科学人文教学：大学理工科教师的方法取向

韦成龙　李小松　曾纪杰　李学罡　喻小明

［摘 要］ 科学人文教学，指理工科教学必须同时运用科学的方法和人文的方法，培养大学生 的科学人文素质。科学人文素质是指大学生在科学与自然的学习、思考与探索中，逐渐形成 发展起来的科学素质与人文素质的浑沌体，这一浑沌体是个体素质的一体两面，共同构成大 学生素质结构。科学人文教学体现了一种科学人文观，包含了多方面的功能和价值，它需要 教师具有渊博的知识，且有会通创新精神。科学人文教学的理论基础在于：科学分化具有合 理性，理工科教学内容蕴含丰富的人文因素，科学人文教学过程是一个丰富人的内心世界的 过程。由此，提出了大学理工科教学的一系列方法取向。

［关键词］科学人文教学；科学人文素质；大学理工科教学； 方法

［中图分类号］G642［文献标识码］Ａ［文章编号］1672-0717（２００８）06-0042-05

一

在论述科学人文教学之前，有必要说明本文中要论述的科学人文素质。所谓科学人文素质是 指大学生在科学与自然的学习、思考与探索中，逐渐形成发展起来的科学素质与人文素质的 浑沌体，这一浑沌体是个体素质的一体两面，共同组成大学生素质结构。从教学的角度理 解 ，理工科教学与人文社会科学教学一样，既具有科学性，又具有人文性，是科学性与人文性 相统一的一种培养人的活动。

所谓科学人文教学，指理工科教学必须同时运用科学的方法和人文的方法，培养大学生的科 学人文素质。理工科教学不仅要挖掘理工科教材的科学要素或信息，而且要挖掘其人文要素 或信息，教师应该以一种自觉的方式去挖掘、透视和把握表达科学人文的信念和方法，促使 大学生在科学与自然的学习中，从科学的、理性的与逻辑的视角，体现人文，理解人文，弘 扬人文。这就是笔者理解的在理工科教学中进行科学人文教学的基本精神。其内涵包括：（ 1）科学人文教学体现了一种科学人文观。在理工科教学中，以人的价值与潜能发展为核心 ，自觉关注人的价值和全面发展。从人与自然、自然与社会的整体角度，挖掘自然科学中的 人文思想与生命意义，关注人文的各个方面的科学人文信念。使教学既符合科学又要符合 人性发展，使理工学生发展呈现一幅丰满的和谐的发展图景。（2）理工科课程及其教学 包含了多方面的功能和价值。它一方面具有养成科学精神的价值，说科学人文教学体现一种 科 学人文观，决不是放弃理工科教学的科学精神的培养，即理工科教学必须按照自然 科学的研究方法和思维方式，使学生具备解决问题的能力，实现大学生“能做事”的目标； 另一方面，大学培养出的理 工人才不能只 是具备某种技术性的专业知识，更重要的是要有爱国情操、高尚人格，具有人文社会科学素 养。（3）科学人文教学需要教师具有渊博的知识，且有会通创新精神。教育家梅贻琦193 1年就任清华大学校长时说：“大学者，非谓有大楼之谓也，有大师之谓也。”大学理工科 教 师不同于一般的行业专家。大学的理工科教学在培养人才上，除应适当地技术化，还应充分 地 人文化和社会化。理工科教学如果只是注重应用性知识，而置科学精神和人文价值于不顾， 这是“谋食 ”而非“谋道”的办法^[1]。大学如果只是为学生“谋食”，其要求 未免太低。大学在于“谋道 ”，即追求真理、光大学术、推进科学。因此，大学理工科教 学要求教 师知识渊博，具有在理工科教学中融入人文精神的能力。

总之，理工科教学应该是在科学人文观的指导下，整体地把握与透视理工科教学的人文性质 ，而不是固守传统理工科教学中的机械的、彼此分割的以客观知识为主要任务的分析框架， 其主要目的是 引 导学生学会做人做事(包含了处理人与人、人与自然、人与社会的关系)。大学理工科教 学决不能自然科学化，否则就意味着理工科教学的死亡。

