教育技术装备内知识系统的建构和发展

    新乔 赵晓宁 任熙俊

    1 引言

    在欧洲中世纪漫长的近一千年时间里，科学发展近乎处于停滞状态，之所以如此，其中一个主要原因就是科学方法上的缺陷。由于宗教神学和经院哲学一统天下，除了与之相适应的那种抽象、空洞、思辨、脱离实际的烦琐论证方法外，实际的观察实验方法和严谨的逻辑推理方法几乎没有得到任何运用和发展。按照今天的眼光看，之所以将达·芬奇、哥白尼、开普勒、伽利略等称为近代科学主要奠基人，一方面是由于他们取得了具有划时代意义的科学成就，创立了近代科学;另一方面则是由于他们创立了用适当的科学方法进行科学研究，从而为更有效地探索自然界奠定了方法论基础。[1]

    实验方法不像行星运动三大定律或折射定律，并不是一个只归功于17世纪科学的特定发现。然而，只有到了17世纪，实验方法才成为科学研究的一个被广泛使用的工具。18世纪开始逐渐使用“实验哲学”观点来描述—些自然科学领域[2]123，事实上，实验的发展是18世纪自然哲学的惊人特征之一。实验哲学的发展除了主要归功于仪器设施的进步特别是该世纪最后20年中与之相伴随的科学仪器精密性的增强之外，还有数学形式的普及。自然研究和实验方法运用之间日益增长的联系，连同牛顿影响的一个更明确的方面，即数学上的严密性一起，越来越用以将自然科学同传统意义上的哲学明确地区别开来，并用以为自然科学成为知识的特定形式奠定基础。尤其是实验与科学仪器设施的应用，极大启发了人们的思维，进而上升到方法论的维度。[3]255

    实验本身就是一个多维度的探索过程，当然也不适合以某一科学研究环节或单一实验来判断得失对错，这未免过于鲁莽或失于绝对化，且难免脱离实践。因此，选择从实验方法的角度进行探讨，以区别于其他研究。

    2 无形的仪器——实验方法

    “全盘抛弃早期的自然哲学乃是科学革命的一个中心特征”，除了有形的仪器之外，无形的仪器——实验方法更为重要[2]122。自17世纪以来，有相当多的人致力于方法的研究，培根写了《新工具》，笛卡尔写了《方法论》，帕斯卡、伽桑狄、牛顿等在这方面都有或多或少的著作和陈述。这些著述对当时科学发展无疑都有积极意义，但显然也有一定的时代局限性。[2]122

    培根（1561—1626）作为实验方法的创始人，享有很高的声誉，提倡和强调把普遍的自然史作为科学的必要基础，反映出支配其观点的基调是不偏不倚的观察。笛卡尔则认为，实验只与科学的细节相关，要建立自然哲学的一般原则，光靠推理就行了。他明确断言的推理在探索自然界时具有的功能，对17和18世纪的思想产生相当大的影响，然而对今天所说的科学方法的形成所起作用却很小。帕斯卡关于方法的简短论文试图“把实验和笛卡尔的计划更加密切地联系起来，但这些论文并不完善”。[2]122

    实验研究的先例很多，在盖伦的生理学著述中可以找到它的例子。源于罗伯特·格罗塞特的中世纪的实验方法以及16世纪帕多瓦大学的逻辑学家们对类似于假设演绎体系的方法做过考察。到17世纪末，科学发展已然将实验方法锻造成一种可以一直运用的重要工具。这是一次重要的突破，而之所以说它重要，就在于科学发展出适合其需要的方法，自此之后的成功范例导致广泛的越来越多的效仿。[2]123-124

    哈维生理学实验的简单性说明了实验进程的基本方面。当他将自己的胳膊缠上绷带切断血液循环，觀察接下来发生什么变化时，实际上他是在加给自然界一组被他的问题所支配的人为条件。[2]123哈维证明了血液循环的必然性，但问题在于，如何证明血液循环是一个事实。没有显微镜，他无法观测到连接动脉系统与静脉系统的毛细血管。为了证明血液循环，哈维设计了一个办法，通过在自己身上进行的一个巧妙的实验，他能够表明血液确实从动脉流向了静脉。他用绷带紧紧系住胳膊，这样既切断了动脉，也切断了静脉，这时胳膊变凉但并未变色，而绷带的动脉则胀起并颤动;继之，他将绷带稍稍放松，让动脉恢复畅通，但静脉仍处于阻断状态，他感到热流汹涌，有新鲜血液流过胳膊，胳膊立刻呈现出紫色，绷带以下的静脉明显鼓胀。下臂静脉中的血不可能来自仍处于切断状态下的静脉系统，这证明血一定是从动脉流向了静脉。[2]95

    类似的还有托里拆利（埃万杰利斯塔·托里拆利，意大利数学家、物理学家）的实验，他所进行的气压计的实验就是一种方法论的探索。在这个实验中，托里拆利根据一个仔细定义了的问题，将水银装入玻璃试管，然后把它直立于一个盘子里。没有实验者的设计，托里拆利观察到的现象将永不会发生。[2]123

    17世纪最好的实验研究是牛顿的一系列很难说与自然现象相关的颜色起源实验。牛顿设计了一组人为条件，在这组条件下，实验者的意图完全定义了与自然相关的问题。自然，他不得不默认答案，但是这种实验的设计决定了自然界除了回答“是”或“否”外没有别的选择。[2]123-124

    3 实验方法：观察方法和逻辑方法

    近代实验主要依赖两种方法：观察方法和逻辑方法（包括数学方法，因为数学本质上也是逻辑）。前者是获取经验材料或科学事实和进行科学检验的方法，后者是整理科学事实并建构理论体系的方法。[1]

