光學萌芽時期的科學思維與中西文明對比

高綺妮，郭政鑫，鄧浩儀，歐陽敏

(1. 華南師范大學 信息光電子科技學院，廣東 廣州 510006；2. 華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

科學發展始終處于新舊更替的過程, 科學教育的目的不僅是實現知識的復現，而是復活，賦予它溫度，提高全民的科學素養，培養具備全球視野與本土傳承責任感的高素質人才. 基于通識教育理念設計的光學史課程“光學發展與人類文明”(原名為“生活中的光學”),從光學的基本知識體系出發，通過設計光學知識、科學思維、光科學與社會文明互動等教學環節,實現科學、人文和社會的多學科、跨文化交融，致力于培養不同專業學生獲得基本光學學科常識、綜合完整的判斷能力和健全平衡人格，促進人的自由全面發展[1-3].此課程設計符合科學教育的基本理念.

根據不同發展階段光學史中光學研究的特點及與社會歷史背景的關聯性，該課程設置了“眾說有光”、“理性之光”、“光的本質”、“光、世界與未來”四個模塊.前兩個模塊的教學設計涉及光科學發展歷史的儲備階段. “眾說有光”模塊立足于古代光學萌芽時期兩千多年的發展史，包括：從古希臘到17世紀初望遠鏡發明之前的西方光學萌芽，從《墨經》光學八條到16世紀末明清西學東漸之前中國本土的光學萌芽.“理性之光”模塊對應于西方近代經典光學的幾何光學階段，以及中國明清時期西方光學器件和理論傳入后的幾何光學快速發展時期. 本論文將重點討論“眾說有光”模塊的課程設計理念、教學內容與實現等方面的積累.通過該模塊的課程教學，引導學生了解該時期不同社會文化背景下，中西方社會群體對光現象及基本問題從主觀認識向客觀理解演變的真實過程；結合典型光學發展案例，探討人類歷史早期探索自然過程中科學思維的發展、科學方法的演變等問題；從跨文化、跨學科的視角分析光學與人類文明的互動關系，思考科學與科學精神的本質，建立正確的科學觀、歷史觀與價值觀. 該模塊的教學內容可有效實現文理交融、通專結合，達到2016年國家教育事業發展“十三五規劃”對通識教育提出的要求.

1 課程設計理念

圍繞提高科學素養、培養具備全球視野與本土傳承責任感的高素質人才的教育目標，緊扣通識教育理念，“眾說有光”課程模塊從知識、科學思維、文明三個維度組織教學，如圖1.

首先，從知識的維度出發，梳理中西方光學萌芽時期的光學積累、技術進展的脈絡，實現通識教育的基礎性和補救性功能.第二，挖掘光學研究中的科學思維元素，結合中西社會、文化與科學發展的關系探究中西方科學思維之間的差異，思考引起光學發展差異性的原因和對后續光學發展的影響，實現通識教育的進階性和整合性功能. 第三是從文明的維度展示光科學廣博性和多元性特征，追蹤不同時期光學的跨學科互動事件，引領學生從人文、社會及其他自然科學學科等更廣闊的視角看待光科學發展的意義，探討與之相關的人生或社會議題，建立正確的歷史觀和價值觀. 以下將作具體闡述.

圖1 光學萌芽史的課程設計理念示意圖

2 中西方的光學研究積累

西方的光學進展[4]：以古希臘為代表，圍繞“光是什么”、“視覺如何形成”等基本問題展開探討，逐漸形成了“視線發射說”和“光線發射說”兩種視覺機制的對立觀點；在生產生活中發明使用圭表、平面鏡、凹凸面鏡和透鏡等器件，并展開相關性質的初步分析，用于太陽高度角、折射與大氣折射等自然現象的實驗研究；歐幾里德創設的幾何學理論和撰寫著作《反射光學》等，為建立光的直線傳播、反射、折射等基本原理、視覺幾何理論體系奠定了基礎.公元7-11世紀的古阿拉伯國家重視對古希臘著作的翻譯、繼承和發展，為古希臘古典著作的保存發揮了重要作用，古阿拉伯光學家伊本·海賽姆著有7本光學與視覺的奠基性作品，深入研究了反射、折射定律，對光學面鏡的成像特性作了深入分析，對人眼的結構作了詳細描述.中世紀的歐洲，光學在天文學、建筑學、宗教文化及生產生活等領域有重要應用；以威特洛、羅吉爾·培根為代表的科學家傳承阿拉伯的光學成果，并對折射規律、色散、光學鏡與人眼的成像等問題開展深入研究，為文藝復興時期光學儀器的推廣和后期幾何光學理論體系的建立奠定了基礎.