二

笔者之所以在理工科学生教学中提出科学人文教学，并实践这一命题，主要基于如下理由。

一是科学分化具有合理性^{[2］(P57-61)}。虽然科学分化带来了学科之间以及科学认 识的隔阂，科学知 识的分割、隔离和神秘化导致了它的非人化倾向和科学为人类带来的奴役或致死的可能 性^[3]。但是，我们无法否认科学分化具有合理性的事实。因为，知识增 长促进作 为知识分类体系的学科分化几乎是一个规律。而知识增长方式的转变也推动了作为知识劳动 组织的 学科的产生和发展。同样，科学分化过程中，作为知识分类体系的学科和作为知识劳动组织 的学科的分化促进知识增长，尤其作为知识劳动组织的学科是知识传播、应用、创造的集约 化组织。 因此，通识教育并不否认科学分化的合理性，因为它能保持知识的可持续创新，增强知识的 “集 团创造力^[4]”。所以，只有在承认学科分化合理性的基础上进行的教学才是有意 义的┙萄А＊

当前理工科学生的人文素养不能完全依靠通识课程教学来完成，因为完全依靠通识课程教学 的弊端明显：(1)开设的课程缺乏深度与可探索性。由于通识课程不是一个学科领域中 的专业课程，一般被视为专业课程以外的附加课程。所以，难以受到师生重视。(2)难以进 行教学评价与管理。由于通识课程在师生眼中不是主课，学生选择课程的主要目的是为了混 到学分， 并非真正对它有兴趣。教师也因为通识课程地位不高，一般上课走人，其教学缺少师生互动 。(3)学生学习时间被冲得支离破碎。虽然通识课程五花八门，但因流于肤浅，难以达到 教 学目标，学生最终只是学习到些鸡毛蒜皮。显然，完全依靠通识课程完成学生人文素质培养 的任务，的确过于乐观，是一种极端功能主义。

二是理工科教学内容蕴含丰富的人文因素。笔者在理工科教学中研究发现，理工科课程中 有如下科学人文因素：美学的理解性；文化和历史的阐释性；实证性和逻辑推理性；应用的 价值性；与生命、宇宙与社会的联系性；对世界未来的预见性等。这些科学人文因素不仅扩 大了理工科的教学领域，而且 体现了文化的混沌统一性，并且使理工科教学体现出一定深度。它不仅有利于发展学生的批 判能力、审 美兴趣、阐释能力和理解能力，而且在启发、培养学生对个体与社会及宇宙的联系、人类价 值的思考、创造性思维等方面具有重要意义。这些因素体现了学科之间知识的广度与深 度的统一，具有很 强的融合性质，是当前理工科教育走出困境的希望之一^{[2］(P57-61)}。

过去我们普遍认为，理工科教学内容与人文社会科学教学内容是彼此独立甚至是互相对立的 两个范畴，导致了一种以传授理工科知识和技术为主要任务和根本目的的教育理念和 技术系统。结果把理工科教学内容抽象化、孤立化，并将之规定为固定性的、客观的、对象 性的知识系统或课程体系，只要一个人学习了这些理工科系统知识或课程，他就是一个理工 素质完善的人。殊不知，理工科知识技能与人文知识本是互相包融的，将理工科知识与 人文知 识分离将使学科壁垒的界线更加“严密”，结果必然导致理工科教学中科学人文 教学文化的缺损，把理工科学生束缚在自然科学的规范化知识技能框架内，刻意地追求其知 识的效率和标准，如此，教学就成了一种封闭的、对知识机械加工的过程。

三是科学人文教学过程是一个丰富人的内心世界的过程。过去的理工科教学，片面地追 逐其 功利价值，忽视甚至排斥其促进个人自身完善的非功利价值。似乎理工科教学的唯一目的就 是为了“有用”，只有能达到“有用”目的的教学才是有用的，否则就是空疏或无用。 然而，学习 并不仅仅是为了外在的“有用”，它还有丰富人的精神生活的内在价值，而且学习本身也是 一个能使人获得乐趣和享受的过程^[5]。

