科學人文教學：大學理工科教師的方法取向

韋成龍　李小松　曾紀杰　李學罡　喻小明

［摘 要］ 科學人文教學，指理工科教學必須同時運用科學的方法和人文的方法，培養大學生 的科學人文素質。科學人文素質是指大學生在科學與自然的學習、思考與探索中，逐漸形成 發展起來的科學素質與人文素質的渾沌體，這一渾沌體是個體素質的一體兩面，共同構成大 學生素質結構。科學人文教學體現了一種科學人文觀，包含了多方面的功能和價值，它需要 教師具有淵博的知識，且有會通創新精神。科學人文教學的理論基礎在于：科學分化具有合 理性，理工科教學內容蘊含豐富的人文因素，科學人文教學過程是一個豐富人的內心世界的 過程。由此，提出了大學理工科教學的一系列方法取向。

［關鍵詞］科學人文教學；科學人文素質；大學理工科教學； 方法

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］Ａ［文章編號］1672-0717（２００８）06-0042-05

一

在論述科學人文教學之前，有必要說明本文中要論述的科學人文素質。所謂科學人文素質是 指大學生在科學與自然的學習、思考與探索中，逐漸形成發展起來的科學素質與人文素質的 渾沌體，這一渾沌體是個體素質的一體兩面，共同組成大學生素質結構。從教學的角度理 解 ，理工科教學與人文社會科學教學一樣，既具有科學性，又具有人文性，是科學性與人文性 相統一的一種培養人的活動。

所謂科學人文教學，指理工科教學必須同時運用科學的方法和人文的方法，培養大學生的科 學人文素質。理工科教學不僅要挖掘理工科教材的科學要素或信息，而且要挖掘其人文要素 或信息，教師應該以一種自覺的方式去挖掘、透視和把握表達科學人文的信念和方法，促使 大學生在科學與自然的學習中，從科學的、理性的與邏輯的視角，體現人文，理解人文，弘 揚人文。這就是筆者理解的在理工科教學中進行科學人文教學的基本精神。其內涵包括：（ 1）科學人文教學體現了一種科學人文觀。在理工科教學中，以人的價值與潛能發展為核心 ，自覺關注人的價值和全面發展。從人與自然、自然與社會的整體角度，挖掘自然科學中的 人文思想與生命意義，關注人文的各個方面的科學人文信念。使教學既符合科學又要符合 人性發展，使理工學生發展呈現一幅豐滿的和諧的發展圖景。（2）理工科課程及其教學 包含了多方面的功能和價值。它一方面具有養成科學精神的價值，說科學人文教學體現一種 科 學人文觀，決不是放棄理工科教學的科學精神的培養，即理工科教學必須按照自然 科學的研究方法和思維方式，使學生具備解決問題的能力，實現大學生“能做事”的目標； 另一方面，大學培養出的理 工人才不能只 是具備某種技術性的專業知識，更重要的是要有愛國情操、高尚人格，具有人文社會科學素 養。（3）科學人文教學需要教師具有淵博的知識，且有會通創新精神。教育家梅貽琦193 1年就任清華大學校長時說：“大學者，非謂有大樓之謂也，有大師之謂也。”大學理工科 教 師不同于一般的行業專家。大學的理工科教學在培養人才上，除應適當地技術化，還應充分 地 人文化和社會化。理工科教學如果只是注重應用性知識，而置科學精神和人文價值于不顧， 這是“謀食 ”而非“謀道”的辦法^[1]。大學如果只是為學生“謀食”，其要求 未免太低。大學在于“謀道 ”，即追求真理、光大學術、推進科學。因此，大學理工科教 學要求教 師知識淵博，具有在理工科教學中融入人文精神的能力。

總之，理工科教學應該是在科學人文觀的指導下，整體地把握與透視理工科教學的人文性質 ，而不是固守傳統理工科教學中的機械的、彼此分割的以客觀知識為主要任務的分析框架， 其主要目的是 引 導學生學會做人做事(包含了處理人與人、人與自然、人與社會的關系)。大學理工科教 學決不能自然科學化，否則就意味著理工科教學的死亡。

