科学发展的不平衡性及其启示，本文主要内容关键词为：启示论文,科学论文,不平衡性论文，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。
【内容提要】 科学史的研究表明，科学的发展在国家间、时间上、学科间均具有不平衡性。对科学发展的不平衡性进行研究，可得出几点有益的启示，即：要真正地发展教育、提高教学效率、重视课程设置的合理性。
【关键词】 科学发展 不平衡性 教学效率 课程设置
科学史的研究表明，科学的发展具有不平衡性；这种不平衡性有诸多方面的表现。美国著名科学学家D·普赖斯提出了描述科学加速发展的数学公式，揭示了科学发展在时间上的不平衡性；前苏联哲学家凯德洛夫提出了描述带头学科更替现象的理论，揭示了科学发展在学科间的不平衡性；日本科学史家汤浅光朝提出了关于科学活动中心转移现象的理论，揭示了科学发展在国家间的不平衡性。对科学发展的不平衡性的研究可以引出许多有益的启示，本文对科学发展的不平衡现象作一概述并围绕其与高等教育的关系做简要讨论。
一、科学发展中的不平衡现象
1.科学活动中心及其转移现象 在科学史的研究中，英国科学家兼科学学家J·D·贝尔纳首先明确提出了科学活动中心的概念。他于1957年写成了《历史上的科学》一书，他在这本名著的序言中写道：“科学的进步在时间和地点上绝不一致，在几个迅速发展的时期之间，隔有更长的停顿时期和甚至衰颓时期。在时间的进程中，科学活动中心曾经推移过，……”①；他还描绘了科学活动中心在世界范围内随时间流动的概况。
贝尔纳的思想启发了日本科学史家汤浅光朝。他在1962年系统地提出了关于科学活动中心转移的理论②。汤浅光朝利用的资料主要是1956年日本出版的《科学技术编年表》和1951年出版的两本威伯斯特人物传记词典。《科学技术编年表》收录了1501-1950年间重要的科学成果2064项。他把每十年作为一个阶段，用这十年间每个国家的科学成果数目被全世界当时科学成果总数去除，得到的一系列百分比数是每个国家在不同阶段的科学成果数与世界科学成果总数的比例数。根据这些数据绘出了图1；即意大利、英国、法国、德国和美国在1501-1950年间相对成果的变化曲线图。这个图生动地显示出16世纪到20世纪科学活动中心转移的情况。汤浅光朝又根据威伯斯特人物词典做成4万张传记卡片，按科学家的出生年代计算，从1501-1950年，每十年一记，算出上述各国科学家人数占当时全世界科学家总数百分比。根据这些数据绘出了图2，即16世纪到20世纪上述各国相对科学家数的变化曲线图。两相比较，曲线图形大体相似，只是从时间上看图2曲线的高峰要比图1曲线的高峰早几十年。如果考虑到科学家出成果都是在出生后的几十年间的话，就可以认定两个图的曲线是基本吻合的。
在此基础上，汤浅光朝定义：凡是上述百分比数超过25%的国家，称之为“科学活动中心”；而保持在25%以上的时间称之为“科学兴隆期”。根据图1和图2所示，科学兴隆期和科学活动中心转移就有如下顺序：
1540-1610年
意大利；
1660-1730年
英 国；
1770-1830年
法 国；
1810-1920年
德 国；
1920-
美 国；
这就是说，科学活动中心首先在意大利形成，之后沿英国→法国→德国→美国而转移。这个现象也被称为“汤浅现象”，它告诉人们，自近代以来科学活动中心经历了五次转移；第一个科学活动中心保持科学兴隆期的平均周期为八十年。
图1
图2
2.科学发展按指数增长的现象 恩格斯在1844年《政治经济学批判大纲》一文中曾指出：“科学的发展则同前一代人遗留下来的知识量成正比例。因此，在最普通的情况下，科学也是按几何级数发展的。”③1876年，他又在《自然辩证法》一书中进一步指出从哥白尼时起科学的发展“可以说是与从其出发点起的（时间的）距离的平方成正比的。”④这里，恩格斯已明确地提出了科学加速发展的思想。
