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科学的背后,思维形象化方法最为隐蔽
武汉理工大学:刘永红
思维形象化方法是打开科学宝库的金钥匙,也是探索事物本质的真正旗手。但,他隐蔽得很深很好,又往往被人忽视。这篇小文章想揭开他的“庐山真面目”,并举鲜活的例子!
思维,是指人的思考活动,它是一种过程。因此,它既可以抽象地进行,又可以形象化地进行。所谓思维形象化方法:在思维过程中,联想或虚构某一图景,使思维清晰、概念明朗化;用直观形象(比如图示)展现客观事物(对象)的特征、结构和关系,达到揭示事物(对象)的本质和规律的目的。
思维形象化方法的作用,实际上与它自身的特点分不开,思维过程形象化可启迪探索者的思想,比如提出假说、提炼模型、设计实验或试验等等。因此,人们应该加以重视。
我举一个简单的数学例子来说明。下面是离散几何(discrete geometry)中的一个定义:
定义:假设X是En的一个子集,如果对其中的任意两点x和y以及任意满足0<λ<1的实数λ都有
λx+(1-λ)y∈X,
那么称其为一个凸集。
现在我们看这个定义的几何性质,凸意味着,如果两点属于该集合,那么连接这两点的整条线段都属于该集合,如图1,(a)和(b)是凸的,(c)就不是凸的。
图1.凸集示意图. 图片来源于刘永红绘图
显然,这个几何思维过程是形象化了。我再举物理、化学方面的例子。
电磁学的奠基人法拉第用直观、形象的磁力线表示磁场强度的大小(如图2),但法拉第不擅长用数学公式描述,这一重任落在了麦克斯韦的肩上,人们看到以他名字命名的方程,即麦克斯韦方程组,神奇乎!!
图2.磁力线示意图. 图片来源于网络
又例如,原子是切实存在的。毫无疑问,原子结构理论的建立(如图3),就是运用思维形象化方法,成为重大成果之一。
图3.原子结构示意图. 图片来源于网络
现在轮到举工程科学例子了。我国著名科学家钱学森认为:方位控制和调节的对象是比较庞大的飞船(至少有好几吨重)(图4),但是,确又是十分精细的系统。进行地面实验时,须要在一个专门的密闭房间里,实验时不得有任何空气流动。他用思维形象化方法,构建这样的房间,他说“有一个滚珠轴承支承着的完全平衡的试验台,控制调节设备就放在这个台上。房间的内壁必须不反光,像黑暗的太空一样;而在房顶及四壁又安上大小不同的光源,模拟太阳和星光。飞船的定向系统就在这种特殊条件下进行试验,测定其性能。”(《星际航行概论》钱学森巨著,2008年,图5)
图4.“天舟二号”货运飞船(据央视新闻发布消息(2023/4/30 13:04:47):“太空快递”即将发货!天舟六号的货物清单上新了)图片来源于网络
图5.钱学森巨著《星际航行概论》(2008年)图片来源于网络
总之,诸如此类的实例,不胜枚举,他们的创新成果,都极大地推动了科技的发展。
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