实验教育与实验仪器设施
新乔 赵晓宁 任熙俊
1 引言
实验在很多方面优于一般的观察和生产实践活动，是一种以认识自然为首要目的的实践活动和研究方法。实验概念由英国博物学家、哲学家罗吉尔·培根（Roger Bacon，约1214—1294，见图1）首先提出，他说：“实验是探求真理的唯一法门。”他提出：“耳听到的不可信，归纳和推想出来的也不可靠。”自然科学应当加以实验，培根主张靠“实验来弄懂自然科学、医学、炼金术和天上地下的一切事物”。在学校教育中，实验是开展科学教学、培养科学思维的重要方法和途径。实验教育相对于类比法，其直观性、启发性是寓于事实的确定性基础上的，其所适用范围有时可能是有局限的，但它的结果都是可仿效的，这对教学的影响不言而喻。实验教学的方法不仅具体反映了各科学学科的知识、经验、方法、成果，同时给学习者以信心，并将信心转化成科学探索精神、方法和兴趣，进入无限复杂、丰富的自然世界中，即进入一种科学思维中。
在近代教育变革的推动下，随着理论科学和应用技术、工艺之间的传统壁垒被削弱，科学实验传统在欧洲近代科学、教育发展中得以复兴，实验教育逐步得到广泛认同和积极实施，不同类型的实验被引进教学，成为分布于科学课程的重要教学形式。
近代实验教学方式所采用的实验教学方法和内容，体现了对实验传统和近代科学实验研究方法的继承、发展。实验教学与科学实验研究的畅通交流、融合、相互补充与共同促进，在进一步推动科学教育发展的同时，也带动实验仪器设施逐渐形成较完整的适应教学发展的体系。
2 实验的传统与实验教育
实验的传统? 实验在近代教育变革、科学变革之前便是一种一直独立存在的现象。在中世纪，希腊人、中国人，以及穆斯林学者们较早地便利用实验室及仪器，将实验作为主要方法，进行了大量的科学研究，曾在文艺复兴之前的数个世纪中取得一批重要的科学成果。
实验的传统至少可追溯到公元前三世纪。欧洲人最早的实验是阿基米德（Archimedes，公元前287—前212）的王冠实验（图2）。据说他洗澡时发现了浮力现象，狂喜之余跳出澡盆，光着身子一边往家里跑一边大声地重复道：“ε?ρηκα！”“ε?ρηκα！”（希腊语：“发现啦！”“发现啦！”）但那时人们尚未了解实验，实验被称为“自然法术”，知识的获得主要是靠对客观事物现象的观察。
公元二世纪，医学上的实验产生了盖伦、威廉·哈维和约翰·亨特等杰出人物。盖伦提出气的概念，用气质代替了希波克拉底体液理论中的人格，形成四种气质学说，此分类方式一直在心理学中沿用至今。
化学在早期的译本中被描述为一种秘术（secret art）。
在八世纪，伊斯兰学者曾补充了一种新的金属理论，说金属是由哲人经臆测做出，由汞和硫组成，当这两种元素达到完美比例便产生金子。炼金术把神秘主义带进亚里士多德或者伊斯兰的元素理论。物理学上，中世纪的炼金术许多与亚里士多德（Aristotle，公元前384—前322，古希腊哲学家、科学家）学说结合在一起，土、水、金、火这四种元素不但构成亚里士多德物理学的基础，而且它们的属性可以相互转换，由此可以让一种元素转变成另一种元素。[1]23
古希腊研究自然界的方法中，所缺少的是實验的运用。例如：亚里士多德否认真空的可能性，理由是他推断物体会以无限的速度运动，而这一理论在当时是不可能被实验所验证的。在整个中世纪，对物质现象的研究只是根据被广泛接受的亚里士多德的权威，通过推理来检验。[1]511
13世纪，虽然英国的罗吉尔·培根已经提出“实验”概念， 提倡科学实验，但由于时代的限制，没有产生多大影响。
达·芬奇被称为近代实验科学的开路先锋。达·芬奇在反对教会和经院哲学的斗争中，主张向大自然请教，提倡实验方法，认为科学如果不是从实验中产生并以一种清晰实验结束，便是毫无用处、充满荒谬的，因为只有实验才是确实性之母。
