美、逻辑美和实验美。电磁学中，法拉第从对称美出发，认识到电能生磁、磁也能生电的观念，开始他的精美实验，终于证实了他的美的猜想，发现了电磁统一的法拉第定律。麦克斯韦在这个基础上，建立起著名麦克斯韦方程，这个方程揭示了电磁波的存在，并认定光是一种电磁波，完成了电、磁、光3种物理现象的统一。方程预言，后被赫兹实验证实，方程简洁、对称，给人以和谐、秩序、统一和新奇的美。理论预言准确使人感到理论的力量。爱因斯坦说：“在我学生时代，最使我着迷的课题是麦克斯韦理论。”
③化学。化学是研究物质组成、结构、性质及其变化规律的科学。学习化学不仅能使人们了解物质的化合与分解等变化规律，同时也能帮助人们掌握化学实验的技能。化学变化主要涉及分子、原子层次。分子、原子构成自然界六七百万种物质形态。化学中的美，既包括在高倍显微镜下物质结构显现的因素美，也表现在化学实验美，更表现在化学理论所反映的和谐与统一美。
自17世纪波义耳提出了科学的化学元素的概念，从而把化学确立为独立学科后，18世纪拉瓦锡的氧化学说把燃烧现象统一起来，19世纪道尔顿的原子论和后来的分子论，统一地对已知的化学经验定律作出完美的解释。元素周期律的发现，则进一步把自然界一切化学元素，按照内在规律性的联系统一起来。在周期表中，不仅使人看到科学的真，而且也使人看到惊人的美。这里有秩序、和谐，量变、质变，有节奏、有周期、有循环，充满着音乐的韵律感。不但加深了人们对元素的本质认识，并给当时未发现的元素留下了空白，预测其性质，从而推动了对缺环元素的化学研究，呈现其创造性的美。周期表成为大家公认的化学美的精彩例子。
自德国化学家维勒从无机物中制成尿素等有机物后，证实了有机物和无机物的和谐统一。1965年，我国人工首次合成了具有生物活性的结晶胰岛素，就进一步证实了非生命物质和生命物质的和谐统一。化学家正是醉心于对化学世界的美妙和谐和对称统一的追求，促进了化学本身的发展，创造着人类幸福的未来。
④生物学。生物学是研究生命运动规律的科学。生物体的生命活动最主要的特征是自我完成的新陈代谢和自我繁殖。在地球上，现存的生物已知的大约有200多万种，可分为动物、植物和微生物3大类。生物世界绚丽多彩，生机勃勃，生物本身就是美的，但生物学上的美，更离不开生物科学理论美。
⑤细胞学。细胞学说的出现，为生物界找到了美的统一基础。无论是植物的花红柳绿，或是动物的莺歌燕舞，都是以细胞为单位分化发展的结果。达尔文建立的科学进化论为生物界美的发展，找到了一条美的途径，生物大千世界丰富多彩的美妙适应，都可用自然选择来说明，再不用到不存在的上帝那里去找原因了。“一母生二女，连娘三个样”，是遗传问题，复杂遗传现象背后的遗传规律公式，是十分简洁和优美的。基因载体DNA分子的揭示，使生物界统一美找到更深层次的物质基础。DNA的双螺旋结构美，令人陶醉；碱基互补原则，给人以互补对称美感，遗传密码就记录在这碱基排列的顺序上。生物的生存发展，遗传变异。全由这张“生命蓝图”控制着，一旦人们揭开它的全部秘密，就可“按图索骥”改变生物的基因来改变生物了。多么美好的憧憬！正是这种美的理想，引导着人们在生物科学道路上，不倦地上下求索。生物形态美，而生物理论更美。
3．科学美的特征
前面我们已经对各学科的科学美内容及现代科学家对科学美的体验和论述，可以把科学美的基本特征归纳为以和谐、简单、对称和新奇为标志的4个方面。
①科学美的和谐方面。美学家大都主张美是和谐。科学理论美是自然中存在的和谐在人们意识中的反映。它指的是理论内在和谐结构和外在和谐功能两个方面的有机统一。前者是说理论的“逻辑结构合理匀称”，使概念清晰明白，简洁优美；后者表现为能正确反映客观世界，符合观察实验事实及其他正确理论的检验。如物质守恒定律、能量守恒定律等，这些理论本身是协调一致的，同时与各个学科都有广泛的联系。凡是一种理论，它的普遍适应性越广，它的审美坐标就越高。
