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第十七篇现代自然科学的基础学科

钱学森

一、作者介绍

钱学森（1911.12.11～2009.10.31）著名科学家。祖籍浙江杭州。生于上海。1958年10月加入中国共产党。1934年上海交通大学铁道机械系毕业。1935年留学美国，入麻萨诸塞州理工学院航空系学习，后转入加州理工学院学习航空工程理论。1939年获美国加州理工学院航空与数学博士学位，曾任加州理工学院副教授，麻省理工学院空气动力学教授，加州理工学院教授和喷气推进中心主任。1955年冲破重重阻力返回中国。后任中国科学院力学研究所所长，国防部第五研究院院长、副院长。1964年任第七机械工业部副部长，1970年任国防科学技术委员会副主任。1982年任国防科学技术工业委员会科学技术委员会副主任。1988年被聘为国防科工委科技委高级顾问。是中共第九至第十二届中央候补委员，第六、第七、第八届全国政协副主席，中国力学学会、中国自动化学会第一届理事会理事长，中国宇航学会、中国系统工程学会名誉理事长，中国科学院主席团执行主席、数学物理学部委员，中国科学院院士，中国工程院院士。1986年当选为中国科学技术协会第三届全国委员会主席。1991年被中国科协四届一次全委会授予中国科协名誉主席称号。在应用力学、喷气推进、工程控制论、物理力学和系统工程等领域有开创性的贡献。1956年初，主持制订1956～1967年科学技术发展远景规划纲要第37项国家重要科学技术任务《喷气和火箭技术的建设》报告书，并在1956年2月向国务院提出《建立我国国防航空工业的意见书》，最先为中国火箭和导弹技术的建立与发展提出了极为重要的实施方案。参与领导创建火箭、航天科学研究机构和系统工程队伍；长期担负火箭、导弹和航天器研制的技术领导职务，为组织领导中国运载火箭和航天器的研制工作发挥了巨大作用，对中国导弹与航天事业的迅速发展做出了卓越贡献，并对中国科学技术事业许多领域的发展都做出了贡献。1957年获中国科学院自然科学奖一等奖。1985年获国家科技进步特等奖。1989年6月获得“小罗克韦尔奖章”、“世界级科技与工程名人”和“国际理工研究所名誉成员”称号。1991年10月获国务院、中央军委授予的“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英雄模范奖章。著有《工程控制论》、《物理力学讲义》、《星际航行概论》、《论系统工程》等。

二、背景介绍

　钱学森同志的《现代科学技术》一文，除引言外，共有五大部分，课文节选自第三部分。这篇课文指出了现代自然科学的重要特点，简要地介绍了现代自然科学体系的构成，重点介绍了化学、天文学、地学、生物学的发展和它们跟物理、数学的关系，从而强调物理和数学这两门根本的基础学科在现代自然科学体系中的重要位置。

三、课文内容分析

课文主要说明什么是现代自然科学中的基础学科和它们之间的密切关系。为了说明现代自然科学体系中的基础学科及其相互之间的关系，文章十分注意说明的顺序和说明的条理性。作者精心设计、巧妙安排了全文结构，以较短的篇幅，准确、明晰地介绍丰富的内容。

全文采用了“总—分—总”的结构形式：开头总起，中间分述，篇末作结，使文章浑然一体。课文始终紧扣现代自然科学纵的（指研究事物、现象的变化发展过程）和横的（指研究事物相互之间的关系）两个方面指出其特点，使读者明确认识到自然科学之所以“成为严密的综合起来的体系”的原因所在。

第一部分(1自然段)现代自然科学的重要特点。

　研究事物、现象的变化发展过程(纵)，研究事物相互之间的关系(横)。

一开始就指出现代自然科学的特点。用“不是……而是……”的句式，指出现代自然科学与过去只是孤立地研究个别事物的现象的自然科学有本质的区别，现代自然科学是研究“事物、现象的变化发展过程”，是研究“事物相互之间的关系”，这是全文的总纲。

第二部分(2自然段)现代自然科学工程技术学科中的基础学科。

　　第2段就提出“从严密的综合科学体系讲，最基础的是两门学问。一门物理……一门数学……”全文在说明的过程中也紧紧扣住和物理、数学的关系来写，都是为了突出这两科的重要性。

第三部分(3─6自然段)分述，具体说明化学、天文学、地学、生物学四门基础学科的新发展和它们跟物理、数学的关系。这一部分是重点。作者抓住物理和数学是最基本的两门学科这个要点，依次介绍其他四门基础学科：化学、天文学、地学、生物学。在介绍每一种学科时，都作三个方面的阐述：①研究的内容；②研究的成果（包括各科研究的新发展和分支学科）；③研究中对物理和数学的依赖关系。紧扣首段“发展变化”、“相互关系”(即纵与横)两点来介绍，重点是介绍后两个方面。这可以举介绍天文学那一段为例来说明。先指出天文学研究的内容：“现在的天文学，不是光研究太阳、月亮、星星在天上的位置和运行规律，还要研究星星里头的变化，研究宇宙的演化。”再介绍研究的方法是研究可见光和看不见的频段，暗示这些研究都要依靠物理中的光学。后面重点介绍研究成果，即发现星的爆发、“中子星”和“黑洞”的存在，此外还发现星系爆发等天文现象。同时也得出“要了解这些天文现象，没有物理学是不行的”的结论。

