發布時間：2021-03-04所屬分類：教育論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:科學美學是有別于自然、文學和藝術美學的一種特殊形式，通過挖掘自然科學專業的美學特征并內化于教學過程，是當前理工類專業教學改革的重要內容。本文針對氣象類專業的特點，從專業名稱、科學理論、辯證思維和詩意表達等方面總結了氣象學專業的四個美學
摘要:科學美學是有別于自然、文學和藝術美學的一種特殊形式，通過挖掘自然科學專業的美學特征并內化于教學過程，是當前理工類專業教學改革的重要內容。本文針對氣象類專業的特點，從專業名稱、科學理論、辯證思維和詩意表達等方面總結了氣象學專業的四個美學特征，并依據發現美、欣賞美、理解美和創造美的邏輯順序，提出了在教學過程中開展美學教育的途徑。本文可為理工類專業開展課程教學改革提供有益參考。
關鍵詞:氣象類專業;美學特征;美學教育
一、引言
隨著各種氣象觀測儀器的發明和使用，氣象學在19世紀起逐漸發展成為一門具有現代意義的自然科學，氣象類專業包括大氣科學、大氣物理學、應用氣象學等方向，重點研究全球大氣的運動規律、天氣系統的發生發展機理和預報技術等，主干課程包括“大氣物理學”“動力氣象學”和“天氣學”等，氣象類專業對數學和物理基礎要求較高，學習難度較大，一定程度上影響了學員的專業學習興趣和自信心。近年來，在“全面振興本科教育”和國防科技大學“雙一流”課程建設的推動下，我們對氣象學專業主干課程進行了一系列教學理念和方法的改革，其中信息化教學和虛擬仿真技術的應用，使抽象、平面和靜態的教學內容得以形象、立體和動態化呈現，從而在技術手段上保障了教學質量的提升。
另一方面，人們在對自然規律的認識過程中，除了科學認識以外還有一種審美認識。黑格爾曾說:“美是人類最早的老師”。前蘇聯教育家蘇赫姆斯基提出:“美是一種心靈的體操，它使我們精神正直，良心純潔，情感和信念端正”。因此，我們認為從理念和內涵上，深入挖掘氣象學專業形式和內容的美學特征，提升學生欣賞美、感知美、創造美的價值追求，為學生提供“心靈體操”的訓練，是提升人才培養質量和格局的有效途徑。
二、氣象學專業的美學特征
(一)名稱美
很多人認為氣象一詞翻譯自英文Meteorology，是一個舶來詞。其實，氣象的名稱源自于古人對星象物候的觀察及在農耕生產中的應用，緊密地連接著歷史和未來。
中國傳統古代哲學認為，最早的宇宙混沌一片，那時的地球像一個雞蛋的蛋黃，外面裹著大氣如同蛋清。后來混沌初開，乾坤始奠，清者上升，濁者下沉，于是一系列的變化關系由此而成。而元氣被認為是產生和構成天地萬物的原始物質，元氣的運動變化表現了宇宙萬物的生成、發展、變化和消亡等現象，因此認為“氣”這個詞首先來自“元氣”。在先秦著作中，精氣神被看作是人類生命的要素，而氣是維持生命活動的動力，故有“氣者，人之根本也”(《難經·八難》)，“天地，含氣之自然也。”(《談天篇》)。因此，在中國古代哲學史上，“元氣說”是人類認識自然的世界觀，是樸素的唯物主義哲學思想。
“象”與“氣”類似，源自于《易經》。《易經》最基本的表現為卦象，以象言道。子曰“圣人立象以盡意，設卦以盡情偽”，中國現代哲學家宗白華說，中國哲學體系強調“象”，“象如日，創化萬物，明朗萬物”，也就是說“象”體現了世間萬物紛繁復雜的變化過程。正所謂“在天成象，在地成形，變化見矣”。
