教育技術(shù)裝備發(fā)展傳統(tǒng)與基石（續(xù)二）

新喬 趙曉寧 任熙俊

（接上期）

4 實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐：科學(xué)及科學(xué)教育發(fā)展的基石

實(shí)驗(yàn)科學(xué)的第一個(gè)范例? 1600年，一個(gè)英國醫(yī)生威廉·吉爾伯特（1544—1603）出版了《論磁》，該書是科學(xué)革命時(shí)期的少數(shù)幾部名著之一。人們普遍認(rèn)為，吉爾伯特是近代磁學(xué)的奠基人。吉爾伯特的《論磁》是以當(dāng)時(shí)盛行的自然哲學(xué)來進(jìn)行闡釋的，由于書中如此多的為基礎(chǔ)物理學(xué)學(xué)生所熟悉的事實(shí)是建立在確定的證據(jù)之上的，因此，他的書常常被稱為近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的第一范例。[13]25

吉爾伯特的《論磁》與伽利略的工作形成鮮明的對比。伽利略主要把實(shí)驗(yàn)看作說服他人的手段，至于他本人，則不必費(fèi)心地完成實(shí)驗(yàn)就敢于自信地宣布實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。與伽利略相反，吉爾伯特則通過經(jīng)驗(yàn)調(diào)查確立磁學(xué)的基本事實(shí)，從他提及并付諸實(shí)驗(yàn)的故事里，可以知道磁石曾被看作某種特殊的令人敬畏的東西，是宇宙中充滿種種隱秘及神秘力量的集中體現(xiàn)。[13]25

把事實(shí)從虛構(gòu)的故事中分離出來，吉爾伯特將此當(dāng)作自己的職責(zé)。鉆石有磁化鐵的力量，這是真的嗎？在實(shí)驗(yàn)了75顆鉆石以后，吉爾伯特有把握地回答：這不是真的。在吉爾伯特以前，人們常常將磁現(xiàn)象同靜電現(xiàn)象混為一談，吉爾伯特清楚地、明確地將兩者區(qū)分開來。他運(yùn)用豐富的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，論證地球本身是一個(gè)巨大的磁體，并且堅(jiān)持認(rèn)為吸引僅是五種磁現(xiàn)象（他又將它們稱為“運(yùn)動”）之一;其他四種是磁方向、磁差（即磁偏角）、磁傾角和磁旋轉(zhuǎn)，它們都同地球的磁場相關(guān)。[13]26

吉爾伯特不是將磁看作自然界所展示的眾多現(xiàn)象之一，而是將其作為理解整個(gè)自然的鑰匙。按照他的理解，磁是原始地球物質(zhì)中的活力要素。對吉爾伯特來說，其他的磁行為比所謂的“吸引”似乎更重要。磁方向、磁差、磁傾角這些運(yùn)動（或轉(zhuǎn)動）表示著組織宇宙的潛在智力。[13]26吉爾伯特認(rèn)為，南和北才是宇宙中的真正方向，而地球的磁的靈魂存在于對地球的組織和排列活動之中。羅盤是“上帝的手指”，失去磁的鐵被視為迷失了方向。磁針的磁傾角可以測量緯度，也許磁差能用作測定經(jīng)度。吉爾伯特在論述其第五種運(yùn)動即磁旋轉(zhuǎn)時(shí)，將地球的磁的靈魂認(rèn)作理智本身后，地球每天繞其軸轉(zhuǎn)動。他認(rèn)為這種運(yùn)動由磁引起，同樣地，他認(rèn)為當(dāng)?shù)厍蚶@太陽轉(zhuǎn)時(shí)，地極方向保持不變是由磁引起的。吉爾伯特?cái)嘌裕?dāng)?shù)厍蚪咏枙r(shí)，地球的靈魂感悟了太陽的磁場，這樣就可以推斷出，如果地球不動，地球的一邊將燃燒而另一邊則會結(jié)冰，所以地球選擇圍繞著它的軸轉(zhuǎn)動。為了引起季節(jié)性的變化，地球甚至選擇讓它的軸傾斜一定角度。[13]27-28