关于自然科学发展的研究完全证实了恩格斯的天才论断。1944年，美国一位大学图书馆馆员E·赖德发现美国主要大学图书馆的藏书量平均每十六年翻一番。继赖德之后，美国科学学家普赖斯把赖德这一发现推广到科学知识的全部领域。⑤他在《巴比伦以来的科学》一书中，以科学杂志和学术论文作为知识量的重要指标。描述了科学加速发展的现象。普赖斯指出：世界上最早的科学杂志是1665年出版的英国的《伦敦皇家学会哲学论坛》；接着，大约有三、四种类似的杂志在几个欧洲国家科学院出版；以后全世界出版的科学杂志不断增加，到十九世纪初期已达一百种左右；十九世纪中期达到一千种；1900年为万余种。这就是说，从1750年起科学杂志的数目，每半个世纪增加10倍。见图3
图3
普赖斯根据他的研究对科学加速发展现象给出了一个定量计算公式：
y=αe[βt]
y：某种科学指标的数量
α：该种科学指标的初始值
β：由一定历史条件确定的
常量
上式也称为科学知识量的指数增长律。后来，有人发现如果按照这个公式推算会出现问题。假定科学指标每年增长率为7%，则周期t=15，即15年内y增加1.72倍；30年内y增加6.4倍；60年内y增加大约50倍；……由此推下去，显然会出现荒谬的结论。例如，在某一时刻，科学家人数会超过全世界人口总和。但是，这并未推翻关于科学存在加速发展的论断。而只是说明这个论断应被限定在一定历史时期。进一步研究发现，科学的发展不仅存在量的方面的加速发展现象，而且还存在质的飞跃的方面，这就是科学革命的爆发。在科学革命时期，出现崭新的革命性理论，而科学成果数目下降，这时指数增长律遭到破坏。但是，这只是科学在量的方面增长速度放慢，而非科学发展停步。这一时期过后，科学发展会出现一个新的按指数增长的时期。有人称之为阶梯形指数增长律，科学的发展是波浪式前进的。
3.带头学科更替的现象 自然科学发展在学科间存在着不平衡的思想，最早也是恩格斯提出的。他在《自然辩证法》一书中谈到近代自然科学兴起时，明确指出：“在自然科学的历史发展中最先发展起来的是关于简单的位置移动的理论，即天体的和地上物体的力学，随后是关于分子运动的理论，即物理学，紧跟着它，几乎是和它同时而且有些地方还先于它发展起来的，是关于原子运动的科学，即化学。”⑥
当代一些学者根据恩格斯的思想，结合自然科学发展的实际，对自然科学发展中学科间的不平衡问题作了具体的研究。前苏联哲学家凯德洛夫发现在自然科学发展中，各门学科不是齐头并进的；而是时而这一门，时而那一门学科走在前面。他将这样的学科称之为“带头学科”（亦称之“先导学科”）。⑦凯德洛夫认为，带头学科对其它学科以及整个自然科学的发展都有很重要的作用。这种作用主要表现在：带头学科的理论、概念、方法等会渗透到与之相联系的其它学科中，在这些学科打上自己的烙印，使它们的发展受到带头学科的水准、规模等方面的影响。凯德洛夫进一步指出带头学科的这种地位和作用不是固定不变的，而是随着科学技术本身的发展不断变化的，即带头学科是不断更替的。凯德洛夫还指出了这种更替有两个很重要的特点，即更替的周期性和更替的加速性。他给出了一个描述带头学科延续时间的公式：
和对科学加速发展现象的描述一样，凯德洛夫的这个公式也存在着缺陷。随着带头学科的更替，即n的增加，△T[,n]则越来越小，也就是说带头学科持续的时间越来越短。若n=9，则△T[,n]＜1，第九个带头学科占据先导地位的时间不足一年，这显然是不对的。因此，出现了对凯德洛夫所做数学描述的种种修正。这表明存在问题的只是对这种现象的数学描述而不是现象的存在。
二、几点启示
