[摘]麦克斯韦的科学文化观与教育观
麦克斯韦的科学文化观与教育观
刘丽 马力平
（合肥工业大学物理系安徽 合肥 230009）
摘要：介绍了麦克斯韦的科学文化观与教育观，展示其与我们今天大学物理教育教学理念的相似性．
关键词：麦克斯韦 电磁学 教学方法
20世纪末，英国广播公司（BBC）在世界范围内举行网上千年思想家的评选活动，评出了十大思想家，麦克斯韦(J.C.Maxwell, 1831～1879)排名第九；同时，在一家世界著名物理期刊组织的在100位著名物理学家中评选出“10位最伟大的物理学家”的活动中，麦克斯韦仅次于爱因斯坦和牛顿，名列第三［1］.他除了在数学、工程学、天文学等方面一系列的贡献外，还在光学、颜色视觉、热力学、分子运动论、统计物理学等方面成就显著；更重要的是，他是经典电磁场理论和光的电磁波理论的奠基者、开拓者，他的理论成果为现代无线电电子工业奠定了理论基础.他是理论思维的光辉典范；他严谨的科学态度和科学方法是人类宝贵的精神财富；他关于科学文化教育的观点意义深远，值得我们借鉴.
1麦克斯韦的生平
1831年6月13日麦克斯韦诞生于苏格兰爱丁堡的名门望族，自幼受到良好的教育.1841年，10岁的麦克斯韦进入爱丁堡中学，成绩出众.1846年，15岁的麦克斯韦发表了第一篇关于蛋形曲线公式的数学论文，苏格兰物理学家福布斯亲自审定，并授予皇家学会数学奖章，发表在《爱丁堡皇家学会学报》上.1847年，考入苏格兰最高学府——爱丁堡大学专攻物理和数学.麦克斯韦认为，在大学里要卓有成效地学习，除了虚心求师外，还要做到“三用”，即“用心、用脑和用手”.他说：“用心需要充满热情和愿望；用脑需要深入思考；用手需要付出巨大劳动，经常实践.”这一切为他日后攀登电磁学研究的高峰打下了坚实的基础.1850年，19岁的麦克斯韦在福布斯教授的推荐下，转到了剑桥大学，这是牛顿工作过的地方，也是达尔文的母校.科学上的明星不断从这里升起，现在又一颗明星将从这里升起.广泛的兴趣、精湛的构思和对事物寻根究底的探索精神是麦克斯韦突出的优点，但跳跃式的、不成系统的学习方式又是他致命的弱点.大学的学习需要循序渐进才能有所长进和创新.幸运的是麦克斯韦在这里遇见了著名的数学家威廉·霍普金斯；在霍普金斯的启发和指导下，麦克斯韦克服了过去杂乱的学习方式，取得了很大成绩.霍普金斯盛赞麦克斯韦是他教过的学生中最出色的一个.1854年，麦克斯韦以甲等数学优等生的第二名和史密斯奖第一名的成绩毕业并以研究员的身份留校任教.1855年成为教授，发表了他的第一篇关于电磁学的论文《论法拉第的力线》.这篇论文不仅用数学的方法把法拉第关于电流周围存在磁感线这一思想成功地概括为一个数学方程，使法拉第的学说第一次有了定量表达形式，而且包藏着麦克斯韦后来一切新思想乃至麦克斯韦方程的胚芽.因此法拉第从一开始就对它加以赞扬，在给麦克斯韦的回信中有这样一段话：“当我看到这个课题加上如此精深的数学时，起初几乎把我吓了一跳，后来却惊异地发现，这个数学加得很妙.”［2］
1856年，为了照看生病的父亲，麦克斯韦离开剑桥大学，来到了阿伯丁大学马里斯舍尔学院任自然哲学教授.在阿贝丁的4年时间内，麦克斯韦虽然暂时中断了电磁学的研究，但在其他方面取得了不少成就.在天文学方面，他发表论文《土星的光环》并荣获亚当斯奖；在分子物理学方面，他发表的论文《气体分子运动论的阐明》为统计物理学打下了坚实的基础.1860年，29岁的麦克斯韦来到伦敦，任伦敦皇家学院物理学和天文学教授.这年秋天，麦克斯韦上门拜访了年近七旬的法拉第，两人相差40岁，却一见如故，成了忘年交.谈及论文《论法拉第的力线》，法拉第说：“你不应停留于用数学来解释我的观点，而应该突破它.”［2］这句话给了麦克斯韦莫大的鼓舞，从此便以其卓越的数学才能致力于电磁学的研究.1861年他发表了第二篇电磁学论文《论物理的力线》.这是一篇划时代的论文，与7年前的第一篇比，有了质的飞跃.在这篇论文里麦克斯韦第一次预见了电磁波的存在，第一次引入了“位移电流”新概念、建立了麦克斯韦方程组，还推断了光也是一种电磁波.1865年夏，麦克斯韦完成了第三篇电磁学论文《电磁场的动力学理论》.在这篇论文中他明确提出了电磁场的概念，建立了电磁场的普遍方程，推导出了电磁波的传播速度等于光速.文章一发表就引起了整个科学界的重视.法拉第当年只是朦胧提出光的电磁说，麦克斯韦却用严密的数学公式证明了电磁波的存在，并大胆推断光也是一种电磁波.从此，法拉第和麦克斯韦的名字紧密联系在一起，就像伽利略和牛顿的名字一样，在科学史上永放光芒.
