郭金花

摘要： 美育不僅僅限于文學(xué)、美術(shù)、音樂等課程，在科學(xué)課程中同樣可以實施美育。首先科學(xué)美是普遍存在的;其次科學(xué)美育對科學(xué)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，對科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)的融合，對“真善美”審美境界的形成意義重大;最后以中學(xué)化學(xué)教學(xué)案例探討如何在中學(xué)課堂中滲透科學(xué)美育。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)美; 科學(xué)美育; 化學(xué)美; 化學(xué)美育

文章編號： 1005-6629（2020）02-0034-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

審美教育關(guān)乎人的完善、社會的和諧與民族的未來。然而，談到“美育”或“美學(xué)”，人們想到的幾乎都是文學(xué)、美術(shù)、音樂，好像自然科學(xué)與美學(xué)、美育是“風馬牛不相及”的兩個截然不同的領(lǐng)域。就連理科教師自己也覺得科學(xué)是嚴謹?shù)摹烂C的，“美”這么“風雅”的事情與理科課堂無關(guān)。因此，在教學(xué)實踐中，我們幾乎聽不到理科教師在課堂上談及“美”的話題，即使談及“美”，也很有可能被認為是“嘩眾取寵”。然而，早在2000多年前，亞里士多德就曾經(jīng)在其著作《形而上學(xué)》中明確說過：“那些人認為數(shù)理諸學(xué)全不涉及美或善是錯誤的。[1]”

在這樣的背景下，有必要去研究什么是科學(xué)美，科學(xué)美育的價值是什么，如何在中學(xué)理科課堂中實施科學(xué)美育等問題。

1? 科學(xué)美的存在

到底有沒有“科學(xué)美”呢？這個問題應(yīng)由科學(xué)家們來評判。在現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展史上，許多大師級的科學(xué)家都對“科學(xué)美”抱著極大的熱忱，發(fā)表了精湛見解。下面介紹兩位著名科學(xué)家的科學(xué)美學(xué)思想。

1.1? 彭加勒： 科學(xué)中的理智美

彭加勒是世界著名的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家。他所作的《科學(xué)與方法》（1908年）是20世紀科學(xué)家論述科學(xué)美的著作中最早、最著名的。彭加勒的科學(xué)美學(xué)思想可分為兩個層次[2]：

第一個層次，科學(xué)美是來自自然界的一種“和諧美”。彭加勒認為科學(xué)家并非因為自然有用才進行研究，而是因為能從中得到愉悅，這種愉悅源于自然美。但這種自然美并不是通常我們所見的那種大自然瑰麗景色，而是一種內(nèi)在的美，它來自各部分的和諧秩序，并能為純粹的理智所領(lǐng)會。

第二個層次，科學(xué)美是“簡單美”與“浩瀚美”的辯證統(tǒng)一。彭加勒在解釋“浩瀚美”時指出：“我們喜歡探尋星體的壯觀軌道，喜歡用顯微鏡細勘那種極其細小而又浩瀚的東西，喜歡在地質(zhì)年代尋覓過去的痕跡。”然而從科學(xué)的角度看，一團亂麻的事實是不美的，而把“浩瀚”的事實分解或約化得越簡單、越容易使人了解，人們就越能從整體上、規(guī)律上把握自然。這就是科學(xué)的“簡單美”。因此，在浩瀚中尋求簡單，簡單需要有浩瀚的背景，二者在科學(xué)家的創(chuàng)造過程中得到統(tǒng)一，從而顯示出科學(xué)美。

1.2? 門捷列夫： 化學(xué)元素的秩序美

眾所周知，俄國化學(xué)家門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律。在19世紀中期的歐洲，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的元素大約有60多種，可是每一種元素都有不同的特性，化學(xué)家們感到仿佛迷失在原始森林中，找不到他們的內(nèi)在聯(lián)系。門捷列夫是一個酷愛分類、研究秩序的人，這種混亂使他簡直無法忍受。他堅信化學(xué)元素之間一定存在著某種秩序。這種秩序就是后來人們所熟知的元素周期律[3]。當“真”與“美”發(fā)生沖突時，門捷列夫選擇維護“美”。當時實驗測定的元素原子量的“真”，有些和周期表的“美”發(fā)生了矛盾。門捷列夫在“美”和“真”的沖突中，從維護周期表的完美性出發(fā)，大膽地對某些元素的原子量提出了修正。例如他根據(jù)元素的性質(zhì)相繼修正了鈹、鈾、銦、釷、鈰等元素的原子量，后經(jīng)精確的實驗測定證明門捷列夫的修正都是正確的。

