论科学课程的审美教育价值，本文主要内容关键词为：课程论文,价值论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
谈到美，人们也许更多地与人文课程相联系，认为人文课程中有许多美的因素，有助于对学生进行审美教育。其实，科学课程中也存在着美，一种反映客观物质世界的本来面貌、揭示事物运行规律的美——科学美。这种美不是艺术家的作品，而是大自然自身的作品，同时也是科学家精心“创作”的作品。这种美是一种质朴的美，纯正的美，一种深沉的美，含蓄的美，一种让科学家陶醉其中，情愿用毕生精力去不懈追求的美。在科学课程中揭示科学美，能够唤起学生的审美意识、激发审美情感、陶冶审美情操，能够培养学生的审美精神，促进学生人文精神的成长。
一、唤起审美意识
要培养学生的审美精神，首先要唤起他们对科学的审美意识，要让他们明确科学与美有着内在的必然联系，科学之中的确存在着美。那么，科学中的美是通过哪些方面表现出来的呢？一般说来，科学之美主要通过科学方法和科学理论两方面表现出来。
先看科学方法。科学方法不仅具有严谨、求实、创新的特征，而且具有审美的特征。就科学实验而言，它合理而巧妙的设计、新颖有序的装置、实验者操作技术的精湛、娴熟，都有美的特征。如，在进行化学实验时，首先映入眼帘的是晶莹剔透的玻璃仪器的美，稳定、均衡、和谐的实验装置的美。在实验过程中，伴随有声、光、色的变化，气体放出，沉淀生成等现象，更是绚丽多姿、变幻无穷，令人悦目赏心。再以物理实验为例，美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作所做的“迈克尔逊—莫雷实验”，证明了光速在不同方向上都相同，从而否定了“以太”的存在。这一实验设计得很精巧，“要求研究者有着学者的分析的智慧、艺术家的审美知觉和诗人的形象性语言”。〔1〕对此， 爱因斯坦曾给予了高度评价，认为迈克尔逊能够设计出这样的实验是非常惊人的，“在很大程度上要归功于他对科学的艺术家的感触和手法，尤其是对于对称和形式的感觉。”〔2〕爱因斯坦非常欣赏迈克尔逊的艺术家性格， 称迈克尔逊是“科学中的艺术家”，“他的最大乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛”。〔3〕可见， 科学实验的确存在着美的因素。
再看科学理论。如果说艺术家创作的艺术作品是通过音、形、动作以及文字等形式来表现美的话，那么科学家“创作”的科学理论则是用数字、符号、曲线、公式、图表等形式来表达美。科学理论既是科学作品，又是艺术作品，科学理论本身具有美的特性。物理学家玻尔兹曼曾这样评价麦克斯韦的气体动力学理论：“既然一个音乐家能从头几个音节辨认出他的莫扎特、贝多芬和舒伯特，那么一个数学家也能从头几页文章中辨认出他的柯西、高斯、雅可比、赫姆霍茨或哥切霍夫。法国作者以他们极端的优雅风度来表现自己，而英国人特别是麦克斯韦，是以他们引人注目的判断力来表现自己。譬如说，有谁不知麦克斯韦在气体动力学理论方面的论文呢？……速度的变量一开始就被严格地展开，后来，从一边杀出了状态方程；另一边又杀出了在中心场的运动方程。公式的混乱有增无已。突然，我们听到，就象从铜鼓发出的四个音节‘令n＝5’。那不祥的魔鬼v（两个分子间的相对速度）隐去了；同时， 就象在音乐中那样，低音中的一个原先还是主要的修饰音突然沉寂了，看来是不可克服的那些东西都被排除了，好象有一根魔杖一挥。……一个一个结果接踵而至，直到最后，意外的高潮——热平衡条件和输运系数的解同时被得到，帷幕就降落了！”〔4〕这段评论， 把科学理论当作一曲波澜壮阔的交响乐来欣赏，也十分恰当，十分美妙！
对于爱因斯坦的广义相对论，几乎所有回忆爱因斯坦的文章都会说到他所创立的理论所具有的美学上的特点。钱德拉萨克认为广义相对论在不同水平上都显示了调和中的奇异之美，从电磁场到黑洞，每个层次上都是如此。“这一事实给广义相对论增添了比其他任何事物都多的无与伦比的美。”〔5 〕现代西德物理学家玻恩则钦佩“它是一件伟大的艺术作品”，因为它是哲学领悟、物理直觉和数学技巧最惊人的结合。
