實驗教育與實驗儀器設施（續一）

新喬 趙曉寧 任熙俊

（接上期）

3 實驗與實驗教學設施

早期實驗設施情況? 曾經昂貴而稀缺的實驗儀器設施，隨著新科學課程的實施，一個突出的問題開始顯現出來：課程效果看起來主要依賴于實驗器材，沒有實驗器材的支持，實驗課程將很難實施好。16—17世紀，因為儀器很昂貴，許多較小的機構僅買得起少量實驗器材，而出色的儀器制造者又很少，以至于當時實驗教學儀器設施短缺的情況很普遍。[1]55

儀器設施十分昂貴的問題，對于那些能夠聘請知名實驗科學家的大學和機構而言，或許是平常的簡單問題，但對大部分實驗研究者個人而言顯然就不同了，以個人能力多是無法承擔的。以化學實驗為例，化學實驗相對容易，因為直接為實際生活所需，瓶子、罐子、試劑雖不可少，但價格相對便宜;其他實驗儀器設施費用就較高了，如溫度計、望遠鏡等，當時屬于高級奢侈品，價格昂貴，平常人買不起。當時的實驗研究者更多的是一些業余愛好者，就像已在本章各節中提到過的各種身份的人，實驗也許是他們的業余愛好，連第二職業也算不上，因為實驗是既需要時間又耗費錢財的行當，如果沒有足夠的財力支持（如商人等）或有一些背景（皇家、貴族資助等），僅憑一腔熱情和愛好很難支撐，這些研究者此時十分期待大學和一些基金會提供幫助。

近代工業的發展，增強了科學研究、發明的需求，促使一些大學偶爾也把自己的實驗室和設備提供給實驗者使用，一些企業和基金會也出資幫助他們認為有科研潛質的人，使上述情況有所改變。但就總體而言，實驗儀器設施短缺的情況是比較普遍的。

近代科學教育中的實驗教學設施短缺、實驗教育開展不普遍的情況，除了與供應不足的情況有很大關系外，顯然很多也與實驗教學未能或很少得到應用重視有關，表現在實驗教學設施配置不平衡的情況比較常見，比如同樣處于制度與內容的轉換期，有些地方供應充分、設施完善，而很多地方處于短缺。如北美，當時只有哈佛大學從早期開始便擁有較好的儀器，普林斯頓大學則因之擁有當時最先進的里頓豪斯（Rittenhouse）太陽儀而驕傲，但地方上的一些大學，儀器柜實際上都空著，保管人只能不停地為之哀嘆。遲至1796年時，一些學者不得不紛紛發出呼吁，如麥迪遜和伯爾等人請求為學校提供必需的化學實驗教學儀器設施。當然，這一不平衡現象也從一個側面反映出當時科學教育成熟度的情況。[1]55

面對實驗儀器設施短缺，很多地方和學校采取措施積極加以解決，以適應科學教育需求。如法國的巴黎大學，雖然巴黎大學醫學院的設施十分貧乏，但感興趣的學生仍有機會在法國王家植物園上解剖學、植物學和化學中的實踐課程。法國王家植物園是一個在17世紀30年代通過居伊·德拉布羅斯的努力建立的獨立研究機構，在這里更有可能得到第一手的經驗。[1]45

實驗室建設? 在教育技術裝備體系中，實驗室及其設施是一個相對穩定、獨立的部分。品類繁多的實驗儀器設施分學科分別集中于不同的實驗室，構成不同的實驗室功能與形式，諸如物理、化學、生物、地質等。應用于課堂演示需要的儀器設施實際上也多是構成實驗室儀器設施體系的一部分。近代教育變革以來，實驗室建設問題被作為教育教學發展的重要部分，得到持續關注。

實驗室本身并不是近代的創新，中世紀已有煉金術和占星術的實驗室。Laboratory一詞與labor源于同一個拉丁語詞根：實驗室就是人們工作的地方。早期的實驗室通常都是煉金的場所，盧浮宮的畫藏中有一幅畫描繪了16世紀的一間實驗室，在一個裝飾豪華的地下室里，地面上擺滿了蒸餾器、坩堝，其實這些儀器、工具是煉金所用的。英語中開始用laboratory一詞至少始于19世紀初，而屬于同一時代的另一個同源詞elaboratory（精制室）指的則是早先存在的一種特別的房間，在那里人們可以精心制作東西，即試圖通過勞動生產出成品，特別是從賤金屬中煉制出金。啟蒙運動時期，該詞匯以及其所指示的場所已為人們所熟悉，在那里，人們已不僅僅研究化學，而且研究自然世界的其他方面。19世紀以前，實驗室多屬私人所有，有的設在地下室，有的設在廚房一角。瑞典化學家貝采里烏斯每年只收一名學生，他的實驗室就設在自家廚房。[4]