自然界的长期进化过程表明，它本质上是最优化的，最和谐、均衡、统一的。凡是能表达自然这种内在特征的理论都具有和谐美。例如，解析几何的美学价值在于它把代数、几何和逻辑学有机地统一起来；牛顿力学的美学价值在于它把宏观运动统一起来；元素周期律把物质世界的元素井然有序地统一起来；生物进化论则把几百万种的生物起源统一起来。
和谐是指事物的各部分配合得当，协调一致，均衡舒畅，多样性统一。科学理论能否反映自然这种和谐，是其美学价值重要标准之一。
②科学美的简单方面。爱因斯坦认为，评价一个理论美不美，标准是原理上的简单性。这里的简单性是指科学理论、定理、公式的简单形式与其深广内涵的统一。这两个方面必须联系起来去理解，就是说，要从尽可能少的假设或公理出发，通过逻辑演绎概括尽可能多的经验事实。因为，“理论的前提简单性越大，它所涉及的事物种类就越多，它的应用范围就越广，给人们的美感就越深”。要注意的是，这里的简单性不是指学习这种理论时产生的困难最少，而是指理论赖以建立的独立的假设或公式最少。例如，爱因斯坦的质能关系式E＝mc2深刻地揭示了自然界微观、宏观、宇观无数质能变化的规律，但形式却十分简洁，具有很烈的审美价值。我国出版纪念爱因斯坦的邮票上，印上了这个简洁的公式，它代表这位伟大的科学家对人类贡献的精华。
③科学美的对称方面。科学理论的对称性来源于自然界物质形态及其运动图景所具有的广泛对称性。凯库勒的苯分子结构理论之所以美，不仅因为它与实验事实相符合，也因为它采取双轴对称的几何图形，给人以美的魅力。自然界的原子、分子以及生物结构都具有这种对称美。这种均衡、稳定给人以美感。因此，凡能反映自然这一特征的理论也是美的，如平衡理论、对称理论、对偶理论、稳定理论都有较高的审美价值。科学理论中，对称性的美学意境，引起很多科学家心驰神往。如空间对称、时间对称、性状对称、守恒对称（各种守恒定律）等，一旦被发现，常令科学家因窥到自然奇异美丽的内部而兴奋不已。生物学上的遗传与变异，同化与异化；化学上的合成与分解，氧化与还原；物理上的电场与磁场，波粒二相性，负电子与正电子等都是因有很美的对称形式而受到欣赏。数学上，一个完美命题的充分条件和必要条件，就是这一命题的对称美。为了数学的发展，许多数学家为追求命题的对称美而耗尽毕业生的精力。
④科学美的新奇方面。培根说：“没有一个极美的东西不是在匀称中有关某种奇异。”科学理论美的新奇特征来源于科学思想的独创性和科学方法的新颖。富有独创性，是科学理论生命力的所在，也是审美价值的所在。新奇与和谐是对立统一的，新奇的内容必须具备和谐性才能显示出科学理论的新奇美。
科学理论在原则上是向人们提供关于自然界的新知识。如果科学理论阐明了人类知识背景所没有的知识，提出了人们意料之外的科学假说，并能在前人可靠的科学成果基础上获得新颖的成就，这种重大的新奇理论将导致科学的革命，将推动科学向更高一级发展，这种理论的审美价值就更大。爱因斯坦的相对论规律就是这种新奇美的典型。
新奇之所以被看作是科学美的重要特征，因为它体现了科学理论发现中的艺术因素。新奇的科学思想可以在观察或实验中启发和萌发，但在本质上是创造思维的结晶，单纯的观察实验无论积累多少资料，都无法直接地、必然地导出独创性的思想来。如生物学史上，18世纪的生物学家林奈，用毕生精力从事生物考察和分类工作，积累了大量有关生物性状的材料，却得到一个物种不变的结论。而19世纪的达尔文在考察了不同生物性状和环境的关系，产生了科学的生物进化论的思想。在化学史上，同样进行的氧化——还原反应的实验研究，对英国化学家普里斯特来说，是反观察的结果用来修补陈旧的燃素说；而法国拉瓦锡从实验中却悟出了氧化学说的新理论。