第四部分(7自然段)现代自然科学体系的构成。

这一部分是对全文的总结。它仍旧从现代自然科学纵、横两个方面着眼，勾画出现代自然科学体系的轮廓和内部层次，并且再一次强调指出物理和数学为现代自然科学体系中根本的基础学科这一核心问题。

总之，全文的结构是先从整体说到局部，再从局部回到整体。在讲局部时，又紧扣化学、天文学、地学和生物学各科的研究发展对物理、数学两科的依赖关系，使说明的重点非常突出。作者在按学科类别分段时又兼顾了新兴学科出现的顺序：量子化学出现在30年代，所以把化学放在前面；射电天文、宇宙线天文的重大发现，分子生物学的兴起，都是50年代以后的事，放在中间；最近几年取得进展也是“轰动世界”的遗传工程学，则放在最后。

四、文章重点分析

１．本文运用了哪些说明方法？

《现代自然科学中的基础学科》在说明事理时，重点用了下定义的说明方法，这是由文章的内容决定的。这篇文章的概念多而复杂，要准确把握其本质属性，既要搞清概念间的联系，又要分清概念的区别，必须从定义入手。

下定义就是用最简明确切的语言把事物包含的意义概括起来，给人一个明确完整的概念。下定义的方法是：被定义者加特征加类别。如“物理”的定义，它的类别是“学问”，特征是“研究物质运动基本规律”；再如，“遗传工程”的定义，它的类别是“技术”，特征是“可以把影响遗传的信息，挂在一种叫去氧核糖核酸的高分子化合物的某一段上传下去。……改变遗传的某一特征，创造新的物种”；“工程技术科学”、“化学地球观”等的定义也可以这样来下。

本文还用了分类别和举例子的说明方法。分类别如把现代自然科学分成两大类：应用学科和基础学科，又把基础学科分成一般学科和根本学科两类；还有第5自然段研究地学的三个时代的分类。举例子如第四段“比如研究太阳内部、恒星内部”，第6自然段“如把胰岛素的遗传信息切下来”。

本文还运用了诠释说明：“客星”，实际上就是星的爆发；又如“黑洞”，其实不是洞，是光出不来的星。也运用了下定义和诠释结合的说明：“中子星”，是由中子组成的密度非常大的星，一颗芝麻点大小的中子星物质就有几百万吨重，而且转得很快，转时发出的X光强度不一样，变化周期不到一秒。

2.下定义要注意什么？

下定义要抓住事物本质特征，并用简洁而明确的语言概括出事物的本质特征和所属范围，并要注意：①定义不能过宽；②一般不能用否定形式；③不用比喻；④概念上不能前后重复。特别要注意的是，平时说话或写文章，大多只是揭示概念的部分本质，只是作解释而不是下定义。

３．作者在介绍每门学科时是如何体现对物理、数学的依赖关系的？

课文在介绍每一种学科时，都是先介绍研究的内容，接着介绍研究成果（包括各科研究的新发展和分支学科），再着重介绍研究中对物理与数学的依赖关系。比如现在已靠量子力学解决化学问题，天文学的研究则要靠光谱分析来研究恒星内部，地学上的板块理论的研究，生物学研究分子运动、组合变化，这些都离不开物理学，当然也离不开数学的推理、演算。

第十九篇  眼睛与仿生学

王谷岩

一、作者简介

王谷岩，1940年11月生，河北省唐山市人。

1965年毕业于中国科学技术大学物理系生物物理专业。

1968年4月至今，在中国科学院生物物理研究所从事科研工作，曾任学术委员会委员、科研处处长、政策与（学科发展）战略研究室主任。中国科学院生物物理研究所研究员，生物物理学家，国家载人航天工程“神舟”飞船空间生命科学实验质量管理员，著名生物学家贝时璋院士的助手，细胞重建研究组成员，科普作家。

主要著作有《20世纪生命科学进展》、《生命大揭秘》、《了解生命》、《探索生物电》等。

二、仿生学简介

“仿生学”这个名词是1960年9月13日斯蒂尔在美国召开的第一次仿生学讨论会上提出的。距今2300多年前墨子和他的300弟子，花了三年时间，造了一只“会飞的木鸟”，同时间希腊阿奇卡也制成一只“机械鸽子”。东汉时，张衡制成一架能飞数里的“木雕”。大约一千九百多年前西汉京都长安有人用大鸟翮制两翼绑在双臂上能飞（滑翔）几百步。……自古就有许多中外人士模仿鸟类飞行试制飞行器，但都不成功。原因在于不了解鸟类的形态构造和生理机能适于飞行的科学原理；又不了解人不具备飞行的生理条件，人要上天，必须依靠机械动力才可能。一直到了公元1903年美国赖特兄弟发明了飞机，人类从此实现了几千年来梦寐以求的飞上天空的愿望。

