學(xué)習(xí)科學(xué)史的意義

PAGEPAGE6學(xué)習(xí)科學(xué)史的意義吳國盛2004年03月30日今天，不大可能有人問科學(xué)有什么用了。約四百年前，科學(xué)的作用遠(yuǎn)未像今天這樣彰顯，但英國哲學(xué)家弗蘭西斯·培根提出了“知識就是力量”這樣一句膾炙人口的名言。近代自然科學(xué)已經(jīng)一步步向世人顯示了這句名言的真理性。其實，這位哲人還有另外一句關(guān)于知識的名言同樣值得引用：“讀史使人明智?！痹诳茖W(xué)已經(jīng)無孔不入地滲透在人類生活各個層面的今天，我們不再對身邊的科學(xué)表現(xiàn)出驚奇，甚至已經(jīng)對科學(xué)無動于衷，而恰恰在此時，我們需要回顧科學(xué)的歷史，因為讀史使人明智，閱讀科學(xué)的歷史可以使科學(xué)時代的人們變得深思熟慮、深謀遠(yuǎn)慮?？茖W(xué)是引人入勝的學(xué)習(xí)科學(xué)史可以增加自然科學(xué)教學(xué)的趣味性，科學(xué)史有助于理科教學(xué)。歷史故事總是使課堂教學(xué)變得有趣。我們在兒時誰沒有聽過幾個科學(xué)家的傳奇故事？阿基米德在浴盆里發(fā)現(xiàn)了浮力定律后，大喊大叫著跑上街道，赤身裸體地告訴每一個人他終于發(fā)現(xiàn)了；伽利略為了證明落體定律，把一個木球和同樣大小的一個鐵球從比薩斜塔上扔下，結(jié)果是同時著地的，于是反駁了亞里士多德派哲學(xué)家認(rèn)為重者先落的理論；牛頓在一個炎熱的午間躺在一棵蘋果樹下思考行星運動的規(guī)律，結(jié)果一個熟透了的蘋果掉下來打中了他，使他茅塞頓開發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律；瓦特在外祖母家度假，有一天他偶然發(fā)現(xiàn)燒水壺的壺蓋被正在沸騰的開水所掀動，結(jié)果發(fā)明了蒸汽機……這類科學(xué)傳奇故事確實誘發(fā)了兒童對神奇的科學(xué)世界的向往。但我們也應(yīng)該看到，能夠誘發(fā)兒童熱愛科學(xué)、向往科學(xué)事業(yè)的傳奇故事，對于正規(guī)的理科課程學(xué)習(xí)并不見得有很大的幫助。倒是相反，某些以訛傳訛的傳奇故事對于深入理解科學(xué)理論還是有害的。傳奇故事往往過于強調(diào)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的偶然性、機遇性，使人們?nèi)菀缀雎钥茖W(xué)發(fā)現(xiàn)的真實歷史條件和科學(xué)工作的極端艱苦性。除了傳奇之外，科學(xué)史所能告訴人們的科學(xué)思想的邏輯行程和歷史行程，對學(xué)習(xí)科學(xué)理論肯定是有益的。當(dāng)我們開始學(xué)習(xí)物理學(xué)時，常常為那些與常識極為格格不入的觀念而煩惱，這時候，如果了解一下這些物理學(xué)觀念逐步建立的歷史，接受這些觀念就變得容易多了?？茖W(xué)家們并不是一開始就這樣“古怪”地思考問題，他們建立“古怪的”科學(xué)概念的過程很好理解而且引人入勝。以“運動”為例。物體為什么會運動呢？希臘大哲亞里士多德說，運動有兩種，一是天然運動，一是被迫運動。輕的東西有“輕性”，如氣、火，它們天然地向上走；重的東西有“重性”，如水、土，天然地向下跑。這是天然運動，是由它們的本性決定的。世間萬物都向往它們各自的天然位置，有各歸其所的傾向，這個說法我們是容易理解的。輕的東西的天然處所在上面，重的東西的天然處所在下面，在“各歸其所”的傾向支配下，它們自動地、出自本性地向上或向下運動。