科学人文教学主要追求两个主要目标：首先是“有用”，即要使大学生成为高素质的现代化 人才或 劳动者，这仍然是理工科教学追求的重要目标；其次是享受，主要指对精神财富的享受。成 为 一个优秀的劳动者是大学生作为未来人才的基本属性，但不能仅仅把大学生作为劳动力和“ 工具”来培养，理工科教学要关注作为劳动者的人的发展，马克思关于人的全面发展学说就 非 常注重人的精神享受能力的发展，以及人的“丰富的个性”发展和人的自我完善。教学必须 “培养 社会的人的一切属性，并且把他作为尽可能具有丰富多彩的属性和联系的人，因而具有尽可 能广 泛需要的人生产出来——把他作为尽可能完整的和全面的社会产品生产出来”^{[6］(P2 92)}。“因为 要有多方面的享受，他就必须是具有高度文明的人”^[6］(P293)。人不仅仅是劳动 力，人也不仅仅 是为劳动而生活的，劳动只是人的生活的一部分。因此，作为劳动力的发展只是人的发展的 一个方面，人要有丰富多彩的生活，他就应该有丰富多彩的发展。而且，如果 仅仅把人 作为劳动力来培养，也很难造就出高质量的人才。教学要与学习者的生活世界、个体需要与 潜能发展紧密联系起来。诺贝尔物理学奖获得者李政道博士曾说，科学与人文的共同基础 是人 类的创造力，它们追求的目标是真理的普遍性。追求科学与人文之间的关联的均衡，是人的 创造力的本能需求。因此，如何将学生的这种潜在的本能发掘出来，是现代大学的重要任务 。而将科学与人文人为地割裂开来，却想在各学科领域中培养出卓越人才，显然是困难的 、难以想象的。

三

笔者在多年的教学实践中，一直努力探索着力学系列课程进行科学人文教学的途径，主要有 以下几点做法：

一是以数学知识为切入点，培养学生的逻辑思维能力。力学系列课程中材料力学是以实验 为 基础的分析变形体力学的唯象理论。这就注定了它不像理论力学那样依赖于数学的逻辑推 理，有些地方会给初学者以说理性不充分、逻辑性不强的错觉。为此教师应不 失时机地引导学生从数理逻辑的角度去理解材料力学中的概念，分析其中的问题。如对弯 曲梁中 必存在中性层这一推断，就可以结合高等数学中的罗尔定理加以推理：一个连续(变形)函数 ，从正(拉伸)到负(压缩)，必经过零(不伸缩层：中性层)。这样既可以帮助学生理解中性层 的概 念，又可以培养学生运用所学数学知识分析问题的能力。又如，在讲到扭转轴的合理截面 选择时 ，虽然可加以定性说明，但如能引入定量分析方法，应用数学工具加以严格证明，就更 具说服力。教师在教学实践中可引导学生证明这样的命题：材料、截面积及扭矩均相同的矩 形、 正方形、实心圆截面和空心圆截面，哪种截面形状哪种最合理，哪种最不合理；以及 按合理 程度排出次序。再比如，在讲解梁在两个相互垂直平面内同时弯曲时，需要确定最大合成弯 矩发生的截面位置。如果两个平面内的弯矩图均是直线，教师可引导学生证明这样的命题： 中间任一截面的合成弯矩的数值都将位于直线两端截面合成弯矩数值之间。这样一方面可打 消学 生在求最大合成弯矩发生的截面位置时的疑惑，另一方面又锻炼了学生运用数学工具分析问 题的能力。

