科学美育的价值与化学美育例析

郭金花

摘要： 美育不仅仅限于文学、美术、音乐等课程，在科学课程中同样可以实施美育。首先科学美是普遍存在的;其次科学美育对科学创新人才的培养，对科学素养与人文素养的融合，对“真善美”审美境界的形成意义重大;最后以中学化学教学案例探讨如何在中学课堂中渗透科学美育。

关键词： 科学美; 科学美育; 化学美; 化学美育

文章编号： 1005-6629（2020）02-0034-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

审美教育关乎人的完善、社会的和谐与民族的未来。然而，谈到“美育”或“美学”，人们想到的几乎都是文学、美术、音乐，好像自然科学与美学、美育是“风马牛不相及”的两个截然不同的领域。就连理科教师自己也觉得科学是严谨的、严肃的，“美”这么“风雅”的事情与理科课堂无关。因此，在教学实践中，我们几乎听不到理科教师在课堂上谈及“美”的话题，即使谈及“美”，也很有可能被认为是“哗众取宠”。然而，早在2000多年前，亚里士多德就曾经在其著作《形而上学》中明确说过：“那些人认为数理诸学全不涉及美或善是错误的。[1]”

在这样的背景下，有必要去研究什么是科学美，科学美育的价值是什么，如何在中学理科课堂中实施科学美育等问题。

1  科学美的存在

到底有没有“科学美”呢？这个问题应由科学家们来评判。在现代科学发展史上，許多大师级的科学家都对“科学美”抱着极大的热忱，发表了精湛见解。下面介绍两位著名科学家的科学美学思想。

1.1  彭加勒： 科学中的理智美

彭加勒是世界著名的数学家和物理学家。他所作的《科学与方法》（1908年）是20世纪科学家论述科学美的著作中最早、最著名的。彭加勒的科学美学思想可分为两个层次[2]：

第一个层次，科学美是来自自然界的一种“和谐美”。彭加勒认为科学家并非因为自然有用才进行研究，而是因为能从中得到愉悦，这种愉悦源于自然美。但这种自然美并不是通常我们所见的那种大自然瑰丽景色，而是一种内在的美，它来自各部分的和谐秩序，并能为纯粹的理智所领会。

第二个层次，科学美是“简单美”与“浩瀚美”的辩证统一。彭加勒在解释“浩瀚美”时指出：“我们喜欢探寻星体的壮观轨道，喜欢用显微镜细勘那种极其细小而又浩瀚的东西，喜欢在地质年代寻觅过去的痕迹。”然而从科学的角度看，一团乱麻的事实是不美的，而把“浩瀚”的事实分解或约化得越简单、越容易使人了解，人们就越能从整体上、规律上把握自然。这就是科学的“简单美”。因此，在浩瀚中寻求简单，简单需要有浩瀚的背景，二者在科学家的创造过程中得到统一，从而显示出科学美。

1.2  门捷列夫： 化学元素的秩序美

众所周知，俄国化学家门捷列夫发现了元素周期律。在19世纪中期的欧洲，人们已经发现的元素大约有60多种，可是每一种元素都有不同的特性，化学家们感到仿佛迷失在原始森林中，找不到他们的内在联系。门捷列夫是一个酷爱分类、研究秩序的人，这种混乱使他简直无法忍受。他坚信化学元素之间一定存在着某种秩序。这种秩序就是后来人们所熟知的元素周期律[3]。当“真”与“美”发生冲突时，门捷列夫选择维护“美”。当时实验测定的元素原子量的“真”，有些和周期表的“美”发生了矛盾。门捷列夫在“美”和“真”的冲突中，从维护周期表的完美性出发，大胆地对某些元素的原子量提出了修正。例如他根据元素的性质相继修正了铍、铀、铟、钍、铈等元素的原子量，后经精确的实验测定证明门捷列夫的修正都是正确的。

2  科学美育的价值

通过科学大师在科学研究的过程中自觉运用科学美学原理的论述，我们发现科学美是普遍存在的，她在科学研究中起着举足轻重的作用。因此，我们理科教师有责任对学生进行科学美的教育。那么科学美育的价值体现在哪里呢？

