科學美育的價值與化學美育例析

郭金花

摘要： 美育不僅僅限于文學、美術(shù)、音樂等課程，在科學課程中同樣可以實施美育。首先科學美是普遍存在的;其次科學美育對科學創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，對科學素養(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;最后以中學化學教學案例探討如何在中學課堂中滲透科學美育。

關(guān)鍵詞： 科學美; 科學美育; 化學美; 化學美育

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”，人們想到的幾乎都是文學、美術(shù)、音樂，好像自然科學與美學、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是嚴謹?shù)?、嚴肅的，“美”這么“風雅”的事情與理科課堂無關(guān)。因此，在教學實踐中，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》中明確說過：“那些人認為數(shù)理諸學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美，科學美育的價值是什么，如何在中學理科課堂中實施科學美育等問題。

1? 科學美的存在

到底有沒有“科學美”呢？這個問題應由科學家們來評判。在現(xiàn)代科學發(fā)展史上，許多大師級的科學家都對“科學美”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家的科學美學思想。

1.1? 彭加勒： 科學中的理智美

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

第一個層次，科學美是來自自然界的一種“和諧美”。彭加勒認為科學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，二者在科學家的創(chuàng)造過程中得到統(tǒng)一，從而顯示出科學美。

1.2? 門捷列夫： 化學元素的秩序美

眾所周知，俄國化學家門捷列夫發(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? 科學美育的價值

通過科學大師在科學研究的過程中自覺運用科學美學原理的論述，我們發(fā)現(xiàn)科學美是普遍存在的，她在科學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生進行科學美的教育。那么科學美育的價值體現(xiàn)在哪里呢？

2.1? 科學美育是培養(yǎng)科學創(chuàng)新人才的有效方法

創(chuàng)新是民族進步的靈魂。錢學森在回答自己的創(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，科學美育是培養(yǎng)科學創(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，在科學創(chuàng)新活動中，科學家往往因為追求美的形式而走向真理。英國科學家麥卡里斯特說：“現(xiàn)代科學最引人注目的特征之一就是許多科學家都相信他們的審美感覺能夠引導他們到達真理。[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，挪威卑爾根大學的數(shù)學科學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? 科學美育是實現(xiàn)科學素養(yǎng)與人文素養(yǎng)相融合的理想途徑

由于受傳統(tǒng)學科教育模式的影響，不同學科之間“雞犬之聲相聞，老死不相往來”，科學課程的主要功能是提升學生的科學素養(yǎng)，文學課程的主要功能是提升學生的文學素養(yǎng)，科學和文學像兩條平行跑道上的車，互不搭界。但是有學者預言，科學與人文的融會貫通將成為未來學術(shù)研究的潮流，并形成一種新的文化[9]。要實現(xiàn)科學素養(yǎng)與人文素養(yǎng)相融合的美好愿景，科學美育是理想的途徑之一。因為科學美學探討的是自然科學中的美學問題，其中既有科學的因素，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理論背后的瑰麗美景，也可以感受到科學家創(chuàng)造歷史中鮮為人知的追求，體驗到科學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? 科學美育的最高理想： 實現(xiàn)“真善美”統(tǒng)一的審美境界

美學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。北京大學哲學教授葉朗認為： 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]，這應成為科學美育的最高理想。

3? 科學美育在中學化學課堂中的實施

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

3.1? 化學美的內(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，性質(zhì)上的一致，規(guī)律性的不變等?；瘜W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）化學過程的對稱性，如正反應與逆反應、原電池與電解池、放熱與吸熱等[12]。

3.1.2? 守恒美

大自然是周而復始、循環(huán)往復的，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。這樣就形成了科學美學中一個特定的概念——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。在化學課堂上，要引導學生認識守恒的意義，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

化學實驗是化學家創(chuàng)造性活動的源頭?；瘜W實驗美主要表現(xiàn)在以下三個方面： （1）實驗儀器美。精美的化學實驗儀器猶如件件藝術(shù)珍品，它們是科學進步的象征，是科學創(chuàng)造的結(jié)果，凝結(jié)著古代化學工匠們、煉金術(shù)士和無數(shù)化學家的創(chuàng)造精神和審美思維，是一種美的創(chuàng)造。（2）實驗現(xiàn)象美?；瘜W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)在上述過程應具有科學、流暢、巧妙、經(jīng)濟、簡約等特點。

3.2? 化學美育案例及分析

3.2.1? 化學美育案例

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

前情概要： （1）學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？

[學生回答]略。

[講述]苯分子是一個對稱的結(jié)構(gòu)，從美學的角度來看，對稱的圖形是美的圖形。古希臘數(shù)學家畢達哥拉斯認為： 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化學的，而是學建筑的，后來在有機化學創(chuàng)始人李比希的影響下，從建筑系轉(zhuǎn)到了化學系，成了李比希的學生。他在研究有機物分子結(jié)構(gòu)時不自覺地運用了建筑學中對稱美的美學原理。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]請畫出凱庫勒式苯分子“”的所有對稱軸。

[學生畫圖]可以畫出3條對稱軸。

[設疑]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？

[學生畫圖]可能會畫出若干有意思的結(jié)構(gòu)。

[引導]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)會導致體系的能量降低，物質(zhì)更穩(wěn)定。在科學研究的過程中，很多時候“美”可以發(fā)現(xiàn)“真”，“真”也可以進一步完善“美”。同學們，我們要逐步建立科學審美觀念，掌握科學審美的方法，這對科學知識的學習以及未來的科學研究都是很重要的。

3.2.2? 化學美育案例分析

“苯分子結(jié)構(gòu)”的傳統(tǒng)教學一般都是根據(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)一下在化學課堂中滲透化學美育須注意的幾個問題：

（1） 提高學生的化學審美意識。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。在化學教學中，教師不僅要引導學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。由于學生科學美的意識十分薄弱，教師不僅要讓學生真切地感受到化學美，而且要將這些“美”明朗地表達出來，無需“羞羞答答”“遮遮掩掩”。要讓學生知道科學與文學、藝術(shù)一樣都有“美”的存在。

（2） 向?qū)W生滲透化學審美觀念。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。在化學教學中，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） 讓學生領(lǐng)悟化學審美方法。劉仲林學者把科學審美方法叫做“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，在化學教學中，要鼓勵學生大膽地想象（猜想），不怕犯錯，盡管想象得出的結(jié)論有時是錯誤的，但它卻是科學求真、求美的先導性手段。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，要求學生大膽改變凱庫勒式。學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)于科學美和科學美育的研究尚未深入到具體學科和教學實踐，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美和科學美育知之甚少，這些似乎只有科學大師們才能領(lǐng)悟的領(lǐng)域，一線教師望塵莫及。因此，科學美育的研究、實踐與普及任重而道遠。

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