在科学理论中，数学理论的美特别是数学公式所表达的美尤为突出。数学家罗素认为：“数学，如果正确地看它，不但拥有真理，而且也具有至高的美，正像雕刻的美，是一种冷而严肃的美，这种美不是投合我们天性的微弱的方面，这种美没有绘画或音乐的那些华丽的装饰，它可以纯净到崇高的地步，能够达到严格的只有最伟大的艺术才能显示的那种完美的境地。”另一位数学家哈代在论文《一个数学家的自白》中写道：“数学家跟画家或诗人一样，也是造型家。如果说数学家的造型比画家和诗人的造型更能经受时间的考验，这是因为前者是由概念塑造的。而画家造型是用形与色，诗人则是使用语言。……概念也像色彩或语言一样，必须和谐一致。美是首要标准，不美的数学在世界上是找不到永久容身之地的。”数学家斯蒂恩更是认为“尽管艺术界里还没有像数学结果那样的客观性，数学创造的动机和标准却更像艺术的而不像科学的。在数学定理的评价中，审美的标准既重于逻辑的标准，又重于实用的标准：美观与高雅对数学概念的评价来说，比是否严格正确、是否可能应用都重要得多。”
对于数学公式的美，前苏联哲学家柯普宁曾这样说：“数学家导出方程或公式，就如同看到雕像、美丽的风景、听到优美的曲调等一样，从而得到充分的快乐。”以高等数学中马克劳林公式为例，如果把该公式应用于函数f（x）＝e[x]，则该函数可表述为如下无穷级数：
x[2] x[3]x[4]
e[x]＝1+x+───+────+──────+…
1·21·2·3
1·2·3·4
令x＝1，于是便导出了关于数e的无穷级数：
11 1
e＝1+1+───+────+──────+…
1·21·2·3
1·2·3·4
在该无穷级数中，取的项数越多，所得的e值也就越精确。 这多么象是一组跳动着的音符、一首隽永无比的诗！尤其是，它那优美的逻辑推理，天衣无缝的精美结构，和谐简洁的无穷层次，气势磅礴的对称排列，更令人惊叹！
再以众所周知的初等数学公式c＝2πR为例，短短的、 简单得不能再简单的公式，却揭示出了宇宙间所有的圆的圆周长与半径之间的关系。尽管天地间有无穷个圆，但唯有C＝2πR这个纯粹数学圆最标准、 最精密、最美，它所造出的庄严、永恒和宏伟的意境，不能不令人赞叹。在美的王国里，科学的美比艺术的美更博大、更精深、更本质！
在科学课程的教学中，教师要随时向学生指出科学中的美，要让学生清楚地意识到，科学中存在着美。
二、激发审美情感
要培养审美精神，仅仅让学生产生审美意识是远远不够的，还应注重激发他们的审美情感，培养他们感受美、欣赏美的能力。在科学课程的教学中揭示科学美的特征，有助于达到这一目的。
科学美有其基本特征，能给人以独特的美感：
1、简洁美。简洁，给人以简单、明了、深刻、有序的美感， 科学的简洁美源自客观事物存在、构成、运动及其转化等规律的简洁性。牛顿在其《自然哲学的数学原理》中指出：“自然界不作无用之事，只要少做一点就成了的，多做却是无用；因为自然界喜欢简化，而不爱用什么多余的原因来夸耀自己。”爱因斯坦也认为，逻辑简单的东西虽然不一定就是物理上真实的东西，但物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西，物理之美的本质就是简单性，因此，“要从尽可能少的假说或公理出发，通过逻辑的演绎，概括尽可能多的经验事实”，“要寻找一个能把观察到的事实联系在一起的思想体系，它将具有最大可能的简单性。”〔6〕
科学的简洁美一直是科学家追求的目标之一。欧几里得从少数几条公理出发，加上必要的原始定义，利用演绎法建立了庞大的几何学体系。哥白尼认为托勒密建立的宇宙体系太繁杂、太臃肿，不符合简单和谐的美学原则，于是根据自己的观察与研究把托勒密体系用以解释本轮和均轮的圆从80个减少到48个，把太阳升到了天体中心，把行星轨道的大小、运动速率和排列顺序关联起来，形成一个紧密有序的整体，从而创立了“日心说”。数学家高斯极为追求数学的简单美，他要求自己把每一种数学讨论压缩成最简洁优美的形式，认为“现代数学的一个特征……就是在我们的符号和名词的语言中，有一个杠杆，通过这个杠杆将非常复杂的论证，简化成某一个机理。”〔7〕