2.1  科学美育是培养科学创新人才的有效方法

创新是民族进步的灵魂。钱学森在回答自己的创新人才培养时，曾经做出过“将艺术与科技相结合”的回答。由此可见，科学美育是培养科学创新人才的有效方法。

一方面，美与创造密不可分[4]。美的本质是什么？张涵在《美学大观》一书中说：“美的本质就是人类借助自然对现实生活的自由创造。哪里有人类的创造，哪里就有美！[5]”另一方面，在科学创新活动中，科学家往往因为追求美的形式而走向真理。英国科学家麦卡里斯特说：“现代科学最引人注目的特征之一就是许多科学家都相信他们的审美感觉能够引导他们到达真理。[6]”阿·热在其著作《可怕的对称》中也说：“如果有两个都可以描述自然的方程，我们总要选择能激起我们的审美感受的那一个。[7]”更具有说服力的是，挪威卑尔根大学的数学科学家首次通过实验证明： 美是发现真理的源泉，人的直觉判断可能受某种与美感有关的大脑机制指挥[8]。

2.2  科学美育是实现科学素养与人文素养相融合的理想途径

由于受传统学科教育模式的影响，不同学科之间“鸡犬之声相闻，老死不相往来”，科学课程的主要功能是提升学生的科学素养，文学课程的主要功能是提升学生的文学素养，科学和文学像两条平行跑道上的车，互不搭界。但是有学者预言，科学与人文的融会贯通将成为未来学术研究的潮流，并形成一种新的文化[9]。要实现科学素养与人文素养相融合的美好愿景，科学美育是理想的途径之一。因为科学美学探讨的是自然科学中的美学问题，其中既有科学的因素，又有人文的因素。在这里，我们既可以欣赏到严谨的自然科学理论背后的瑰丽美景，也可以感受到科学家创造历史中鲜为人知的追求，体验到科学大师及其作品的艺术魅力，也可以深入体会到创造方法和创造思维的奥妙……

2.3  科学美育的最高理想： 实现“真善美”统一的审美境界

美学家张世英说过人生有四种境界： 欲求境界、求知境界、道德境界和审美境界。其中，审美为最高境界。北京大学哲学教授叶朗认为： 审美的人生就是诗意的人生、创造的人生、爱的人生[10]。我们可以理解为“诗意的人生”是“美”的人生，“创造的人生”是“真”的人生，“爱的人生”则是“善”的人生。这里的“真”是对客观事物的本质、规律的正确认识，是科学创造（或艺术创造）的真实过程。创造的过程也是审美的过程，因为人在审美活动中总是充满着对创造的追求，这就是“美”与“真”的统一。当一个人在充满诗意的“美”的世界时，就会获得一种爱的体验，感恩的体验，它会激励我们去追求自身的高尚情操，激励我们去提升自身的人生境界。这就是“美”与“善”的统一。中国现代美育的奠基者之一王国维认为“完全之人物，不可不具备真善美之三德”[11]，这应成为科学美育的最高理想。

3  科学美育在中学化学课堂中的实施

理论研究重在落实，下面以中学化学课堂为载体，在阐述化学美的内涵之后，通过教学设计片断探讨如何在中学课堂中渗透科学美育。

3.1  化学美的内涵

3.1.1  对称美

对称是美的重要形态。对称美不局限于客观事物外形的对称，还表现为结构上的重复，性质上的一致，规律性的不变等。化学中的对称性常表现在以下三个方面： （1）物质结构和形狀的对称性，如苯分子是平面正六边形结构、甲烷是正四面体结构、C60是球形结构等;（2）物质性质的对称性，如金属性和非金属性、极性和非极性、酸性和碱性等;（3）化学过程的对称性，如正反应与逆反应、原电池与电解池、放热与吸热等[12]。

3.1.2  守恒美

大自然是周而复始、循环往复的，要能实现这种循环，也必然要求自然界的物质总是既不会增加，也不会减少的。这样就形成了科学美学中一个特定的概念——守恒美，她也是自然界和谐变化的根本原因[13]。化学中的守恒美主要表现为： 能量守恒、质量守恒、得失电子守恒和电荷守恒等。在化学课堂上，要引导学生认识守恒的意义，辨别不同守恒方法的使用场合，体会运用守恒思维方法解决问题的奇妙之处。