“新哲學(xué)”：一種革命的宇宙觀——實(shí)驗(yàn)與儀器設(shè)施推動的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)? 地理大探險(xiǎn)發(fā)現(xiàn)了字面意義上的新世界，天文觀測肯定了新的星球（新星）在太空中的存在，而過去認(rèn)為這些星體的存在是不可思議的，中世紀(jì)的學(xué)術(shù)規(guī)范被新的哲學(xué)體系所取代;而近代科學(xué)，或時(shí)人稱作“新哲學(xué)”的東西，代表了一種革命的宇宙觀。至17世紀(jì)時(shí)，對創(chuàng)新的癡迷到了如此深的地步，以至于出版商的書單充滿自封的新學(xué)，如一種新煉金術(shù)、天文學(xué)、植物學(xué)、化學(xué)、幾何學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、修辭學(xué)和技術(shù)。在其中最為著名的有伽利略的《新科學(xué)》（1638年）、約翰尼斯·開普勒的《新天文學(xué)》（1609年）和弗蘭西斯·培根的《新邏輯學(xué)》（1620年）。[15]143

18世紀(jì)的進(jìn)步是從17世紀(jì)的科學(xué)成就中汲取力量的，而這一時(shí)期的成果引起世人對科學(xué)知識的關(guān)注。進(jìn)步觀的支持者們相信現(xiàn)代科技集中了它對事實(shí)和理論的儲備，揭示了自然的奧秘，獲得了對自然資源的控制，人類將沿著進(jìn)步的階梯攀升，所有的人類活動都將因感受到科學(xué)精神的漸進(jìn)的推動力量而改變。[15]143

歷史上曾經(jīng)產(chǎn)生一種“燃素”理論。物質(zhì)為什么會燃燒？燃燒的條件是什么？德國物理學(xué)家、化學(xué)家喬治·施塔爾（1660—1734）創(chuàng)立了“燃素”理論：所有的物質(zhì)基本上都是由水和三種不同的土組成的，其中一種是易燃的，當(dāng)物質(zhì)燃燒的時(shí)候就會釋放出來，進(jìn)入空氣，這種成分就是燃素。他的思想是建立在更早的科學(xué)家貝歇爾（1635—1682）的思想基礎(chǔ)之上的，貝歇爾的思想統(tǒng)治化學(xué)界將近一個(gè)世紀(jì)，直到安東尼·拉瓦錫（1743—1794）將其否定。拉瓦錫和英國化學(xué)家普利斯特利（1733—1804）于1774年在發(fā)現(xiàn)空氣中的新成分（拉瓦錫將它命名為“氧”）的基礎(chǔ)上做了一系列實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)逐漸使其認(rèn)識到這種被稱為“空氣中最健康和最純潔”的部分，正是在燃燒過程中實(shí)際起作用的部分，也是解開燃燒秘密的關(guān)鍵。氧氣的發(fā)現(xiàn)徹底否定了燃素理論。拉瓦錫正確闡述了燃燒：在氧和另一種物質(zhì)結(jié)合的時(shí)候，同時(shí)釋放熱量和光，并且使這種物質(zhì)的重量增加。

到19世紀(jì)，普魯特在1824年證明鹽酸是消化液中的酸性物質(zhì)。他想出一種食物營養(yǎng)成分的分類方法，將它們分成通常所稱的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)。他還提出，如果將氫視作1，那么各種元素的原子量就可以用氫的積分來表示。[16]140

近代神經(jīng)反射理論的詳盡闡釋盡管已有前人做過，但霍爾和約翰尼斯·繆勒在這方面也均有各自的貢獻(xiàn)。貝爾對大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的解剖學(xué)研究具有令人愉悅的審美情趣和名副其實(shí)的獨(dú)創(chuàng)性;他對神經(jīng)功能的思索是敏銳而富啟發(fā)性的，即使后來他夸大了自己的研究成果，自以為發(fā)現(xiàn)了脊神經(jīng)根的功能。[16]140

電學(xué)的發(fā)展或可更能表明實(shí)驗(yàn)哲學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐對推動科學(xué)發(fā)展的意義。本杰明·富蘭克林（1706—1790）為了證明閃電的電性質(zhì)，于1752年5月6日進(jìn)行了閃電實(shí)驗(yàn)。在暴風(fēng)雨中，富蘭克林和他的兒子威廉將風(fēng)箏升到空中，風(fēng)箏上面裝有與麻繩相連的金屬線。風(fēng)箏在空中飄浮不定，當(dāng)閃電掠過風(fēng)箏時(shí)，富蘭克林緊拽著風(fēng)箏的手一陣麻木，他意識到自己已經(jīng)被閃電擊中了。他做了幾次類似實(shí)驗(yàn)，將閃電引入并貯存在萊頓瓶中帶回實(shí)驗(yàn)室，并與人工摩擦產(chǎn)生的電進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者毫無差別，從而證明了雷電與摩擦起電產(chǎn)生的電性質(zhì)是一樣的。富蘭克林的這個(gè)最著名的實(shí)驗(yàn)極端危險(xiǎn)。1753年，俄羅斯科學(xué)院有才干的物理學(xué)家里奇曼（1711—1753）在用他的裝置從空中引閃電時(shí)被電擊死。[12]67