2? 科學(xué)美育的價值

通過科學(xué)大師在科學(xué)研究的過程中自覺運用科學(xué)美學(xué)原理的論述，我們發(fā)現(xiàn)科學(xué)美是普遍存在的，她在科學(xué)研究中起著舉足輕重的作用。因此，我們理科教師有責任對學(xué)生進行科學(xué)美的教育。那么科學(xué)美育的價值體現(xiàn)在哪里呢？

2.1? 科學(xué)美育是培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新人才的有效方法

創(chuàng)新是民族進步的靈魂。錢學(xué)森在回答自己的創(chuàng)新人才培養(yǎng)時，曾經(jīng)做出過“將藝術(shù)與科技相結(jié)合”的回答。由此可見，科學(xué)美育是培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新人才的有效方法。

一方面，美與創(chuàng)造密不可分[4]。美的本質(zhì)是什么？張涵在《美學(xué)大觀》一書中說：“美的本質(zhì)就是人類借助自然對現(xiàn)實生活的自由創(chuàng)造。哪里有人類的創(chuàng)造，哪里就有美！[5]”另一方面，在科學(xué)創(chuàng)新活動中，科學(xué)家往往因為追求美的形式而走向真理。英國科學(xué)家麥卡里斯特說：“現(xiàn)代科學(xué)最引人注目的特征之一就是許多科學(xué)家都相信他們的審美感覺能夠引導(dǎo)他們到達真理。[6]”阿·熱在其著作《可怕的對稱》中也說：“如果有兩個都可以描述自然的方程，我們總要選擇能激起我們的審美感受的那一個。[7]”更具有說服力的是，挪威卑爾根大學(xué)的數(shù)學(xué)科學(xué)家首次通過實驗證明： 美是發(fā)現(xiàn)真理的源泉，人的直覺判斷可能受某種與美感有關(guān)的大腦機制指揮[8]。

2.2? 科學(xué)美育是實現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)相融合的理想途徑

由于受傳統(tǒng)學(xué)科教育模式的影響，不同學(xué)科之間“雞犬之聲相聞，老死不相往來”，科學(xué)課程的主要功能是提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，文學(xué)課程的主要功能是提升學(xué)生的文學(xué)素養(yǎng)，科學(xué)和文學(xué)像兩條平行跑道上的車，互不搭界。但是有學(xué)者預(yù)言，科學(xué)與人文的融會貫通將成為未來學(xué)術(shù)研究的潮流，并形成一種新的文化[9]。要實現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)相融合的美好愿景，科學(xué)美育是理想的途徑之一。因為科學(xué)美學(xué)探討的是自然科學(xué)中的美學(xué)問題，其中既有科學(xué)的因素，又有人文的因素。在這里，我們既可以欣賞到嚴謹?shù)淖匀豢茖W(xué)理論背后的瑰麗美景，也可以感受到科學(xué)家創(chuàng)造歷史中鮮為人知的追求，體驗到科學(xué)大師及其作品的藝術(shù)魅力，也可以深入體會到創(chuàng)造方法和創(chuàng)造思維的奧妙……

2.3? 科學(xué)美育的最高理想： 實現(xiàn)“真善美”統(tǒng)一的審美境界

美學(xué)家張世英說過人生有四種境界： 欲求境界、求知境界、道德境界和審美境界。其中，審美為最高境界。北京大學(xué)哲學(xué)教授葉朗認為： 審美的人生就是詩意的人生、創(chuàng)造的人生、愛的人生[10]。我們可以理解為“詩意的人生”是“美”的人生，“創(chuàng)造的人生”是“真”的人生，“愛的人生”則是“善”的人生。這里的“真”是對客觀事物的本質(zhì)、規(guī)律的正確認識，是科學(xué)創(chuàng)造（或藝術(shù)創(chuàng)造）的真實過程。創(chuàng)造的過程也是審美的過程，因為人在審美活動中總是充滿著對創(chuàng)造的追求，這就是“美”與“真”的統(tǒng)一。當一個人在充滿詩意的“美”的世界時，就會獲得一種愛的體驗，感恩的體驗，它會激勵我們?nèi)プ非笞陨淼母呱星椴?，激勵我們?nèi)ヌ嵘陨淼娜松辰?。這就是“美”與“善”的統(tǒng)一。中國現(xiàn)代美育的奠基者之一王國維認為“完全之人物，不可不具備真善美之三德”[11]，這應(yīng)成為科學(xué)美育的最高理想。