二是以力学基本知识为切入点，培养学生思维的严谨性与灵活性。力学课程中的一些概念、 原理看起来比较简单，但学生因为未能深入地理解这些内容，往往只能靠死记硬背来掌握 它们。教师如果能够引导学生从更深层次上分析和理解这些内容，就有可能使学生创造性 地运用 这些概念、原理以及公式去分析和解决复杂的工程实际问题。例如，“功的互等定理”以及 相关的“位移互等定理”，一般只涉及集中力和集中力偶以及线位移和角位移。笔者在讲授 这部分内容时，通过讲解、具体问题的课堂讨论的方式，使学生认识和理解什么是“互等定 理”， 以及怎样应用互等定理，然后通过对解决实际问题的课堂测试以及课外作业，引导学生深化 对于“互等 定理”的理解，使他们认识到“互等定理”中的“力”是广义的：它不仅仅是集中力和集中 力偶，而且可以是沿长度方向分布的力，也可以是沿面积上分布的力；同时，“位移”也是 广义的 ：它可以是线位移和角位移，也可以是面积和体积。广义力和广义位移的概念，大大地拓宽 了学生的思路，扩大了其所能解决问题的领域。又如 “小摆动理论”是“非线性摆动理论 ” 的 线性化结果，一般的教学过程只介绍相关的线性微分方程及其解答，而对于“小摆动”中的 “ 小”到底有多小、线性解相对于精确解的误差有多大等一些工程中必须回答的问题则很少涉 及。笔者在教学过程中通过线性结果和二阶近似结果，分别与应用Metalab算出的结果相比 较，得到两种 近似结果与精确解在不同角度的误差。这样，不仅使学生认识到线性结果的近似性，而且使 他们掌握了提高摆动理论精确度的途径和方法，培养了学生思维的严谨性。

与理论力学以质点和刚体为研究对象不同，材料力学的研究对象为变形体。很多刚体力学 原理及方法不能简单地应用到变形体中。例如，理论力学中力的可传性原理以及力线平 移定理就不能应用到变形体力学中。因为无论是哪一种力的移动方式，都将改变内力的分布 ，从而使应力和变形也随之改变，这一点学生不难看出；但是令学生难以理解的是，在用叠 加法 求梁的变形时，经常将外力在梁上平行移动，这样一来还就改变了对梁的作用了吗?教 师在这里应告诉学生：如不考虑某段梁的变形，就相当于将此段梁视为刚体，而根据理论力 学刚体静力学中的力线平移定理，在刚体上的力是可以按平移定理平移的，而不会改变作用 效果。这样讲解即解除了学生的疑惑，又培养了学生思维的严谨性，还为以后分析构 件的组合变形时外力的简化扫清了┱习。

三是以力学史为切入点，培养学生的科学人文精神。在理工科教学过程中，教师适当地引入 与教 学内容有关的科学发展史、科学家的故事以及知识发现的过程，有助于激励学生的学习热情 ，培养学生崇尚科学、热爱真理、感悟人生的科学人文精神。在教学实践中，这方面的切入 点较多，如笔者在讲授“梁”的理论时，介绍伽利略在实验的基础上创建了最早的“梁 ”的 理论，由于伽利略所处的时代只有脆性材料，因而他的理论我们今天看来是错误的。后来， 法国科学家纳维在全世界第一本“材料力学”著作的手抄本中依然重复着伽利略的错误，但 是两年后当这本书正式出版时，这一错误被纠正了，形成了正确的“梁”的理论。这一错误 得以纠正，是因为在这两年的时间里法国政府派纳维到英国考察悬索桥，悬索桥的材料不是 脆性材料，而是钢铁。在课上讲述这段历史，不仅加深了学生对于“梁”的理论的理解，而 且还会使学生认识到，科学的发展与时代密切相关，科学家是可以犯错误的，而真理是相对 的。又如在推导完弯曲正应力公式后，应简要介绍这一历经百年才得到的正确公式的曲折发 现过 程。此外，讲解我国古今科学家对力学的贡献，如在讲拉压胡克定律时，简单介绍东汉郑玄 发 现力与位移成正比的规律(即胡克定律)；在讲提高梁的抗弯强度的措施时，介绍北宋李 诫 发现在圆木中截取木方的合理方法；在讲强度理论时介绍我国科学家俞茂宏教授提出的 双剪强度理论，等等。这些知识同时可以增强学生的民族自豪感、自信心和爱国主义精神。

