摘要：在物理学发展和应用的过程中，伽利略的科学思维方法对物理学发展、应用和价值所起的作用，是任何力量都不能替代的。本文通过研究伽利略的科学思维方法及其影响，探索物理学广泛地应用于思维活动和实际生活、工作之中的价值。
Abstract： In the process of the development of physics and applications， the role of Galileo"s scientific way of thinking on the development of physics， applications and value can not be replaced. This article researched Galileo"s scientific way of thinking and its impact to explore the value of physics in the activities of thinking， practical life and work.
关键词： 伽利略；科学思维方法；物理学；价值
Key words： Galileo；scientific way of thinking；physics；value
中图分类号： G304 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）30-0326-04
0 引言
在物理学发展和应用的过程中，人类积累了丰富的方法，有“近代科学之父”的伽利略的科学思维方法无疑是其中的奇葩，它对物理学发展、应用和价值实现所起的作用，是任何力量都不能替代的。本文通过研究伽利略的科学思维方法及其影响，探索物理学广泛地应用于思维活动和实际生活、工作之中的价值。
1 科学思维方法
张宪奎先生认为“方法就是为了解决某一具体问题从实践或理论上所采取的手段或方式的总和。”科学思维方法是一些在自然科学领域中广泛采用、或具有自然科学特性、或以某自然科学为依据的思维方法，它侧重于定量分析和事实分析。物理学是科学的一部分，其本质是观察和探究我们周围无生命的世界，从而确认最基本的原理和统一的规律，体现其价值最重要的手段就是科学方法。因此，从伽利略的科学思维方法中探索物理学价值，培养科学的思维方式和研究方法，弘扬科学精神有着极其重要的意义。
2 伽利略的科学思维方法
伽利略·伽利莱（1564年2月15日-1642年1月8日），出生于意大利的比萨市，9岁时随家移居到佛罗伦萨，青年时代入读比萨大学，并于1589年成为该大学数学系教授。其成就包括研究过物体等加速运动、改进望远镜和其所带来的天文观测，研究应用科学及科技，并改进圆规的设计，制造第一个温度计来测量温度，用摆来测量时间，重视数学在应用科学方法上的重要性，以及支持哥白尼的日心说等等。
作为意大利物理学家、数学家、天文学家及哲学家，科学革命中的重要人物，伽利略被誉为“现代观测天文学之父”、“现代物理学之父”、“科学之父”及“现代科学之父”。史蒂芬·霍金说，“自然科学的诞生要归功于伽利略。”
伽利略之所以有如此辉煌的成就，主要就是得益于他科学的思维方式、科研方法及追求科学真理的精神。
2.1 尊重科学事实、勤于观察实验 科学事实是科学研究的基础。前苏联生理学家巴甫洛夫指出：“不管鸟翼是多美丽，如果不凭借空气，它是永远不会飞翔高空的。事实就是科学家的空气。你们如果不凭借事实，就永远也不能飞腾起来。”在科学研究中，科学假说和理论的提出必须以一定的科学事实为根据，科学假说和理论的真伪必须用科学事实来检验。
观察和实验是搜集科学事实，获得感性经验的基本途径，是形成、发展和检验自然科学理论的实践基础，因此观察和实验方式是自然科学研究中十分重要的认识方法。伽利略是近代实验科学的奠基人和代表人之一，在制定科学方法论的过程中，伽利略顺应时代精神，把观察、实验看作到达真理的、非它不行的唯一途径，他的所有成就是与他重视实验分不开的。他进行实验的突出特点是，把实验方法和理想化抽象方法结合起来，把实验的观测同数学演绎的证明结合起来，而不是单纯依靠经验。