然而，近代的教學實驗室比較活躍的時期始于18世紀中后期。1748年，羅蒙諾索夫（米哈伊爾·瓦西里耶維奇·羅蒙諾索夫，1711—1765，俄國百科全書式的科學家、語言學家、哲學家和詩人，被譽為俄國科學史上的彼得大帝，提出了“質量守恒定律”的雛形，即物質不滅定律）說服俄國科學院在彼得堡建立一個綜合型實驗室，設施儀器裝備齊全、精良，開展有關化學、冶金學以及光學和電學研究。1818年，蓋·呂薩克也建立了實驗室，李比希在這里得以做了很多化學實驗。憑借這一經歷，李比希到吉森大學任教后建立了用于教學和研究的實驗室，并開始配置實驗助手。[4]

到19世紀，儀器制作商們的制造工藝達到精密測量的新水平，化學實驗室、物理實驗室、醫學實驗室、電磁實驗室已具相當規模，集成化程度也有很大提高，大體相當于今天的實驗室的樣子。英國皇家研究所也是在化學實驗室基礎上創辦的，由倫福德創建于1800年，法拉第以畢生精力在這里研究各種電化學和電磁現象，發現了電解定律、電磁感應和磁光效應。[1]265

1）各類實驗室的一般情形。實驗進入教育教學，一方面推動了教學發展，另一方面也使實驗室逐漸普及，從大學、職業、專科院校逐漸普及至普通教育教學。

①醫學實驗室。19世紀初期，巴黎的臨床機會曾和德國大學的實驗室吸引了許多美國的胸懷大志的醫生，如約翰·霍普金斯大學的病理學家威廉·亨利·韋爾奇（William Henry Welch，1850—1934）就是沖著那兒的實驗室去的。[5]145

德語地區的各大學還依照萊頓大學布爾哈夫的模式創建了教學診所。1753年，布爾哈夫的學生杰哈徳·凡·斯威頓（Gerhard van Swieten，1700—1772）掌管了維也納大學的這樣的一家診所。到18世紀末時，在厄蘭根、愛爾特多夫、基爾、格廷根、耶拿、圖賓根以及萊比錫等大學，臨床教學已成為必修之科目。[5]131870年后，實踐生理學成為參加皇家內科醫師學會或皇家外科醫師學會考試的學生必須通過的一門課程。[5]141

生物學實驗室是18世紀西歐醫學和生理學研究及教學中常見的用于近代醫學教學的重要設施，包括解剖實驗室、器材或演示場所等，對于推動臨床醫學發展、普及醫學知識起到重要的促進作用。

②化學實驗室。化學作為一門組織化的學科（以教科書和課程為代表），其開端可以追溯到16世紀末。從這門學科內容的整體構成來看，從這一時期到18世紀后期都存在相當程度的連續性。從其工具源方面也可以說，到18世紀中葉以前，化學經歷了一個相對長時段的穩定期，玻璃器皿、坩堝和熔爐，這種狀況至少持續了150年。直到18世紀后期，在有關熱和氣體的新奇實驗現象以及化學量值朝向更加精確測量的進展出現后，才使化學實驗室情況發生重要變化。[1]326

19世紀60—70年代，歐洲的學術性研究日新月異、突飛猛進，其中德國發展最快，躍升為實驗理論及實踐最為活躍的國家。毫無疑問，導致這些增長的一個重要原因是化學結構理論的非凡的知識力量。在化學領域，李比希所倡導的實驗室教學和集體研究相結合的教育終于結出豐碩的果實，當學科的主題適合于這種教學風格和研究風格時尤其如此。當時在德國大地上，一座座大型寬敞的實驗室拔地而起，爭奪頂級明星科學家的競爭不斷升溫，學生像潮水一樣涌入大學和工業技術學院，畢業生的就業市場急劇擴大。

③物理學實驗室。物理實驗是實驗室早期最為普遍的應用，但很難見到物理實驗室的清晰界定。伽利略時代已經有比較正規的物理實驗研究，伽利略做過許多實驗，但并沒有明確提到過自己的實驗室。羅伯特·胡克是建立物理實驗室的先行者。1662年，他擔任英國皇家學會的儀器館長，免費設計儀器設備，每周向皇家學會的例會提供三四個有意義的實驗。牛頓的白光色散實驗則是他在劍橋大學的住宅中進行的。[4]

在意大利北部，第一個確立實驗物理學席位并建立物理學實驗室的是1730年的帕維亞大學。1738年，新課程被委托給喬瓦尼·波萊尼（1683—1761），一位長期感興趣于為自然科學提供視覺直覺化教學方法的教授。當時，帕多瓦實驗室被認為是歐洲擁有最好設備的實驗室。在它的影響下，其他鄰近大學隨之也這么做了，包括比薩（1746年）、都靈（1748年）、摩德納（1760年）和帕爾馬（1770年）。[1]55

英國的開爾文即威廉·湯姆森在1846年成為格拉斯哥大學的物理教授，他開始要求學生自己動手做實驗。當時倫敦的幾所大學都設立了學生用的物理實驗室，但未列入正規物理課程，也沒有規定學生必須參加實驗研究。[4]