而“氣象”作為一個獨立的詞語，始見于《黃帝內經·素問》中的《平人氣象論》，描述了人在健康狀態下精氣神的關系和特征。后來，“氣象”一詞逐漸成為一種對自然事物和人物精神的評價和審美詞匯。宋代詩論家嚴羽在《滄浪詩話》中指出，唐詩的特征是“既筆力雄壯，又氣象渾厚”，后人把雄壯、渾厚作為盛唐詩歌的特征，盛唐氣象成為評價唐詩的美學詞匯，體現出一種蓬勃的思想情感。而范仲淹在《岳陽樓記》中的一句“銜遠山，吞長江，浩浩蕩蕩，橫無際涯;朝暉夕陰，氣象萬千”。既描繪了莊嚴秀麗的美景，同時也是現代氣象一詞的最初萌芽。所以“氣象”這個詞，不僅僅是氣象學所體現的科學含義，也是中國古代哲學和美學的交融并蓄，有著豐富的內涵。
(二)理論美
氣象學作為一門與人們生產生活密切相關的科學門類，從定性描述到定量預測，走過了幾千年的歷史，大致可以分為古代、近代和現代三個階段。第一階段以古希臘哲學家、氣象學家亞里士多德的氣象學著作《Meteorologica》(氣象通典)為代表，通過原始的觀測手段看待大氣現象，也包含了古代哲人對天氣演變的哲學思考;第二階段以法國哲學家、數學家笛卡爾為代表，這一時期突破了亞里士多德氣象學思辨思想的束縛，建立起以實驗和驗證方法為基礎的近代氣象學;第三階段以挪威學派和芝加哥學派為代表，建立了準地轉理論、天氣學理論以及天氣分析和預報的完整體系。
借助19-20世紀數學、物理學等自然科學的大發展，氣象學逐漸從經驗、局部、平面、定性和感性轉向理論、全局、主體、定量和理性[1]，氣象學理論變得越來越復雜，與其他學科的交叉變得越來越緊密，使得氣象學專業的學習變得越來越困難。
雖然氣象學的理論發展得越來越豐富，但仍然可以通過一組方程、兩種平衡理論來理解大氣運動的基本原理。這組方程就是描述粘性不可壓縮流體動量守恒的運動方程，即Navier-Stokes方程。在初值可測量、動力學可描述和外強迫可確定的情況下，借助高性能計算機就可以模擬過去、預測未來。兩種平衡是指準地轉平衡和熱成風平衡，準地轉平衡理論建立起氣壓場和風場之間的關系，熱成風平衡理論建立起了溫度場和上下層風場之間的關系，這樣三維空間的大氣運動就統一在一個理論框架之下，并發展出天氣學、動力氣象學和數值天氣預報等學科。
愛因斯坦說過，“美，本質上終究是簡單性”，這一組方程和兩種平衡理論是氣象學理論體系的定海神針，是學習氣象學專業的鑰匙。
(三)辯證美
人們常用“天有不測風云”來形容大氣運動的復雜性，測與不測實際上體現的是平衡與失衡之間的辯證關系。我國古代就用陰陽交替來解釋大氣變化。王充認為:“陽久自雨，雨久自陽”。現代氣象學作為自然科學的重要組成部分，也是自然辯證法三大規律(對立統一規律、質變量變規律和否定之否定規律)的集中體現，充滿著辯證法的美學特征。
一是大氣運動的不確定性與可預報性的辯證關系。天氣預報是建立在牛頓經典力學基礎之上的，經過拉普拉斯、納維和斯托克斯等科學家的發展，天氣預報被正式當作物理初值問題來看待。只要具有精確的初值和完美的控制方程，就能做出準確的預報。這是一種確定論指導下的可預報性觀點。