从伽利略开始，实验方法在科学中越来越普遍的采用，使自然科学迅速地获得相对独立的系统的发展。可以说，没有科学实验，就没近代科学。
2.2 分解与组合相结合 为了求得对事物整体的认识，近代科学首先通过把整体分解为若干个组成部分来探求其中的因果联系，进而达到对事物整体的认识。伽利略把前一种方法称之为分解法（决疑法），把后一种方法称之为组合法（结构法）。分解法实质上就是分析、解剖自然界的方法。伽利略分解或分析的思维方法确实使他解释了许多自然现象，最光辉的证据就是他发现了一系列力学定律。比如，1582年前后，他经过长久的实验观察和数学推算，得到了摆的等时性定律；他深入研究古希腊学者欧几里得、阿基米德等人的著作，根据杠杆原理和浮力原理，第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的数学表达式；伽利略对加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑；伽利略提出的惯性定律和外力作用下物体的运动规律，为牛顿运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上，伽利略可说是牛顿的先驱。
组合法则是通过一系列的演绎来检验分析过程中所提出的假说的真理性，这是一种在分解法基础上演绎出新结论或者说做出预测、假说的方法。伽利略认为，在一个完整的科学认识活动中，分解与组合的方法总是协同使用的，只有同时使用分解法和组合法，科学家才能发现新的有意义的真理。伽利略在自己的研究工作中，明显地应用了这种方法，并且把这种方法的运用与数学计算结合起来。比如，伽利略从抛射体抛物线轨迹的假说中推演出45°达到最大射程。在45°时达到最大射程在伽利略以前人们就知道了。伽利略的成就是对这一事实作了科学的解释。伽利略还从抛物线的轨迹出发，推论出仰角在45°以外移动时也能达到同样的射程。他详尽地研究了抛射体的运动，发现假设抛射体以某一水平初速度被抛出，抛射体的轨迹是物体不受重力时所作的匀速直线运动和不存在水平初速度时匀加速自由下落运动的合成。在第一种情况下，通过的距离与时间的一次方成正比；在第二种情况下，通过的距离与时间的二次方成正比。与当时的自然科学发展水平相适应，伽利略同时代的许多科学家都采用了分解和组合的思维方法来探求事物的因果联系，伽利略高出同时代科学家的地方在于：他在自己的科学研究活动中，进一步采用数学的程式来表示事物的因果联系。 显然， 伽利略的组合法是放在真正科学的基础上，他找到了研究自然的经验归纳法和抽象演绎法的结合点，这个结合点使人们有可能把抽象的科学思维与对自然现象的具体感受有机地联系起来。
2.3 实验与数学相统一 实验与数学相统一的科学研究模式，是伽利略科学思维方法论思想的核心，也是伽利略对科学方法论的重要贡献。
对研究对象进行定量分析和准确的数学计算，能精确反映事物的特点和变化规律。伽利略认为，任何一项科学结论都必须在事实基础之上经过严密的推理和精确的计算，再提出定性的说明和定量的描述，并通过实验的检验，才能成为真正的科学。这也是近代自然科学研究问题的一般程序和经典方法。
伽利略曾经说过，数学是大自然的语言。他在处理观察、实验所提供的归纳证据时，善于运用数学计算的方法进行定量的研究。正因为他深刻地认识到量的分析对研究自然界所起的巨大作用，所以他确定了对自然界的实验（归纳）同数学（演绎）的统一关系。
例如：伽利略想设计一个实验来证明自由落体运动是匀加速运动，但是要直接测定速度v和下落时间t很困难。于是他转向数学，进行了著名的斜面实验。伽利略用木板做了一个很长的光滑斜面，让一个黄铜球从斜面顶端从静止开始滚下，他测量出了这样的结果：
①在相同的时间间隔内，小球滚下的距离之比为1：3：5：7：…。他由此推出S与t2成正比。
②当斜面的倾斜角α一定时，■=■=■=…
③改变α值，仍有这种规律。α改变，S/t2随之改变。
④他进一步想，当α=90°时，小球的运动就变为自由落体运动。
于是伽利略根据数学理论证明了自由落体运动是一种匀加速直线运动。
另外，伽利略在研究抛体运动时，还引入了运动的迭加原理。并利用几何关系建立了匀速运动的平均速度与末速度关系的数学表达式。将温度概念由人体对物体冷热的主观感觉转变为对物体热状态的客观表述。所有这些都是利用数学语言表述自然规律取得成功的例证。也是实验与数学相统一的典范。