1.要发展科学必须真正地发展教育 一个国家之所以能成为世界科学中心，无非是这个国家在这个时期具有适合于科学发展的条件和环境。研究各科学中心形成的历史原因，发现由于时代的不同、国别的不同，各个科学中心形成的主导因素也不尽相同。但是，在这其中教育却是一个不可缺少的重要因素。
在十八世纪，法国的“国家综合技术教育体制”对当时法国科学发展起到了举足轻重的作用。法国在这个体制下，创立了一批新型学校，并进行了教育改革：用考试制度代替封建特权，为普通平民敞开接受教育和跃升的大门；以课堂讲授代替了以往的师徒传授，大大提高了教育的效率；以全新的教材取代旧有教材，使第一流科学家的研究成果成为教学内容。这种新的教育制度为法国培养了大批高质量的人才，在各门科学上做出了重要贡献。1815年，路易十八复辟后，各种新型学校解体，造成法国科学队伍青黄不接的局面。据统计，19世纪初法国科学家的平均年龄开始超过50岁，它也就从科学高峰上跌落下来，到1840年便退出了科学兴隆期。⑧
19世纪60年代，德国由于实行普及教育，学龄儿童入学率达97%。德国是一个自然资源不太丰富的国家，它也不像英国有那么多的殖民地，科学教育就成为德国重要的工业资源。德国的教育有几种不同的层次和类型：①综合技术学校，为工业和政府机构培养中等水平适合于多种工作的工程师和技术员；②高等专科学校，培养出许多实业家；③地方政府办的拉丁文学校、军事学校、小型工程学院、医药学校和大学；④新建的大学，这种大学中出现了职业研究人员和实验室，大大丰富了科学教育的内容。德国的教育进步促进了科学的发展。
美国发展科学技术也是从教育入手的。早在1862年联邦政府曾专门颁布法令向各州划拨土地办大学，不久在美国靠土地拨款建立起来的大专院校有60多所。到1880年，美国大学和中等技术学校增加到450多所，为二十世纪美国实现工业和科学技术现代化作了充分准备。1957年，苏联第一颗人造地球卫星上天，极大地震动了美国政界、科技界和教育界。他们更迫切地感到改进科学教育对培养人才、发展尖端科技、增加军事和经济实力的重要作用。于是，1958年国会制定《国防教育法》，规定增加大学教育经费，增加培养各科专家的数量，改革自然科学、数学和外语的教学，增添现代化教学设备和选拔有才华的学生给予特殊教育。从此，大学教育经费逐年增加，据美国官方统计，1980年美国高等院校教育经费为625亿美元，比1960年的67亿增加了8倍，1981年美国3253所高等院校在校生为12371672人，平均每一百个居民中有5名大学生。⑨美国科学技术的发展具有雄厚的基础。
教育发展对科技进步的直接作用和间接作用是十分明显的。目前，对我国来说，关键已不是对这种作用的理论认识，而是切切实实地把通过发展教育来促进科技发展付诸实践。
2.提高效率应是教学改革的一个基本出发点 科学教育的作用就是向人们传递前人的科学知识和科学劳动技能，进行科学知识的再生产。人们在经历了师傅带徒弟式的低效率的传递过程之后，找到了新的方式：对科学知识进行选择和提炼，编成相互关联、循序渐进的各种教材，再通过课堂讲授等方法进行传授。相对于旧方式，目前科学教育是效率较高的科学知识再生产，这正如马克思所说的：“再生产科学所必要的劳动时间，同最初生产科学所需要的劳动时间是无法相比的。例如，学生在一小时内就能学会二项式定理。”⑩这是说，它有自己合乎逻辑的捷径。这种方式是成功的，但是，基于科学发展存在加速现象，科学知识量增长很快，新知识层出不穷，科学教育的效率应该不断地提高才能满足科学发展的要求。尽管学校教育相对于科技发展有一定的滞后性，但是，教学内容必须加快更新速度，追踪科技前沿，否则科学教育只能远离现代科学技术而停留在知识陈旧的境地。科学教育效率的提高是通过教学改革来实现的。教学改革是一个系统工程，需要考虑的因素比较多。了解到科学发展的加速现象，会使我们在教学改革中对这样两个问题予以重视。
