阿基米德的創新思維、科學研究方法和科學思想研究

胡義嘎

（赤峰學院 物理與電子信息工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

1 引言

當今世界，需要更多更好的科學發現和技術創新.為此，廣大科技工作者能夠很好地學習和繼承前人的科學思想、創新思維和科學研究方法的基礎上，形成自己的科學思想、創新思維和科學研究方法，才能取得更多更好的科學發現和技術創新.創新思維是指對事物間的聯系進行前所未有的思考，從而創造出新事物的思維方法，是一切具有嶄新內容的思維形式的總和.創新思維的形式多種多樣，主要有：延伸式思維、擴展式思維、聯想式思維、運用式思維、逆向式思維、幻想式思維、奇異式思維、綜合式思維等.科學研究方法是指從事科學研究所遵循的、有效的、科學的研究方式、規則及程序.常見的科學研究方法包括觀察方法、試驗方法、模擬方法、科學抽象方法、理想化方法、類比法、歸納法與演繹法、分析法與綜合法、類比方法、數學方法、信息論、系統論與控制論方法、科學假說等等.科學思想是指：在各種特殊科學認識和研究方法的基礎上提煉出來的、能夠發現和解釋其它同類或更多事物的合理觀念和推斷法則，它對進一步的、更廣泛的科學研究和社會實踐具有導向作用.常見的科學思想包括相信物質及其規律存在的思想、追求真理的思想、開拓創新思想、辯證思考思想、理論聯系實際的思想等等.本文主要以分析發現“阿基米德原理”的過程為主線，探索研究阿基米德的創新思維、科學研究方法和科學思想.

2 阿基米德及其主要科研成果

古希臘是世界文明的發源地之一.公元前，希臘出現過許多著名的學者，他們的學說或發明，對于科學的發展和人類社會的進步起過極其重要的作用.阿基米德（Archimedes,前287～前212），就是這些學者中最偉大的數學家、物理學家和發明家.阿基米德，公元前287年生于古希臘西西里島的敘拉古城,他父親菲迪阿斯是數學家和天文學家.阿基米德從小受他父親的影響，喜愛數學和天文學.11歲時，到埃及的文化中心亞歷山大城，進入歐幾里德創辦的學校，學習數學、天文學、物理學等，奠定了他日后從事科學研究的基礎.他刻苦學習和鉆研，經常幾天離不開圖書館，并發明了提水的螺桿——“阿基米德螺桿”：把一根很長的木螺桿裝在一個圓桶里，底部放在水里，上部裝在岸上，搖動木螺桿上的手柄，水就抽上來，至今還在埃及用來灌溉，在荷蘭用于沼澤地區排水.經過許多年的求學歷程回國后，阿基米德重視實踐和創新，把畢生精力獻給科學事業.主要貢獻有：創立了機械學和流體力學；發現了杠桿定律和阿基米德原理；確定了許多物體的表面積和體積的計算方法；設計了多種機械和建筑物.

公元前214年，羅馬攻打希臘.阿基米德運用科學知識制造多種先進武器，打擊侵略者.制造拋石機，將石塊拋向羅馬戰艦，或者使用發射機把矛和小石塊射向羅馬士兵，打死打傷許多羅馬士兵.制造回轉起重機抓起羅馬的戰艦，懸在空中，晃來晃去，然后拋出，落在海面上船碎人亡，落在陸地上殺死或俘虜敵軍.用多個鏡子把太陽光集中反射到敵艦的主帆上，使敵軍艦毀人亡.三年戰爭中，阿基米德發明的兵器給羅馬軍隊沉重打擊，為保衛祖國發揮重要作用.公元前212年一天的黎明，羅馬軍隊闖進敘拉古城，踢開阿基米德的房門時，靜悄悄的，毫無反響，他們以為阿基米德還在睡覺，床上沒人，只見他聚精會神地蹲在地上畫著幾何圖形，計算數學題.以至羅馬士兵沖到他跟前都沒覺察.士兵把利劍碰到他的鼻尖時，他說：“等一下殺我的頭，讓我把這條幾何定律證明完畢.可不能給后人留下一道沒有求解出來的難題呀！”兇殘的羅馬士兵不由分說，砍死了他.

3 阿基米德發現“阿基米德原理”的過程

我們現在回顧分析阿基米德發現“阿基米德原理”的過程，學習他的創新思維、科研方法和科學思想.相傳，阿基米德發現“阿基米德原理”的故事是這樣的：國王亥尼洛打算做一頂金質王冠，在大型活動上戴.一天把一位有名的工匠召進宮殿，說道：“這是足夠數量的黃金，給我做一頂漂亮的王冠.”

幾天后，工匠把做好的王冠送進王宮.王冠做得非常漂亮，國王看了十分高興.但是，大臣們在背后議論開了：“很可能只有王冠的表面是金子，而里面卻是用銀子做的”.“對，怕是工匠耍了花招.”國王聽到這些議論后，大發雷霆，命令立即把那個工匠召來，厲聲問道：“這頂王冠是用純金做的嗎？”“是的，國王陛下.不信，您稱一稱王冠的重量就知道了.”工匠回答說.于是，王冠被放到秤上稱了一下.果然，它的重量和當初工匠領的黃金重量恰好一樣.可是，大臣們又說：“陛下，工匠也許在王冠里摻進銀子，而又做到重量一樣”.“哦，也有可能.那么怎樣既不損壞王冠，又能鑒定出里面是否摻了銀呢？”國王向大臣們問道.能有辦法嗎？人們感到非常畏難.不論是那位工匠，還是大臣，只有證明自己是對的，才能免于一死.正在這時，有人說：“是不是可以找阿基米德商量一下，讓他給想想辦法？”于是，國王給阿基米德下達了這個任務.

