實驗教育與實驗儀器設施

新喬 趙曉寧 任熙俊

1 引言

實驗在很多方面優(yōu)于一般的觀察和生產(chǎn)實踐活動，是一種以認識自然為首要目的的實踐活動和研究方法。實驗概念由英國博物學家、哲學家羅吉爾·培根（Roger Bacon，約1214—1294，見圖1）首先提出，他說：“實驗是探求真理的唯一法門?！彼岢觯骸岸牭降牟豢尚?，歸納和推想出來的也不可靠。”自然科學應當加以實驗，培根主張靠“實驗來弄懂自然科學、醫(yī)學、煉金術和天上地下的一切事物”。在學校教育中，實驗是開展科學教學、培養(yǎng)科學思維的重要方法和途徑。實驗教育相對于類比法，其直觀性、啟發(fā)性是寓于事實的確定性基礎上的，其所適用范圍有時可能是有局限的，但它的結果都是可仿效的，這對教學的影響不言而喻。實驗教學的方法不僅具體反映了各科學學科的知識、經(jīng)驗、方法、成果，同時給學習者以信心，并將信心轉化成科學探索精神、方法和興趣，進入無限復雜、豐富的自然世界中，即進入一種科學思維中。

在近代教育變革的推動下，隨著理論科學和應用技術、工藝之間的傳統(tǒng)壁壘被削弱，科學實驗傳統(tǒng)在歐洲近代科學、教育發(fā)展中得以復興，實驗教育逐步得到廣泛認同和積極實施，不同類型的實驗被引進教學，成為分布于科學課程的重要教學形式。

近代實驗教學方式所采用的實驗教學方法和內容，體現(xiàn)了對實驗傳統(tǒng)和近代科學實驗研究方法的繼承、發(fā)展。實驗教學與科學實驗研究的暢通交流、融合、相互補充與共同促進，在進一步推動科學教育發(fā)展的同時，也帶動實驗儀器設施逐漸形成較完整的適應教學發(fā)展的體系。

2 實驗的傳統(tǒng)與實驗教育

實驗的傳統(tǒng)? 實驗在近代教育變革、科學變革之前便是一種一直獨立存在的現(xiàn)象。在中世紀，希臘人、中國人，以及穆斯林學者們較早地便利用實驗室及儀器，將實驗作為主要方法，進行了大量的科學研究，曾在文藝復興之前的數(shù)個世紀中取得一批重要的科學成果。

實驗的傳統(tǒng)至少可追溯到公元前三世紀。歐洲人最早的實驗是阿基米德（Archimedes，公元前287—前212）的王冠實驗（圖2）。據(jù)說他洗澡時發(fā)現(xiàn)了浮力現(xiàn)象，狂喜之余跳出澡盆，光著身子一邊往家里跑一邊大聲地重復道：“ε?ρηκα！”“ε?ρηκα！”（希臘語：“發(fā)現(xiàn)啦！”“發(fā)現(xiàn)啦！”）但那時人們尚未了解實驗，實驗被稱為“自然法術”，知識的獲得主要是靠對客觀事物現(xiàn)象的觀察。

公元二世紀，醫(yī)學上的實驗產(chǎn)生了蓋倫、威廉·哈維和約翰·亨特等杰出人物。蓋倫提出氣的概念，用氣質代替了希波克拉底體液理論中的人格，形成四種氣質學說，此分類方式一直在心理學中沿用至今。

化學在早期的譯本中被描述為一種秘術（secret art）。

在八世紀，伊斯蘭學者曾補充了一種新的金屬理論，說金屬是由哲人經(jīng)臆測做出，由汞和硫組成，當這兩種元素達到完美比例便產(chǎn)生金子。煉金術把神秘主義帶進亞里士多德或者伊斯蘭的元素理論。物理學上，中世紀的煉金術許多與亞里士多德（Aristotle，公元前384—前322，古希臘哲學家、科學家）學說結合在一起，土、水、金、火這四種元素不但構成亞里士多德物理學的基礎，而且它們的屬性可以相互轉換，由此可以讓一種元素轉變成另一種元素。[1]23