1865年春，麦克斯韦辞去皇家学院职务，隐退故乡，继续深入研究数学与物理学的问题.1873年麦克斯韦一生中最重要的著作《电磁学通论》问世，这是麦克斯韦几十年心血的结晶，也是人类对电磁现象探索研究的系统总结；它无愧地堪称科学史上一座不朽的丰碑，完全可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》和达尔文的《物种起源》相提并论.这部经典著作不仅揭示了电磁现象的内在规律、预见了电磁波的存在，而且将电、磁、光三种不同的运动形式统一在同一个规律中，为近代电子科学技术的诞生和发展打开了大门.爱因斯坦对麦克斯韦作出了很高的评价：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作引起的…… 这次变革的最大部分出自麦克斯韦.”［3］ 麦克斯韦最后一个属于全世界的功绩是创建了闻名于世的卡文迪什实验室.1871年，麦克斯韦重回剑桥大学，设计并筹建卡文迪什实验室，并任第一任卡文迪什物理实验室教授.1874年实验室竣工，麦克斯韦被任命为第一任主任.大楼的橡木大门上有麦克斯韦亲自选定的《圣经》里的题词：“主之作为，极其广大；凡乐之嗜，皆比考察.”透射出他鼓励学生探索自然之意.
1879年11月5日，麦克斯韦逝世于剑桥，终年48岁；科学史上一位与牛顿交相辉映的明星陨落了，这是人类的重大损失.麦克斯韦一生从不追求荣誉和名利，他深深懂得一个科学家的职责是探索未来、追求真理、为人类造福.他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路，这一伟大的功绩在他的生前却未得到承认和重视.这位物理学巨匠生前荣誉不如法拉第，在他死后多年，直到1888年赫兹用实验第一次证明了电磁波的存在，人们才意识到并公认他是牛顿以后“世界上最伟大的数学物理学家”.量子理论的创立者普朗克曾说：“麦克斯韦的名字将永远镌刻在经典物理学的门扉上，永放光芒.从出生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界.”［4］
2麦克斯韦的科学文化观
麦克斯韦一生短暂，却对人类做出了无与伦比的贡献.除了当时的历史条件外，主要的原因是他自身特有的品质.他对自然、宇宙和人生有自己独特观点.他视野开阔，才思敏捷，博闻强记，豁达大度.他热爱文学、哲学，有社会责任感和坚定的信仰.他始终对哲学、伦理学以及物理学系统化方法论有着浓厚的兴趣.他说：“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界，是一切自然的科学基础.”［5］他对物理学范围内的哲学思考表明了他的思想特色.他的研究内容、科学方法和关于科学知识本性的理解构成了他的理论的基石.
类比是一种十分重要的创新思维方法，在科学探索中常常能发挥冲破迷雾的导航作用.类比也是麦克斯韦常用的方法.他曾肯定地说：“在科学中，类比的重要性，一直受到人们的强调，认为它是一个哲学化的方法.关于这个清晰的直觉一直就是科学发现最丰富的源泉.”［5］麦克斯韦指出“物理类比的意思是利用一种科学定律和另一种科学定律之间的部分类似性，用它们中的一个去说明另一个.类比是建立在两类定律在数学形式上相似的基础上”.［4］在电磁场理论研究中，麦克斯韦善于通过类比和想象在经验的基础上建立模型来研究不同现象之间的联系，这充分体现了思维过程所特有的主观能动性.