阿基米德接受這個任務后，廢寢忘食，反復思考，過了兩個多月，還沒有想出辦法.有一天，他去街里公共浴池洗澡.木桶里放滿了熱水，當他把腿放進去時，發現：腿進去得越多，水溢出來的也越多.于是，立即聯想：“當我全身都進去時，溢出來的水多少呢？應該和我浸入水里的身體的體積一樣”忽然他從浴池里跳出來，大叫一聲：“攸勒加，攸勒加！”忘了自己裸露的身體，沒穿衣服，裸露著身體奔向街頭往家跑的同時，狂呼：“攸勒加，攸勒加！”他的奴隸（現在的服務員或公務員）拿著他的衣服在他后面緊追.當事人，經過刻苦鉆研，發現真理時精神上的興奮和快樂，一般人無法想象的.“攸勒加，攸勒加”是什么意思呢？“找到了，找到了！”那么，他找到了什么呢？啊！原來他找到了鑒定王冠真假的辦法！

阿基米德回家后，把重量相同的金塊和銀塊分別放進盛滿水的容器里，發現：銀塊排出的水比金塊排出的多得多.于是，他拿了與王冠重量相等的金塊，放進盛滿水的容器里，測出排出的水量；再把王冠放進盛滿水的容器里，看一看，排出的水是不是一樣，問題就解決了.結果，王冠排出的水比同樣重量的金塊的多.

這樣，工匠消失了，新的科學原理——“阿基米德原理”誕生了！

4 阿基米德的創新思維、科學研究方法和科學思想

我們根據阿基米德科學探索的事跡，進行分析研究，得知阿基米德的創新思維、科學研究方法和科學思想主要體現在以下方面：

（1）阿基米德運用科學知識制造阿基米德螺桿以及制造多種先進武器，這里利用了運用式思維和理論聯系實際的思想.

（2）密度是表示物質屬性的物理量，阿基米德利用運用式思維，運用密度知識，用于探索研究，把王冠的密度與黃金的密度比較的辦法來鑒定其真假.這里利用了運用式思維、比較方法和開拓創新思想.

（3）王冠的密度不能直接測量，只能用公式ρ＝m／v間接測量.王冠的質量能測量，但體積怎么測量呢？利用分散思維，把測得密度的問題分散為測得質量和體積的問題.應用轉移方法、間接測量方法（試驗方法）、代替方法，當不能直接測量密度時，轉移為間接測量質量和體積，王冠的體積用它排開的水的體積來代替.這里體現了阿基米德的辯證思考思想、理論聯系實際的思想.

（4）阿基米德通過觀察發現王冠體積無法直接測量的特點和洗澡時腿浸入水的體積與水溢出的體積有關系，這里應用了延伸式思維和觀察方法.

（5）阿基米德從觀察到他的腿進入木桶里的熱水時的排水，聯想到被排出的水的體積與腿進入水的體積相等，又聯想到王冠體積的測量.運用了聯想式思維和代替方法.

（6）阿基米德把重量相同的金塊和銀塊分別放進盛滿水的容器里，做實驗發現：銀塊排出的水比金塊排出的多得多.應用了運用式思維、奇異思維和試驗方法、比較方法和實事求是的思想.

（7）阿基米德利用水的流動性和體積不變的特性，王冠的體積用它排開的水的體積代替.這里應用了運用式思維、等量代替方法和開拓創新思想、辯證思考思想.

（8）阿基米德用一系列的試驗找到了鑒別王冠真假的辦法，利用了運用式思維、試驗方法和理論聯系實際的思想.

（9）阿基米德借助己有的知識，沿襲他人、前人的思維邏輯去探求當時未知的鑒別王冠真假的知識，將認識向前推移，從而豐富和完善原有知識體系.這里應用了延伸式思維.

（10）阿基米德探求當時未知的計算形狀不規則物體體積的知識，把計算形狀規則物體體積的知識拓廣為計算形狀不規則物體體積的知識，就是運用了擴展式思維.

（11）阿基米德在探索研究鑒別王冠真假的新知識的過程中，綜合運用了延伸式思維、聯想式思維、運用式思維、擴展式思維、奇異式思維等多種思維，就是運用了綜合式思維.

（12）阿基米德相信能找到鑒別王冠真假的辦法，并且廢寢忘食，反復思考，尋找鑒別王冠真假的辦法.體現了他相信物質及其規律存在的思想、追求真理的思想和開拓創新思想.

5 結論

通過探索研究我們已經明確，阿基米德的科學研究工作中體現的創新思維主要有：運用式思維、延伸式思維、聯想式思維、奇異思維、擴展式思維、綜合式思維；阿基米德的科學研究工作中體現的科研方法主要有：比較方法、應用轉移方法、間接測量方法（試驗方法）、代替方法、觀察方法、等量代替方法；阿基米德的科學研究工作中體現的科學思想主要有：理論聯系實際的思想、開拓創新思想、辯證思考思想、實事求是的思想、相信物質及其規律存在的思想、追求真理的思想.

〔1〕阿基米德.阿基米德全集[M].陜西科學技術出版社，1998.

〔2〕隨力祥，云君旺.古希臘偉大的科學家——阿基米德[M].農村讀物出版社，2004.

〔3〕孫洪敏.創新思維[M].上海科學技術文獻出版社，2004.

〔4〕欒玉廣.自然科學技術研究方法[M].中國科學技術大學出版社，2010.

〔5〕張憲魁.物理學方法論[M].浙江教育出版社，2007.

〔6〕林德宏.科學思想史[M].江蘇科學技術出版社，2007.