在钱学森班的教育中感受美学与科学的联系

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钱学森72班  刘金鑫  07045051

（注：后面附纸为一些老师ppt和大学物理模拟的图片，以说明观点。）

自钱学森建立以来，不论是老师还是同学都在进行一种新的教育模式的探索与体验，这个过程促使我们去对这种教育模式进行着认真的思考。在钱学森班到现在，我认为主要体现了两个方面的创新，一个是科学教育的创新（李元杰教授的大学物理数字模拟教学），另一个是艺术教育的创新（艺术思维与方法的课程开设以及实践课程的开设）。而在这两方面不仅注重了方法的创新，更加注重一种思维的传授，这种思维它不论在人文科学还是在自然科学都是适用的，它具有高度的统一性，这种思维方法的学习也是我在这个班级所收获最大的。比如说到艺术美和科学美具有高度的统一性，以前听过这样的说法，现在有了一些自己的思考和体会。在这里我想就科学中的美学体现和美学对科学研究的推动作用两个方面谈谈自己的理解。

我翻阅了一些资料，其中谈到纯艺术的美和科学中的美是不一样的，这和我所想的是一致的，我将它的定义摘录到下面以便结合具体来分析。

艺术美：是艺术家通过观察现实 ,对那些原始的、朴素的、粗糙的现实进行去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里的改造与制作 ,创造出更生动、更强烈、更深刻的艺术品。艺术美源于现实 ,但又高于现实 ,是现实美的集中概括 ,是一种高级形态的现实美。

科学理性美：艺术美不同 ,它主要是研究自然科学中的美学问题。在科学研究、科学实验、科学理论、科学公式和科学成果中都蕴涵着美。因此 ,科学理性美不是一种现实美 ,而是一种揭示自然界的本质和自然规律的抽象美。科学理性美是美的一种高级形式 ,其内涵在于“内在性 ”、“理智性 ”和“逻辑性 ”。它的构成要素：和谐、统一、新奇、简洁、完备、对称。因此 ,它是一种更深层次的美。下面我就从几个要素来谈谈我的理解。

1、简洁性。贾濯非老师在讲课的是说到艺术是简单的，太把艺术当回事是艺术的悲哀……的确，一直以来我们都认为简洁和谐的东西是最美的,是一种长久的美,是千百次欣赏都不会厌倦的一种美，是一种永不落伍的美（比如图1蒙德里安作品《红、黄、蓝》）。做人是这样的,生活也应该这样。简洁并不是简单,它有和谐的一面，比如图2家具的设计的简洁性是人们越来越追求的时尚了。

在科学领域，同样如此，我们大学物理创新教育的李老师是研究天体物理的，在他给我们的教课中说到，天体物理现象丰富多彩，比如天体运动、星云、双星，而在这些纷繁复杂的无论现象背后有一种高度的概括的一中表达形式，这就是我们的科学理论和从经验事实中抽象出简明的公式、理论。的确，爱因斯坦说过：“美，本质上终究是简单性。”他这种美学理论，在数学界，也被多数人所认同。美不是一种表象，只有既朴实清秀，又底蕴深厚，才称得上至美。比如欧拉给出的公式：V－Ｅ＋Ｆ＝２，堪称“简单美”的典范。世间的多面体有多少没有人能说清楚。但它们的顶点数Ｖ、棱数Ｅ、面数Ｆ，都必须服从欧拉给出的公式（如图3八面体的欧拉公式），一个如此简单的公式，概括了无数种多面体的共同特性，能不令人惊叹不已？在所有的领域，我们正经历着简洁的美。

对称性。对称是自然界的一个重要法则，我们很多的自然的美的事物都具有对称性。这些对称美给人以匀称、均衡、连贯、流畅的感受,因而体现着一种娴静、稳重、庄严。比如自然界的花和叶的生长，以及我们人为建造的建筑都是具有这样的美的（比如图4建筑的对称美）。

毕达哥拉斯有句名言:“一切立体图形中最美的是球形 ,一切平面图形中最美的是圆形 ”。对称不仅是一种美的表现 ,同时也是科学创造的一个原则。在物理学的研究中 ,这种对称性常常使得我们可以不必精确地去求解就可以获得一些知识 ,使问题得以简化 ,甚至使某些难题迎刃而解。例如一个无阻力的单摆摆动起来 ,其左右是对称的 ,不必求解就可以知道 ,中间平衡位置两边相当位置处的摆球高度、速度和加速度的大小一定是相等的。在物理李老师的带领下，我们做了很多物理模型的模拟，比如我们以前不能理解一个弹簧振动和转动的叠加轨迹将会如何，但同学做了模拟发现了他的非常漂亮的对称性图案（图5，王俊）。我们也有同学做了GPS定位系统图案模拟，也是一个漂亮的中心对称。另外我们还有同学做了三维的分形图（水杉状，王俊，图6），通过迭代计算，我们也发现对称性。