古希臘研究自然界的方法中，所缺少的是實驗的運用。例如：亞里士多德否認真空的可能性，理由是他推斷物體會以無限的速度運動，而這一理論在當時是不可能被實驗所驗證的。在整個中世紀，對物質現(xiàn)象的研究只是根據(jù)被廣泛接受的亞里士多德的權威，通過推理來檢驗。[1]511

13世紀，雖然英國的羅吉爾·培根已經(jīng)提出“實驗”概念， 提倡科學實驗，但由于時代的限制，沒有產(chǎn)生多大影響。

達·芬奇被稱為近代實驗科學的開路先鋒。達·芬奇在反對教會和經(jīng)院哲學的斗爭中，主張向大自然請教，提倡實驗方法，認為科學如果不是從實驗中產(chǎn)生并以一種清晰實驗結束，便是毫無用處、充滿荒謬的，因為只有實驗才是確實性之母。

迄至14世紀初，阿爾·法里西構建實驗模型，用裝滿水的玻璃球來模擬雨滴，以便對虹進行數(shù)學分析。近代科學變革引發(fā)人們對科學的極大熱情，科學實驗隨之開始成為普遍應用的科學方法：“實驗是探求真理的唯一法門?！痹谖乃噺团d運動的推動下，伴隨著自然科學同宗教神學、經(jīng)院哲學的激烈斗爭，近代西歐率先開始興起實驗活動，一批哲學家、科學家極力提倡科學實驗和實驗教育，并把科學實驗作為戰(zhàn)勝對手、壯大自己力量的有力武器。[2]45

耶穌會會士們是17世紀實驗物理學的領軍人物，直到1733年他們的團體衰落以前，一直占據(jù)突出位置。[3]5917世紀中葉，在這個群體之外出現(xiàn)民間實驗組織，如在梅第奇大公的倡導下，意大利佛羅倫薩成立一個實驗學會組織。顧名思義，實驗學會致力于當時的自然哲學問題的精密實驗研究，主要致力于共同進行實驗，并且出版了《自然實驗論文集》。而類似的相關科學交流活動17世紀上半葉就已經(jīng)在西歐其他國家出現(xiàn)了。

近代實驗教育的發(fā)展

1）初期實驗教育不成熟與不完善的情況。17世紀，實驗教學已經(jīng)進入學校教育，但不成熟和不完善的情況仍很普遍。近代科學實驗開始沒有專業(yè)實驗科學家。“17世紀，實驗哲學家是一群常被人們譏笑的邊緣人物，他們奮力拼搏以期贏得王宮貴族的認可，并且在自己的研究實踐中模仿顯貴的行為方式，以使他們的活動合法化。”[1]6817世紀早期，德國大學在確立化學的地位方面處于領先地位。然而這門學科的學術狀況仍然取決于醫(yī)學教育的需求。由于教師常常沒有薪金或者所得報酬過低，因此要依靠從醫(yī)學專業(yè)學生、內科醫(yī)生、藥劑師和其他對化學有興趣的人那里收取學費。當化學由于醫(yī)學院的極大成功而在萊頓大學和愛丁堡大學蓬勃發(fā)展之時，它在牛津大學和劍橋大學卻已經(jīng)被冷落很多年了。[1]327

到18世紀初，雖然在歐洲一些學院和大學，包括數(shù)學課程與物理學課程的整合得到初步發(fā)展，但當時整個歐洲開設的物理學新課程并非是嚴格的數(shù)學物理學，物理學是因果性的科學，數(shù)學是分析性的科學，而解剖學、植物學和化學是通過解剖和演示來講授的簡單的描述性科學。早在1700年，體驗自然（experience nature）被作為大學所提供的正式課程，但想獲得這種機會的學生必須轉到醫(yī)學院，選修解剖學、植物學和化學課程。然而實驗同數(shù)學一樣在傳統(tǒng)的物理學中沒有地位，盡管專業(yè)性解釋中經(jīng)常提及它。教授們或許已經(jīng)擁護牛頓物理學，但他們并未運用《原理》中的數(shù)學方法來解釋牛頓的理論。相反，他們避開數(shù)學分析而選擇先用實驗來證明牛頓物理學的可靠性，之后進行解釋性實驗。特別是在英國，雖足以保證有數(shù)學愛好的學生對當時數(shù)理物理學發(fā)展的情況有良好了解，但這些以拉丁文講授的課程主要是幾何學及其實際應用，除了偶爾用一些印制的表格外，很少利用視覺資源、儀器設施來教學。[1]44

