作為美育理論基礎的美學與物理學，就獨立的兩門學科而言，都各有自己的周界，但它們又相互交叉、滲透。圖1表示了物理學與美學、教育學、心理學之間的學科生成結構。圖中區域Ⅰ物理教育學；Ⅱ為物理心理學；Ⅲ物理（科學）美學；Ⅳ為物理教育心理學；Ⅴ為物理審美心理學；Ⅵ為物理教育藝術。這些交叉學科（或稱邊緣學科）的研究目前已出不少成果。盡管這種學科生成的模式只是選了某種攝入角度，但從中卻可看出美學在物理學中的地位，或者說從某種角度反映出兩者的關系。
那麽，深入到物理教育與審美教育中，兩者又存在什麽關系呢？我們不妨用比較的方法來探究。
物理教育的使命可表述為：培養學生認識宇宙，學會從物質組構和運動的繁雜、混亂無序之中，整理出統壹的、簡潔的秩序和規律。
審美教育的使命可表述為：培養學生具有正確的審美觀和鑒賞美、創造美的能力，學生從零散、無序的藝術哲學之中整理出令人神往的秩序和規律。
這裏所謂的“秩序”意味著真理與和諧。可是，物理教育與審美教育都是為了秩序”，追求“規律”，只是學科不同，相應的教育方式和方法各有特色而已。
其實，天下的學問本是相互交叉、彼此滲透的。人們將學問機械地分為數學、物理學、化學、生物學、天文學、海洋學、地質學、經濟學、哲學、法學、美學等，這只是人類漫長的文明發展某壹特定時期的壹種文化現象。
隨著人類社會的進步與文明的進壹步發展，各學科間相互滲透、影響更趨廣泛和深入，當今知識的日趨統壹和學科朝各自專業化縱深進展，已成為人類文明發展的大趨勢。美育不斷滲透進物理教育，日益綜合，正是順應了人類知識大統壹的大潮，而探索物理教學與審美教學的關系，則是這股大潮中濺起的壹朵浪花。
物理學具有自身的科學美，體現了美學原理，並不能就此將物理學等同於美學，或者將兩者混為壹談，其實它們作為獨立的學科，都具有不可相互取代的獨立性。
二、物理學中美育的任務
物理教育中的美育應根據學科教育目標，結合中學生審美心理特點和生理特點，通過揭示物理學的“真”與“美”，使廣大中學生開闊視野、和諧關系、陶冶心靈、開發智能、活潑氣氛、增強情趣。
（壹）培養學生正確的審美觀，激發他們創造美的熱情
物理知識的真是美的基礎，沒有真就沒有美。美不是抽象的、空洞的、神秘的東西，它離不開物質的結構與運動。凡是美的事物，總符合事物發展的規律，代表事物發展的趨勢的。因此，物理學中的美體現著真，包含著真的。物理教學活動從來不是單向的抽象思維活動，而是師生雙邊活動；在教學活動中，師生間不僅僅是知識概念的交流，也是心靈與情感的溝通，因此，無論從教育內容，還是從教育方法來說，都應體現真、善、美的統壹。中學生進入青春期後，愛美意識逐漸加強，從單壹註重外表逐漸轉向內在的精神價值的崇尚；審美範圍也逐漸由周圍狹窄的生活圈子擴展廣闊的社會生活與自然現象中去；審美思維式也逐漸從形象進化到抽象，從感性進化到理性。因此，適時地引導他們樹立對自然現象、自然法則思維藝術的審美情趣，以提高感受、鑒別和理解美的能力，是完全符合人才成長規律的，不容延誤，更不容輕視。
事實表明，凡對自然美和藝術美有追求的學生，壹旦剖析了物理學的科學美，往往令他們在對物理學美的贊嘆中，提高學習物理的熱情，逐漸領悟到物理學有如同詩壹般的簡潔、對稱與和諧之美，他們對學好物理學的興致會更濃，學習潛能挖掘得更深，進而從嘗到的學習成果滋味中，更激勵他們主動學習、刻苦鉆研的求索精神，構成動因與效果間的“正反饋”。要達此目的，關鍵在於教師在教學活動中怎樣創造美的氛圍，怎樣誘發學生的審美激情，讓審美主體的學生能限度地發現美、欣賞美、享受美。
對物理美的認知，可以激發物理學家破譯宇宙密碼的強烈激情與靈感，同樣也完全可以使學生產生探索物理的激情與創造的動機，令學生在感知審美對象的基礎上引起情感反應，產生積極聯想和深刻理解，從而迸發出創造性思維的火花。近年來，我國不少中學生發表了大量極有創見的科學論文、科學實驗、科學制作，甚至有被美國宇航局采納的航天飛行中的實驗項目和方案。近幾屆國際物理奧林匹克競賽金獎桂冠也大都由我國中學生摘取，從這些創造性思維成果中，我們都能尋找到美育的痕跡。