二

筆者之所以在理工科學生教學中提出科學人文教學，并實踐這一命題，主要基于如下理由。

一是科學分化具有合理性^{[2］(P57-61)}。雖然科學分化帶來了學科之間以及科學認 識的隔閡，科學知 識的分割、隔離和神秘化導致了它的非人化傾向和科學為人類帶來的奴役或致死的可能 性^[3]。但是，我們無法否認科學分化具有合理性的事實。因為，知識增 長促進作 為知識分類體系的學科分化幾乎是一個規律。而知識增長方式的轉變也推動了作為知識勞動 組織的 學科的產生和發展。同樣，科學分化過程中，作為知識分類體系的學科和作為知識勞動組織 的學科的分化促進知識增長，尤其作為知識勞動組織的學科是知識傳播、應用、創造的集約 化組織。 因此，通識教育并不否認科學分化的合理性，因為它能保持知識的可持續創新，增強知識的 “集 團創造力^[4]”。所以，只有在承認學科分化合理性的基礎上進行的教學才是有意 義的┙萄А＊

當前理工科學生的人文素養不能完全依靠通識課程教學來完成，因為完全依靠通識課程教學 的弊端明顯：(1)開設的課程缺乏深度與可探索性。由于通識課程不是一個學科領域中 的專業課程，一般被視為專業課程以外的附加課程。所以，難以受到師生重視。(2)難以進 行教學評價與管理。由于通識課程在師生眼中不是主課，學生選擇課程的主要目的是為了混 到學分， 并非真正對它有興趣。教師也因為通識課程地位不高，一般上課走人，其教學缺少師生互動 。(3)學生學習時間被沖得支離破碎。雖然通識課程五花八門，但因流于膚淺，難以達到 教 學目標，學生最終只是學習到些雞毛蒜皮。顯然，完全依靠通識課程完成學生人文素質培養 的任務，的確過于樂觀，是一種極端功能主義。

二是理工科教學內容蘊含豐富的人文因素。筆者在理工科教學中研究發現，理工科課程中 有如下科學人文因素：美學的理解性；文化和歷史的闡釋性；實證性和邏輯推理性；應用的 價值性；與生命、宇宙與社會的聯系性；對世界未來的預見性等。這些科學人文因素不僅擴 大了理工科的教學領域，而且 體現了文化的混沌統一性，并且使理工科教學體現出一定深度。它不僅有利于發展學生的批 判能力、審 美興趣、闡釋能力和理解能力，而且在啟發、培養學生對個體與社會及宇宙的聯系、人類價 值的思考、創造性思維等方面具有重要意義。這些因素體現了學科之間知識的廣度與深 度的統一，具有很 強的融合性質，是當前理工科教育走出困境的希望之一^{[2］(P57-61)}。

過去我們普遍認為，理工科教學內容與人文社會科學教學內容是彼此獨立甚至是互相對立的 兩個范疇，導致了一種以傳授理工科知識和技術為主要任務和根本目的的教育理念和 技術系統。結果把理工科教學內容抽象化、孤立化，并將之規定為固定性的、客觀的、對象 性的知識系統或課程體系，只要一個人學習了這些理工科系統知識或課程，他就是一個理工 素質完善的人。殊不知，理工科知識技能與人文知識本是互相包融的，將理工科知識與 人文知 識分離將使學科壁壘的界線更加“嚴密”，結果必然導致理工科教學中科學人文 教學文化的缺損，把理工科學生束縛在自然科學的規范化知識技能框架內，刻意地追求其知 識的效率和標準，如此，教學就成了一種封閉的、對知識機械加工的過程。

三是科學人文教學過程是一個豐富人的內心世界的過程。過去的理工科教學，片面地追 逐其 功利價值，忽視甚至排斥其促進個人自身完善的非功利價值。似乎理工科教學的唯一目的就 是為了“有用”，只有能達到“有用”目的的教學才是有用的，否則就是空疏或無用。 然而，學習 并不僅僅是為了外在的“有用”，它還有豐富人的精神生活的內在價值，而且學習本身也是 一個能使人獲得樂趣和享受的過程^[5]。