麦克斯韦认为：自然界是和谐的，一种反映自然界规律的理论，如果框架上不完善，不和谐，也就意味着要进一步改进和探索.在对物理学的研究过程中，麦克斯韦总是努力探求完美的数学表达式，对理论完美和谐有不懈的追求.他建立电磁理论的过程是科学史上追求完美和谐的典范.麦克斯韦出生在电磁学已经打好基础的年代；他和牛顿一样，是“站在巨人的肩上”看得更深更远，作出了伟大的历史综合.他受法拉第力线思想的鼓舞，又深受W·汤姆孙类比研究的启发，以深邃的洞察力看到了以纽曼和韦伯为代表的大陆派电动力学的困难和不协调因素，看穿了那种力图把电磁现象归结于力学体系的超距作用理论的根本弱点，决心致力于近距作用理论.麦克斯韦从类比研究入手，把数学和物理学结合起来，创造出一种十分有效的认识与探索自然的新方法，即用精确而定量的数学语言描述物理观念.简明精确的数学语言是描述科学概念、科学理论的重要形式，是科学发展的要求，也是科学成熟的标志.正如马克思所说：“一门科学只有成功运用数学时，才算达到了完善的地步.”［4］开始，麦克斯韦用数学方法定量地表述了法拉第的力线图像，使法拉第的力线概念获得了精确的数学表述，并由此推导出库仑定律和高斯定律.后来，随着研究的深入，他感到有必要对力线的分布及其应力性质给予理论的说明.为此他设计了一个关于力线的机械模型，即电磁的“以太模型”.在讨论“以太模型”时，麦克斯韦发现在电场变化的电介质中，也存在着电流，这与当时电流的概念有很大的矛盾.电介质中没有自由电荷，也就没有传导电流，但磁场却同样变化.麦克斯韦经过反复思考和分析，创造性提出“位移电流”的新概念.从理论上引入“位移电流”的概念，是电磁学上继法拉第电磁感应定律后一项重大突破.根据这个科学假设，麦克斯韦建立了一组微分方程（方程式直到1865年最后完善），这就是著名的麦克斯韦方程组.它是科学理论公理化的典范.在《物理学的进化》一书中，爱因斯坦和英费尔德评论说：“这些方程的提出是牛顿以来物理学上一个最重要的事件，这不仅是因为它的内容丰富，而且还因为它构成了一种新型定律的典范.”［4］麦克斯韦最终甩掉一切机械论点，敏锐地抓住位移电流和电磁波这两个关键的概念，把电磁场作为客体摆在电磁理论的核心地位.电磁现象的规律最终被麦克斯韦用数学形式揭示出来，电磁学到这时才开始成为一门严整的科学理论.以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的. 麦克斯韦建立的电磁场动力学理论是物理学理论研究的光辉典范.这个理论的建立至少说明了：（1）麦克斯韦注重用数学去反映物理规律但同时更注重对物理规律、概念的把握；（2）他引入位移电流的概念，使原来反映奥斯特电流磁效应的方程与法拉第方程对称起来，从而揭示了磁力与电力相互诱发，相互转移的规律，为后来推导出电磁波的方程奠定了基础；同时他的电磁理论也由于这种对称而成为科学上完美和谐的典范；(3)虽然麦克斯韦善于应用假设性的模型来展现物理过程的本质，但他同时也十分清楚模型在理论思维中只不过起一种“药引子”或“脚手架”的作用［6］；正由于此他才于1865年从电磁场方程推导出光电磁理论.
麦克斯韦的工作和学风十分严谨.他在就任卡文迪什实验室教授的就职演说中说：“我们的工作一定要在证据的基础上，确定和传播科学真理以及革命的批判精神；科学不是一项简单的、武断的事业，进行科学探索的人一定要慎之又慎，决不要轻易做出结论，探索和实验是科学研究的基本原则.”［5］麦克斯韦有着敏锐的观察力和对科学问题的好奇，他总是努力地探求其中的原理.他深信“因为人的心灵各有它不同的类型，科学的真理也就应该以种种不同的形式来表现，不管它以粗放的物理学方式说明其生动的颜色也好，还是以一种朴素无味的符号表现也好，都应当被当作是同样科学的”.［4］
麦克斯韦认为科学对人类社会的进步有巨大的推动作用，所以不能忽视它；在文化生活中，科学是重要的组成部分.“科学的研究是从对人的研究中引申出来的，只有人与人之间建立一种理智的交往关系，把自己的一生奉献给真理的发现，科学探索的结果才会深深影响人的思维方式和生活方式.”［5］ 麦克斯韦这段关于科学与生活的精辟议论发人深思.他认为科学技术的发展会使人的生活方式和思维方式发生巨变，这种改变是渐进的，不可抗拒的，人只能顺应它，推动它；作为科学家就应当承担起探索和传播科学知识的神圣职责.科学必须以人为本，在人与人之间建立起理智交往关系，世界才会变得越来越美好和谐.1878年，他曾在剑桥大学做了一次关于贝尔新发明（电话）的优美讲演，预言了电话还会不停地发展、完善，最后以“发明了电话，它很快就改变了社会”结束了演讲.这句话充分肯定了科学技术的新发明对人类文明进步的巨大推动作用.