1866年和1868年，亞當斯與福斯特分別在大學學院和英王學院成立了物理學實驗室，為學生提供有針對性的指導。亞當斯建起了一個可供80名學生使用的教室在內的綜合實驗室，包括一個研究室、一個儀器室、一個學生實驗室、一個儲藏室，耗資2000英鎊。這些應用教學設施的實驗教學活動在相當程度上推動了科學教育的進展。

2）近代部分著名的實驗室。

①伏特物理實驗室。亞歷山德羅·伏特（1745—1827），

這位1787年就獲帕維亞大學教授席位的年輕的實驗家，得到帕維亞大學的支持，為其研究和教學的特定目的建立了與這一席位相適應的開放的物理實驗室，其實驗研究和教學條件由此得到改善。[1]55

②土木工程實驗室。1835年，法國路橋學校成立了世界上最早的土木工程實驗室，用于培養工程師[4]。這所學校及實驗室的活動取得重大而具有開創性的進步，培養出相當一批杰出人才。

③柏林大學物理實驗室。歐洲最早的、規模較大的物理實驗室當屬柏林大學的物理實驗室，由化學實驗家、1845年成為柏林大學物理和技術教授的馬克努斯創建。開始時他也是用自己的住宅辟出幾間屋當實驗室，學校給予財政資助。當時私人實驗室還被當作大學機構的一部分，大學里還未形成專業的、完全屬于大學的實驗機構。直到1863年，馬克努斯的實驗室才正式成為柏林大學的物理實驗室。

④卡文迪許實驗室。1871年，劍橋大學建立卡文迪許實驗室。1874年，麥克斯韋出任第一任主任，同時擔任實驗物理學教授。麥克斯韋主張將實驗引入物理教學，物理教學在學院講授的同時，輔以演示實驗。[6]280

從麥克斯韋主持卡文迪許實驗室開始，便主持并自己動手開發制作儀器，并積極推動學生自己動手做實驗。他倡導研究性的實驗儀器設施盡可能由教師和學生自己動手制造，認為研究的目的在于創新，而創新的東西往往沒有合適的、可供使用的現成的儀器設施。麥克斯韋正是通過自制儀器設施，自己動手實驗，尋求準確測量的方法，建立了扎實、嚴謹的學風。

自麥克斯韋起，卡文迪許實驗室自制儀器蔚成風氣，如發現電子的陰極射線管，威爾遜的云霧室，阿斯頓的質譜儀，計數器、加速器以及發現α、β、γ射線使用的儀器設備等，幾乎都是根據研究需要自己發明制造出來的。在短短幾年間，卡文迪許實驗室走出多名實驗物理學家，例如：W.M.希克斯成為謝菲爾德大學的物理教授;J.E.H.高爾頓建立了自己的物理實驗室，是電燈發明的先驅者之一、著名的電氣工程師;A.舒斯特主持領導曼徹斯特大學的實驗室，成為著名的實驗物理教授;J.A.弗萊明任大學的電氣工程教授，是二極管的發明人，對微電子技術的發展做出過開創性的重大貢獻;R.T.格拉茲布魯克與W.N.肖則是編寫英國第一本實驗物理教科書的作者;J.H.波印亭成為伯明翰大學的物理教授，發明了太陽、行星和空間絕對溫度的測量方法;等等。這批人對促進近代科學發展發揮了重要作用。

⑤李比希化學實驗室。1826年，吉森大學（后改名為洪堡大學，是德國著名大學）的李比希化學實驗室是近代大學實驗室創立的重要開端。近代實驗室創建的意義，在于它強調了只有通過實驗，對科學現象的分析和觀察才能建立在理性基礎上，確立了理解科學現象并做出解釋的觀念。[1]91

1834年誕生的英文單詞“scientist”（科學家）或顯示了19世紀科學的巨變。李比希化學實驗室的創建，也顯示了19世紀初德意志大學作為研究中心和教學中心的復興，表現了科學在社會中的一個新的、有影響力的進程。[1]91

19世紀初，德國實驗室活動活躍，各大學紛紛開始建立附屬實驗室。吉森大學的化學研究所的賈斯特斯·馮·李比希在巴黎獲得著名化學家特別是蓋·呂薩克（1778—1850，法國化學家、物理學家，提出氣體反應體積比定律，發現硼、氯，并改進許多化學工藝）的指導，參加了實驗室實驗研究。1824年，年僅21歲的李比希便成為吉森大學的化學教授，他指導的研究所注重用定量分析的新方法進行實驗教學，開展實踐培訓，吸引了大量學徒前往求學。為容納更多學生，研究所添置了更多研究設備，擴大實驗室規模，開辟了生物化學實驗并推進了這一學科的產生和發展。[5]120

李比希任職慕尼黑研究所時期，更進一步認識到許多科學難題只有通過更精密的實驗設計才能解決。因此，他采用最新的科研設備，重視對學生動手實驗的訓練和研究方法的培養，要求他們針對廣泛感興趣的相關問題展開研究。

（未完待續）