科學人文教學主要追求兩個主要目標：首先是“有用”，即要使大學生成為高素質的現代化 人才或 勞動者，這仍然是理工科教學追求的重要目標；其次是享受，主要指對精神財富的享受。成 為 一個優秀的勞動者是大學生作為未來人才的基本屬性，但不能僅僅把大學生作為勞動力和“ 工具”來培養，理工科教學要關注作為勞動者的人的發展，馬克思關于人的全面發展學說就 非 常注重人的精神享受能力的發展，以及人的“豐富的個性”發展和人的自我完善。教學必須 “培養 社會的人的一切屬性，并且把他作為盡可能具有豐富多彩的屬性和聯系的人，因而具有盡可 能廣 泛需要的人生產出來——把他作為盡可能完整的和全面的社會產品生產出來”^{[6］(P2 92)}。“因為 要有多方面的享受，他就必須是具有高度文明的人”^[6］(P293)。人不僅僅是勞動 力，人也不僅僅 是為勞動而生活的，勞動只是人的生活的一部分。因此，作為勞動力的發展只是人的發展的 一個方面，人要有豐富多彩的生活，他就應該有豐富多彩的發展。而且，如果 僅僅把人 作為勞動力來培養，也很難造就出高質量的人才。教學要與學習者的生活世界、個體需要與 潛能發展緊密聯系起來。諾貝爾物理學獎獲得者李政道博士曾說，科學與人文的共同基礎 是人 類的創造力，它們追求的目標是真理的普遍性。追求科學與人文之間的關聯的均衡，是人的 創造力的本能需求。因此，如何將學生的這種潛在的本能發掘出來，是現代大學的重要任務 。而將科學與人文人為地割裂開來，卻想在各學科領域中培養出卓越人才，顯然是困難的 、難以想象的。

三

筆者在多年的教學實踐中，一直努力探索著力學系列課程進行科學人文教學的途徑，主要有 以下幾點做法：

一是以數學知識為切入點，培養學生的邏輯思維能力。力學系列課程中材料力學是以實驗 為 基礎的分析變形體力學的唯象理論。這就注定了它不像理論力學那樣依賴于數學的邏輯推 理，有些地方會給初學者以說理性不充分、邏輯性不強的錯覺。為此教師應不 失時機地引導學生從數理邏輯的角度去理解材料力學中的概念，分析其中的問題。如對彎 曲梁中 必存在中性層這一推斷，就可以結合高等數學中的羅爾定理加以推理：一個連續(變形)函數 ，從正(拉伸)到負(壓縮)，必經過零(不伸縮層：中性層)。這樣既可以幫助學生理解中性層 的概 念，又可以培養學生運用所學數學知識分析問題的能力。又如，在講到扭轉軸的合理截面 選擇時 ，雖然可加以定性說明，但如能引入定量分析方法，應用數學工具加以嚴格證明，就更 具說服力。教師在教學實踐中可引導學生證明這樣的命題：材料、截面積及扭矩均相同的矩 形、 正方形、實心圓截面和空心圓截面，哪種截面形狀哪種最合理，哪種最不合理；以及 按合理 程度排出次序。再比如，在講解梁在兩個相互垂直平面內同時彎曲時，需要確定最大合成彎 矩發生的截面位置。如果兩個平面內的彎矩圖均是直線，教師可引導學生證明這樣的命題： 中間任一截面的合成彎矩的數值都將位于直線兩端截面合成彎矩數值之間。這樣一方面可打 消學 生在求最大合成彎矩發生的截面位置時的疑惑，另一方面又鍛煉了學生運用數學工具分析問 題的能力。

二是以力學基本知識為切入點，培養學生思維的嚴謹性與靈活性。力學課程中的一些概念、 原理看起來比較簡單，但學生因為未能深入地理解這些內容，往往只能靠死記硬背來掌握 它們。教師如果能夠引導學生從更深層次上分析和理解這些內容，就有可能使學生創造性 地運用 這些概念、原理以及公式去分析和解決復雜的工程實際問題。例如，“功的互等定理”以及 相關的“位移互等定理”，一般只涉及集中力和集中力偶以及線位移和角位移。筆者在講授 這部分內容時，通過講解、具體問題的課堂討論的方式，使學生認識和理解什么是“互等定 理”， 以及怎樣應用互等定理，然后通過對解決實際問題的課堂測試以及課外作業，引導學生深化 對于“互等 定理”的理解，使他們認識到“互等定理”中的“力”是廣義的：它不僅僅是集中力和集中 力偶，而且可以是沿長度方向分布的力，也可以是沿面積上分布的力；同時，“位移”也是 廣義的 ：它可以是線位移和角位移，也可以是面積和體積。廣義力和廣義位移的概念，大大地拓寬 了學生的思路，擴大了其所能解決問題的領域。又如 “小擺動理論”是“非線性擺動理論 ” 的 線性化結果，一般的教學過程只介紹相關的線性微分方程及其解答，而對于“小擺動”中的 “ 小”到底有多小、線性解相對于精確解的誤差有多大等一些工程中必須回答的問題則很少涉 及。筆者在教學過程中通過線性結果和二階近似結果，分別與應用Metalab算出的結果相比 較，得到兩種 近似結果與精確解在不同角度的誤差。這樣，不僅使學生認識到線性結果的近似性，而且使 他們掌握了提高擺動理論精確度的途徑和方法，培養了學生思維的嚴謹性。