3麦克斯韦的教育观
麦克斯韦一生重视教育，认为人只有受到好的教育，才能成为真正的人.他自己就是这种思想的实践者.1856年在阿伯丁大学的马里斯舍尔学院，麦克斯韦任自然哲学教授；尽管他的语言表达能力有点欠缺，但学生们对他是满意的.他经常与学生交流，使不少有才能的学生对物理学发生了兴趣.麦克斯韦的教学思想和教学方法很值得我们学习.首先，他对学生非常负责，极其耐心，就是在讲完课后，还要与好刨根问底的学生呆在一起，共同讨论问题；其次，他能启发学生积极主动地参与教学过程，反对照本宣科、死板讲授，反对给学生留大量作业，鼓励学生独立思考；最后，他能因材施教，根据学生的特点，培育他们的心智，让每个人走自己的道路.此外，当时他还给当地的工人上一些科普课，这是一件意义重大的事情.这说明当时社会已经认识到普及科学知识对提高国民素质的重要作用.英国之所以能在历史上辉煌一时，成为“日不落帝国”，尽管有各方面的原因，但从根本上说，是国家重视教育；不光是重视对国民劳动者生产技能的教育，更重要的是把他们教育成合格的公民，即成为具有现代意识、爱国精神，会做事，会与他人和睦相处，会与他人合法竞争，会适应生存的现代人.1860年他来到伦敦国王学院，在他的就职演讲中，他说：“我希望你们不要死记结果和适用于特殊例子的公式，你们要好好研究这些公式与原则赖以成立的条件，没有事实作根据，公式只不过是精神的垃圾，发现理解一个原则要比写出一个公式难得多.”［5］他还特别强调了要多思，这是理解和运用知识的关键，而他本人就是勤学多思的典范.在教学实践工作中，麦克斯韦一直强调两点：一是物理学的基本原则，二是科学发现的方法.要对事物进行有效的探索，除了正确的思想路线外，科学方法是成功的关键，所以麦克斯韦特别注意方法的研究.麦
克斯韦作为一名理论物理学家，对实验教学一向很重视.“我没有理由相信，没有实验劳作的帮助，只靠人的理智，就能编织出物理学的系统来.”［5］这句话清楚表明麦克斯韦对实验的重视，他反对脱离实际去构想理论体系，反对机械的、应付差事的死板的实验教学，主张创造性的、探索式的实验教学.他曾在就任卡文迪什物理实验室教授的演讲中说：“习惯的用具——钢笔、墨水和纸张——将是不够了，我们需要比教室更大的空间，将需要比黑板更大的面积.”［4］这是对当时在保守的英国大学里还占统治地位的所谓“粉笔”物理学的严厉驳斥.这是科学史上一个具有重要意义的演说，在演说中麦克斯韦对实验室未来的教学方针和研究精神作了精彩论述，为后世确立了实验科学精神.他明确提出卡文迪什实验室要用物理实验和精确测量方法把实验和教学研究密切结合起来.他把实验室看成“科学评论的学校”，倡导用集体的力量来完成科学研究工作.这正是未来自然科学研究方法的萌芽和基本形式.他的就职演说奠定了这个实验室的风格：科学的教育是讲授和切身体验的密切结合，要亲自动手制作仪器和进行实验，教学与研究要密切结合等等.麦克斯韦的这些思想对后世发生了深远的影响，他创立的教学中有研究、研究中有教学的治学方针一直被他的继承者贯穿于实验室以后的发展中.一百多年来，卡文迪什实验室开拓和领导了5次以上的物理学发展的研究方向，造就了20多位诺贝尔奖获得者，做出了一系列重大的科学发现和发明，这一切与麦克斯韦的人品、作风、学识是密不可分的.
参 考 文 献
1江向东，等.诺贝尔奖百年鉴·量子物理学.微观绝唱.上海：上海科技出版社，2001
2颜振珏. 物理学史新编.贵阳：贵州科技出版社，2002
3许良英，等译. 爱因斯坦文集.北京：商务印书馆，1976
4向义和. 大学物理导论：物理学的理论与方法、历史与前沿.北京：清华大学出版社，1999
5周兆平. 破解电磁场奥秘的天才麦克斯韦.合肥：安徽人民出版社，2001
6曾景春.物理学史简编.长春：东北师范大学出版社，1980