可以肯定地說，對科學美的認識是誘導學生學好物理學的橋梁，伴隨而來，展現在學生面前的就再也不是壹堆死氣沈沈的公式，而是壹串串令人贊美的珍珠了。不過，這些定律、公式能給學生帶來美的享受是有前提的，那就是這種對物理美的感受不是光靠肉眼來辨析，更要靠心智去體驗。這要求物理教師從素質上註意培養學生具有像科學家那樣敏銳的辨析力和豐富的想像力。
其實，對科學美的認識本身也有助於完善和促進學生觀察能力、思維能力、想像能力、記憶能力和操作能力，尤其對培養學生具有擴散性思維的想像能力作用更顯著。藝術的想像力給人類喜歡鉆研的思想添上了雙翼。難怪愛因斯坦壹貫強調“想像力比知識更重要”。藝術的想像力會刺激科學的想像力，這些都是對美的追求的表現。
（二）培養學生高尚的情操，使他們成為：身心健康、全面發展和有道德的人美育通過陶冶學生的心靈，起到以形悅心，以情感人，以美引善，以美育人的作用，從而培養學生具有優良的道德。這壹作用根源於美與善的辯證統壹。美育與道德的善是壹致的，美以善為前提，善是美的本源，善又是真與美的歸宿和家園。美和德是親姊妹，美的情感和善的行為是道德的基礎。
不論哪壹套中學物理教材，都涉及近百名中外物理學家。這些物理學家雖然國籍不同，所處年代不同，各人經歷不同，但他們都充分體現出為追求科學真理而不懈努力的美德，他們生平大量動人的事跡，尤其是不怕挫折的拼搏精神、愛國奉獻的敬業精神和相互協作的精神都是壹部絕好的美育教材，能激起學生心靈的震動。教學過程中，若能把物理學家勇於探索，實事求是的科學精神；視苦為樂，頑強拼搏的不屈精神；只圖貢獻，不求索取的奉獻精神；堅持真理，並為捍衛真理不怕犧牲的獻身精神等生動事例穿插講授，定能使學生深感染，進而學習和仿效物理學家的這種崇高的精神風貌與美德。這無疑是最理想、最成功的情感教育。
物理教育就是要激發學生的愛美本性，像科學家那樣，把追隨真、善、美作為正視生活的理想，揚起生命的風帆，去追求美，表現美，創造美。通過物理學美的內容和教育方法，陶冶學生愛美的情操，逐步凈化他們的心靈，引導他們做壹個有道德的、崇高的人，身心健康全面發展的人。
三、物理學的美學特征
“原子彈之父”奧本海默認為，物理學“是壹門研究自然規律與秩序的學科，它探索物質和諧地存在與運動的根源”。
物質世界的真與美從來都是統壹的，物理學家往往借助美來認識真理，整理事實，以從中得出普遍的規律或結論。誠如為牛頓作傳的作家沙利文所說；“因為科學理論的主要宗旨是發現自然中的和諧，所以我們能夠立即看到這些理論必定有美學價值。”並斷言：“壹個科學理論成就的大小，事實上就是它的價值的大小。”美學因素不僅僅存在於物理論創立的原動力之中，還滲透於其理論體系的構思與表達之中。
楊振寧在《美和理論物理》壹文中提出物理理學具有“物理現象之美”“理論描述之美”“理論結構之美”。也有不少物理學家認為，物理學的美學特征主要表現為“多樣統壹美”“和諧奇異美”“簡潔明快美”等。對物理學的種種美學評估，只是攝入角度或提法上的不同，本質上都是揭示科學真與科學美的辯證關系。科學美是科學對象美與科學表現美的統壹。下面，簡析物理學所體現的簡單性、對稱性、和諧性。
（壹）簡單性
物質世界的構成和運動，客觀地展現出“簡單”的風采：壹切物質都由最簡單的粒子成；光沿著最簡單的直線傳播；行星沿著簡單的幾何曲線──圓、橢圓、拋物線或雙曲線運動；等等。
物理學家對宇宙呈現的簡單性具有強烈的信念，他們采用“寧可尋求簡單”的邏輯與手法來研究物質世界。從天體到基本粒子，物質運動紛繁復雜，但物理學家巧妙地從復雜的真實世界中，把研究對象壹壹分割，抽象出最簡單的物理模型，諸如質點、理想彈簧振子、理想單擺、理想氣體、點電荷、電力線、理想變壓器、光線、薄透鏡等等，以這些優美的理想模型概括出物質運動的基本規律，變復雜為簡單，既簡潔又合理，既抽象又形象，給師生帶來研究物質世界美享受。