3? 科學(xué)美育在中學(xué)化學(xué)課堂中的實施

理論研究重在落實，下面以中學(xué)化學(xué)課堂為載體，在闡述化學(xué)美的內(nèi)涵之后，通過教學(xué)設(shè)計片斷探討如何在中學(xué)課堂中滲透科學(xué)美育。

3.1? 化學(xué)美的內(nèi)涵

3.1.1? 對稱美

對稱是美的重要形態(tài)。對稱美不局限于客觀事物外形的對稱，還表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)上的重復(fù)，性質(zhì)上的一致，規(guī)律性的不變等?；瘜W(xué)中的對稱性常表現(xiàn)在以下三個方面： （1）物質(zhì)結(jié)構(gòu)和形狀的對稱性，如苯分子是平面正六邊形結(jié)構(gòu)、甲烷是正四面體結(jié)構(gòu)、C60是球形結(jié)構(gòu)等;（2）物質(zhì)性質(zhì)的對稱性，如金屬性和非金屬性、極性和非極性、酸性和堿性等;（3）化學(xué)過程的對稱性，如正反應(yīng)與逆反應(yīng)、原電池與電解池、放熱與吸熱等[12]。

3.1.2? 守恒美

大自然是周而復(fù)始、循環(huán)往復(fù)的，要能實現(xiàn)這種循環(huán)，也必然要求自然界的物質(zhì)總是既不會增加，也不會減少的。這樣就形成了科學(xué)美學(xué)中一個特定的概念——守恒美，她也是自然界和諧變化的根本原因[13]?；瘜W(xué)中的守恒美主要表現(xiàn)為： 能量守恒、質(zhì)量守恒、得失電子守恒和電荷守恒等。在化學(xué)課堂上，要引導(dǎo)學(xué)生認識守恒的意義，辨別不同守恒方法的使用場合，體會運用守恒思維方法解決問題的奇妙之處。

3.1.3? 實驗美

化學(xué)實驗是化學(xué)家創(chuàng)造性活動的源頭?；瘜W(xué)實驗美主要表現(xiàn)在以下三個方面： （1）實驗儀器美。精美的化學(xué)實驗儀器猶如件件藝術(shù)珍品，它們是科學(xué)進步的象征，是科學(xué)創(chuàng)造的結(jié)果，凝結(jié)著古代化學(xué)工匠們、煉金術(shù)士和無數(shù)化學(xué)家的創(chuàng)造精神和審美思維，是一種美的創(chuàng)造。（2）實驗現(xiàn)象美。化學(xué)實驗過程中，常常伴隨著一些鮮明的現(xiàn)象，如發(fā)熱、發(fā)光、發(fā)聲、顏色的驟變和消失等，具有瞬息多變、色彩明快的直觀形象[14]。（3）實驗流程美。實驗流程包括實驗儀器和藥品的選擇、實驗方案的設(shè)計、實驗裝置的搭建、實驗過程的實施等。實驗流程美體現(xiàn)在上述過程應(yīng)具有科學(xué)、流暢、巧妙、經(jīng)濟、簡約等特點。

3.2? 化學(xué)美育案例及分析

3.2.1? 化學(xué)美育案例

下面以蘇教版《化學(xué)2》“苯”為例，嘗試在“苯分子結(jié)構(gòu)”教學(xué)片斷設(shè)計中如何滲透化學(xué)美育。

前情概要： （1）學(xué)生已在黑板上畫出若干種符合分子式C6H6的鏈狀結(jié)構(gòu)簡式。（2）演示實驗： 分別向溴水和酸性高錳酸鉀溶液中滴加苯，均未褪色。

[講述]根據(jù)苯不能使溴水和酸性高錳酸鉀溶液褪色的實驗事實，說明并非像剛才同學(xué)們畫的那樣，苯分子是含有碳碳雙鍵和碳碳叁鍵的鏈狀結(jié)構(gòu)。那么苯分子的結(jié)構(gòu)到底是怎樣的呢？這個問題困擾了德國化學(xué)家凱庫勒很長一段時間，直到有一天……

[播放視頻]凱庫勒夢見碳氫原子排成一條長蛇陣，不停地旋轉(zhuǎn)，然后自咬尾巴形成一個圓圈。他在夢境的啟發(fā)下，想出了苯分子單雙鍵交替的六元環(huán)結(jié)構(gòu)。

[設(shè)問]請大家欣賞黑板上你們自己畫的苯分子的鏈狀結(jié)構(gòu)以及凱庫勒的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，哪一個更令人賞心悅目呢？為什么？