一个是，教学内容应该具有稳定性，但是这并不等于把现有的科学知识系统看作是一个封闭的体系，仅仅在现有的教学体系中进行精雕细刻，完善它的细节；而应把现有的科学知识系统看作是一个开放的体系，它更需要进行更新，需要及时地、准确地吸收最新的科学成果。这样的教学改革才更富有活力。另一个是，对于在教学中知识传授与能力培养这两者的关系，应该保持在一个适当的程度，既不能消弱知识的积累，也不能忽视能力的提高。在现有的环境下，提高学生的能力还缺乏有力的手段，特别是学生自我获取知识的能力。如果一个学生在学校教育阶段打下了必要的知识基础（包括相应的技能），又具有一定的获取新知的能力，他就能在走出校门以后，适应科技知识的更新。这样的教学效率才是最高的。
3.应该重视课程设置的合理性 不同时期，高等学校的课程的设置应有一定的调整，除了要考虑到社会的需要等因素外，还应从科学发展中存在带头科学、带头学科具有带动相关学科作用的角度来考虑。我们仅从物理学角度作一初步分析。
十九世纪，物理学就是带头学科之一；二十世纪，微观物理学占据带头地位50年。物理学作为研究宇宙间物质的基本组成、基本相互作用和基本运动规律的学科，它的许多学术思想、概念、方法和手段已经渗透到其它学科，影响到它们的发展；并产生了一系列交叉学科，如天体物理、地球物理、生物物理、海洋物理、大气物理、化学物理等等。从宏观的角度，对宇宙的观测需要建造各种望远镜，而这些新型望远镜是和物理学发展所带来的技术进步密切相关的，对地球组成部分的性质的测定也常常采用物理实验技术；从微观的角度，电子显微镜、放射性同位素、核磁共振、电子顺磁共振、中子衍射等的应用导致一系列生物学研究的重要成果，促进生物学进入到分子层次。电子计算机发展十分迅速，已形成一门新技术学科和一个高科技产业，它的发展也是和物理学的贡献分不开的。物理学为制造出电子计算机提供了条件，半导体物理、微电子学等物理学分支学科功不可没；光学、光电子学和磁学也起了重要作用，并将通过光纤通信、光电子元件、光磁盘、磁性薄膜材料等发挥更大的作用。物理学的这种作用是不可能在这样一篇文章中充分论述的。如果，与物理学关系密切的学科在课程设置上，不考虑物理学方面的相关内容，那么很难设想培养出来的学生能具有理解该学科前沿的理论基础和能力。现在，知识面广是一种优势已成为流行的观点，甚至有人曾提出进行通才教育。但是，科学的发展使现代学科门类繁多。一个人广到各门学科、通晓所有科学是不可能的。不过，至少可以说，带头学科（或学科群）是一个广度的下限。因此，对科学发展中的带头学科现象不仅教学工作者需要注意，更应该引起教育管理者的关注。通过研究课程设置的合理性，而使学生在校学习期间，既能获取适宜深度的知识，也能获取相应广度的知识。
关于对科学发展的不平衡现象的研究，会随着科学的进步而深入。这也会带来更多的有益启示。
注释：
①J·D·贝尔纳《历史上的科学》，科学出版社，1959年版，第Ⅶ页。
②参阅汤浅光朝《科学活动中心的转移》，载《科学与哲学》，1979年第2辑。
③恩格斯《政治经济学批判大纲》，载《马克思恩格斯全集》第1卷，人民出版社，1956年版，第621页。
④恩格斯《自然辩证法》，人民出版社，1971年版，第8页。
⑤参阅D·普赖斯《巴比伦以来的科学》，中共中央党校出版社，1992年版。
⑥恩格斯《自然辩证法》，人民出版社，1971年版，第53页。
⑦参阅凯德洛夫《自然科学发展中的带头学科问题》，载《社会发展和科技预测译文集》，科学出版社，1981年版。
⑧赵红洲《科学能力学引论》，科学出版社，1984年版，第197页。
⑨参阅崔维英《科技·教育与美国经济发展》，北京师范大学出版社，1987年版。
⑩马克思《剩余价值理论》（《资本论》第四卷），载《马克思恩格斯全集》，第26卷，第1分册，第377页。