科學之美、科學美感及其教學相關概念

壹、科學之美與科學美感

科學是探究世界的規律並加以分析應用的一門學科，雖然科學不如自然景物具有直 觀普遍的美，但科學卻有啟迪智性、追求真理、觸動人心的理性、知性之美，甚至，其 美麗與帶給人的感動更勝於感官所能體會的美，法國科學家彭加勒(Jules Henri Poincaré，

1854~1912)曾說：

科學家研究自然，並非因為它有用處；他研究它，是因為他喜歡它，他之所以喜歡它，是因 為它是美的。如果自然不美，就不值得知；若自然不值得知，人生就不值得活。～彭加勒（引 自李醒民，1994）

由這段話可得知，科學家們之所以研究科學，是因為科學具有一種不假外求的美，這樣 的美使科學家深受吸引並由衷喜愛，於是有了科學研究與探索。彭加勒認為科學美來源於自 然美，然而，科學美並不侷限在自然美，他所謂的科學美不單指透過感官所直接感受到的美，

他的看法是（引自汪信硯，1994）：

我在此講的不是激發感官的美，那是形與質的美；我不會貶抑這種美，絕不會，但這種美與科學 無關。我指的是那種深邃的美，這種美在於各個部分的和諧秩序，並且純理智能夠把握它。正是 這種美使物體也可以說使結構具有讓我們感官滿意的彩虹一般的外表，沒有這種支持，這些倏忽 即逝的夢幻之美結果就是不完美的，因為它是模糊的、總是短暫的（引自汪信硯，1994）。

在彭加勒看來，科學美像自然美一樣，也是科學家探究科學的動機，他所謂「深邃的美」， 如汪信硯（1994）所言：「由於感官僅能認識事物的現象或外表，只有理性才能把握自然界的 內在規律，因而科學美實際上是一種『理性美』。」英國哲學家斯賓塞曾說，一滴水對普通人 來說不過是一個水滴而已，可是物理學家瞭解它裡面所包含的分子數以億萬計；隱藏在其間

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的能量釋放出來猶如閃電驚雷（張相輪、凌繼堯，1990）。另外，費曼(Richard Feynman, 1918-1988)也有類似的看法，他說花的美麗並不限於肉眼所見的型態，除了外在的美，科學 家還可以想像花的細胞和內部運作的過程，以及更多值得探究的問題。科學家所提出的問題，

使人除了欣賞花朵迷人美麗的外表，也能瞭解花朵內在的作用與深層的美感，對它更加喜愛 與讚嘆，能夠增添花的吸引力和神秘感。

科學美是科學定律中支配著物質結構的深層次的美（凌繼堯，2007），科學之美源於大自 然，但科學之美並非只指自然景色（外在之美），更重要是指科學智慧之美（內在之美）。大 自然裡數不盡的美麗，危立的山崖、浩瀚的雲海、晶瑩的寶石、寧靜的綠野、瑰麗的彩霞、

燦爛的星斗…等，當然是美的，但科學研究並不只是專注於事物外在、表面的形象，也注重 瞭解科學的本質與內涵、洞悉自然界的規律，是屬於內在、抽象的美。科學之美表現在對自 然界或科學理論、科學成果的理解和欣賞，由於科學研究者在理性瞭解科學對象、理論或實 驗，並能以感性欣賞其結構的完滿性、系統性和秩序性，因而對於科學真誠地熱愛，達到理 性與感性的和諧，體驗到美的的情感，獲得美感經驗。

在古希臘時期，畢達哥拉斯(Pythagoras BC570- BC490) 已領悟到科學之美，畢達哥拉斯 學派中的數學家、天文學家、物理學家們，認為宇宙中所發生的自然現象皆具有美的性質，

提出了「美是和諧與比例」（王恭志，1999）。其後的亞里斯多德(Aristotle BC384- BC322)對 科學美的視野則超出了數學領域，例如，在天文學中，運用歸納法和演繹法證明地球是一個 球形天體；在生物學中，發現從低等植物到高等動物和人，各種生物形成一個連續的階梯，

從而看到了生物界中的和諧秩序；在數學中，「3」是一個最完美的數，因為它表示具有超始、

中間和末尾三個階段的一個和諧整體（汪信硯，1994）。

至於近代科學史上，亦經常可發現科學之美的存在，例如，愛因斯坦曾稱讚玻爾所提出 的原子中的電子殼層模型及其定律是「思想領域中最高的音樂神韻」，也曾驚嘆美國著名實驗 家邁克爾遜的莫雷實驗，其「所使用方法的精湛」和「實驗本身的優美」；而愛因斯坦著名的

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相對論則被不少科學家譽為物理學中最美的一個理論，認為它「像一個被人遠遠觀賞的藝術 作品」；玻爾茲曼則把麥克斯韋關於氣體動力學的論文當作神奇壯美的交響樂來欣賞（陳祥明，

2003）。

不論古代或近代，美在科學中確實存在著，許多科學家都曾在各自的科學實踐活動中切 身地感受、體驗和發現科學之美，使得科學家們欣賞、追求並創造科學美，如楊振寧（1988）

所言：「科學中存在美，所有的科學家都有這種感受（引自汪信硯，1994）。」由此可見，科 學中蘊含美的因子，科學界對科學之美的肯定是不容懷疑的。

至於科學之美的本質，如果從主觀角度來看，科學之美是科學對象及活動引起主體美感 的體驗；從客觀角度分析，則科學之美是科學對象及相關活動中所顯現的形式美及結構美。

這兩種觀點都某種程度地反映了科學之美的屬性，卻未能完整表達科學之美的本質，以下根 據學者（汪信硯，1994；林樹聲、任宗浩、李哲迪，2007；王靜義，2005；張相輪、凌繼堯，