迄至14世纪初，阿尔·法里西构建实验模型，用装满水的玻璃球来模拟雨滴，以便对虹进行数学分析。近代科学变革引发人们对科学的极大热情，科学实验随之开始成为普遍应用的科学方法：“实验是探求真理的唯一法门。”在文艺复兴运动的推动下，伴随着自然科学同宗教神学、经院哲学的激烈斗争，近代西欧率先开始兴起实验活动，一批哲学家、科学家极力提倡科学实验和实验教育，并把科学实验作为战胜对手、壮大自己力量的有力武器。[2]45
耶稣会会士们是17世纪实验物理学的领军人物，直到1733年他们的团体衰落以前，一直占据突出位置。[3]5917世纪中叶，在这个群体之外出现民间实验组织，如在梅第奇大公的倡导下，意大利佛罗伦萨成立一个实验学会组织。顾名思义，实验学会致力于当时的自然哲学问题的精密实验研究，主要致力于共同进行实验，并且出版了《自然实验论文集》。而类似的相关科学交流活动17世纪上半叶就已经在西欧其他国家出现了。
近代实验教育的发展
1）初期实验教育不成熟与不完善的情况。17世纪，实验教学已经进入学校教育，但不成熟和不完善的情况仍很普遍。近代科学实验开始没有专业实验科学家。“17世纪，实验哲学家是一群常被人们讥笑的边缘人物，他们奋力拼搏以期赢得王宫贵族的认可，并且在自己的研究实践中模仿显贵的行为方式，以使他们的活动合法化。”[1]6817世纪早期，德国大学在确立化学的地位方面处于领先地位。然而这门学科的学术状况仍然取决于医学教育的需求。由于教师常常没有薪金或者所得报酬过低，因此要依靠从医学专业学生、内科医生、药剂师和其他对化学有兴趣的人那里收取学费。当化学由于医学院的极大成功而在莱顿大学和爱丁堡大学蓬勃发展之时，它在牛津大学和剑桥大学却已经被冷落很多年了。[1]327
到18世纪初，虽然在欧洲一些学院和大学，包括数学课程与物理学课程的整合得到初步发展，但当时整个欧洲开设的物理学新课程并非是严格的数学物理学，物理学是因果性的科学，数学是分析性的科学，而解剖学、植物学和化学是通过解剖和演示来讲授的简单的描述性科学。早在1700年，体验自然（experience nature）被作为大学所提供的正式课程，但想获得这种机会的学生必须转到医学院，选修解剖学、植物学和化学课程。然而实验同数学一样在传统的物理学中没有地位，尽管专业性解释中经常提及它。教授们或许已经拥护牛顿物理学，但他们并未运用《原理》中的数学方法来解释牛顿的理论。相反，他们避开数学分析而选择先用实验来证明牛顿物理学的可靠性，之后进行解释性实验。特别是在英国，虽足以保证有数学爱好的学生对当时数理物理学发展的情况有良好了解，但这些以拉丁文讲授的课程主要是几何学及其实际应用，除了偶尔用一些印制的表格外，很少利用视觉资源、仪器设施来教学。[1]44
18世纪初期，培根倡导的实验哲学在学院的高等教育的正式课程中似乎没有多少位置，学生很少有机会亲眼见到实验和演示，也没有机会去实践[1]45，而常见的讲授式的实验课程，仪器的使用与正式课程又很少逻辑的联系，教师重在展示特殊仪器的多种用途，比如无所不在的空气泵，而且课程经常由一些兼任者承担，比如皮埃尔·波利尼埃（1671—1734）就曾在巴黎的许多大学兼课。[1]54
医学课程与教学设施关系密切，但由于医学课程中的核心学科（生理学、病理学和治疗学）与物理学一样，长期被认为是因果性科学，因此，它们的教学都没有可视化的教学辅助;解剖学、植物学和化学—药剂学与传统的医学研究没有什么联系，地位很低，因此，这三门学科通常由经验较少的年轻教授讲授。赫尔曼·布尔哈夫（Henmann Boerhaave，1668—1738）就是典型的例子，他的教书生涯便是1709年在莱顿大学从植物学这门自己完全不懂的学科开始的，通常三门学科以纲要的形式进行讲授。[1]44-45