—場關(guān)于與鈍避雷針相比，尖避雷針優(yōu)點(diǎn)何在的論戰(zhàn)，在18世紀(jì)的全部剩余時(shí)間里都進(jìn)行得非常激烈。以本杰明·威爾遜（1721—1788）為首的鈍避雷針的支持者論證說，尖針會吸引閃電，而威爾遜認(rèn)為應(yīng)當(dāng)裝在屋頂下面的鈍避雷針只會帶走電擊而不會吸引它（圖4）。事實(shí)上，避雷針的形狀與其對付閃電的能力沒有什么關(guān)系，富蘭克林在思考他的避雷針使暴風(fēng)雨云層失去爆炸性方面尚有不足，避雷針?biāo)_(dá)到的高度比其形狀關(guān)鍵得多。

不怎么戲劇性卻比較重要的一批實(shí)驗(yàn)是富蘭克林完成的最初的那批實(shí)驗(yàn)。1747年5月，他寫信給柯林森說：“一段時(shí)間以來，我一直認(rèn)為電火不是由摩擦產(chǎn)生的，而是聚集而成的，實(shí)際上是其他物質(zhì)，特別是水和金屬之間擴(kuò)散……和吸引的一種元素。”這個(gè)理論的證據(jù)來自“摩擦玻璃管并由之取電火使自身帶電的不可能性（即使放在蠟上）”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，玻璃管上的電流體不是摩擦產(chǎn)生的，而是從實(shí)驗(yàn)者的身體取得的。[12]67

這個(gè)實(shí)驗(yàn)使人想到四個(gè)另外的實(shí)驗(yàn)[12]69：

1）—個(gè)人站在蠟上摩擦玻璃管，另一個(gè)人站在蠟上取電火，在一個(gè)站在地板上的人看來，似乎他們兩人（假如他們站著而彼此不接觸）都帶上電，也就是說，他在他們用膝蓋靠近的時(shí)候?qū)⒖匆婋娀鸹?

2）但是，如果站在蠟上的兩個(gè)人在刺激玻璃管的時(shí)候彼此接觸，他們兩個(gè)人看上去都不會帶電;

3）如果他們刺激玻璃管并且按上述辦法取電火，那么，他們之間的電火花就將比他們兩個(gè)人中任何一個(gè)人與地板上的人之間的電火花更強(qiáng);

4）在如此強(qiáng)的電火花之后，他們兩個(gè)人都不會顯示出帶電。

富蘭克林假定有一種單電流體以解釋這些實(shí)驗(yàn)，每個(gè)處于中性狀態(tài)的人都有一份這種流體。帶電的玻璃管起著泵的作用，單電流體在其中可以從一個(gè)人的身體移向另一個(gè)人的身體。因此，如果甲把流體傳給乙，而且兩個(gè)人都與地面隔開，那么，乙就會有過量的流體（荷正電）而甲則短缺流體（荷負(fù)電）。富蘭克林的單電流體不能被創(chuàng)造也不能被毀滅，而只能從一個(gè)物體傳給另一個(gè)物體的理論，解釋了已知的大多數(shù)電現(xiàn)象。電流體排斥其他電流體卻吸引普通物質(zhì)。電的吸引、排斥、火花、傳導(dǎo)、感應(yīng)以及迪費(fèi)說的玻璃電和樹脂電，全都能用富蘭克林的理論解釋（迪費(fèi)說的兩種電一方面體現(xiàn)流體短缺，另一方面則體現(xiàn)流體過量）。[12]69

丹麥物理學(xué)家、化學(xué)家H.C.奧斯特（1777—1851）做了60多個(gè)實(shí)驗(yàn)，考察電流對磁針作用的強(qiáng)弱、電流對磁針的影響，并在1820年7月21日發(fā)表了題為“關(guān)于磁針上電流碰撞的實(shí)驗(yàn)”的論文，向科學(xué)界宣布了電流的磁效應(yīng)，揭開了電磁學(xué)的序幕，標(biāo)志著電磁學(xué)時(shí)代的到來。[17]31