與理論力學以質點和剛體為研究對象不同，材料力學的研究對象為變形體。很多剛體力學 原理及方法不能簡單地應用到變形體中。例如，理論力學中力的可傳性原理以及力線平 移定理就不能應用到變形體力學中。因為無論是哪一種力的移動方式，都將改變內力的分布 ，從而使應力和變形也隨之改變，這一點學生不難看出；但是令學生難以理解的是，在用疊 加法 求梁的變形時，經常將外力在梁上平行移動，這樣一來還就改變了對梁的作用了嗎?教 師在這里應告訴學生：如不考慮某段梁的變形，就相當于將此段梁視為剛體，而根據理論力 學剛體靜力學中的力線平移定理，在剛體上的力是可以按平移定理平移的，而不會改變作用 效果。這樣講解即解除了學生的疑惑，又培養了學生思維的嚴謹性，還為以后分析構 件的組合變形時外力的簡化掃清了┱習。

三是以力學史為切入點，培養學生的科學人文精神。在理工科教學過程中，教師適當地引入 與教 學內容有關的科學發展史、科學家的故事以及知識發現的過程，有助于激勵學生的學習熱情 ，培養學生崇尚科學、熱愛真理、感悟人生的科學人文精神。在教學實踐中，這方面的切入 點較多，如筆者在講授“梁”的理論時，介紹伽利略在實驗的基礎上創建了最早的“梁 ”的 理論，由于伽利略所處的時代只有脆性材料，因而他的理論我們今天看來是錯誤的。后來， 法國科學家納維在全世界第一本“材料力學”著作的手抄本中依然重復著伽利略的錯誤，但 是兩年后當這本書正式出版時，這一錯誤被糾正了，形成了正確的“梁”的理論。這一錯誤 得以糾正，是因為在這兩年的時間里法國政府派納維到英國考察懸索橋，懸索橋的材料不是 脆性材料，而是鋼鐵。在課上講述這段歷史，不僅加深了學生對于“梁”的理論的理解，而 且還會使學生認識到，科學的發展與時代密切相關，科學家是可以犯錯誤的，而真理是相對 的。又如在推導完彎曲正應力公式后，應簡要介紹這一歷經百年才得到的正確公式的曲折發 現過 程。此外，講解我國古今科學家對力學的貢獻，如在講拉壓胡克定律時，簡單介紹東漢鄭玄 發 現力與位移成正比的規律(即胡克定律)；在講提高梁的抗彎強度的措施時，介紹北宋李 誡 發現在圓木中截取木方的合理方法；在講強度理論時介紹我國科學家俞茂宏教授提出的 雙剪強度理論，等等。這些知識同時可以增強學生的民族自豪感、自信心和愛國主義精神。

四是以力學分析為切入點，認識科學的內在美。結構工程是藝術、科學與技術的結合體。一 個好的結構不僅凝聚了睿智的科學和精湛的技術，而且本身就是一種美，一種閃耀著智慧 光芒的美。結構力學課程是為結構分析提供理論依據的，課 程中對各種結構特性的描述以及結構的受力分析，無不體現出美的含義。例如，實際的結構 是多種多樣的，人們要想嚴格地考慮每個結構的全部細節及各部分之間的相互作用來進行分 析計 算，是不可能的，必須有意識地略去一些次要因素，采用簡化的圖形來代替實際結構，于是 就得到了結構的計算簡圖，計算簡圖為結構的分析奠定了基礎，它體現了簡潔之美。又如， 用機動法作多跨靜定梁的影響線，將力學模型假想為蹺蹺板，求解過程概括為十四字的口訣 ：“求何撤何代以何；沿何施力位移”^[7]。它體現了抽象之美。如結構力學中定 義：凡是 做功的力統稱為廣義力，相應的位移統稱為廣義位移。這種高度概括的廣義位移，包含了結 構計算中所需求解的所有位移。這種從表面紛繁雜亂的自然現象中概括出簡單明了的本質規 律，展示出它的內在美。另外，在幾何組織與靜定性的關系上，條理非常清晰：靜定結構為 幾何不變無多余約束的體系；超靜定結構為幾何不變有多余約束的體系。概念的描述體現出 簡明、嚴整的美，等等。通過這種在課堂上融入美學教育的元素，使學生的人文素質得到了 較大的提高。

