撰文：Ben Shneiderman（马里兰大学计算机科学教授）

列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）之所以能成为如此令人惊叹的艺术家和科学家，与他非凡的观察能力不无关系。他会去比较鸟类翅膀向上和向下的运动速度；注意到将血液从心脏运出的动脉和把血液运送回来的静脉之间存在差异，从而绘制出了人体循环系统的精确模型。他所作的肖像画是开创性的，因为他是第一个描绘出精确的面部和颈部肌肉组织的画家。

心脏血液循环。| 图片来源：达·芬奇

他除了将艺术家的感知能力应用于科学主题上之外，还在他所具备的地质、天气、水文、植物学等知识基础上，接受来自艺术和工程的挑战。达·芬奇自然的思想状态是将艺术、设计、工程和科学融为一体。

达·芬奇的弩。| 图片来源：Public Domain

这种整合的精神也启发了其他传奇性的艺术-科学家，例如约翰·詹姆斯·奥杜邦（John James Audubon）、路易·巴斯德（Louis Pasteur）、阿达·洛芙莱斯（Ada Lovelace）和巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）。

到了20世纪，学者们开始分分专注于自身的专业，并对学科进行了细分。不过，最近的一些研究人员又开始重新思考这种整合的思维方式，他们试图呼吁人们要重视不同学科之间的连接，以求为发现和创新带来灵感。

2018年，我为美国国家科学院组织了一次会议，在会议上，来自不同领域的学者讨论了如何能像达·芬奇在他那个时代所做的那样，让艺术、设计、工程和科学等不同领域以共赢的方式合作。对于那些想要理解、教授以及受益于整合方法的人而言，有几个很好的起点。

艺术训练让科学家出类拔萃

达·芬奇敏锐的感知能力使他成为令人赞叹的艺术家，这种感知能力还提高了他的科学水平，使他能够准确地描绘出云的运动，以及在物体周围形成的水流旋涡。这个传统在奥杜邦的鸟类绘画和玛丽·利基（Mary Leakey）的人类学绘画中表现得很明显。

奥杜邦对卡罗莱纳长尾鹦鹉的描绘。| 图片来源：纽约历史社会博物馆

医学专业人员也可能发现，视觉艺术方面的训练对他们的工作会有所助益。例如，一些皮肤科医生在被要求研究博物馆的画作之后，发现他们描述皮肤病变特征的能力得到了明显提高。艺术训练还会提高临床技能，如检查病人和阅读医学图像。

同样，受过音乐训练的医生在使用听诊器时，更善于听到心跳里的细微差别。接受过音乐训练的护理系学生能够更准确地识别出病人的胃、心脏和肺发出的声音。路易·巴斯德在肖像画方面接受到的训练，或许帮助了他理解手性的概念，也就是分子如何能以左手性和右手性的形式存在的机制。

长期以来，科学社会学家Robert Root-Bernstein一直在研究科学领域中巨大成功的根源，他研究了诺贝尔奖得主的业余爱好，结果发现，他们是博学多才的人，相比于其他杰出的研究人员或普通大众，他们对于创作艺术、雕塑、音乐、文学、诗歌、戏剧以及其他创造性活动都要精通得多。

艺术创新对科学家提出挑战

没有科学，一些创意是无法实现的。例如，工程师Karlheinz Brandenburg想要用一种简洁的数字化方式录制音频，使得歌曲能够通过慢速通信线路传输。他开发了非常成功的mp3音频格式，这其中所涉及到的数据压缩格式为数字音乐革命铺平了道路，同时也使计算算法的研究发生了革命性变化。

艺术家Lillian Schwartz曾经仔细研究过达·芬奇的作品，她参加了上世纪60年代的艺术和技术实验团体。在贝尔实验室期间，她与计算机图形的创新人员Ken Knowlton合作开发了计算机动画技术，为好莱坞特效和计算机游戏产业奠定了基础。

玩艺术会拓展工程师的思维

艺术、设计和工艺方面的训练可以帮助科学家和工程师工作得更好。许多设计学院以及大学的设计系的蓬勃发展都证明了，它们教授的技能可以加速许多领域的工作。这些学院的学生通过处理设计问题，通过用多种方法处理草图和初稿，以及得到反馈的过程中，学习到了重要的经验。这些课程提高了他们在科学和工程研究方面的表现。

在艺术和设计领域，“基于实践的研究”的不断发展产生了新的知识，这能为进一步的发现和发明奠定基础。一种颇受欢迎的将艺术设计与科学工程结合在一起的方式是建立长期的合作关系，以便度过早期的对新的语言和新的方法的学习阶段。一项针对118种此类合作的研究显示出，这种合作带来了充足的好处。

艺术可以启发其他学科的学者

我们似乎有理由假设，像绘画、雕塑、音乐或戏剧表演之类的艺术作品会促使科学家或工程师建立联系，或让他们对正在研究的问题以一种全新的方式进行思考。爱因斯坦曾说，音乐巩固了引导他提出广义相对论的洞见。

受到埃舍尔将鱼在网格中排列的激发，纽约大学的化学家Nadrian Seeman发明了第一种基于DNA的纳米技术。他写道，艺术可以“产生或帮助阐明与DNA结构有关的（可能是新的）观点。”

超级明星工程师巴克敏斯特·富勒的张拉整体式结构的想法，在Kenneth Snelson的创新建筑中得到了应用，他将钢索和铝制的圆柱体结合在一起，创造出视觉上引人入胜的大型公共雕塑。这些雕塑也帮助分子生物学家理解大分子的结构。

Kenneth Snelson所创建的”针塔“| 图片来源：Onderwijsgek/Wikimedia Commons

许多来自科学、工程、艺术和设计网站的鼓舞人心的事例，都讲述了这种跨界合作能如何发挥强大的作用。高中和大学教师如果能让学生体验团队合作，他们就能更好地为成功的富有创造力的合伙关系做好准备。整合思维在日益受到重视的另一个迹象是，设计思维因其在产品和服务的开发方面所带来益处而获得认可。

或许，以后越来越多的国家除了建立专门的科学、工程和医学学院之外，也会看见更多的设计学院，并督促它们加强这些不同学院之间的合作与联系。这并非易事，但如果可以，则或许能恢复以达·芬奇为典范的整合思考能力的突出地位。