中國的光學發展[5]：從遠古到西周時代形成了對光源、視覺、成影等光現象的感性經驗，實現了圭表、反射鏡、人工聚光取火獲得光源三方面的發明，對光的反射現象有比較直觀而全面的認識.春秋戰國時期，圭表的長期應用，制鏡技術的提高，為反射、折射研究提供了物質基礎，《考工記》記載了多項實用光學技術知識,《韓非子》記錄了影戲的發明和幻燈的雛形；這一時期最顯著的光學成就是墨家通過實驗對投影、小孔成像、平/凹/凸三類反射鏡的成像及基本原理等典型幾何光學問題的綜合研究，《墨經》光學八條表述成為世界上最早的幾何光學理論概括.秦漢到五代時期的一系列典籍中，零散記錄了面鏡透鏡用于取火、組合鏡成像特性和制鏡技術，對光的折射、反射規律的認識達到了一定的科學思想水平，對視覺相關現象的研究，對光的色散、衍射、日月食、虹霓、冷光等自然現象的成因展開討論，但相關典籍不是純粹的科學著作.宋元時期是中國古代科學技術發展的高峰，沈括的《夢溪筆談》集合了對小孔成像、陽燧(凹面反射鏡)成像原理、凹凸鏡成像放大規律、透光鏡原理展開了深入討論，對虹霓和海市蜃樓現象作出解釋；趙友欽的《革象新書》記錄了中世紀最大型、最周全的光學實驗“小罅光景”，對光線直線傳播、小孔成像和照度原理展開細致分析；程大昌在《演繁露》記錄了日食觀測的光學知識、對晶體或液滴色散現象的認識；幻燈、影戲、磷光物質作畫成為了當時社會的時尚.中國古代的光學萌芽發展并不落后，但未能形成光學的系統理論總結或專著.

綜上所述，中西方在自然光學現象的觀察、光學器件的發明和應用、光學問題及特性的研究等方面有許多共同議題, 但在不同的社會文化背景條件下，逐漸形成了不同的科學思維方式、研究側重點和對光學問題及規律的總結方式等.

3 光學研究中的科學思維

科學思維源于自然科學認識世界的理論和實踐過程，是一種有明確思考方向、充分思考依據，并對事物或問題進行觀察、比較、分析、綜合、抽象與概括的能力.不同的文化基因孕育了不同的科學思維方式[6]，對應的科學發展狀態也存在差異，這在古代中西方典型光學問題的研究歷程中有充分體現，進一步可總結科學研究方法演變歷程的共性，引導學生建立科學的世界觀、正確的科學觀和方法論，培養科學思考、理性分析解決問題的能力及科學探索的精神等，最終實現通識教育的進階性和整合性功能.

3.1 理性思維主導的光學發展

西方科學起源于公元前4世紀古希臘文明，蘇格拉底質疑思辨以接近真理，柏拉圖強調主觀思想的理想主義，亞里士多德的邏輯推理，歐幾里德創設了幾何學理論和建立了一套嚴謹的邏輯推理的范式，古希臘人在探究自然奧秘過程中展現了求知而不為實用的精神，使理性主義得以建立和發展，構成了現代科學探究精神的起源. 推崇實用的古羅馬帝國滿足于收集希臘前輩的研究，未能對代表希臘理智的傳統哲學(如純數學、天文學、形而上學等)理論繼承發揚. 古阿拉伯國家重視對古希臘著作的翻譯、繼承和發展，為古希臘古典著作的保存發揮了重要作用，還設立了專門用于學術交流的“智慧館”，光學家代表人物伊本·海賽姆身陷囹圄卻十年如一日的潛心光學研究的故事，深刻反映了古阿拉伯世界的社會歷史背景、科學家不懈追求真理的信念和勇氣對光學繁榮的重要意義. 古代西方光學研究中蘊含的理性思維、邏輯思維對科學傳承和構建系統的光學理論體系起到關鍵作用[4].