[學(xué)生回答]略。

[講述]苯分子是一個對稱的結(jié)構(gòu)，從美學(xué)的角度來看，對稱的圖形是美的圖形。古希臘數(shù)學(xué)家畢達哥拉斯認為： 平面上最美的圖形是圓，空間里最美的圖形是球，因為圓和球有著一種絕對對稱與和諧，使整體與部分顯得十分協(xié)調(diào)與悅目。其實，凱庫勒一開始并不是學(xué)化學(xué)的，而是學(xué)建筑的，后來在有機化學(xué)創(chuàng)始人李比希的影響下，從建筑系轉(zhuǎn)到了化學(xué)系，成了李比希的學(xué)生。他在研究有機物分子結(jié)構(gòu)時不自覺地運用了建筑學(xué)中對稱美的美學(xué)原理。因此，他能想到苯環(huán)結(jié)構(gòu)，與他個人的經(jīng)歷以及長期思考是有關(guān)的。

[引導(dǎo)]請畫出凱庫勒式苯分子“”的所有對稱軸。

[學(xué)生畫圖]可以畫出3條對稱軸。

[設(shè)疑]如果我們進一步從對稱美的角度來看，其實凱庫勒式的苯分子結(jié)構(gòu)還不夠完美，因為它的苯環(huán)是單雙鍵交替的結(jié)構(gòu)，這樣苯環(huán)上的6個碳碳鍵并不是完全等價的。剛才我們只畫出3個對稱軸，而且前面的實驗事實也證明，苯分子中確實不存在碳碳雙鍵?？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn)鄰二甲苯只有一種，不存在同分異構(gòu)體，這進一步說明苯分子中不存在單雙鍵交替的結(jié)構(gòu)。如果從美學(xué)的角度思考的話，我們可以讓苯環(huán)結(jié)構(gòu)進一步趨向于完美，使其對稱軸數(shù)目增加，那么凱庫勒式可以怎樣改變呢？

[學(xué)生畫圖]可能會畫出若干有意思的結(jié)構(gòu)。

[引導(dǎo)]要使苯分子高度對稱的話，可以使凱庫勒式的3個CC和3個CC平均化，使得每一個碳碳鍵都轉(zhuǎn)化為一種介于CC和CC之間的完全等同的特殊共價鍵。可以在苯環(huán)的正六邊形內(nèi)畫一個“○”表示共價鍵的平均化。請大家再次畫出“”的對稱軸。

[學(xué)生畫圖]可畫出6條對稱軸。

[小結(jié)]從對稱軸的數(shù)目可知，“”比“”具有更高的對稱性。那么這樣一種更完美的結(jié)構(gòu)猜想是否合理呢？

[呈現(xiàn)數(shù)據(jù)]實驗測定： 苯分子中每個碳碳鍵的鍵長都是139pm，其長度介于碳碳單鍵的鍵長（154pm）和碳碳雙鍵的鍵長（135pm）之間。該實驗數(shù)據(jù)充分說明我們的猜想是合理的。

[追問]通過對苯環(huán)結(jié)構(gòu)的探究，大家得到了怎樣的啟示或有什么疑問？

[學(xué)生回答]略。

[總結(jié)]自然界的很多事物都有趨向于形成完美結(jié)構(gòu)與形態(tài)的本能，因為這樣的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致體系的能量降低，物質(zhì)更穩(wěn)定。在科學(xué)研究的過程中，很多時候“美”可以發(fā)現(xiàn)“真”，“真”也可以進一步完善“美”。同學(xué)們，我們要逐步建立科學(xué)審美觀念，掌握科學(xué)審美的方法，這對科學(xué)知識的學(xué)習以及未來的科學(xué)研究都是很重要的。

3.2.2? 化學(xué)美育案例分析

“苯分子結(jié)構(gòu)”的傳統(tǒng)教學(xué)一般都是根據(jù)實驗事實推理苯分子的凱庫勒式是不完全正確的，然后直接告訴學(xué)生苯分子的正確結(jié)構(gòu)是什么。但本案例在實驗事實的基礎(chǔ)上，從苯分子結(jié)構(gòu)對稱性角度（即美的角度），通過畫圖，結(jié)合想象與直覺，最終找到合理、富有美感的苯分子結(jié)構(gòu)。下面總結(jié)一下在化學(xué)課堂中滲透化學(xué)美育須注意的幾個問題：