物理理論體系、規律、公式表達上體現在邏輯上的簡單美，更令人贊嘆。作為支撐經典物理大廈的牛頓運動定律，在宏觀低速領域，實實在在地展現其簡潔和完美；而作為現代物理大廈支柱的相對論和量子力學，又從更廣闊領域描繪了壹幅極其簡潔的物質組構和運動的生動圖象。
至於采用數學工具，以極其簡潔而嚴謹的函數關系或明快而直觀的數學圖線來描繪錯綜復雜的物理現象，那在整個物理學的研究中就比比皆是了。
（二）對稱性
在美學中，“對稱”是形式美的表現，指整個組成部分之間的相稱或對應，如空間上的和諧布局，時間上的節律協和。
在物理學中，物理學家追求的是所研究的宇宙結構的對稱性和物質運動的對稱性。他們也常把追求理論的對稱之美作為壹種有效的研究途徑。
探索物質世界時空的形象對稱性始終是物理學的熱門話題之壹，最形象的要數鏡像對稱。諸如物體豎直上拋和斜體運動的上升過程與下降過程的時空對稱；在光學和固體物理中屢屢出現的空間對稱；在交流電和電磁振蕩研究中出現的時間對稱。學生最易體會的時間對稱例子是地球自傳、公轉帶來的白天、黑夜與年復壹年的周期與節律。其實，伽利略的“力學定律在所有慣性系中都相同”的相對性原理，深刻地揭示了建立在直覺經驗基礎上的時空形象對稱性。
物理學公式、定律表達方式上和理論結構上所反映的對稱性更是不勝枚舉。諸如電磁學中靜電力的平方反比定律的公式表達就是追求跟萬有引力平方反比定律的對稱而獲得的。盧瑟福的原子有核模型的構想則得益於長岡的思想，如他論文中承認：“長岡從數學上考慮的土星原子是值得註意的。”而日本物理學家長岡半太郎的“土星系原子模型”也完全是出於對宏觀天體與微觀粒子間的對稱性考慮。又如，麥克斯韋根據電與磁的對稱性及磁力線圖象的對稱性，在沒有任何實驗支持的情況下，大膽地在安培定律中平添了“位移電流”矢量項，使麥克斯韋得以建立起他的呈現對稱美的方程組，其中主要的四個方程彼此相容，成為自洽的關於電磁場的完整理論體系，被譽為自然界美的詩。
除形象對稱性外，物理學還體現了抽象對稱性，即從壹個概念、壹個命題或壹個理論中所反映出來的對稱性。較典型的例子是1905年愛因斯坦創立狹義相對論時，把伽利略的力學相對性原理作為基本假設，而在1916年創立廣義相對論時，把電磁理論中的洛侖茲不變性作為對稱性假設。正是這些抽象的對稱性思考，有助於解開宇宙密碼，推動物理學的進展。
在理論物理中，對稱性又往往表現為對運動方程或描述物質系統狀態的函數作某些數學變換後，該方程或函數保持不變的特性。
探尋宇宙的對稱性，已成為當代物理學發展的突破口，難怪溫伯格認為，在我們日常生活中的確存在隱而不見的對稱性。我認為，在物理學中還沒有比這樣壹種想法更有希望了。
（三）和諧性
“和諧”是美學的壹個重要法則。古希臘畢達哥拉斯學派認為，宇宙與數之間之所以美，是因為它們是和諧的。而物理學家認為，物質世界自身及物理理論的“統壹”“對應”乃是宇宙和諧的反映。
物理學龐大的知識體系，既遵循各自內在的規律，又相互聯系，構成壹個統壹體。例如，以運動定律和萬有引力定律的簡潔形式所表示的牛頓力學，把地上的力學與天上的力學統壹了起來；優秀的麥克斯韋方程把電、磁、光統壹為電磁場理論；而作為近代物理支柱的愛因斯坦相對論，又把牛頓力學與麥克斯韋電磁場理論統壹了起來。而三大守恒定律（物質、能量、動量）乃是物質世界和諧性最完美的體現。
“多樣的統壹”之美是人類追求的永恒主題。整個物理學史，在某種程度上也可以說是物理學大師們為建立統壹的物理理論的奮鬥史。只用壹個理論以說明存在於宇宙的四種力──重力、電磁力、弱力和強力的“統壹場論”，是愛因斯坦耗費30多年寶貴歲月，孜孜以求的目標，盡管抱憾以終，但他的前瞻性思想，對現代物理進展的影響至為深遠。尋求邁向統壹場論之路，仍是當今物理學的前沿課題之壹。
“對應”是物理學和諧美的另壹表現形式。電子、質子、中子與正電子、反質子、反中子體現了物質構成的對應；而E＝mc2的質能公式則體現了質量與能量的對應。除了這些類比性對應關系外，還存在理論繼承性對應關系。熱力學理論初創時，物理學家們就堅信：表示物體溫度、壓強、熱容量等宏觀物理量與表征分子和原子的大小、質量、速度、能量等微觀物理量間存在對應關系。以後，隨著統計物理學的發展，物理學家果真能圓滿地以分子動理論和統計方法揭示出宏觀熱現象的微觀本質，體現了新舊理論間的繼承性對應關系。