18世紀初期，培根倡導的實驗哲學在學院的高等教育的正式課程中似乎沒有多少位置，學生很少有機會親眼見到實驗和演示，也沒有機會去實踐[1]45，而常見的講授式的實驗課程，儀器的使用與正式課程又很少邏輯的聯(lián)系，教師重在展示特殊儀器的多種用途，比如無所不在的空氣泵，而且課程經(jīng)常由一些兼任者承擔，比如皮埃爾·波利尼埃（1671—1734）就曾在巴黎的許多大學兼課。[1]54

醫(yī)學課程與教學設施關系密切，但由于醫(yī)學課程中的核心學科（生理學、病理學和治療學）與物理學一樣，長期被認為是因果性科學，因此，它們的教學都沒有可視化的教學輔助;解剖學、植物學和化學—藥劑學與傳統(tǒng)的醫(yī)學研究沒有什么聯(lián)系，地位很低，因此，這三門學科通常由經(jīng)驗較少的年輕教授講授。赫爾曼·布爾哈夫（Henmann Boerhaave，1668—1738）就是典型的例子，他的教書生涯便是1709年在萊頓大學從植物學這門自己完全不懂的學科開始的，通常三門學科以綱要的形式進行講授。[1]44-45

2）實驗教育的積極變化。早期科學與實驗學家為實驗教育發(fā)展搭建了橋梁。第一個想到將實驗作為說明完整和一致的物理課程的一種方法的是法國人雅克·羅奧（卒于1672），他于1670年左右最先在法國許多城鎮(zhèn)講授笛卡兒學派自然哲學的私人課程，于是他的課程便成為打破大學物理教學壟斷局面的力量之一。[1]54在大學里，羅奧的最早模仿者可能是約翰·凱爾（1671—1721），他是一位為牛頓物理學設計實驗課程的蘇格蘭人，大約于1694—1709年間在牛津大學講授牛頓物理學。約翰·凱爾于1704年在牛津大學引入實驗課程，不久后劍橋大學也這樣做了，由塞繆爾·克拉克翻譯的羅奧的《物理學》的拉丁文版本成為流行教材，書中到處可見的腳注無不洋溢著牛頓哲學以及受到鼓舞的表述，反駁了羅奧原著的笛卡兒主義觀點。[1]309

在啟蒙運動早期，歐洲大陸上對牛頓哲學最堅定的支持來自荷蘭。在萊頓的格雷德、赫爾曼·布爾哈夫和彼得·范·米森布魯克（Pieter van Musschenbroek，1692—

1761）精心實驗了牛頓的著作中已觀察過的科學方法，并在這個過程中創(chuàng)立了新的實驗物理學校。從17世紀70年代起，實驗演示就是萊頓大學物理學課程的一部分。1715年，威廉·雅各·范·格雷弗桑德（1688—1742）訪問倫敦，參加了關于“實驗哲學”的各種講座。兩年后，他被指定擔任萊頓大學的教席，并建立自己的有實驗演示的講座。[1]3101720年，格雷弗桑德出版了他極為成功的《實驗確證的物理學中的數(shù)學元素，或牛頓哲學導論》，這本書用許多實驗例證闡述了牛頓哲學。此書當時便受到英國數(shù)學家們的極大好評。[3]35