总之，科学美是以和谐、简单、对称和新奇为其主要特征的，而和谐简单是科学美的最基本的因素。
多年来，我们通过大量的研究与实践，在培养科学美感方面总结出以下3点：
第一，加强对科学基本概念和原理的理解。前面分析说过，科学美是客观存在的，为什么有的同学看到的仅是符号和公式，而感受不到美呢？原因在于科学美是以事物的内在结构的和谐和秩序而具有的理性美，就其抽象程度而言，它是比自然美、艺术美更深层次的美，接触它，感知它，需要高度的理解力和想象力。从这个意义上说，科学美感是人的创造力和理解力结晶的产物。古人说：“所知者深，所见者真。”讲的就是这个道理。
理解是指通过揭露事物间的内在联系而认识新事物的过程，它能使人透过事物的外部现象去把握事物的内在本质。理解是科学审美过程不可缺少的重要心理因素。对科学美感的形式起着重要的作用。科学审美活动中的理解，一般可分两种类型，一是前提性的理解，一是感受性的理解。
例如，化学元素周期律被公认是美的，但学习中要获得美感，首先对它产生的时代背景，以及有关原子结构理论等，应有必要的理解，这就是前提性的理解。在这个基础上才能感受到：周期表中元素排列呈现量变到质变的美，由非金属性到金属性的变化的美，它们化合物的氧化与还原变化的美，同族元素化学性质相似的美及其化合酸碱性质变化规律的美等；同时又可把新学的元素和化合物的知识纳入到元素周期系中，也可根据元素所在位置推断它可能的化学性质。应用起来准确、方便、灵活，克服化学学习中知识多、杂、难记和容易混淆的困难，从中体验周期律中的秩序、和谐与统一美，进入审美感受理解的境地。这是那些对科学知识不求甚解，走马观花、浅薄涉猎的人所感受不到的。
第二，培养学生强烈的科学好奇心。科学美感总是同科学家在科学活动中“好奇心的满足”密切联系着。著名科学家阿西莫夫说；“科学始于好奇。”科学好奇心，通常表现为探索他所注意到的，但尚无令人满意的解释事物或相互关系的认识。所谓解释，就是要寻求其间无明显联系的自然现象背后隐含的原理。这种强烈的愿望升华为科学好奇心，激励人们进行科学探索。
例如，在哥白尼的时代，人们大多相信太空的日月星辰是绕地球运动的。然而，当时的天文观察发现，有些星星似乎有自己的运行轨道。如金星，有时在日落后出现，有时在日出之前出现；木星以12年为周期，火星则为2年，而土星要30年才能完成这个旅程。怎样来解释这些天体运行和日食、月食现象，哥白尼的好奇心驱使他花了整整30年去研究天文，终于建立了“日心说”，揭开近代科学的序幕。德国天文学家开普勒读了哥白尼的理论后赞叹说：“我是从灵魂的最深处证明它是真实的，我以难于相信的欢乐心情去欣赏它的美。”
科学的认识始于问号和悬念，正是问题的存在，激励人们去进行科学探讨。问号和悬念的解决必然带来一种科学性的满足，正如居里夫人说过的，科学工作中能达到“至美”往往是具有强烈科学好奇心的人，并在自己的学习实践中不断提出和解决问题，领悟自然界的内在秩序与和谐图景，享受这“至美”的乐趣，形成科学美感。
第三，培养学生的科学审美意识。所谓审美意识，是指客观外界的审美对象反映到人脑中所形成的一种意识。这种反映不是消极的、被动的，而一种充满着人的主观能动性，它反映着人的一种审美需要的关系。它是人在长期审美实践活动中潜移默化而形成的。我们在学习科学知识的过程中也要采取一种审美态度，不断积累对科学理论欣赏的审美经验，逐渐养成审美习惯，久而久之，这种审美习惯就可以发展成为审美意识，形成对于科学理论的美学敏感，提高科学审美能力。
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