一旦物體到達(dá)了自己的天然位置，就不再有運動的傾向了，這時候只有外來的力才能迫使物體運動，這樣的運動是被迫運動。地面上物體的運動都是受迫運動，因為它們已經(jīng)達(dá)到了最低處所。受迫運動依賴于外力，外力一旦消失，受迫運動也就停止了。亞里士多德關(guān)于運動的這些觀念當(dāng)時從常識的角度似乎覺得很自然，很有道理，可是近代物理學(xué)恰恰首先要破除這些觀念?！斑\動”觀念上的變革首先是由伽利略做出的。伽利略從一個邏輯推理開始批評亞里士多德的理論。他設(shè)想一個重物（如鐵球）與一個輕物（如紙團(tuán)）同時下落。按亞里士多德的理論，當(dāng)然是鐵球落得快，紙團(tuán)落得慢，因為較重物含有更多的重性?，F(xiàn)在，伽利略設(shè)想把重物與輕物綁在一起下落會發(fā)生什么情況。一方面，綁在一起的兩個物體構(gòu)成了一個新的更重的物體，因此，它的速度應(yīng)該比原來的鐵球還快，因為它比鐵球更重；但另一方面，兩個不同下落速度的物體綁在一起，快的物體必然被慢的物體拖住而不再那么快，同時，慢的物體也被快的物體所帶動比從前更快一些，這樣，綁在一起的兩個物體最終達(dá)到一個平衡速度，這個速度比原來的鐵球速度小，但比原來紙團(tuán)速度大。究竟哪種說法更合理呢？各有各的道理！但它們之間卻不一致。伽利略據(jù)此推測落體速度與其重量有關(guān)系的說法值得懷疑，從邏輯上講，解決這個矛盾的惟一途徑是：下落速度與重量無關(guān)，所有物體的下落速度都相同?？茖W(xué)的進(jìn)步并不完全是靠邏輯推理取得的，伽利略這位近代實驗科學(xué)精神的創(chuàng)造者，并未滿足于邏輯推理，而是繼續(xù)做了斜面實驗。他發(fā)現(xiàn)，落體的速度越來越快，是一種勻加速運動，而且加速度與重量無關(guān)；他還發(fā)現(xiàn)，斜面越陡，加速度越大，斜面越平，則加速度越小，在極限情況下，斜面垂直，相當(dāng)于自由下落，不同物體的加速度是一樣的。當(dāng)斜面完全水平時，加速度為零，這時一個運動物體就應(yīng)該是沿直線永遠(yuǎn)運動下去。斜面實驗表明，物體運動的保持并不需要力，需要力的是物體運動的改變。這是一個重大的觀念更新！伽利略沒有能夠直接對落體運動進(jìn)行實驗，因為當(dāng)時準(zhǔn)確的計時裝置還未出現(xiàn)。伽利略發(fā)現(xiàn)擺的等時性時是用自己的脈搏計時的，足可以說明當(dāng)時科學(xué)儀器的缺乏。斜面可以使物體下落的加速度減小，因而可以對其進(jìn)行觀測，在此基礎(chǔ)上，伽利略最終用“思想實驗”由斜面的情形推到自由落體和水平運動的情形。所謂的比薩斜塔實驗是沒有根據(jù)的，因為在伽利略本人的著作里并沒有提到這件事情。這個關(guān)于“運動問題”的科學(xué)史故事，對讀者深入學(xué)習(xí)牛頓力學(xué)知識是有好處的，因為在回顧這個觀念更替的過程中，我們自己的觀念也不知不覺地發(fā)生了改變，這比直接從概念、定律和公式出發(fā)去學(xué)習(xí)牛頓力學(xué)當(dāng)然要生動有趣得多，而且印象也深刻得多。追究科學(xué)史的作用，使我們有必要在“知道”（Knowing）和“理解”（Understanding）之間做出區(qū)別。為了掌握一門科學(xué)知識，我們大多不是從閱讀這門學(xué)科的歷史開始，相反，我們從記住一大堆陌生的符號、公式、定律開始，然后是在教師和課本的示范下，反復(fù)做各種情形下的練習(xí)題，直至能把這些陌生的公式、定律靈活運用到處理各種情況為止。但我們真地“理解”這些知識嗎？那可不一定。我知道一位非常年輕的大學(xué)生，他高考