從17世紀下半葉笛卡兒物理學開始在課堂上講授起，臨時教授便開始在正式講演之外提供實驗物理作為課外課程。第一個這樣的課程似乎早在17世紀60年代的維爾茨堡就已經(jīng)出現(xiàn)[1]54。17世紀90年代，隨著笛卡兒主義者進入大學課程表，巴黎大學也引入了類似的實驗演示課程。授課者是皮埃爾·波利尼埃，他被委任建立一門演示課程，以闡明笛卡兒派教授紀堯姆·德古梅（1745年去世）在其講座上講授的原理。波利尼埃的演示十分受歡迎，他繼續(xù)每一年里講幾次課。他也作了一些面向公眾的講座，這些講座也獲得很大的成功，年輕的國王路易十五在1722年也聽了他的講座。[1]309

18世紀，科學教育方面發(fā)生的變革，盡管許多方面是通過教會和政府對新科學表現(xiàn)出較為積極的態(tài)度才實現(xiàn)的，但實驗教學全面融入課堂教學，實驗教育得到全面發(fā)展，很大程度上顯然也得益于一大批科學家與實驗學家長期不懈的努力。在這些科學家的推動下，到18世紀，在接受牛頓的現(xiàn)象物理學的整個歐洲，實驗教育開始逐漸普及，18世紀30—40年代，在意大利、德國和別的國家，實驗教學（講座）已變得很常見，且被受教育的人所樂于接受。同時，新課程開始被給予更多實驗性的偏愛。[1]310

帕維亞大學的電學實驗學家亞歷山德羅·伏特多年講授實驗哲學，并且很好地利用了物理實驗室來從事研究工作和輔助教學。他認為研究者和教師的角色之間沒有矛盾，并且懇請政府提供更多的資金和空間，“[我]可以貢獻我所有的才智來促進我所從事的科學事業(yè)，并加強對年輕學生的指導”[1]69。具有象征性意義的是，當1721年獲得薩維爾教授席位的詹姆斯·布雷德利（1693—1762）在1729—1760年間在阿什莫爾博物館講授實驗物理學時，已經(jīng)明確意識到提供單獨的和受歡迎的實驗物理學課程的必要性[1]56。

在逐步深入的近代科學教育變革過程中，隨著科學發(fā)展和工業(yè)文明的推進，科學教育不可逆轉地走向建制化，使部分實驗科學家、科學實驗者從研究者、業(yè)余愛好者轉變?yōu)槁殬I(yè)教師、實驗師，就成為順理成章的事情;又由于18世紀自然哲學不斷分化為不同的分支，逐漸轉由專業(yè)的教授講授，帶動從事教育的科學家、實驗哲學家的數(shù)量持續(xù)增長，這兩種因素推動形成早期的實驗教師隊伍，對實驗教育發(fā)展起到極大保障作用。如諾萊于1739年被選為巴黎科學院的成員，這是他的前輩波利尼埃沒有做到的。1753年，國王為他在納瓦拉學院設立了一個實驗物理學新教席，成為在全歐洲的學院和大學里設立類似教席的典范[1]310。

在新的國立學院開始設立專業(yè)實驗教席職位，法國18世紀初就開設了實驗物理學課程，盡管此時的實驗物理學課程一般在主要課程以外，或許仍由外行人通常在學生結束其物理學學年之后的假期講授，但這門課也無疑具有重要的示范效用，同時還總是對包括婦女在內的公眾開放。而且在還沒有幾個機構任命專門的實驗物理學教授的情況下，巴黎納瓦拉學院和獨立的王家學院（今天的法蘭西學院）于1753年和1769年設立了兩個最重要的教授席位，教授實驗物理學課程。一些大學還極為重視為教師和實驗家提供可以進行教學、研究工作的空間，建立了專用的實驗物理學陳列室，將實驗室建設作為保障教學發(fā)展的一項基本措施。[1]57