科学的简洁美，通过数学化的科学公式得到最集中的体现。例如，麦克斯韦方程组：
1 δB
┌cur1E＝－───
│C δt
│
1 δE
4π
│cur1B＝─ ──+──J
│
C δtC
│divE＝4πρ
└divB＝0
这一方程组以十分简洁的形式表达了极为丰富的内涵，它包括了库仑定律、高斯定律、欧姆定律、安培定律、毕奥一萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律，并由此预言了电磁波的存在，把电、磁、光统一了起来〔8〕。科学公式的简洁美由此可见一斑。
1___其他科学公式，如伽利略的T＝──√L/g、刻卜勒的T[2]＝D[3]、
2π
牛顿的F＝Gm[,1]m[,2]／r[2]、焦耳的Q＝0.24I[2]Rt、欧姆的I＝V／R以及爱因斯坦的E＝mc[2]等，都以高度的概括性、简洁性给人以强烈的美感。
2、对称美。对称，给人一种圆满、匀称、稳定的美感， 科学的对称美源自客观物质世界本身所具有的对称性，如物理学中的运动与静止、落体与抛体、匀速与变速、引力与斥力、变力与恒力、反射与折射，化学中的溶解与结晶、液化与气化、分子的晶体结构、数学中的正与负、奇与偶、加与减、实数与虚数、微分与积分等等，都是自然界物质及其运动形态存在着的对称性的反映。
揭示自然界对称性的奥秘是科学家从事科学研究活动的强大动力。法拉第在研究电磁效应时，从物质的对称性特点出发，认为既然电能生磁，那么磁也一定能生电，这样才能显示出自然界的对称美。为此，他坚持不懈地探索了10年，终于用实验证实了电与磁之间存在对称美的设想。后来，麦克斯韦又根据法拉第的实验结果，把电磁理论方程写成
1 δH
rotE＝－─·───和rotH＝0，
C δt
显然这两个等式右项不对称，麦克斯韦出于对对称的考虑，在当时尚无任何实验依据的情况下写下了与前一方程相对称的另一方程式：
1 δE
rotH＝─·───，
C δt
使电磁理论在数学形式上更优美。在后来的研究中，新的方程果然得到了实验的证实。德布罗意从几何光学（相似于经典力学）与波动光学的对称关系中获得启发，产生了创立一门与经典力学相对称的波动力学的构想，并且将光的波粒二象性的对称关系加以推广，预言实物粒子也具有波动性。后来，在此基础上，薛定谔建立了波动力学，证实了德布罗意根据对称思想作出的这一抽象假设。狄拉克也是在对称美意识的推动下，为解决他建立的“相对论性”电子方程中负能解与原子结构稳定性的矛盾，预言了负能态电子即“反粒子”的存在。这个预言引导科学实验发现了愈来愈多的反粒子，如正电子、反中子、反质子、反中微子、反介子等。科学的对称美在这些发现中得到了生动的体现。
3.统一美。统一，给人以浑然一体、谐调一致的美感，科学的统一美是大自然和谐统一的本质在科学中的体现。在大自然中，各不相同甚至对立的自然事物和现象通过种种关系被联系在一起，它们相互依存、相互作用，环环相扣、配合有致，呈现出和谐统一的壮丽图景。大自然的这种统一性使得反映大自然的科学具有统一美的美学特征。
科学的探索活动总是和追求物质的统一美联系在一起，“总是力图从纷纭的现象里看到共同的东西，从万千的世界里看到某种一致、某种相似，亦即某种统一”〔9〕。著名的广义相对论、 狭义相对论即是爱因斯坦追求统一美的结果。爱因斯坦以同时性的相对性原理和洛伦兹变换原理，解决了当牛顿力学的相对性原理与麦克斯韦电磁学光速不变原理运用于运动的物体时发生不对称的矛盾，将两者谐调、统一起来，从而将牛顿力学中分立的时间与空间、物质与运动、时空与物质运动等概念统一了起来，建立了狭义相对论，由此推导出质能守恒定律、动量—能量动守恒定律，将牛顿力学中分立的质量与能量、动量与能量概念统一了起来。〔10〕后来，爱因斯坦又发现狭义相对论存在着两个不足之处：一是惯性系处于特殊地位，但又找不出什么实在的东西能够说明惯性系比非惯性系更特殊；二是引力现象不能归入狭义相对论。为了追求逻辑上的统一，爱因斯坦将相对性原理从惯性系推广到非惯性系，建立了广义相对论，把惯性质量与引力质量、加速系即非惯性系的运动与引力场的惯性系运动、引力场与非欧几何都统一了起来。