最后揭示出放射性現(xiàn)象的本質(zhì)的是另一個(gè)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（1871—1937，新西蘭原子核物理學(xué)家），他發(fā)現(xiàn)在原子核衰變過程中發(fā)射的不是一種而是兩種射線，即α射線和β射線。α射線是帶兩個(gè)電荷的氦原子，而β射線就是湯姆遜剛剛發(fā)現(xiàn)的電子。由于這兩種粒子都帶電荷，α帶正電荷，β帶負(fù)電荷，因此可以用電磁場來控制它們的運(yùn)動路徑，就像在電視顯像管里的情況那樣。因此，只要有足夠強(qiáng)的放射源，這兩種粒子就都很適于用來做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。[9]249

實(shí)驗(yàn)的原理是讓密封容器中的放射源發(fā)出的射線射向一個(gè)靶子（通常是一薄片金屬箔），靶子使射線散射，然后利用一片閃爍體來觀測被散射的粒子。每一個(gè)散射事件都會引起一次閃光，閃光持續(xù)的時(shí)間不超過1/100秒，用這種方法就可以將事件記錄下來。在早期對粒子進(jìn)行研究時(shí)，實(shí)驗(yàn)者不得不直接用眼睛觀測，記錄下閃爍體上出現(xiàn)的閃光點(diǎn)，盧瑟福傾向于使用那種用細(xì)繩和封蠟組裝起來的簡單儀器。因?yàn)殚W光極其微弱，所以必須在幾乎是絕對的黑暗中才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。[9]250

1878年，威廉·克魯克斯制造了一支近于完美的真空管，其中有兩個(gè)電極，一個(gè)是正極，另一個(gè)是負(fù)極。當(dāng)通以電流時(shí)，就會出現(xiàn)微弱的光，照亮管中稀薄的空氣，并使管壁發(fā)出熒光。熒光現(xiàn)象來自陰極，即負(fù)極。他發(fā)現(xiàn)，這種射線在磁場中會偏轉(zhuǎn)，表明它不可能是純粹的光線，但它既不是氣體，也不是液體或固體。克魯克斯在困惑之下，稱之為“輻射的”物質(zhì)。實(shí)際上他是在毫無所知的情況下，開拓了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中整個(gè)一片新的領(lǐng)域。[9]256

19世紀(jì)90年代，許多著名的物理學(xué)家用克魯克斯真空管做實(shí)驗(yàn)，其中包括劍橋的J.J.湯姆遜（1856—1940）和沃爾茨堡的威廉·康拉德·倫琴（1845—1923，德國物理學(xué)家。發(fā)現(xiàn)了X射線，并且發(fā)現(xiàn)使介質(zhì)在充電的固定平行板電容器中旋轉(zhuǎn)時(shí)，能產(chǎn)生磁場），他們分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)，克魯克斯管外的物質(zhì)發(fā)出熒光的現(xiàn)象是管內(nèi)的放電作用引起的。當(dāng)湯姆遜打算對陰極射線進(jìn)行研究，以便找出產(chǎn)生這一效應(yīng)的原因時(shí)，倫琴已經(jīng)下決心立即著手研究了。1895年11月8日，倫琴在管子的前面放置了一片屏幕來顯示熒光效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，在克魯克斯管上覆蓋黑紙，并不能阻止這一效應(yīng)的發(fā)生。當(dāng)他把自己的手放在管子與屏幕之間時(shí)，能使效應(yīng)稍微減弱，同時(shí)能在陰影中看見手的骨骼。他在1895年12月發(fā)表這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，震驚了整個(gè)世界。

倫琴無法解釋自己的這一發(fā)現(xiàn)，由于一般常以X來代表未知的事物，因此稱之為X射線，并沿用至今。總之，他因此而在1901年成為第一位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者。X射線被發(fā)現(xiàn)之初，雖然它的本質(zhì)還不清楚，但是已經(jīng)對許多科學(xué)家的研究工作產(chǎn)生深刻影響，其中包括J.J.湯姆遜的工作。直到1912年，馮·勞厄（1879—1960）才闡明了X射線的本質(zhì)。[9]256-257

1896年1月，法國科學(xué)家亨利·貝克勒爾在法國科學(xué)院得知倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，這一新現(xiàn)象引起他和另外三個(gè)人的興趣，他們想測試一下，看看磷光本身是否有可能用作X射線源。另外的三位科學(xué)家沒有花費(fèi)多少時(shí)間就為上述看法提出肯定的證據(jù)，現(xiàn)在知道，其實(shí)他們都是錯(cuò)誤的。這三位科學(xué)家分別研究的是不同的磷光物質(zhì)，貝克勒爾做的也是同樣的工作，卻得不出肯定的結(jié)果。但是當(dāng)他對一個(gè)鈾鹽的樣品進(jìn)行研究時(shí)（這個(gè)樣品是他父親在15年前留下的遺物），卻意外地發(fā)現(xiàn)了“金礦”。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至此，似乎一切都正常，但是貝克勒爾決定再做一次確證的實(shí)驗(yàn)，這一次他將一薄片銅放在黑紙上遮蓋著照相底片。1896年2月的陽光不夠充沛，然而貝克勒爾急于知道實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還是將底片顯影了，那時(shí)正巧威廉·克魯克斯偶然到他的實(shí)驗(yàn)室來訪問。令人驚訝的是，在底片黑色的背景上顯示出銅片白色的影像。[9]264-265