在典型光學問題的研究方面，西方深入到光學問題及規律的本質探討的研究和科學傳承，為下一階段幾何光學理論體系的建立奠定了基礎.以視覺幾何理論的發展為例[7]. 最初，從幾何學角度構建視線、光線模型，結合希臘神話故事認識古希臘時期視線發射說和光線發射說兩種觀點的對立與統一.其次是從幾何學原理出發，理解古希臘歐幾里德以若干幾何公設構建視覺形成的單視錐理論的創新性和嚴密的邏輯性，分析古阿拉伯金迪繼承并突破了該理論模型的局限，建立基于多視錐結構的點狀分析原則，解釋視覺圖像的整體傳遞的過程. 接著探討古阿拉伯科學家伊本·海賽姆如何借助常識、生理學、解剖學知識，整合傳承并總結出“歐幾里德—托勒密—金迪”的光學數學理論模型的事例. 最后,針對開普勒建立的視網膜成像理論，思考如何實現從感性認識上升到完整的視覺理論幾何模型的科學抽象.

3.2 形象與直覺思維主導的光學發展

中國方面，在夏商西周時期對光學知識的感性積累的基礎上，春秋時期學術百家爭鳴為科學技術的進步創造了有利條件.以重視知識、經驗和推論的墨家思想為代表，光學理論知識具備了理性科學分析雛形；但在隨后以天人合一的儒家思想為代表的文化背景下，逐漸演變為以形象思維與直覺思維為主的感性光學研究[5]、以及后期重經驗實用的科學發展狀態.

以小孔成像問題的分析為例[5,8].《墨經》“光學八條”中與小孔成像相關的光學表述中，建立了“景”(影或像)、“午”(遮光屏)、“端”(點，小孔)和“庫”(像屏)等具體自然科學概念，“煦若射”是有關光的直線傳播且速度飛快的縝密邏輯表述，“景到(倒)”給出小孔成像的切實結論，“下者之人也高,高者之人也下；足敝下光，故成景于上；首敝上光，故成景于下”充分體現了自然科學知識與實踐經驗緊密結合，具備理性科學分析的特點.唐宋時期保留了有關小孔成像問題的思考和解釋. 如唐代段成式在《酉陽雜俎》把“塔倒影”的小孔成像現象解釋為民間傳說“海影翻”的敘事表述.宋代沈括在《夢溪筆談》中把小孔成像與陽燧(凹面鏡)成像的特性作類比，利用鳶鳥經窗隙(小孔)成像時物影運動方向相反的現象作解釋，批判了前人關于“塔倒影”為“海影翻”的觀點；基于小孔和焦點的共性歸納出抽象概念“礙”，但進一步的分析轉向了對人生的“礙”的思考，這種以主觀感受反映客觀世界的感性思維方式，雖然充滿想象力和思維彈性，但未能傳承墨家學派的科學分析方式，難以實現對客觀世界的正確而系統的反映.元代趙友欽設計了小孔成像的對照組實驗[8]，改變外部環境條件和孔、光源、像距、物距等與之相關的參數觀察像的特性，基于像素疊加和光行直線的思路解釋實驗，得出 “是故小景隨光形，大景隨空之像，斷乎無可疑者”的結論，展示了推理、設計和對比觀察分析等研究方法，是理論與實驗相結合、透過表象探究本質規律的理性思想方法. 郭守敬利用小孔成像原理發明了登封觀星臺的景符.小孔成像是中國古代經久不衰的議題，后期清代方以智、鄭復光等人的著作中仍有論述.