奇異與和諧的配置也是美的體現。不和諧在和諧的背景下才給人以美感。古人認為，圓是最和諧的，於是，托勒攻和哥白尼就用圓形軌道建立起壹幅和諧的宇宙圖景，開普勒用實驗觀察，發現了行星運動的橢圓軌道理論。很顯然，橢圓是圓的奇異，圓只是橢圓的特例，開普勒的行星運動定律體現了和諧奇異美，愛因斯坦的相對論又解釋了行星橢圓軌道還會發生運動。運動的橢圓又是圓的奇異，但它逼真地體現了物理規律的動態之美。難怪現代物理學把“對稱加破缺”看作是壹條重要的美學原則，這正體現了和諧奇異美的思想。
通過上述簡析，我們不難清晰地看到：物理學在破譯宇宙密碼的同時，實實在在地展示了其“驚人的簡單”“神秘的對稱”“美妙的和諧”。
四、物理教育中美育的實施
（壹）物理教育中的美育途徑
物理教育中的美育，並不是要求物理教師把物理課上成美育課，而是要求物理教師應註重美育的滲透，即由教師根據學生的審美心理特點，在物理教育全過程中處處創設美的氛圍。諸如在學校的教室、實驗室、走廊裏張貼體現物理美的掛圖，或者帶有哲理話語的物理學家頭像的掛圖；在學校科技櫥窗裏展示優秀的物理實驗制作和報道最新物理學進展與物理學前沿的情況等。校園文化、校園美育氛圍，對學生審美情趣的導向和培育具有潛移默化的作用，從許多名人成才道路的剖析中，都不壹而同地揭示了他們當年求學時代校園文化對形成崇高審美素質所起的作用，是如此深刻與牢固，以致影響他們終生。另外，還可以創設開放性實驗室，以培養學生的物理學創造性思維；在課外活動時，開設有關物理美學講座等。當然，物理課堂教學活動是滲透美育的最重要場所。
在物理教育的各個環節中，教師應適時地展示研究對象和物理現象的美，發掘物理思想、理論框架、物理規律、表述方法的美。不光追求教育形式的美，更應刻意追求教育思想內在的美。真正達到寓美育於知識教育之中。
（二）物理教學藝術
每堂物理課都應該是教師創作的優美作品，要求在授課藝術上充分體現物理學科自身的美學規律，產生審美效果。
壹般而言，教學藝術的審美性顯現在教學設計美、教學過程美、教學語言美、教態美、板書美等常規的可操作方面。其中教學設計美往往體現在教學計劃、教學方案別具壹格，新穎可行，富有成效。教學過程美應體現在開始能引起學生興趣，全神貫註地投入；銜接能環環緊密相扣，別具匠心；轉化能自然暢達，波瀾起伏，引人入勝；結尾能令學生茅塞頓開，余味無窮，發人深思。教學語言美體現在無論書面還是口頭語言都應該生動形象、言簡意賅，精確明快，富有情感和幽默感。物理教師的語言是思維藝術的展露，課堂語言的組織和設計也反映了教學思維的深刻程度。精湛的語言能使物理規律表述得妙趣橫生。尤其是具有直觀性和啟發性的形象化比喻手法，能激起學生展開想像的翅膀。諸如教師在講述原子結構時，可把原子比作壹個體育館，而原子核就像掛在館中央的壹個玻璃球。這種形象描述生動地展示了原子核與原子關系的圖景，令學生理解更容易，記憶更深刻。當然，教學語言還要求有和諧的節奏，抑揚頓挫，註重輕重緩急，力爭聲情並茂。總之，物理教學語言美對教師提出了語言修養的要求。至於教態美則應體現為教師衣著打扮美觀大方，儀態端莊，待人真誠，舉止自然。板書美則體現為布局協調，重點突出，書寫規範，字體漂亮。但是，這些教學藝術還應該跟物理學自身具有的簡單、對稱、和諧的美學特征緊密結合，在學科教育中限度地滲透美育。
總之，從物理教師應該是“塑造新壹代心靈美的科學人才的工程師和藝術家”這壹視角出發，物理教育中的美育萬萬忽視不得。如果說學生是神話中的阿裏巴巴，物理學是珍藏寶貝的山洞，那麽，物理教育中的審美觀點就是“芝麻，芝麻開門吧！”的神秘符咒。調動學生的審美思維，啟發學生的審美聯想，讓學生樹立起這樣壹種信念：宇宙存在著壹種最終的簡單、對稱、和諧之美，有待他們去發現，去揭秘，去“原天地之美，而達萬物之理”。