2.4 抽象思维和逻辑推理相结合 抽象思维、逻辑推理都是重要的科学思维方法。伽利略通常通过周密细致、反复多次的实验和观察，并进行理论演绎或逻辑推理，得出了许多超过实验本身的更为普遍的理论结论。
例如，伽利略通过推理，否定了亚里士多德关于轻重不同的物体以不同的速度下落的学说。伽利略想，如果物体越重下落越快，那么一块大石头下落速度一定要比一块小石头的下落速度大，假定大石头下落速度为V，小石头的下落速度是u，当我们把两块石头拴在一起时，下落快的大石头会受下落慢的小石头拖着而减慢，下落慢的小石头会被下落快的大石头拉着而加快，结果这拴在一起的两块石头的下落速度应该小于V而大于u。但是两块石头拴在一起后总的重量比大石头的重量还要大，这不是重物体的下落速度反而小于轻物体的下落速度了吗？这样，就从重物体比轻物体下落得快的假设，推出了重物体比轻物体下落得慢的结论。伽利略由此推断重物体不会比轻物体下落得快。用同样的方法不难推断重物体也不会比轻物体下落得慢。所以，轻重不同的物体下落速度只能相等。
又如，伽利略将两块斜面对接起来做实验，并用下面的抽象思维方法证明了惯性运动的存在。
思考之一：从下落速度来看，物体沿第一块斜面向下运动时，速度越来越大；物体沿第二块斜面向上运动时，速度越来越小。由此伽利略推想，物体在不倾斜的平面上运动时，速度应该是即不变大也不变小。
思考之二：从上升高度来看，从第一块斜面上某一高度滚下的小球，会沿第二块斜面上升到同样的高度。改变后一块斜面的倾斜角会得到同一结论，并且倾斜角越小时，小球会滚得越远，最终上升到同样高度。于是他推测，如果倾斜角减小至零时，即斜面变为水平面，小球将永远达不到原来的高度，它将永远运动下去。这就是“惯性定律”的思想。
伽利略的许多理论虽然不是直接从实验得出的，但是都有其可靠的事实基础。正是他发挥了极为可贵的科学抽象能力，使用了推理方法，从而达到了纯实验方法所无法达到的好效果。
2.5 科学性与灵活性相结合 在科学的道路上更需要解放思想，克服僵化思想，反对教条主义和经验主义。有时，需要故意改变观测条件，使研究对象易于认识；有时，也需要放弃传统方法，发挥超常规的想象。
例如，前面提到的伽利略用斜面研究自由落体运动，实际上是采用了“冲淡引力”，“放大时间”的思想，便得自由落体运动在当时的测量条件下变得可以测量。
伽利略发明的空气温度计，实际上是利用气体的热胀冷缩现象将测量温度转化为测量长度。
伽利略利用脉搏测量单摆周期，是将测量时间转化为测量次数。
伽利略还设计了测量光速的方案，实际上是将测量速度，转化为测量距离与时间，再通过公式v=S/t计算出光速。并将实验条件放大到野外，从而减少相对误差。
在研究问题、处理问题时，要善于去粗取精，去伪存真，由此及彼，由表及里地揭露现象的本质。伽利略在他的研究中常常建立理想模型，从而丢开一些次要因素，而抓住问题的根本。例如在研究物体运动时不考虑空气阻力，不计物体与接触面之间的摩擦力，忽略物体的形状。同时又力求把实验条件做得尽量符合数学要求。这样就可以获得超越实验本身的条件的根本性的认识。
在物理学发展史上，每次测量工具或实验设备的诞生和改进，往往都会引起新理论出现。伽利略是善于制造和利用观测工具，他发明望远镜，开辟了天文物理学的新纪元；他发明温度计，迎来了热学的真正开端；他发明简易计时水钟、流体静力天平等，为许多领域做出过贡献。
2.6 科学态度和科学精神 伽利略把他的一生都投入到了科学研究事业之中；在受到教会迫害的情况下仍然继续工作，并发表了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书；在被判处了终身监禁之后，他仍然坚持科学著述，并将他成熟的科学思想和科研成果撰写成了《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》，并托友人带出国境到荷兰出版。体现了他不畏艰难险阻，敢于修正谬误，不断追求科学真理，为人类思想解放和文明发展做贡献的高尚品质和精神，他的这种精神，永远为后人所敬仰。 可以说，伽利略对待科学的态度，以及他的思维方式、科研方法，是物理学价值的现实体现。