四是以力学分析为切入点，认识科学的内在美。结构工程是艺术、科学与技术的结合体。一 个好的结构不仅凝聚了睿智的科学和精湛的技术，而且本身就是一种美，一种闪耀着智慧 光芒的美。结构力学课程是为结构分析提供理论依据的，课 程中对各种结构特性的描述以及结构的受力分析，无不体现出美的含义。例如，实际的结构 是多种多样的，人们要想严格地考虑每个结构的全部细节及各部分之间的相互作用来进行分 析计 算，是不可能的，必须有意识地略去一些次要因素，采用简化的图形来代替实际结构，于是 就得到了结构的计算简图，计算简图为结构的分析奠定了基础，它体现了简洁之美。又如， 用机动法作多跨静定梁的影响线，将力学模型假想为跷跷板，求解过程概括为十四字的口诀 ：“求何撤何代以何；沿何施力位移”^[7]。它体现了抽象之美。如结构力学中定 义：凡是 做功的力统称为广义力，相应的位移统称为广义位移。这种高度概括的广义位移，包含了结 构计算中所需求解的所有位移。这种从表面纷繁杂乱的自然现象中概括出简单明了的本质规 律，展示出它的内在美。另外，在几何组织与静定性的关系上，条理非常清晰：静定结构为 几何不变无多余约束的体系；超静定结构为几何不变有多余约束的体系。概念的描述体现出 简明、严整的美，等等。通过这种在课堂上融入美学教育的元素，使学生的人文素质得到了 较大的提高。

五是以工程实例、灾难性工程事故和日常生活实践为切入点，培养学生对科学、社会与人之 间的关系的理解能力。力学与工程密切相关，力学的一些概念、原理以及公式看起来枯燥无 味，很难吸引学生的注意力。如果在讲解这些内容时能够引进相关的工程实例，情况就不一 样了。例如通过引导学生分析高层建筑为什么大都是中空的，介绍“截面惯性矩”的概念， 说明同样的横截面面积，空心截面的抗弯以及抗振动的能力优于实心截面，高层建筑采用空 心结构正是为了减小风力载荷引起的振动。又如，讲解圆轴扭转时，我们通过视频先介绍面 包和泡泡糖制造过程中所采用的搅拌机承受扭转的轴，然后再引导学生分析大型海洋风力发 电设备中叶轮轴以及水力发电设备中水轮机的主轴也都是受扭的。这样做既提高了学生的学 习兴趣，又训练了学生观察问题和解决问题的能力。

大多数工程事故特别是灾难性事故都包含力学因素。教师也可以以此作为切入点，科学 地分析发 生这些事故的原因，特别是与力学相关的原因，培养学生观察和分析实际问题的能力。例如 笔者在讲解强度问题时，介绍北美一座高层建筑在施工过程发生坍塌的过程和机理后，从力 学上分析坍塌的原因：在结构和施工设计中，错误地将承受偏心载荷的悬挂楼板的螺栓当作 承受轴向载荷。又如，我们在介绍剪切问题时，介绍了国外一座百货公司主楼，由于在施工 的过程中，错误地省略了楼板与立柱连接的柱帽，使连接处楼板承受的剪应力大大增加，从 而导致结构坍塌。这些内容的引入，为学生的学习带来良好的效果。