2）实验教育的积极变化。早期科学与实验学家为实验教育发展搭建了桥梁。第一个想到将实验作为说明完整和一致的物理课程的一种方法的是法国人雅克·罗奥（卒于1672），他于1670年左右最先在法国许多城镇讲授笛卡儿学派自然哲学的私人课程，于是他的课程便成为打破大学物理教学垄断局面的力量之一。[1]54在大学里，罗奥的最早模仿者可能是约翰·凯尔（1671—1721），他是一位为牛顿物理学设计实验课程的苏格兰人，大约于1694—1709年间在牛津大学讲授牛顿物理学。约翰·凯尔于1704年在牛津大学引入实验课程，不久后剑桥大学也这样做了，由塞缪尔·克拉克翻译的罗奥的《物理学》的拉丁文版本成为流行教材，书中到处可见的脚注无不洋溢着牛顿哲学以及受到鼓舞的表述，反驳了罗奥原著的笛卡儿主义观点。[1]309
在启蒙运动早期，欧洲大陆上对牛顿哲学最坚定的支持来自荷兰。在莱顿的格雷德、赫尔曼·布尔哈夫和彼得·范·米森布鲁克（Pieter van Musschenbroek，1692—
1761）精心实验了牛顿的著作中已观察过的科学方法，并在这个过程中创立了新的实验物理学校。从17世纪70年代起，实验演示就是莱顿大学物理学课程的一部分。1715年，威廉·雅各·范·格雷弗桑德（1688—1742）访问伦敦，参加了关于“实验哲学”的各种讲座。两年后，他被指定担任莱顿大学的教席，并建立自己的有实验演示的讲座。[1]3101720年，格雷弗桑德出版了他极为成功的《实验确证的物理学中的数学元素，或牛顿哲学导论》，这本书用许多实验例证阐述了牛顿哲学。此书当时便受到英国数学家们的极大好评。[3]35
从17世纪下半叶笛卡儿物理学开始在课堂上讲授起，临时教授便开始在正式讲演之外提供实验物理作为课外课程。第一個这样的课程似乎早在17世纪60年代的维尔茨堡就已经出现[1]54。17世纪90年代，随着笛卡儿主义者进入大学课程表，巴黎大学也引入了类似的实验演示课程。授课者是皮埃尔·波利尼埃，他被委任建立一门演示课程，以阐明笛卡儿派教授纪尧姆·德古梅（1745年去世）在其讲座上讲授的原理。波利尼埃的演示十分受欢迎，他继续每一年里讲几次课。他也作了一些面向公众的讲座，这些讲座也获得很大的成功，年轻的国王路易十五在1722年也听了他的讲座。[1]309
18世纪，科学教育方面发生的变革，尽管许多方面是通过教会和政府对新科学表现出较为积极的态度才实现的，但实验教学全面融入课堂教学，实验教育得到全面发展，很大程度上显然也得益于一大批科学家与实验学家长期不懈的努力。在这些科学家的推动下，到18世纪，在接受牛顿的现象物理学的整个欧洲，实验教育开始逐渐普及，18世纪30—40年代，在意大利、德国和别的国家，实验教学（讲座）已变得很常见，且被受教育的人所乐于接受。同时，新课程开始被给予更多实验性的偏爱。[1]310
帕维亚大学的电学实验学家亚历山德罗·伏特多年讲授实验哲学，并且很好地利用了物理实验室来从事研究工作和辅助教学。他认为研究者和教师的角色之间没有矛盾，并且恳请政府提供更多的资金和空间，“[我]可以贡献我所有的才智来促进我所从事的科学事业，并加强对年轻学生的指导”[1]69。具有象征性意义的是，当1721年获得萨维尔教授席位的詹姆斯·布雷德利（1693—1762）在1729—1760年间在阿什莫尔博物馆讲授实验物理学时，已经明确意识到提供单独的和受欢迎的实验物理学课程的必要性[1]56。
在逐步深入的近代科学教育变革过程中，随着科学发展和工业文明的推进，科学教育不可逆转地走向建制化，使部分实验科学家、科学实验者从研究者、业余爱好者转变为职业教师、实验师，就成为顺理成章的事情;又由于18世纪自然哲学不断分化为不同的分支，逐渐转由专业的教授讲授，带动从事教育的科学家、实验哲学家的数量持续增长，这两种因素推动形成早期的实验教师队伍，对实验教育发展起到极大保障作用。如诺莱于1739年被选为巴黎科学院的成员，这是他的前辈波利尼埃没有做到的。1753年，国王为他在纳瓦拉学院设立了一个实验物理学新教席，成为在全欧洲的学院和大学里设立类似教席的典范[1]310。