1990）的資料從本體論、認識論和心理學三個層面來談論科學之美：

一、 就本體論的角度而言

科學之美不僅限於自然之美，自然之美其實是在科學之美範圍內的「科學研究對象的美」

之中。本體論意義上的美即是「科學研究對象的美」，這一層面上的科學美是容易被感知的，

因為科學研究的對象首先即是自然世界。自然界中的萬事萬物，無論是日月星辰、花草鳥獸、

山河岩石，或是透過儀器設備所觀察到的行星運行軌道、人體結構、血液循環、顯微鏡下的 微生物，其外在形式（如：色彩、聲音、律動、秩序、結構…等）對一般人而言，或許不一 定是美的，但在科學家的眼中卻有吸引人的特質。例如，糞金龜不像蝴蝶、蜜蜂或蜻蜓等外 表美麗的昆蟲受人青睞和喜愛，甚至一般人根本無視牠們的存在，著名昆蟲學家法布爾 (Jean-Henri Fabre, 1823-1915)卻肯定牠們天生的使命，從物理學的角度，為人們說明牠們的貢 獻，因為這些小生物辛勤埋下的糞料成為肥料，滋養土地，幫助萬物生生不息。

科學家透過觀察與實驗，在科研對象上發現其和諧結構、對稱形式或新奇性質，以揭示

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自然的奧秘、反映自然的規律。英國詩人布萊克(William Blake, 1757-1827)曾說：「To see a world in a grain of sand, And a heaven in a wildflower, Hold infinity in the palm of your hand, And eternity in an hour. 」（張熾恆，2007）從一粒細微的沙粒，可以窺見宇宙的浩瀚；從一朵平 凡的花朵，可以發現美妙的天堂。科學家的慧眼敏銳地觀察，從一粒沙中，發現許多的微小 生物在裡頭，在一朵花裡，看到宇宙在花心形成的美。例如，昆蟲學家研究昆蟲眼睛的結構、

物理學家研究針尖上原子的排列…等，即使是日常生活中毫不起眼或微不足道的小東西，科 學家也能從中發現其美麗與樂趣。

二、從認識論的角度而言

這一層面上的科學美主要包括「科學實驗的美」和「科學理論的美」：

（一）科學實驗的美

科學實驗的美，是指科學家設計精緻新穎的實驗器具和裝置、高超巧妙的實驗技術和方 法，並克服種種困難，發明出色的科學技術，或獲得重大的科學發現。例如，楊振寧曾舉過 一個測量虹和霓的弧度的實驗，虹是42°的弧，紅在外，紫在內；霓是50°的弧，紅在內，紫 在外，他說：「我想任何一個做了這個測量的人，都會覺得這是一個很美的事情。」因為實驗 者在測量過程中窺到了虹和霓的美的形態中包含的奧秘。另外，如德國物理學家維恩曾稱讚 俄國科學家列別捷夫測量光壓的實驗是「極其美妙的」，認為他高超的實驗藝術是無與倫比的

（引自王靜義，2005）。

而科學家經由實驗的過程及其成果中，有了新的發現，甚至是重要的發明，這樣的實驗 往往使科學家由衷地感到喜悅，獲得深沈的美感。例如，英國化學家戴維在運用巧妙實驗製 出金屬鉀並證明鉀具有金屬導電性後，激動得面色蒼白，幾乎停止了呼吸，興奮地在實驗室 裡跳起舞來，高喊著：「太妙了！太妙了！（張相輪、凌繼堯，1990）」。又如居里夫婦第一次 在世界上成功地提煉了一克鐳，面對著這種富於光澤的銀白色結晶體，驚喜之情溢於言表，

鐳的美麗顏色和動人光芒，是他們一生中所能見到的神仙世界般的奇美無比的獨特景觀，彷

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彿進入奇幻的世界（引自汪信硯，1994）。

（二）科學理論的美

科學理論是由科學意象的符號化來表達的，如數學表達式在科學形象的構成中具有普遍 性，對於從事科學研究的人來說，數學符號是重要的甚至是主要的思維媒介。科學理論如果 能運用嚴密的數學運算或邏輯推演，概括出簡單、明晰、嚴密的定理、定律、公式或方程式 等，以此來解釋科學事實，那麼，這樣的理論可謂是一個美的科學理論。例如，楊振寧認為 牛頓的運動方程、麥克斯韋方程、愛因斯坦的狹義與廣義相對論方程、狄拉克方程、海森堡 方程等方程式「用了非常濃縮的語言，把宇宙之間包羅萬象的物理現象都準確地描述了」，「像 詩一樣具有深意」（引自汪信硯，1994）。而物理學界公認愛因斯坦1915年提出的廣義相對論

「漂亮」，就是因為它只用一條方程式就涵蓋了重力理論與運動律的全部，不只說明牛頓力理 論所不能說明的現象，還經得起後來的許多觀察與實驗的考驗（劉源俊，2003）。另外，如太

「漂亮」，就是因為它只用一條方程式就涵蓋了重力理論與運動律的全部，不只說明牛頓力理 論所不能說明的現象，還經得起後來的許多觀察與實驗的考驗（劉源俊，2003）。另外，如太