基于中西方光學研究案例，引導學生辯證思考思維方式對科學分析、傳承和理論體系建立的重要意義，結合李約瑟難題探討近代科學產生的充要條件.教學中可分析邏輯思維和直覺思維各自的優勢，明確二者互補對培養創造性思維的重要作用，培養學生自覺使用理性思維分析問題的習慣[9].

3.3 科學研究方法的發展與構建

光學萌芽階段，圍繞典型光學案例，可直觀認識科學研究方法從早期觀察描述演變到實驗分析的發展歷程[10,11]，引導學生建立科學世界觀和方法論.

人類歷史早期通常是從自身感受出發來感知世界，對自然光現象的認識是停留在直觀描述或經驗總結，于現象的描述、經驗的總結、猜測性的思辨階段,光學知識開始是以直覺和零散的形式出現.隨后，人們探索出一種簡要的研究方法：把感性和特殊案例抽象為一般命題，通過假定某些固定的命題，利用猜測、抽象思考、推理甚至是論證等中間過程獲得結論，建立初步的理性思辨方式，但初命題的真偽直接決定了結論的正確與否.使用該研究方法對應的案例包括古希臘關于視線發射說和光線發射說的討論，古中國關于塔影倒立、光線傳播的機械性類比、凹面鏡成像、四種透鏡及成像、彩虹與色散等問題的記述分析.其次，得益于幾何學鮮明的直觀性和嚴密的邏輯演繹方法，理性思維和數理方法的結合為幾何光學模型的建立和理論的發展創造了工具.從公元前3世紀到中世紀相繼出現了各種抽象幾何光學模型，例如歐幾里德的單視錐模型、托勒密對反射折射的幾何描述、金迪的多視錐點狀分析、伊本·海賽姆結合常識和生理學建立的垂直入射原理、開普勒提出的光線在視網膜上會聚成像理論等，光現象被抽象成為面、線、點的概念，為實現從現象到本質和規律的光學研究提供條件.第四，科學家在自然界中創造新情況，利用實驗實踐過程檢驗初命題或理論的真偽，并對情況做出正確的解釋.包括托勒密有關入射折射角關系的實驗, 透鏡面鏡的制備與成像分析，笛卡爾的動物眼球解剖、晶狀體成像實驗，羅吉爾·培根的人造彩虹實驗,趙友欽的小孔成像對照組實驗，早期辛尼加的色散觀察和后期牛頓的三棱鏡實驗等.實驗方法在自然科學研究中取得穩固的地位，為后期光學系統理論的建立和全面的發展創設了條件.

4 光學對人類文明進程的影響

科學發展過程是人類認知和遵循自然規律的過程，人類文明包含所創造的物質或精神的財富，不同學科之間的交叉和發展是人類文明和社會進步的有力工具.從文明的維度出發，探討光學的跨學科議題，引導學生認識光科學的廣博性和多元性特征.

4.1 光學在時空測算領域的應用

時空認知和測算技術是自古以來人類生產生活的基本需求，通過梳理中西不同歷史時期所建立的光學相關的時空測算方法，引導學生辯證思考人文社會歷史的多樣性和自然科學規律的統一性之間的關系. 具體可從以下案例進行教學設計. 其一是從中西文化的角度出發，對比分析黃道十二宮和二十四節氣兩組概念，理解日月星辰的時空變化規律的客觀統一性. 其二是理解桿影之法測算時間季節與空間方位的基本光學原理，結合中西歷史文化特點追溯人類對原始時空認識從一根竿子到巖畫、景觀和建筑等方式的共性演變進程[12]. 中國方面，最早可追溯至《山海經》、《周禮》、《淮南子》等典籍的記錄；現存器件包括夏朝的分離圭表、西漢的一體圭表、明代的南京紫金山天文臺圭表以及現代可見的日晷；現存遺址包括山西陶寺古觀象臺，上古的良渚文化瑤山祭壇、東山嘴紅山文化祭壇，中古的東漢都城雒陽(洛陽)南郊的靈臺，元代郭守敬建立的河南登封觀星臺等. 西方的時空測算技術，早期發展涉及史前的巖畫巖石日晷、大型巨石陣遺跡，瑪雅文化的科拉科爾天文臺、E組神廟遺跡，古埃及的方尖碑，古印度圓法等； 結合人類社會歷史和日晷技術發展史，探究其在建筑學的重要地位，以及公元12～15世紀的歐洲教堂暗室日晷發展過程中光學與人類社會文化之間的密切關系.