在新的国立学院开始设立专业实验教席职位，法国18世纪初就开设了实验物理学课程，尽管此时的实验物理学课程一般在主要课程以外，或许仍由外行人通常在学生结束其物理学学年之后的假期讲授，但这门课也无疑具有重要的示范效用，同时还总是对包括妇女在内的公众开放。而且在还没有几个机构任命专门的实验物理学教授的情况下，巴黎纳瓦拉学院和独立的王家学院（今天的法兰西学院）于1753年和1769年设立了两个最重要的教授席位，教授实验物理学课程。一些大学还极为重视为教师和实验家提供可以进行教学、研究工作的空间，建立了专用的实验物理学陈列室，将实验室建设作为保障教学发展的一项基本措施。[1]57
社会对新科学的发展和追求，也对实验教育的深入实施起到积极的促进作用。在法国的工科学校里，数学（包括微积分）第一次被列入教学计划，成为后来教育广泛遵循的一个范例。如英国剑桥大学主要以数学的方式为学生介绍新物理学课程。在航海技术、实验物理学、工程学、植物学、人口统计学、政府事务和保险等实际事务中，表现出的对于数量化和理性方法的日益重视，更带动实验物理学课程的深度普及。[1]265
教材重构：实验教学发展的重要标志
1）化学教科书。化学教科书的近代传统是由安德烈亚斯·利巴菲乌斯（约1540—1616）的《炼金术》（Alchemia，Frankfurt，1597年）开始的。炼金术，中世纪以来形成的一种具有浓厚迷信色彩的观念，认为它有各种不同的重要目的，包括把贱金属转变成为银和金，生产出珠宝以及其他贵重物品，并且调制出治病的药物，尤其是宣称可以延长生命的仙丹妙药，17—18世纪盛兴一时，很多科学家也想以此来换取君主（王室）的某种庇护。[1]326
利巴菲乌斯是一名信奉路德教的校长，他采纳从事教学的人文主义者的方法，界定这门学科的主题，把许多化学制剂配方的古代文本形式系统组织在有关实验的标题下，对定义进行划分并依次阐述每个部分，诸如此类，用一系列二分法呈现整个学科，并以树形分支图的形式加以描述。利巴菲乌斯坚持化学作为一门学科的独立性，并把它置于各种实用技艺之上的主导地位。化学的这种教学法上的阐述是一种抗争，用以反对利巴菲乌斯所认为的瑞士炼金术士和医生帕拉塞尔苏斯16世纪后期追随者的蒙昧主义和神秘主义。[1]326
坚守系统的方法是18世纪的化学教科书所具有的主要特点，其他形式上的特点基本上也是源自利巴菲乌斯。尽管随着时间的流逝，这些特点有某种程度的改变。这些教材通常会讨论典型实验室的仪器，介绍预备过程的细节，如蒸馏、升华、过滤和溶解等具体的化学操作都被罗列出来并加以分类。如赫尔曼·布尔哈夫从1732年开始讲授《化学原理》，这一做法一直延续下来。18世纪一些教师为传统的化学课本大纲也做了一些改变，即有关该学科历史的介绍性的评论。莱顿的布尔哈夫、格拉斯哥和爱丁堡的威廉·卡伦（1710—1790）都采取了这种做法，将本学科信息的完整性与连续性统一起来。[1]326-327
弗兰德的教科书《化学讲义》（1709年）是其在牛津阿什莫尔博物馆地下实验室发表的讲演的汇编。这本书重申了讲义中的公理，而且进一步用它们对各种化学反应做出解释。但弗兰德在此书中未能解释为什么有些物质具有相似的化学特性，吸引力似乎与特性无关，而化学家们认为这种特性是某些物质所特有的。为此，在随后的几十年里，弗兰德的书有时会被自然哲学家引用，却很少被化学家引用。有些著作把化学物质间的相互吸引或“亲合力”与牛顿的力的概念联系起来，但是正如人们所了解的一样：化学亲和力的排序在18世纪化学中有一个重要的功能，并且完全独立于牛顿思想之外。[1]330