3 伽利略科学思维方法产生的影响
著名意大利物理学家、天文学家和数学家伽利略是首先在科学实验的基础上融会贯通了数学、天文学、物理学三门学科的科学巨人。他是科学革命的先驱，毕生把哥白尼、开普勒开创的新世界观加以证实和广泛宣传，并以自己在教会迫害下的牺牲唤起人们对日心说的公认，在人类思想解放和科学文明发展过程中作出了划时代的贡献。他的工作和思想不仅为近代物理学的建立奠定了基础，而且为以后的科学家提供了一种有效的从事科学研究的方法模式，为此他被冠之以“近代物理学之父”。
伽利略对亚里士多德理论中的某些重要结论提出批驳，起到了散布怀疑种子的作用，促使人们从亚里士多德的宇宙论中解放出来，从而为创立新宇宙论开辟了道路。
伽利略搬掉了亚里士多德研究运动理论的绊脚石。自由落体运动的研究和惯性定律的发现，彻底推翻了两千多年来被奉为金科玉律的亚里士多德的物理学，是近代力学赖以建立的自然基础，为牛顿最后完成经典力学奠定了坚实的基础。
伽利略首创了实验与数学理论相结合的科学方法，他倡导实验与理论计算相结合的方法，把实验事实与抽象思维结合起来，用实验检验理论推导，开创了以实验为基础具有严密逻辑理论体系的近代科学，使得力学就发展成为近代科学的范式。爱因斯坦为之评论说：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”大量事实表明，只有认识到数学方法和精细测量的价值，科学理论才得以真正发展，这正是伽利略科学思维方式的成功之道。
伽利略倾心地支持哥白尼的日心说。伽利略对天体的观察，最为轰动的是发现了绕木星运行的四颗卫星，这对地心说又是一次沉重的打击。伽利略以理性的批评以及开放和公平的精神为指引，对哥白尼学说给予了强有力的辩护。
伽利略的成就，与其说是他研究运动所得出的结论，毋宁说是他在得出这些结论所采用的科学思维和研究方法，这些至今依然有效，被众多科学家所采用。
4 从伽利略科学思维方法看物理学价值
物理学的发展是一个传承与突破交互作用的辨证过程，既包含有进化式的量的积累，又包含有飞跃式的质的变革。物理学发展的历史充分说明人类在探索自然过程中，一方面是自身知识积累的必然——从量变到质变；另一面，客观的历史背景给予我们足够的推动力。换言之，物理学发展的背后蕴涵着人类社会进步的历史动力，其具有的价值也是多方面的。
4.1 美学价值 物理学研究的是物质世界最基本最普遍的规律，回答的是人类对于物质世界中原始而又最深刻的问题，面对的是客体世界对人类的主观世界平台上的投影——物理模型世界。物质世界在最原始的层面上是按美学原理构筑的，所以庄子说：“判天地之美，析万物之理。”伽利略把对自然奥秘的探索与对自然美的追求统一起来，把寻求自然界的和谐成为推动天文学发展的基本路标。
物理学的美学价值还在于具有浓厚的简洁性、对称性、守恒性。物理能激励人产生审美意识，在人的心灵中润泽出愉悦，感到和谐轻松、心旷神怡，具有探索、灵感美。物理家对物理美的本质有其独到的心灵体验，在获得快慰的壮丽感觉中，同时催生出创新的智慧。伽利略在比萨大学学医的时候常常去比萨城里的一座大教堂，一天伽利略坐在教堂里，正好一位司事来灌注教堂顶悬挂的油灯，司事走后，这盏灯仍然在空中摆动，这件极平常的事引起了伽利略的注意，吊灯的摆动幅度尽管越来越小，每摆动一次所花的时间似乎相等。伽利略回到家里把绳子和铁块再作实验证实，就这样伽利略发现了单摆的等时性，并制作了摆时针，后来荷兰物理学家惠更斯利用此原理制成了摆钟。
伽利略是一位伟大的物理学家，整个物理学可以说是从伽利略起步的，理论的形成也就是灵感的开始，促进对物理本质的领悟。
4.2 科学价值 物理学作为一门最最基础的学科，她具有的科学价值自然是不言而喻的了。
正如大家所知道的，物理学是研究物质结构、性质、基本运动规律及其相互作用的学科。物理学的性质决定了它是整个自然科学的重要基础，是许多高新技术的重要源泉，是工程科技的重要基石。