此外，针对日常生活和生产实践中有很多与力学有关的知识(如青年学生普遍爱好体 育运动)，教师可以此为切入点，引导学生用材料力学的方法去分析和解决体育运动中与力 学有关的问题。在讲拉压杆内力时，首先鼓励学生凭直觉判断拔河 比赛中的 绳索哪一部分最易拉断，然后再让学生从绳索内的内力分布出发，分析为什么会是此段易断 ，以使学生掌握分析拉压杆的内力的截面法。在介绍提高梁的抗弯强度的措施时，教 师可请学生注意观察标准双杠的中跨长度与外伸部分长度之比值，并引导学生用所学知识解 释设计成这一比值的道理何在，以使学生掌握梁的合理设计的方法。在介绍自由落体 冲击时，教师可给出跳水中跳板的几何及物理参数，鼓励学生按所学的自由落体冲击的知识 ，对跳板的动应力及动位移作出初步的估计，以期使学生掌握自由落体冲击下的弹性结构强 度和刚度的分析┓椒ā＊

六是以材料前沿科技知识为切入点，拓宽学生的专业视野。机械类材料 力学主要研究对象是 传统的金属材料。然而，随着新技术尤其是纳米技术的迅猛发展，涌现出了各种新材料，找 到适当的切入点，向学生介绍材料科学的重大成果，不仅是力学教师份内的事，也是学生专 业学习的必然 要求。如在讲解应力的单位时，除了介绍Pa、kPa、MPa、GPa外，亦可向学生说明，计量某 些纳米材料(如碳纳米 管的应力)时，还需用到更大的单位TPa。如讲解伸长率时，可向学生简要介绍纳米 铜的惊人的超级延展性，其可拉长至原长的50倍仍不出现裂纹。

总之，在教学中，教师不应该仅仅满足于传授书本上的知识，还应以力学系列课程为载体， 善于发现知识与人、知识与社会的关系，从中着力培养学生的“科学人文素质”。

［参考文献］

［１］罗天虎.高校人才培养要注重人文教育与科学教育的融合［J］.西北工业 大学学报(社会科学版) 2005，（3）：76．

［2］唐松林，于德介.如何维护教育的通识教育本质［J］.中国地质大学学报，2008，（ 5）：57-61．

［3］薛现林.影响科学认识的因素研究［J］．河北师范大学学报(哲学社会科学版)，200 3，(6)：45-46．

［4］宣勇，钱佩忠.知识增长与学科发展的关系探析［J］.大学•研究与评价，2007，（ 4)：21．

［5］扈中平，教育目的应定位于培养“人”［Ｊ］．北京大学教育评论，2004，（3）： 24-29．

［6］马克思，恩格斯.马克思恩格斯全集(46卷•上）［Ｍ］．北京:人民出版社, 1972．

［7］武际可，隋允康. 力学史与方法论［M］. 北京：中国林业出版社，2003.170－177．

(责任编辑 黄建新)

Scientific and Humanities Teaching: the Method Orientation

of Science Teachers in University

—Taking Mechanics Teaching as an Example

WEI Cheng-long1, LI Xiao-song2, ZENG Ji-jie2, LI Xue-gang 3,YU Xiao-ming3

(1. Office of Institute, Hunan Institute of Science and Engineering, Yuey ang, Hunan 414000 China;

2. Department of Mechanical and Electrical Engineering, HunanInstitute of Science and Engineering, Yueyang, Hunan 414000 China;

3. College of Bridge and Structural Engineering, Changsha University of Science& Technology, Changsha, Hunan 410076, China))Abstract:Scientific and humanistic teaching refers to foste r students' qualityof science and humanities by using the method of science and humanities. Scienti fic and humanistic quality is a mixture of science and humanities, which are for med and developed gradually when studying and thinking. Meanwhile it is the twosides of an individual quality. It embodies a scientific and humanistic viewpoin t, which contains various function and value, and needs teachers to possess exte nsive knowledge and original spirit. The theoretical basis of scientific and hum anities teaching is the reasonable scientific differentiations and the human fac tors in science and engineering teaching. Scientific and humanities teaching isalso a process of enriching one's inner world. As a result, the paper brings for ward a series methods of science and engineering teaching in university.

Key words:scientific and humanistic teaching; scientific and hum anistic quality; science and engineering teaching; method