五是以工程實例、災難性工程事故和日常生活實踐為切入點，培養學生對科學、社會與人之 間的關系的理解能力。力學與工程密切相關，力學的一些概念、原理以及公式看起來枯燥無 味，很難吸引學生的注意力。如果在講解這些內容時能夠引進相關的工程實例，情況就不一 樣了。例如通過引導學生分析高層建筑為什么大都是中空的，介紹“截面慣性矩”的概念， 說明同樣的橫截面面積，空心截面的抗彎以及抗振動的能力優于實心截面，高層建筑采用空 心結構正是為了減小風力載荷引起的振動。又如，講解圓軸扭轉時，我們通過視頻先介紹面 包和泡泡糖制造過程中所采用的攪拌機承受扭轉的軸，然后再引導學生分析大型海洋風力發 電設備中葉輪軸以及水力發電設備中水輪機的主軸也都是受扭的。這樣做既提高了學生的學 習興趣，又訓練了學生觀察問題和解決問題的能力。

大多數工程事故特別是災難性事故都包含力學因素。教師也可以以此作為切入點，科學 地分析發 生這些事故的原因，特別是與力學相關的原因，培養學生觀察和分析實際問題的能力。例如 筆者在講解強度問題時，介紹北美一座高層建筑在施工過程發生坍塌的過程和機理后，從力 學上分析坍塌的原因：在結構和施工設計中，錯誤地將承受偏心載荷的懸掛樓板的螺栓當作 承受軸向載荷。又如，我們在介紹剪切問題時，介紹了國外一座百貨公司主樓，由于在施工 的過程中，錯誤地省略了樓板與立柱連接的柱帽，使連接處樓板承受的剪應力大大增加，從 而導致結構坍塌。這些內容的引入，為學生的學習帶來良好的效果。

此外，針對日常生活和生產實踐中有很多與力學有關的知識(如青年學生普遍愛好體 育運動)，教師可以此為切入點，引導學生用材料力學的方法去分析和解決體育運動中與力 學有關的問題。在講拉壓桿內力時，首先鼓勵學生憑直覺判斷拔河 比賽中的 繩索哪一部分最易拉斷，然后再讓學生從繩索內的內力分布出發，分析為什么會是此段易斷 ，以使學生掌握分析拉壓桿的內力的截面法。在介紹提高梁的抗彎強度的措施時，教 師可請學生注意觀察標準雙杠的中跨長度與外伸部分長度之比值，并引導學生用所學知識解 釋設計成這一比值的道理何在，以使學生掌握梁的合理設計的方法。在介紹自由落體 沖擊時，教師可給出跳水中跳板的幾何及物理參數，鼓勵學生按所學的自由落體沖擊的知識 ，對跳板的動應力及動位移作出初步的估計，以期使學生掌握自由落體沖擊下的彈性結構強 度和剛度的分析┓椒ā＊

六是以材料前沿科技知識為切入點，拓寬學生的專業視野。機械類材料 力學主要研究對象是 傳統的金屬材料。然而，隨著新技術尤其是納米技術的迅猛發展，涌現出了各種新材料，找 到適當的切入點，向學生介紹材料科學的重大成果，不僅是力學教師份內的事，也是學生專 業學習的必然 要求。如在講解應力的單位時，除了介紹Pa、kPa、MPa、GPa外，亦可向學生說明，計量某 些納米材料(如碳納米 管的應力)時，還需用到更大的單位TPa。如講解伸長率時，可向學生簡要介紹納米 銅的驚人的超級延展性，其可拉長至原長的50倍仍不出現裂紋。

總之，在教學中，教師不應該僅僅滿足于傳授書本上的知識，還應以力學系列課程為載體， 善于發現知識與人、知識與社會的關系，從中著力培養學生的“科學人文素質”。

［參考文獻］

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［7］武際可，隋允康. 力學史與方法論［M］. 北京：中國林業出版社，2003.170－177．

(責任編輯 黃建新)

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