然而洛倫茲[2]的試驗明確指出，大氣系統是高度非線性系統，對各種誤差極其敏感。大氣自身的混沌特性和模式誤差對大氣可預報性理論形成了極大的限制。天氣預報不再是經典牛頓力學的確定性問題，而變得具有隨機性，預報值也不再是唯一的而是一種概率分布。但這并不意味著天氣不可預報，在一周之內特別是1-3天之內的數值預報結果還是具有相當的準確性[3]。因此，“可預報”和“不可預報”這看似對立的結論在一定條件下是可以調和的，也就是在短期內可預報而在較長時間下不可預報。
二是大氣運動的平衡與非平衡的辯證關系。大尺度大氣運動的一個重要特征是運動滿足準地轉關系。自由大氣中的空氣沿著等位勢高度線做勻速、平直的水平運動，如同城市軌道交通一樣，也就不會有千變萬化的天氣發生。因此，地轉平衡狀態經常遭到破壞并出現非地轉運動，在天氣越劇烈的地方非地轉運動越強。地轉平衡被破壞后，風場和氣壓場之間會進行調整以便恢復原來的平衡狀態或建立新的平衡。在這個過程中平衡是相對的，不平衡是絕對的，也就是說大氣運動狀態可以理解為“平衡中的運動和運動中的平衡”。
關于這種辯證的美學，古希臘的兩位哲學家有過深刻的論述。科學美學的鼻祖畢達哥拉斯曾提出“美是和諧與比例”的觀點，赫拉克利特雖然也承認和諧是美的一個標準，但是認為這種和諧是變化的、斗爭的、運動的和諧，而不是靜止的、絕對的、僵化的和諧[4]。大氣運動的這種辯證美，體現了事物對立面彼此依存、相互轉化的道理。
(四)詩意美
詩歌是我國古代人民在勞動過程中用以抒發情感的一種方式，在唐代達到巔峰。《毛詩·大序》記載:“詩者，志之所之也。在心為志，發言為詩。”在古代，人類的生產生活無不取決于旱澇冷暖的氣象條件，因此對氣象條件的體驗和認知必然成為詩歌創作不可缺少的因素，從而使氣象學這樣一門自然科學具有了人文性。其詩意的體現可從以下幾個方面來體會。
首先，作者利用季節變化來表達光陰荏苒、永恒輪回等主題。陸云在《歲暮賦》中寫道:“寒與暑其代謝兮，年冉冉其將老……悲人生之有終兮，何天造而罔極!”張若虛的“人生代代無窮已，江月年年只相似。不知江月待何人，但見長江送流水……”這種寒來暑往，天地無極，流水匆匆，興衰枯榮的感慨通過季節變化的襯托更能觸動讀者的心弦。
其次，風雪雷電等天氣現象是詩人表達人世間悲歡離合之情感的有效載體。李白在《北風行》中的名句“燕山雪花大如席，片片吹落軒轅臺”，用夸張的手法對幽州嚴寒的特征進行了生動描述，成為文學夸張的典范，塑造了氣象雄渾的藝術世界。末句“黃河捧土尚可塞，北風雨雪恨難裁!”以驚心動魄的比喻表達詩中主人公內心的悲憤，以“北風雨雪”具體的藝術形象結束全詩，體現了震撼人心的藝術感染力量，情味雋永。
最后，對天氣現象的描述，純粹寫景而又景中含情。白居易在《暮江吟》中描繪了一幅著色秋江圖，前兩句“一道殘陽鋪水中，半江瑟瑟半江紅。”夕陽映照下的江面金光粼粼，紅碧相間，色彩絢麗，美妙無窮。受光的江水呈紅色，背光的江水呈碧色，這是一幅立體的圖畫，留給讀者無限遐想。后兩句“可憐九月初三夜，露似珍珠月似弓。”描寫了新月初生的夜景，“可憐”兩字還體現了作者內心的喜悅之情[5]。露和月是秋夜最令人難以忘懷的景象，詩人用畫家的眼睛對天氣現象進行了細致的描述，令讀者感覺清新自然，余味無窮。
三、教學中實施美學教育的途徑
在專業課程的教學過程中，應根據氣象學的美學特征和學生的審美心理特點，以全球大氣運動為研究對象創設美的環境，寓美育于課堂教學之中。
(一)培養學生觀天測云的習慣，在日常生活中發現氣象之美