　　人类飞上天空的例子，说明了仿生学的诞生有它的漫长历史，但必须在科学发达的前提下才能诞生。仿生学是一门新兴不久的科学，是生物学，数学和工程技术学边缘的一门崭新学科。它首先是根据生产实际提出的技术问题，去研究生物系统某一方面的结构和功能特性──生物原型研究。然后，将研究所得生物资料进行数学分析，抽象出它们之间的内在联系，建立数学模型。从中取得对工程技术所需的资料，用于工程技术。在工程科学的进一步发展中，人们需要向生物界寻找启发和进行模拟是很自然的，这种努力有广阔的前景。《眼睛与仿生学》就是一篇介绍有关“仿生学”的科学知识的说明文。

三、课文结构分析

课文可分为三部分。

　第一部分为前三个自然段，分别讲的是(1)眼的重要(2)眼的功能(3)眼睛与仿生学，第一部分讲的是“研究视觉仿生的意义”。

第二部分则探讨了研究视觉仿生的成果，又可以分为两层，第一层讲单眼的构造与功能，从文章的第四自然段到第九自然段分别讲了人眼、蛙眼、鹰眼；第二层则分别以象鼻虫、蜜蜂、蜻蜓和苍蝇为例讲了复眼的构造与功能，从第十自然段到第十四自然段。

文章的第三部分为最后二段，说明了仿生学的定义，任务、研究范围和发展重点。

　　第一部分：研究视觉仿生的意义（(1)─(3)）（总）

　　第二部分：研究视觉仿生的成果（(4)—(14)）（分）

　　第三部分：仿生学的定义、任务、研究范围和发展重点（(15)──(16)）（总）

四、说明顺序分析

　　由于仿生学是一门新兴科学，人们一般对它都比较陌生，所以作者不是先在科学定义上作文章，而是先介绍人们最熟悉，印象最深的人的眼睛，及其在仿生学中的意义，然后再说明一些动物的眼睛及其构造和功能。就眼的构造来说，一般眼的构造比复眼简单，所以作者先从一般眼睛谈起，然后再介绍复眼的构造及其在仿生学中的意义。

　　本文的说明顺序是由一般到特殊，由简单到复杂。这样的说明顺序既便于读者理解，又符合人们的认识规律，因此显得合情合理。

　　说明文的基本结构有“总──分──总”“总──分”、“分──总”三种形式。就文章的主体部分来说，由于层次之间的关系不同，常见的有“纵式结构”（层进关系），“横式结构”（并列关系）和“纵、横合式结构”。全文共十六个自然段，其段落大意可分别概括为：(1)眼的重要(2)眼的功能(3)眼睛与仿生学(4)人眼的仿生价值之一(5)人眼的仿生价值之二(6)蛙与蛙眼(7)蛙眼的特点(8)蛙眼的仿生价值(9)鹰眼的仿生价值(10)复眼的启示(11)象鼻虫与仿生学(12)蜂眼的特点(13)蜜蜂与仿生学(14)蜻蜓和苍蝇与仿生学(15)仿生学的定义及研究任务(16)仿生学的研究范围，类别和发展重点。

　　这篇文章的整体结构采用的是“总──分──总”的形式，主体结构即文章的第二部分则采用的是横式结构。

五、说明方法分析

交错运用举例和比较的说明方法是本文在运用说明方法上的特点。

一边大量地举出例子，一边对举出的例子进行比较，既简略地介绍了相关事物的共同性，又详细地说明了它们的不同之处。例如，文章开头部分以人眼与照相机进行比较，来说明研究各种不同构造的眼睛在仿生学中的意义。通过两者的比较，着重说明了人眼跟照相机不同的地方：要先对图像进行信息加工，抽取线段、角度、弧度、运动、色度和明暗对比等包含重要信息的简单特征，并把它们编制成神经密码信号，再传给大脑。同时，人眼还可以对比周围的景物，使人感知自身的运动和位置状态，确定物体的距离，形状和相对大小等。又如，在介绍复眼时，以蜻蜓为例，把它同人眼相比，说明它没有眼球，不能转动，靠头部的转动朝向物体，表面是一层比较硬的半透明角膜，边缘与头部边缘融为一体。最后概括起来说明，复眼构造的特点是“精巧”；功能的特点是“奇异”，在某些方面的人眼所不及。通过举例与比较突出了人和动物眼睛的不同特征，给人留下了深刻的印像。

六、语言特点

这篇文章是介绍仿生学这门新兴科学的说明文，为了说明这门新兴科学，作者运用了准确、严密、简明易懂的语言把深奥难懂的科学道理表达得深入浅出、通俗易懂。