4.2 光學與人文學科的互動

光學本屬自然科學的范疇，但現實的光不是孤立的載體，而是萬事萬物可視之前提. 課程設計引導學生了解光學的廣博性特征，探究該時期以光學為代表的自然科學學科發展與繪畫藝術、建筑美學等學科交融.如針對起源于人類描繪影子的輪廓的繪畫藝術，選擇早期不同題材、實現方法的繪畫遺跡和相關的典籍記錄進行分析，可探究人類在歷史早期自我認識的狀態、對光學原理的理解應用水平、探究世界的能力和相關的社會文化背景等議題. 對比中世紀的歐洲建筑羅馬式教堂和哥特式教堂的光學運用風格，深入理解光學如何以創新的方法、獨特的方式表現人類的主觀精神世界，喚起人類意識情感的共鳴.

以上述光學跨學科互動事件的教學設計為代表，引領學生從跨文化、多學科的廣闊視角看待光科學發展的意義，探討與之相關的人生或社會議題，思考科技發展與人類文明進步的辯證統一關系，樹立正確的歷史觀和價值觀.

5 課程教學的創新

對比傳統科學史課程，本模塊的課程設計注重科學教育和人文教育的結合，實現如下創新：在設計理念方面，在構建西方光學萌芽時期的傳統知識體系基礎上，對應展示中國古代不同時期的光學研究案例.從中西方國家的文化基因、科學思維、研究方法、跨學科技術應用等角度進行比較分析，探討以光學為代表的自然科學發展與社會歷史文化之間的關系.本模塊的教學設計注重科學性、人文性與思想性的結合，提升不同專業學生的光科學素養的同時，引導其樹立正確的歷史觀、價值觀和科學觀，培養弘揚中國文化和發展中國科技的社會責任感，可有效實現通專結合、科教融合. 在教學內容組織方面，以光學問題為導向，縱向追蹤典型光科學問題的研究和科學研究方法的演變歷程，橫向對比不同文化背景條件下產生的科學思維方式與科學研究成果的異同.在教學實施方面，第1層次是以思維導圖的形式導入，學生利用在線資源的自學初步構建本模塊光學的基本知識體系；第2層次通過案例的對比分析深化理解光學研究中的科學思維，思考社會文化背景與科學發展的關系；第3層次是廣泛了解光學的跨學科互動關系；結合2和3層次的學習收獲優化原思維導圖的設計，展示對本階段光學發展的立體理解.課程除了常規講授之外，同時設計與科學思維分析、社會問題相聯系的主題討論或者小組任務，培養學生獨立思考、批判性思維和團體合作的能力，提高學生學習積極性與參與度.接下來，我們會進一步優化現有教學設計，建設與之配套的在線教學資源庫，合理設計師生互動環節，提升課堂教學的效果. 另外，可適當融入“創新教育”元素，培養學生批判性思維和創新性思維，進一步與創新教育融合.

6 小結

本論文介紹了立足于中西方光學萌芽階段發展史的教學設計，探討不同社會文化背景下光學發展的共性與差異問題.課程從知識、科學思維和文明三個維度組織教學，在構建基本光學知識體系的基礎上，實現對光科學問題研究體系的縱向深入剖析和對不同文化社會背景的橫向對比,引導學生思考對科學傳承和理論體系發展產生影響的因素，反思科學發展的社會性和復雜性；引領學生從跨學科的角度思考自然科學與人文、社會學科之間的互動關系,培養學生具備多元思維方式、全局全球視野，建立自然、社會與科技和諧統一的科學發展觀.本設計也可作為光學專業的導論課，與課程思政建設有機結合，提升專業學生的科學精神、歷史使命感和社會責任心，更好的實現國家高等教育“雙一流”建設戰略中人才培養的要求.