（1） 提高學(xué)生的化學(xué)審美意識。審美意識是指在審美活動中，審美主體對審美對象的具體感受，即廣義的美感。在化學(xué)教學(xué)中，教師不僅要引導(dǎo)學(xué)生感受大自然的守恒美、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的對稱美、實驗儀器的精巧美、實驗裝置的和諧美、實驗現(xiàn)象的奇妙美等，更重要的是我們要能透過這些外在的“形式美”，體會化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)“美”的艱辛歷程，追求“真”的鍥而不舍的精神，感受他們?yōu)槿祟惿鐣l(fā)展做出杰出貢獻的“善”的光輝。由于學(xué)生科學(xué)美的意識十分薄弱，教師不僅要讓學(xué)生真切地感受到化學(xué)美，而且要將這些“美”明朗地表達出來，無需“羞羞答答”“遮遮掩掩”。要讓學(xué)生知道科學(xué)與文學(xué)、藝術(shù)一樣都有“美”的存在。

（2） 向?qū)W生滲透化學(xué)審美觀念。審美觀念是審美主體在審美活動中形成的關(guān)于美的認識，一經(jīng)形成就具有相對的穩(wěn)定性和獨立性。在化學(xué)教學(xué)中，可向?qū)W生滲透“美可以發(fā)現(xiàn)真”“真可以完善美”“美感是一種精神愉悅，它是超功利的”“美感不是憑空產(chǎn)生的，它的形成離不開審美活動”等審美觀念。如在上述案例中，凱庫勒發(fā)現(xiàn)苯環(huán)結(jié)構(gòu)絕對不是做夢這么簡單的事，他其實運用了建筑學(xué)中的對稱美，從而由“美”發(fā)現(xiàn)了“真”。但苯環(huán)的凱庫式并不滿足一些實驗事實，即還不夠完美，于是再次從對稱性的角度推理出了更加合理的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，從而由“真”完善了“美”。

（3） 讓學(xué)生領(lǐng)悟化學(xué)審美方法。劉仲林學(xué)者把科學(xué)審美方法叫做“臻美法”，意指“以達到美的標準為核心的推理”。這已不是傳統(tǒng)的形式邏輯，而是一種審美邏輯。如果說形式邏輯中的歸納法是由個別到一般，演繹法是由一般到個別，那么審美邏輯中的“臻美法”則是由一般到一般的推理。確切地說，是由“有缺陷、不完美的一般”到“理想的、完美的一般”的推理。這種推理不再以概念、判斷為要素，而是依靠想象、直覺和靈感。因此，在化學(xué)教學(xué)中，要鼓勵學(xué)生大膽地想象（猜想），不怕犯錯，盡管想象得出的結(jié)論有時是錯誤的，但它卻是科學(xué)求真、求美的先導(dǎo)性手段。如上述案例中為了使凱庫勒式由“不甚完美”向“更加完美”發(fā)展，要求學(xué)生大膽改變凱庫勒式。學(xué)生可能會畫出若干種不同的結(jié)構(gòu)，但每一種結(jié)構(gòu)的改變都代表了一種審美方法，都向事實或真理邁進了一大步。

現(xiàn)在，關(guān)于科學(xué)美和科學(xué)美育的研究尚未深入到具體學(xué)科和教學(xué)實踐，特別是在教育普及上困難重重，至今很難走向教科書和課堂。具體原因是人們對科學(xué)美和科學(xué)美育知之甚少，這些似乎只有科學(xué)大師們才能領(lǐng)悟的領(lǐng)域，一線教師望塵莫及。因此，科學(xué)美育的研究、實踐與普及任重而道遠。

參考文獻：

[1][3][13]徐紀敏. 科學(xué)美學(xué)思想史[M]. 長沙： 湖南人民出版社， 1987： 70～583.

[2][9][14]劉仲林. 科學(xué)臻美方法[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2002： 16～32.

[4]馬斯洛. 自我實現(xiàn)的人[M]. 上海： 三聯(lián)書店， 1987： 26.

[5]張涵. 美學(xué)大觀[M]. 鄭州： 河南人民出版社， 1986： 87.

[6]詹姆斯·W·麥卡里斯特著. 李為譯. 美與科學(xué)革命[M]. 長春： 吉林人民出版社， 2000： 108.

[7]阿·熱著. 荀坤等譯. 可怕的對稱[M]. 長沙： 湖南科學(xué)技術(shù)出版社， 1999： 9～10.

[8][10]葉朗. 美學(xué)原理[M]. 北京： 北京大學(xué)出版社， 2009： 294～444.

[11]王國維. 王國維文學(xué)美學(xué)論著集[M]. 上海： 三聯(lián)書店， 2018： 178.

[12]張玉敏. 論化學(xué)美學(xué)思維能力及其培養(yǎng)[D]. 武漢： 華中師范大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2001： 16.