伽利略的科学发现，不仅在物理学史上而且在整个科学中上都占有极其重要的地位。他不仅纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点，更创立了研究自然科学的新方法。伽利略在总结自己的科学研究方法时说过，“这是第一次为新的方法打开了大门，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里，会博得许多人的重视。”
科学精神和科学态度是物理学的科学价值重要体现，正如伽利略所说：“追求科学，需要有特殊的勇敢，思考是人类最大的快乐。”、“真理不在蒙满灰尘的权威著作中，而是在宇宙、自然界这部伟大的无字书中。”可以说物理学的发展，促进了各个领域科学技术的进步。在近代人类认识自然和改造自然的过程中，作为基础学科的物理学，一直在引领、开拓着科学的更新。
4.3 社会价值 物理学是全人类的事业和财富。首先物理学是一项激动人心的智力探险活动，它鼓舞着年轻人，并扩展着我们关于大自然知识的疆界；其次物理学发展着未来技术进步所需的基本知识，而技术进步将持续驱动着世界经济发动机的运转；第三物理学有助于技术的基本建设，它为科学进步和发明的利用，提供所需训练有素的人才；第四物理学在培养化学家、工程师、计算机科学家等的教育中，是一个重要的组成部分；第五物理学扩展和提高我们对其他相关学科、交叉学科的理解；第六物理学提供发展应用于医学的新设备和新技术所需的基本知识，改善了我们生活的质量。
任何一个物理概念的形成，每一个科学定律的建立，所有重大的物理学发现，都是经过不同国家一代乃至几代人的艰苦积累，汇聚和利用了许多人的研究成果才得以完成的。伽利略以对亚里士多德运动理论的检验和批判为起点，对阿基米德静力学理论进行了继承和发展，以1632年出版的《关于两大世界体系的对话》和1638年出版的《关于力学和局部运动两门新科学的谈话和数学证明》两本书为标志；牛顿概括了伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯、胡克等人的研究成果以及他自己的创造，在1687年著名的《自然哲学的数学原理》中，首次创立了一个地面力学和天体力学统一的严密体系，成为经典力学的基础，实现了物理学史上的第一次大综合。二次大战中核武器的应用，加速了人们对核物理世界的认识，使人们对物质的认识越来越细微和深入。同样，为解决物理学晴朗的天空中漂浮着的两朵令人不安的“乌云”，狭义相对论和量子力学便因运而生，为当代物理学的发展叩开了大门。
伽利略在天文学的发现和对尼古拉·哥白尼学说的研究已经传给世界一笔永存的遗产，这笔遗产包括伽利略发现并归类的木星四大卫星（合称伽利略卫星）。物理学的社会价值正是这样体现出来的。
4.4 教育价值 物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学，其中有系统严密的物理学知识，有一套最全面最有效的科学方法，有能影响人的世界观、价值观、人生观的物理学思想，在对公民的科学素质和科学精神教育有着无可替代的重要作用。
从认知角度看，对物理文化系统进行恰当的教育，使学习者在掌握物理知识与技能的基础上，深入领会物理方法与原则，逐步感悟物理思想与相应的物理理念，可以获得物理研究与技术创新的基本能力，获得物理思维的基本元素和处理物理基本问题的操作范式，从而奠定领悟物理本质与思想方法的基础。
物理方法是在研究物理问题过程中所遵循的途径和使用的手段。例如物理学的自由落体知识在现代物理系统中已是苍海一粟，但伽利略在其发现过程中所运用的科学思维方法仍在物理中发挥重要作用，其价值远高于物理知识本身。物理教育应注重物理思维方法的训练和运用物理原则意识的培养，这是提高物理素质的重要途径。
物理文化精神是物理家在物理实践中励练出的物理信念、意志品质、行为规范及价值观念等精神特质的综合表现，张扬出一种内蓄外奋的总体风范，能使人们心智更加敏锐，思想更加豁达开放，使其能不断地改变和丰富自已的认识理念和价值准则。
正如伽利略所说：“你无法教别人任何东西，你只能帮助别人发现一些东西。”、“生命犹如铁砧，愈被敲打，愈能发出火花。”物理教育就是这种“敲打”。
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