3.1.3  实验美

化学实验是化学家创造性活动的源头。化学实验美主要表现在以下三个方面： （1）实验仪器美。精美的化学实验仪器犹如件件艺术珍品，它们是科学进步的象征，是科学创造的结果，凝结着古代化学工匠们、炼金术士和无数化学家的创造精神和审美思维，是一种美的创造。（2）实验现象美。化学实验过程中，常常伴随着一些鲜明的现象，如发热、发光、发声、颜色的骤变和消失等，具有瞬息多变、色彩明快的直观形象[14]。（3）实验流程美。实验流程包括实验仪器和药品的选择、实验方案的设计、实验装置的搭建、实验过程的实施等。实验流程美体现在上述过程应具有科学、流畅、巧妙、经济、简约等特点。

3.2  化学美育案例及分析

3.2.1  化学美育案例

下面以苏教版《化学2》“苯”为例，尝试在“苯分子结构”教学片断设计中如何渗透化学美育。

前情概要： （1）学生已在黑板上画出若干种符合分子式C6H6的链状结构简式。（2）演示实验： 分别向溴水和酸性高锰酸钾溶液中滴加苯，均未褪色。

[讲述]根据苯不能使溴水和酸性高锰酸钾溶液褪色的实验事实，说明并非像刚才同学们画的那样，苯分子是含有碳碳双键和碳碳叁键的链状结构。那么苯分子的结构到底是怎样的呢？这个问题困扰了德国化学家凯库勒很长一段时间，直到有一天……

[播放视频]凯库勒梦见碳氢原子排成一条长蛇阵，不停地旋转，然后自咬尾巴形成一个圆圈。他在梦境的启发下，想出了苯分子单双键交替的六元环结构。

[设问]请大家欣赏黑板上你们自己画的苯分子的链状结构以及凯库勒的苯环结构，哪一个更令人赏心悦目呢？为什么？

[学生回答]略。

[讲述]苯分子是一个对称的结构，从美学的角度来看，对称的图形是美的图形。古希腊数学家毕达哥拉斯认为： 平面上最美的图形是圆，空间里最美的图形是球，因为圆和球有着一种绝对对称与和谐，使整体与部分显得十分协调与悦目。其实，凯库勒一开始并不是学化学的，而是学建筑的，后来在有机化学创始人李比希的影响下，从建筑系转到了化学系，成了李比希的学生。他在研究有机物分子结构时不自觉地运用了建筑学中对称美的美学原理。因此，他能想到苯环结构，与他个人的经历以及长期思考是有关的。

[引导]请画出凯库勒式苯分子“”的所有对称轴。

[学生画图]可以画出3条对称轴。

[设疑]如果我们进一步从对称美的角度来看，其实凯库勒式的苯分子结构还不够完美，因为它的苯环是单双键交替的结构，这样苯环上的6个碳碳键并不是完全等价的。刚才我们只画出3个对称轴，而且前面的实验事实也证明，苯分子中确实不存在碳碳双键。科学家们还发现邻二甲苯只有一种，不存在同分异构体，这进一步说明苯分子中不存在单双键交替的结构。如果从美学的角度思考的话，我们可以让苯环结构进一步趋向于完美，使其对称轴数目增加，那么凯库勒式可以怎样改变呢？

[学生画图]可能会画出若干有意思的结构。

[引导]要使苯分子高度对称的话，可以使凯库勒式的3个CC和3个CC平均化，使得每一个碳碳键都转化为一种介于CC和CC之间的完全等同的特殊共价键。可以在苯环的正六边形内画一个“○”表示共价键的平均化。请大家再次画出“”的对称轴。

[学生画图]可画出6条对称轴。

[小结]从对称轴的数目可知，“”比“”具有更高的对称性。那么这样一种更完美的结构猜想是否合理呢？

[呈现数据]实验测定： 苯分子中每个碳碳键的键长都是139pm，其长度介于碳碳单键的键长（154pm）和碳碳双键的键长（135pm）之间。该实验数据充分说明我们的猜想是合理的。

[追问]通过对苯环结构的探究，大家得到了怎样的启示或有什么疑问？

[学生回答]略。

[总结]自然界的很多事物都有趋向于形成完美结构与形态的本能，因为这样的结构会导致体系的能量降低，物质更稳定。在科学研究的过程中，很多时候“美”可以发现“真”，“真”也可以进一步完善“美”。同学们，我们要逐步建立科学审美观念，掌握科学审美的方法，这对科学知识的学习以及未来的科学研究都是很重要的。