社會對新科學的發(fā)展和追求，也對實驗教育的深入實施起到積極的促進作用。在法國的工科學校里，數(shù)學（包括微積分）第一次被列入教學計劃，成為后來教育廣泛遵循的一個范例。如英國劍橋大學主要以數(shù)學的方式為學生介紹新物理學課程。在航海技術、實驗物理學、工程學、植物學、人口統(tǒng)計學、政府事務和保險等實際事務中，表現(xiàn)出的對于數(shù)量化和理性方法的日益重視，更帶動實驗物理學課程的深度普及。[1]265

教材重構：實驗教學發(fā)展的重要標志

1）化學教科書?；瘜W教科書的近代傳統(tǒng)是由安德烈亞斯·利巴菲烏斯（約1540—1616）的《煉金術》（Alchemia，F(xiàn)rankfurt，1597年）開始的。煉金術，中世紀以來形成的一種具有濃厚迷信色彩的觀念，認為它有各種不同的重要目的，包括把賤金屬轉變成為銀和金，生產(chǎn)出珠寶以及其他貴重物品，并且調制出治病的藥物，尤其是宣稱可以延長生命的仙丹妙藥，17—18世紀盛興一時，很多科學家也想以此來換取君主（王室）的某種庇護。[1]326

利巴菲烏斯是一名信奉路德教的校長，他采納從事教學的人文主義者的方法，界定這門學科的主題，把許多化學制劑配方的古代文本形式系統(tǒng)組織在有關實驗的標題下，對定義進行劃分并依次闡述每個部分，諸如此類，用一系列二分法呈現(xiàn)整個學科，并以樹形分支圖的形式加以描述。利巴菲烏斯堅持化學作為一門學科的獨立性，并把它置于各種實用技藝之上的主導地位。化學的這種教學法上的闡述是一種抗爭，用以反對利巴菲烏斯所認為的瑞士煉金術士和醫(yī)生帕拉塞爾蘇斯16世紀后期追隨者的蒙昧主義和神秘主義。[1]326

堅守系統(tǒng)的方法是18世紀的化學教科書所具有的主要特點，其他形式上的特點基本上也是源自利巴菲烏斯。盡管隨著時間的流逝，這些特點有某種程度的改變。這些教材通常會討論典型實驗室的儀器，介紹預備過程的細節(jié)，如蒸餾、升華、過濾和溶解等具體的化學操作都被羅列出來并加以分類。如赫爾曼·布爾哈夫從1732年開始講授《化學原理》，這一做法一直延續(xù)下來。18世紀一些教師為傳統(tǒng)的化學課本大綱也做了一些改變，即有關該學科歷史的介紹性的評論。萊頓的布爾哈夫、格拉斯哥和愛丁堡的威廉·卡倫（1710—1790）都采取了這種做法，將本學科信息的完整性與連續(xù)性統(tǒng)一起來。[1]326-327

弗蘭德的教科書《化學講義》（1709年）是其在牛津阿什莫爾博物館地下實驗室發(fā)表的講演的匯編。這本書重申了講義中的公理，而且進一步用它們對各種化學反應做出解釋。但弗蘭德在此書中未能解釋為什么有些物質具有相似的化學特性，吸引力似乎與特性無關，而化學家們認為這種特性是某些物質所特有的。為此，在隨后的幾十年里，弗蘭德的書有時會被自然哲學家引用，卻很少被化學家引用。有些著作把化學物質間的相互吸引或“親合力”與牛頓的力的概念聯(lián)系起來，但是正如人們所了解的一樣：化學親和力的排序在18世紀化學中有一個重要的功能，并且完全獨立于牛頓思想之外。[1]330

2）物理學教科書。物理學方面，荷蘭語的教材，通過把按傳統(tǒng)包括進來的植物學、動物學、解剖學和生理學等學科的內容刪去，在重新規(guī)定“物理學”范圍的過程中起了主要作用，推動了教學發(fā)展。[1]310