其他科学成果，如牛顿统一了一切低速客观物体的机械运动，吉卜斯统一了分子的热运动，麦克斯韦统一了电磁运动，狄拉克的相对论电子运动方程把相对论与量子力学的联系统一了起来，都体现了科学的统一美。
科学美除具有简洁美、对称美、统一美的特征外，还具有奇异美的特征。科学的奇异美是以简洁、对称、统一为基础的一种美，这种美以真为依据，以和谐为根本，是奇异与和谐的对立统一。科学的奇异美亦吸引着科学家不断探索科学的奥秘，虽然艰苦劳累，却乐此不疲。
上述科学美的基本特征如能在科学课程的教学中通过有效方式揭示在学生面前，无疑能引发学生相应的美感体验，增强他们的审美能力。做到这一点的关键，是教师要具备较高的审美修养，要善于发掘教学内容中隐涵的美的因素，善于从审美的角度而不仅仅是从科学知识体系的角度来思考科学、讲授科学，要善于设置科学美的情境，带领学生在科学美的海洋中畅游。
三、陶冶审美情操
科学课程的审美价值不仅表现在它能够唤起学生的审美意识，激发学生的审美情感，更重要的是它能够陶冶学生的审美情操。情操，在本质上同于情感，但情操大多与人在某一方面的信念紧密相联，因而比情感具有更大的稳定性和倾向性，是被信念化和个性化了的情感倾向，是情感在精神世界的进一步升华。科学课程通过揭示科学中存在着美，通过揭示科学美的基本特征，不仅能培养学生的审美意识与情感，无疑也能陶冶学生的审美情操。不过，如果在此基础上进一步揭示科学家在科学活动中所表现出来的崇高的审美信念，则会对学生的心灵产生更大的影响，使学生把对美的意识，对美的感受和体验升华为审美情操。
科学家是科学美的探索者，他们所从事的科学活动总是和追求科学美联系在一起。物理学家海森堡曾指出：“科学的探索者们最初往往是在美的光辉照耀下，去认识和发现真理。”数学家彭加勒也曾坦率地说过：“科学家研究自然……是因为他从中得到乐趣，而他之所以能从中得到乐趣，那是因为它美。如果自然并不美，就不值得去了解它。”爱因斯坦也认为，把人们引向科学的最强烈的积极动机，就是“人们总想以最适当的方式来画出一幅简化和易领悟的世界图象。”〔11〕他进一步指出，在科学上有伟大创造成就的人，全都“相信我们这个宇宙是完美的，并且是能够使追求知识的理性努力有所感受的”，如果这种信念不是一种有强烈感情的信念，“那么他们就很难会有那种不屈不挠的献身精神，而只有这种精神才能使人达到他的最高的成就。”〔12〕
科学发展的历史也是科学家对美的追求和创造的历史。科学的审美精神最初起源于古希腊毕达哥拉斯学派的数学理性主义传统。〔13〕毕达哥拉斯学派从琴弦长度的整数比与产生谐音的关系中，发现数的比率与和谐美的关系。他们还发现不少自然现象虽然形态不同，但表现出相同的数学性质和数学规律，因而将数视为自然现象的本质，认为自然界的理性、宇宙的规则性、秩序性，就在于和谐的数的关系和结构中，得出美即和谐的结论。这种美学观对近代自然科学的建立与发展产生了深远的影响。哥白尼创立日心说的主要动因，是因为“对于哲学家们不能对造物主为我们造就的美好而有秩序的宇宙结构提出正确的理论而感到气愤”〔14〕。对于他的日心说理论，他充满激情地描述：“太阳在万物的中心统驭着；在这座美丽的神庙里，另外还有什么更好的地点能安置这发光体，使它能一下子照亮整个宇宙？……我们就在这种布局里发现世界有一种美妙的和谐，和运动轨道与轨道大小之间的一种经常的和谐关系，而这是无法用别的方式发现的。”〔15〕哥白尼还在其巨著《天体运行论》中阐明他的观点：“在哺育人的天赋才智的多种多样的科学和艺术中，我认为首先应该用全副精力来研究那些与最美的事物有关的东西。”