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，證明只有鈾才產(chǎn)生這樣的效應(yīng)，而且并不一定必須是能夠產(chǎn)生磷光的物質(zhì)。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性是因?yàn)樗哂邪l(fā)現(xiàn)新奇事物的才能，不過他既未使用“放射性”這個(gè)名詞，也未對它的來源做出解釋。這一發(fā)現(xiàn)并沒有立即廣泛地引起興趣，相比之下，人們對X射線的興趣要大得多，因?yàn)閄射線比較容易產(chǎn)生，卻幾乎無法獲得鈾。[9]265

貝克勒爾指出，鈾使空氣變成電的導(dǎo)體。其他人還發(fā)現(xiàn)存在某個(gè)“飽和點(diǎn)”，它限制著空氣的導(dǎo)電性。

同時(shí)期，一對年輕的夫婦皮埃爾·居里和瑪麗亞·居里（通常稱為瑪麗·居里或居里夫人，波蘭裔法國籍女物理學(xué)家、放射化學(xué)家）決定測量鈾釋放出來的能量，同時(shí)對其他元素進(jìn)行測試。他們將兩個(gè)直徑為八厘米的圓盤上下疊置，二者之間相距3厘米;讓鈾的樣品覆蓋下面的那個(gè)圓盤，然后以高電壓電池使之帶電，同時(shí)測量上面的那個(gè)圓盤充電的速率。這個(gè)實(shí)驗(yàn)依靠的是極為精確的儀器，包括靜電計(jì)和皮埃爾發(fā)明的石英天平，以便能夠獲得所需要的數(shù)據(jù)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。[9]268

當(dāng)時(shí)他們并不在學(xué)術(shù)界工作，卻對這一課題產(chǎn)生很大的興趣。瑪麗亞決定自己動手來做實(shí)驗(yàn)，從鈾開始進(jìn)行，接著測試了13種其他元素，包括金和銅。在1898年2月17日那天，她轉(zhuǎn)而測試瀝青鈾礦（從這種礦石里可以提煉出鈾），結(jié)果測得它產(chǎn)生的電流要比鈾產(chǎn)生的強(qiáng)得多。到2月24日，她發(fā)現(xiàn)另一件令人驚訝的事實(shí)，釙這種元素的放射性也比鈾強(qiáng)，但是要比瀝青鈾礦弱。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)是在他們的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)室是理化學(xué)校提供的一間長期不用的透風(fēng)漏雨的木棚，里面有兩張破舊的桌子、一只爐子和一塊皮埃爾用來計(jì)算的小黑板，實(shí)驗(yàn)材料是廉價(jià)買來的十幾麻袋廢礦渣。在極其艱苦的實(shí)驗(yàn)中，這對夫婦發(fā)現(xiàn)了另一種礦物，放射性比鈾強(qiáng)的天然銅鈾云母。這種不正常而且過度的放射性是從哪里來的呢？唯一的解釋是它們可能都含有一種尚未被發(fā)現(xiàn)的元素，而這種元素的放射性比鈾強(qiáng)，這是在科學(xué)史上第一次通過放射性來探查和發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)。在對那份分離產(chǎn)物進(jìn)行分離和純化中，他們終于獲得一種放射性比鈾強(qiáng)的物質(zhì)。在12月20日，皮埃爾在他的筆記本上寫下radium（鐳）這個(gè)名詞。[9]268-269

后來他們又花了兩年的時(shí)間獲得純的鐳樣品，總共只有1/10克，只比一粒米稍為重一點(diǎn)二。1903年，皮埃爾在一項(xiàng)與別人合作的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，一克鐳在一小時(shí)內(nèi)能使1.3克水的溫度從0 ℃升至100 ℃。在同一年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予居里夫婦和貝克勒爾，瑪麗亞是第一位獲此殊榮的婦女。1905年，皮埃爾終于被選為科學(xué)院院士，索邦神學(xué)院特別為他設(shè)立一個(gè)教授職位。瑪麗亞·居里則由于發(fā)現(xiàn)鐳和釙而在1911年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。[9]270

（未完待續(xù)）