2）物理学教科书。物理学方面，荷兰语的教材，通过把按传统包括进来的植物学、动物学、解剖学和生理学等学科的内容删去，在重新规定“物理学”范围的过程中起了主要作用，推动了教学发展。[1]310
从17世纪70年代起，实验演示就是莱顿大学物理学课程的一部分。在教学方式的創造中最有影响的是牛顿的忠诚信徒威廉·雅各·范·格雷弗桑德。1715年，格雷弗桑德访问了伦敦，参加了关于“实验哲学”的各种讲座。两年后，从1717年开始，他被指定担任莱顿大学的教席，任数学和天文学教授，并建立自己的有实验演示的讲座。他以“牛顿哲学导论：物理、基础数学和实验实证”（1720—1721年）为题，出版了有关著作并获得巨大成功，接连出版了几种拉丁文和英文的版本。他的学生彼得·范·米森布鲁克在乌特勒支大学工作多年之后，转到莱顿继承了他的教席，也像他一样写了一本非常成功的教科书。这些教科书在1726—1769年间以各种语言出版了内容不断扩充的许多版本。[1]310
虽然罗奥和部分大学实验物理学教授也都曾出版过有关课程内容方面的著作，但还是格雷弗桑德于1720—1721年在莱顿用拉丁语出版的物理学教材真正确立了新课程的结构。格雷弗桑德著作唯一的英文译本由凯尔在牛津大学的继承人让·西奥菲勒斯·德萨居利耶（1683—1744）在该世纪中叶完成，一共印刷六版，后来被格雷弗桑德在莱顿的继承人、莱顿瓶的发明者彼得·范·米森布鲁克在死后（1762年）出版的著作《自然哲学·导论》所取代，此书在18世纪下半叶非常成功。[1]55
波利尼埃的著作代表了实验的科学观对法国教育的首次大渗透。波利尼埃在1709年曾出版自己的讲义，其后相继再版。再版的版本表明波利尼埃本人把实验当作寻求知识的途径的自信增强了：在初版中，他只把实验说成是说明理论原理的补充方法，但在第三版及以后的版本里就变成是到达真正的物理学的唯一可靠的方法了。波利尼埃曾宣称，在他的书出版后，使用他讲义的巴黎教师们开始在其他地方得到仿效。
波利尼埃的地位后来被让·安托万·诺莱（1700—1770）所替代，他的六卷本《实验物理学讲义》进一步明确了这个领域的更具体的新定义，在1743—1748年间出版并重印多次，在30多年里一直是法国实验物理学的权威角色，其所开设的配有实验演示的公众讲座课程还成为巴黎社交生活的一个特别节目，并吸引了王家的眷顾。[1]309
格雷弗桑德和其他荷兰物理学家使物理学成为现在所认识的物理科学的范围，从而重新定义了物理学。从1720年开始，实验物理学通常包括对热、光、电和磁的研究，而解剖学、医学、博物学和化学则被排除在外。格雷弗桑德著作的法文书名是“物理学基础”（1747年），米森布鲁克写了一本《论物理学》，重点强调了示范实验。[3]52
在德国，实验及教学之所以兴旺，原因之一是基于由克里斯琴·沃尔夫修订和诠释了的莱布尼兹的哲学基础。沃尔夫的《获得更精确的自然知识和艺术的普遍有用的研究》（1721—1723年）与格雷弗桑德的《物理学的数学基础》同年出版。与格雷弗桑德的著作一样，沃尔夫的书描述了示范实验，并详细说明了如何进行，如何制造和使用这些仪器设施。[3]52
法国科学家贝尔纳虽从未出版过教科书，但他的讲课以及发表的整整10卷《讲义集》，专门讨论了形成中的实验科学。其最著名的著作《实验医学研究导论》（1865年）总体概述了应用于生物医学的实验方法。实际上这是一部由勤于实践的科学家曾撰写过的最系统地阐述科学哲学的著作。贝尔纳要求科学实验者进行积极观察，尤其是要仔细检查某些具体特征，只有这样，才能对疾病有清楚的了解。没有生理学就没有病理学，而没有生理学和病理学，就没有科学的治疗法。他认为这三者——生理学、病理学、药理学——构成了实验医学的三大支柱，而且每一个都是一门实验科学。
（未完待续）