后来，刻卜勒之所以能捍卫哥白尼的革命性成果并加以发展，也是由于“刻卜勒深信上帝是依照美的数学原则创造世界的，所以根本性的数学谐和，即所谓天体的音乐，乃是行星运动的真实的可以发现的原因。这是鼓舞刻卜勒辛勤工作的真正动力。”〔16〕伽利略发现自由落体定律也是从和谐美的信念出发，认为自然界“总是习惯于运用最简单和最容易的手段”行动，因而自由落体运动速度的增加“是以极简单和为人们十分容易理解的方式进行的”〔17〕。他提出具有数的和谐比率美的假设性原理：自由落体运动是匀加速运动，即物体在相等时间内获得相等的速度增量。根据这个假设，他设计了实验加以证实，推翻了亚里斯多德关于落体的经典论点。
在牛顿时代，探求宇宙数的和谐美成了这一时代的科学风范。牛顿在剑桥大学学习时，就用数学方法研究音乐问题，其中包括音阶的对称和美丽，并把光谱与音阶作类比，将八度音分为七音，把光谱分为七色。牛顿沿着刻卜勒的思路，从行星运动定律中推导出具有数的和谐比率的万有引力定律，把整个宏观世界从天体运动到地面物体的运动统一在数的和谐之中。牛顿惊叹宇宙的和谐秩序，在他设计的结构模型中，宇宙是优美的、简单的、壮观的，宇宙间的物体按照它们之间的相互作用力自行运转着。
牛顿理论主导世界科学达200年之久。到20世纪初， 爱因斯坦追寻宇宙间更和谐的美，建立了狭义相对论和广义相对论，对人类认识自然界做出了革命性的贡献。爱因斯坦之所以能取得辉煌的成就，是源于他对美的追求，源于他对自然界和谐美所蕴涵的合理性抱有强烈的信念，这种信念促使他在赞赏欧几里德几何、牛顿力学、麦克斯韦电磁学的美妙的同时，用毕生精力去探寻更美的自然规律、建立更美的科学理论体系。爱因斯坦的理性主义审美精神，鼓舞和启迪了许多杰出科学家卓有成效的探索活动，成为现代科学的传统精神。德布罗意提出物质波的概念、薛定谔建立波动力学、狄拉克预言“反粒子”的存在，以及现代物理学寻求自然界强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用的统一，并已证实弱、电相互作用的统一等，都是科学家追寻美的结果，都显示出人类崇高的审美精神。
在科学课程中通过揭示科学审美精神来陶冶学生的情操，要求教师对课程内容中所蕴涵的审美精神有着深刻的领悟，在讲解科学概念、科学定理、科学公式的过程中，适时地讲述科学家们在论证那些概念、定理、公式时所走过的审美历程，并把自己对科学审美的态度与信念传感给学生。做到这些并不容易，但十分必要。因为科学课程的审美教育价值最终是靠教师来实现，学生的审美精神需要教师的精心培植才能顺利成长。
收稿日期：1997—12—30
注释：
〔1〕A·G·卢克《创造心理学》， 见周义澄《科学创造与直觉》，人民出版社1986年版，第275页。
〔2〕〔3〕〔11〕《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆1977年版，第491页，第561页，第100页。
〔4〕〔5〕S·钱德拉萨克《美与科学对美的探求》， 《科学与哲学》1980年第4期。
〔6〕〔12〕《爱因斯坦文集》第三卷，商务印书馆1984年版第347页，第256页。
〔7〕转引自吴开朗《数学美学》，北京教育出版社1993年版， 第277页。
〔8〕参见张楚廷《教学论与教育》，湖南教育出版社：1995年版，第177页。
〔9〕张楚廷《大学人文精神构架》，湖南师范大学出版社1996 年版，第39页。
〔10〕〔13〕〔17〕参见沈铭贤、王淼洋主编《科学哲学导论》，上海教育出版社1991年版，第353页、第349页、第350页。
〔14〕转引自申先甲《物理学史教程》，高等教育出版社1987年版，第121页。
〔15〕梅森：《自然科学史》，上海人民出版社1977年版， 第123页。
〔16〕丹皮尔：《科学史》，商务印书馆1975年版，第193页。