從17世紀70年代起，實驗演示就是萊頓大學物理學課程的一部分。在教學方式的創(chuàng)造中最有影響的是牛頓的忠誠信徒威廉·雅各·范·格雷弗桑德。1715年，格雷弗桑德訪問了倫敦，參加了關于“實驗哲學”的各種講座。兩年后，從1717年開始，他被指定擔任萊頓大學的教席，任數(shù)學和天文學教授，并建立自己的有實驗演示的講座。他以“牛頓哲學導論：物理、基礎數(shù)學和實驗實證”（1720—1721年）為題，出版了有關著作并獲得巨大成功，接連出版了幾種拉丁文和英文的版本。他的學生彼得·范·米森布魯克在烏特勒支大學工作多年之后，轉到萊頓繼承了他的教席，也像他一樣寫了一本非常成功的教科書。這些教科書在1726—1769年間以各種語言出版了內容不斷擴充的許多版本。[1]310

雖然羅奧和部分大學實驗物理學教授也都曾出版過有關課程內容方面的著作，但還是格雷弗桑德于1720—1721年在萊頓用拉丁語出版的物理學教材真正確立了新課程的結構。格雷弗桑德著作唯一的英文譯本由凱爾在牛津大學的繼承人讓·西奧菲勒斯·德薩居利耶（1683—1744）在該世紀中葉完成，一共印刷六版，后來被格雷弗桑德在萊頓的繼承人、萊頓瓶的發(fā)明者彼得·范·米森布魯克在死后（1762年）出版的著作《自然哲學·導論》所取代，此書在18世紀下半葉非常成功。[1]55

波利尼埃的著作代表了實驗的科學觀對法國教育的首次大滲透。波利尼埃在1709年曾出版自己的講義，其后相繼再版。再版的版本表明波利尼埃本人把實驗當作尋求知識的途徑的自信增強了：在初版中，他只把實驗說成是說明理論原理的補充方法，但在第三版及以后的版本里就變成是到達真正的物理學的唯一可靠的方法了。波利尼埃曾宣稱，在他的書出版后，使用他講義的巴黎教師們開始在其他地方得到仿效。

波利尼埃的地位后來被讓·安托萬·諾萊（1700—1770）所替代，他的六卷本《實驗物理學講義》進一步明確了這個領域的更具體的新定義，在1743—1748年間出版并重印多次，在30多年里一直是法國實驗物理學的權威角色，其所開設的配有實驗演示的公眾講座課程還成為巴黎社交生活的一個特別節(jié)目，并吸引了王家的眷顧。[1]309

格雷弗桑德和其他荷蘭物理學家使物理學成為現(xiàn)在所認識的物理科學的范圍，從而重新定義了物理學。從1720年開始，實驗物理學通常包括對熱、光、電和磁的研究，而解剖學、醫(yī)學、博物學和化學則被排除在外。格雷弗桑德著作的法文書名是“物理學基礎”（1747年），米森布魯克寫了一本《論物理學》，重點強調了示范實驗。[3]52

在德國，實驗及教學之所以興旺，原因之一是基于由克里斯琴·沃爾夫修訂和詮釋了的萊布尼茲的哲學基礎。沃爾夫的《獲得更精確的自然知識和藝術的普遍有用的研究》（1721—1723年）與格雷弗桑德的《物理學的數(shù)學基礎》同年出版。與格雷弗桑德的著作一樣，沃爾夫的書描述了示范實驗，并詳細說明了如何進行，如何制造和使用這些儀器設施。[3]52

法國科學家貝爾納雖從未出版過教科書，但他的講課以及發(fā)表的整整10卷《講義集》，專門討論了形成中的實驗科學。其最著名的著作《實驗醫(yī)學研究導論》（1865年）總體概述了應用于生物醫(yī)學的實驗方法。實際上這是一部由勤于實踐的科學家曾撰寫過的最系統(tǒng)地闡述科學哲學的著作。貝爾納要求科學實驗者進行積極觀察，尤其是要仔細檢查某些具體特征，只有這樣，才能對疾病有清楚的了解。沒有生理學就沒有病理學，而沒有生理學和病理學，就沒有科學的治療法。他認為這三者——生理學、病理學、藥理學——構成了實驗醫(yī)學的三大支柱，而且每一個都是一門實驗科學。

（未完待續(xù)）