氣象是一門古老的學科，祖輩在長久的生產勞動和社會生活中，觀天象、解時訓，著有《淮南子·天文訓》和《逸周書·時訓解》等典籍，并總結出很多氣象諺語沿用至今，如“東風急，備斗笠”“天上鉤鉤云，地上水淋淋;天上鐵砧云，不久大雨淋”“朝霞不出門，晚霞行千里”等。明朝著名文學家陳繼儒在《幽窗小記》中的著名詩句，“去留無意，望天上云卷云舒”道盡氣象之美和淡泊豁達，成為很多現代人追求的人生態度。
在科技日新月異的今天，各種手機app和微信朋友圈為發現和記錄氣象之美提供了可能。朋友圈里，時常被學生們記錄下的“云海繚繞”“火燒云”“曙暮光”“黑云壓城”等奇觀刷屏，這些對于認識云的宏觀和微觀結構，理解成云致雨微物理過程極其有益。
正因為注重引導學生養成觀天測云的習慣，在一次次不經意的記錄和分享過程中，將教科書上枯燥的知識、復雜的方程與生動真實的天氣實況聯系起來，很好地踐行了情境教學法，內化了學生對知識的理解和應用。其中，印象最深刻的一次是2020年7月的一天中午，南京湛藍的天空萬里無云，除了頭頂上一朵白得耀眼的鐵砧云，云砧像駿馬的鬃一樣飄逸，引來大群學生駐足觀賞。令人嘆為觀止的是，這朵孤芳自賞的云簡直和教科書上的積雨云一模一樣，大家疑惑的是這朵可以號稱超級單體雷暴的積雨云真的能讓萬里晴空瞬間電閃雷鳴、翻云覆雨嗎?如同氣象諺語里所說的那樣“天上鐵砧云，不久大雨淋。”事實證明，大約半小時后突然天昏地暗、電閃雷鳴、暴雨傾盆，實驗樓甚至因此斷電，整個過程持續大約一個多小時。通過這次觀天測云的過程，有助于學生理解超級單體雷暴的形態特征、生命史和所帶來的天氣現象，也讓學生不局限于天氣系統所帶來的破壞性，而是體驗到其可預測性和別樣之美。
相關期刊推薦：《高等教育研究學報》(季刊)創刊于1978年，是經中國人民解放軍總政治部和國家新聞出版署批準公開發行的正式期刊。設有：高等教育研究、軍事教育訓練、高等教育管理、教育改革與實踐、綜合研究、外國高等教育介紹等欄目。
(二)引導學生從形態和性質兩個角度，欣賞氣象之美
氣象學是一門以觀探測為基礎的實驗科學，從發現一般形態特征到解釋大氣現象和總結規律上升到理性認識，這一過程既是人類智慧的結晶，也是欣賞氣象之美的過程。
美國加利福尼亞州理工學院的肯尼思·利伯布萊切特，利用特制的雪花顯微照相機拍攝了安大略北部地區、阿拉斯加州、佛蒙特州、密歇根州上半島以及加州內華達山脈地區飄落的雪花，發現雪花是由不同形態的冰雪晶粘連而成，而雪晶的形態又可以分為六棱板狀雪晶、星盤狀雪晶、扇盤狀雪晶、樹枝星狀雪晶、空心柱狀雪晶、針狀雪晶、冠柱狀雪晶、霜晶狀雪晶和十分罕見的三角晶狀以及12條枝杈雪晶，看到這些圖片不得不驚嘆于大自然的鬼斧神刀和巧奪天工。
實際上，樹枝星狀雪晶和蕨類植物看起來非常相似，很多圣誕裝飾雪花片就是以這類雪晶為原型的。樹枝星狀雪晶的形態特征，讓人很容易聯想到這類雪晶容易發生粘連，從而形成雪花，因此有了冰晶的叢集增長碰并機制。進一步的研究表明，冰雪晶形狀隨溫度和過飽和度而變化。枝狀雪晶通常在0～-5℃和-12℃～-17℃的過冷卻度下形成，冬季的雨層云內部通常可以滿足這一溫度條件，因此連續性降雪主要降自此類云團。
(三)針對不同天氣現象，利用專業知識理解氣象之美