3.2.2  化学美育案例分析

“苯分子结构”的传统教学一般都是根據实验事实推理苯分子的凯库勒式是不完全正确的，然后直接告诉学生苯分子的正确结构是什么。但本案例在实验事实的基础上，从苯分子结构对称性角度（即美的角度），通过画图，结合想象与直觉，最终找到合理、富有美感的苯分子结构。下面总结一下在化学课堂中渗透化学美育须注意的几个问题：

（1） 提高学生的化学审美意识。审美意识是指在审美活动中，审美主体对审美对象的具体感受，即广义的美感。在化学教学中，教师不仅要引导学生感受大自然的守恒美、物质结构的对称美、实验仪器的精巧美、实验装置的和谐美、实验现象的奇妙美等，更重要的是我们要能透过这些外在的“形式美”，体会化学家们发现“美”的艰辛历程，追求“真”的锲而不舍的精神，感受他们为人类社会发展做出杰出贡献的“善”的光辉。由于学生科学美的意识十分薄弱，教师不仅要让学生真切地感受到化学美，而且要将这些“美”明朗地表达出来，无需“羞羞答答”“遮遮掩掩”。要让学生知道科学与文学、艺术一样都有“美”的存在。

（2） 向学生渗透化学审美观念。审美观念是审美主体在审美活动中形成的关于美的认识，一经形成就具有相对的稳定性和独立性。在化学教学中，可向学生渗透“美可以发现真”“真可以完善美”“美感是一种精神愉悦，它是超功利的”“美感不是凭空产生的，它的形成离不开审美活动”等审美观念。如在上述案例中，凯库勒发现苯环结构绝对不是做梦这么简单的事，他其实运用了建筑学中的对称美，从而由“美”发现了“真”。但苯环的凯库式并不满足一些实验事实，即还不够完美，于是再次从对称性的角度推理出了更加合理的苯环结构，从而由“真”完善了“美”。

（3） 让学生领悟化学审美方法。刘仲林学者把科学审美方法叫做“臻美法”，意指“以达到美的标准为核心的推理”。这已不是传统的形式逻辑，而是一种审美逻辑。如果说形式逻辑中的归纳法是由个别到一般，演绎法是由一般到个别，那么审美逻辑中的“臻美法”则是由一般到一般的推理。确切地说，是由“有缺陷、不完美的一般”到“理想的、完美的一般”的推理。这种推理不再以概念、判断为要素，而是依靠想象、直觉和灵感。因此，在化学教学中，要鼓励学生大胆地想象（猜想），不怕犯错，尽管想象得出的结论有时是错误的，但它却是科学求真、求美的先导性手段。如上述案例中为了使凯库勒式由“不甚完美”向“更加完美”发展，要求学生大胆改变凯库勒式。学生可能会画出若干种不同的结构，但每一种结构的改变都代表了一种审美方法，都向事实或真理迈进了一大步。

现在，关于科学美和科学美育的研究尚未深入到具体学科和教学实践，特别是在教育普及上困难重重，至今很难走向教科书和课堂。具体原因是人们对科学美和科学美育知之甚少，这些似乎只有科学大师们才能领悟的领域，一线教师望尘莫及。因此，科学美育的研究、实践与普及任重而道远。

参考文献：

[1][3][13]徐纪敏. 科学美学思想史[M]. 长沙： 湖南人民出版社， 1987： 70～583.

[2][9][14]刘仲林. 科学臻美方法[M]. 北京： 科学出版社， 2002： 16～32.

[4]马斯洛. 自我实现的人[M]. 上海： 三联书店， 1987： 26.

[5]张涵. 美学大观[M]. 郑州： 河南人民出版社， 1986： 87.

[6]詹姆斯·W·麦卡里斯特著. 李为译. 美与科学革命[M]. 长春： 吉林人民出版社， 2000： 108.

[7]阿·热著. 荀坤等译. 可怕的对称[M]. 长沙： 湖南科学技术出版社， 1999： 9～10.

[8][10]叶朗. 美学原理[M]. 北京： 北京大学出版社， 2009： 294～444.

[11]王国维. 王国维文学美学论著集[M]. 上海： 三联书店， 2018： 178.

[12]张玉敏. 论化学美学思维能力及其培养[D]. 武汉： 华中师范大学硕士学位论文， 2001： 16.