     和谐与统一：世间万物,因和谐而美丽,因和谐而温馨,社会如此,家庭亦如此。只有和谐才能活得有滋有味,只有和谐才能兴旺发达。和谐是一种感觉和体验，它体现了事物与事物之间的一种不突兀、不排斥、相融合的状态，比如说图7的海岸线，柔美，光洁。李老师在他的《谁是宇宙的主宰》系列讲座中谈到，我们这个客观世界由三个“上帝”掌控：决定论、随机论、混沌论。科学理论、科学公式、科学定律实际上不过是自然界不同层次、不同领域的现象的统一的反映。科学理论统一性的适用范围越广 ,在科学家心目中的美学价值就越高。伽利略的惯性定律是自然界物质匀速直线运动统一性的反映;麦克斯韦的电磁运动理论是电与磁统一性的反映;门捷列夫的化学元素周期表是化学元素统一性的反映;牛顿力学定律是宏观世界物质运动统一性的反映;量子力学是微观世界物质运动的统一性反映。爱因斯坦的相对论 ,使无数的科学家为之倾倒 ,它不仅适用于光速运动的电磁理论 ,也涵盖了低速运动的牛顿力学理论 ,有着更高统一性的美学价值。的美学价值。丰富多彩的大千世界本身就是多种多样的 ,大千世界的美也是各种各样的。科学家总是希望将这个多种多样、杂乱无章的世界统一起来 ,但是又害怕这样的世界显得单调。因此 ,只有把多样与统一结合起来考察 ,才能从多样中寻求统一 ,从统一中演绎多样 ,才能对千姿百态的宇宙美做出科学的解释。

在以前不知道如何去进行科学理想美的体验，而现在，我们有了一种手段——计算机数字模拟，在这里我们做了很多体现科学美的模型。比如平静的水面的涟漪（袁奎，图8），比如任意位置的多个正负电荷的电场线分布（陈剑，图9）。比如立方体的三维分形模拟（周亦君，图10）。比如如山势起伏的带点圆环的势能表现（唐晓，图11）

接下来我想谈谈美学在科学研究过程中的作用。

首先，我认为美学可以推动科学研究的进步。我们的科学家对美的追求 ,成为推动他们探索与创造的动力。科学家为了探索科学的奥秘 ,义无顾地把名誉、地位、金钱、甚至生命危险都置之于度外 ,在崎岖的小路上不停的攀登 ,最后才登上成功的顶峰。就我们自己而言，如果将我们的物理数字模拟模型的建立当作是科研的话，我们不断的追求科学性、美观性，改了又改，请教一遍又一遍，最终做出一个让自己满意的漂亮的模型出来，我想这个应该可以算对美的一种追求吧，到后来其实我们更多的不是完成作业，而是一种自我的成就的满足感驱使而行。

其次，我想美学可以启迪我们在科研的智慧和灵感。科学理性美的启迪作用 ,是培养人们的想象力和创造力。钱老对思维方式 ,作了非常精辟的分析 ,他说:“从思维科学角度看 ,科学工作总是从一个猜想开始的 ,然后才是科学论证。换言之 ,科学工作是源于形象思维 ,终于逻辑思维。形象思维是源于艺术 ,所以科学工作是先艺术 ,后才是科学。”从审美意识和形象思维出发 ,牛顿看见从树上掉下来的苹果获得灵感 ,发现了万有引力;瓦特从蒸汽对壶盖的冲击作用得到启发 ,发明了蒸气机等等，这些发明创造 ,都是从强烈的好奇心和丰富的想象力开始 ,经过不停地探索、认真地研究、反复地实验、细心地分析 ,才取得最后的成功。

最后，我觉得美还有一种推测，或者带人走出困境的神奇功能。门捷列夫的元素周期表的创制是以美求真的范例。门捷列夫根据自己现有的材料和审美经验 ,提出了元素性质按原子量递增而呈现周期性变化规律的理论 ,并将已知的 63种元素排列成一个完整的序列 ———周期表。从这一科学美学思想出发 ,他预言了有三种未知元素的化学性质 ,分别与硼、硅、铝相似。后来发现的这三种元素 钪、锗、镓 与他根据周期表预言的化学性质相同。

预断作用是科学家在科学资料、实验设备缺乏的情况下 ,受到相关领域中事物的美学特性的启发 ,以美启真、以美引真 ,提出科学理论的过程。真的科学理论必然是美的。科学现象表面上是杂乱无章的 ,但是在现象的相互联系和相互作用中 ,必然具有和谐有序、简单对称等美学特性。由此可见 ,只有努力学习科学知识 ,提高科学素养 ,才能感受和领会到科学理性美。只有科学大师 ,才能站在科学的顶峰上 ,领略到科学理性美所产生的奇妙景观。

《论科学理性美的内在特征及其美学价值》薛惠芝、左守志，青海师范大学学报（ 哲学社会科学版） NO. 1, 2006

钱学森71曹穆 “相套两环的电势分布”