常見的天氣現象可分為5類，包括降水現象、地面凝結現象、視程障礙現象、雷電現象和其他現象等。在面對一些惡劣的天氣現象時，人們會做出規避的自然反應，而在氣象學專業的教學過程中，則是要引導學生利用專業知識分析天氣現象背后的自然運動規律，去理解自然之美。
在我國古代最有名的是西漢董仲舒在回答鮑敞提問時所作的《雨雹對》，后來北宋學者張載在《正蒙》一書中做了進一步的闡釋。他們認為水汽來源于蒸發，“地水之氣渡日曝曬蒸騰至空際中域”“云乃濕氣之密且結也”，其“密且結”的原因在于“遇本域之寒，即棄所帶之熱，而反元冷之情”。云有稀薄和厚密的差別，形成雨水的是厚密的云層，云滴初生時“必蒙蒙而細”，而云滴的大小與碰撞有很大的關系，“風多則合速，故雨大而疏，風少則合遲，故雨細而密。”由于大風使雨滴多次“翻滾橫斜”碰撞加強，則冰雹始成。這和現代云微物理學的原理幾乎完全相同，讓人嘆為觀止。
上述內容實則展示了一次完美的教學過程。我們每天都會經歷各種各樣的天氣過程，面對不同的天氣現象，老師和學生圍繞這些天氣現象的成因展開討論，抽絲剝繭揭示每種天氣現象形成的物理機制，通過日復一日的積累和潛移默化的影響，假以時日學生們在面對雷暴大風等天氣時，不再只是感受到災害性天氣帶來的破壞，而是更能進一步體會自然運動之精巧，理解科學原理支撐的別樣氣象之美。這種將美育寓于教育之中的方式，是提升教學效果的有益途徑。
(四)夯實專業基礎，從理論創新和數值預報角度創造氣象之美
發現美、欣賞美、理解美，最終創造美，也是我們認識自然，理解自然和探索自然的過程，為了與自然界和諧共處，我們一直致力于在理論上描繪大氣運動規律，利用各種方法和手段再現和創造(預報)大氣運動。氣象學發展的每一次進步、每一次飛躍，都是對氣象之美的再創造，需要堅實數學物理基礎以及化繁為簡的科學思維。在日常教學中，可以將這種發現美、創造美的科學思維融入專業教學中，培養學生的科學研究素養。
大氣羅斯貝波的提出在氣象學發展史上具有里程碑式的意義。20世紀30年代，無線電探空儀的使用，獲得了高空氣象探測資料，對高空大尺度運動有了新的認識，發現在每日或者月平均的高空天氣圖上，一個最顯著特征就是在中高緯度盛行的西風帶(北半球)上，疊加有數千公里波長的波動，猶如一條柔美飄帶纏繞著地球，并控制著地球上大尺度運動及天氣的變化。在沒有任何理論解釋這些波動形成和移動的前提下，羅斯貝大刀闊斧地簡化渦度方程，引入β平面近似，求出正壓、水平無輻散線性渦度方程的波動解，從理論上指出這是由于科里奧利參數隨緯度變化而產生的大尺度渦旋性慢波，隨后又引出位勢渦度理論，從而創建了著名的長波理論，奠定了數值天氣預報的理論基礎，在某種程度上使氣象學成為一門真正的科學。
回顧和體會羅斯貝提出大氣長波理論的方法和過程，可以歸結為:發現自然之美—美之抽象化—美之簡化—美之創造。從自然科學研究角度看，也就是:觀察現象—現象抽象化—建立簡單模型—合理簡化和求解模型—解釋現象[6]。這其中最重要的是如何建立模型和對模型進行大膽和合理的簡化，使得對模型的求解成為可能。在求解過程中，更多地要從物理角度出發來進行簡化，而不是深陷繁復的數學泥潭，這也是芝加哥學派的學術風格和精神。因此，在氣象學專業教學過程中，可以引導學生追隨氣象大師發現美和創造美的腳步，重溫和汲取這些大師們為人類留下的寶貴精神財富，學習的不僅是知識，更需要學習對自然之美的探索精神和創造精神。——論文作者：黃小剛，程小平，丁菊麗，姜勇強
SCISSCIAHCI