    牛顿的“假设”实验方法? 牛顿的研究方法可以看作自然哲学的伽利略风格和波义耳风格的不同方面的结合。他关于科学方法的权威陈述在此后的两个世纪中起到科学上的“十诫”作用。从1669年接受卢卡斯数学教授的任职开始，他抨击同时代者的盖然论，并指出关于颜色的科学可以像光学的任何其他部分一样确定。在于1672年初递交给皇家学会的关于光与颜色的理论中，他宣称他的白光是由不同成分的光构成的理论，具有数学上的确定性，该理论可由一个“判决性实验”加以证明。在对同时代的所有可能的科学哲学，特别是诉诸“假设”的科学哲学加以痛责之时，牛顿对哲学共同体的其余部分做了一个严格的方法论规定：以实验为基础，然后通过归纳，上升为一般数学关系或自然定律。[3]235

    实验方法运用和牛顿的研究在17世纪以后的欧洲更广泛地流行开来，如威廉·雅各·格雷弗桑德关于牛顿自然哲学的教科书就在法国被广泛传播。当牛顿学说在法国和英国赢得支持的时候，其他研究，如对“人的科学”、医学甚至宗教的研究，都试图给予其研究同牛顿力学一样的认识论地位。在1740年后的几十年间，牛顿“方法”——即使不是“吸引力”学说——一度统治了欧洲。与本体论一起，这种方法能以多种方式被解读，达朗贝尔等法国学人将《原理》中的数学分析视为理性研究的典范，让·西奥菲勒斯·德萨居利耶以及荷兰的牛顿主义者格雷弗桑德和彼得·范·米森布鲁克——他们在其教材中赞美以实验为依托的“牛顿”方法——促进了在大量观众面前有形地显现牛顿原理的演示装置的发展。牛顿体系在苏格兰的大学中特别盛行，正如保罗·伍德所指出的，大卫·休谟和托马斯·里德等人在编纂其道德哲学时诉诸牛顿的“方法”，尽管他们的研究途径之间有巨大的差异。[3]243-244

    牛顿的《光学》一书是他留给18世纪的伟大的遗产之一。这本著作主要讲与颜色有关的现象，把牛顿让白光穿过一块棱镜折射而分解成它的各个不同颜色的组分的著名分光实验作为出发点，还包括牛顿对薄膜、厚板和自然物体的颜色的先驱性研究的详尽叙述，以及对双折射和“拐射”（即衍射）研究的更简要的叙述。[3]314

    菲涅耳的演示验证方法? 1815年，菲涅耳才对当时微粒光学的复杂性有比较清醒的认识。菲涅耳提出用干涉原理去解释光的衍射现象，通过实验的办法，发现衍射带的观测位置和理论预示的位置十分接近，以此将衍射带解释为是由波的建设性干涉和破坏性干涉引起的结果。菲涅耳在1816年的第一篇关于光的衍射的论文中讨论了衍射光带的成因。当一根发丝或其他细丝被一束窄光束照射时，可以看到屏上明暗相间的条纹，这就是菲涅耳所研究的光的衍射现象。他主张光是一种扰动，正是这种扰动的叠加和光波的干涉原理解释了这一衍射效应。扰射体（AB）反射的光波和从光源（S）来的直接光波同位相处，即出现互相加强的亮条纹;当来自光源和来自扰射体反射的光振动位相相反时，两束光互相抵消，就出现一条一条的暗条纹。[4]23

    菲涅耳对光波干涉的理论处理所预言的衍射条纹的位置同实验得到的值十分接近，他的实验演示验证了这一结果，用光波的叠加和抵消来解释衍射条纹，有力地支持了光的波动说。当他从实验上证实自己的理论判断时，波动说解释受到强有力的支持。阿拉戈很好地报道了菲涅耳的工作，表示支持光的波动说，并希望做进一步探入的研究。毕奥则用微粒说来解释衍射现象以致作答。拉普拉斯的微粒光学的支持者们还就这一课题提出开展一场研究竞赛的提议，以便使衍射得到微粒说解释，并以此来拒绝光的波动说。菲涅耳的论文于1819年呈交巴黎科学院，为光的波动说的胜利立下汗马功劳。在对论文进行审读的时候，泊松指出，菲涅耳的理论能解释意料之外的结果：在用作衍射体的圆盘阴影的中心所出现的那个亮点，实验上证明是确实存在的。[4]23

    奥斯特和韦伯的测量方法? 1820年，丹麦物理学家H.C.奥斯特（1777—1851）发现了电磁学，这使人们千方百计要建立电力在电以太中传播的理论。普通物质周围粒子构成电“大气”的概念与18世纪物理学理论工作者在著述中所描绘的完全一致，但到18世纪后期，电“大气”的概念已演变为“活性球”的概念。所谓“活性球”，就是电力空间的换一种说法，很多电气理论的作者在探讨电在空间分布的物理基础时，把电的作用表述为以太介质所产生的应力。[4]31

    奥斯特认为电流是一种动力学振荡，是相反方向的引力和斥力之间不平衡所产生的力的波动。他发现当磁针分别置于载流导线的上面或下面时，磁针的偏转方向是相反的。他猜想由于导线中的电力波动，引起导线周围的空间发生一种圆周运动。奥斯特的实验表明，电、磁力只沿圆周方向才有作用，电、磁力的分布也是一种立体分布。[4]31

    韦伯的“电动式电表”是于1848年为准确测量电作用力而精心设计的仪表。其中由铜丝绕制的小线圈置于固定不动的大线圈之内，一旦电流同时从两个线圈中通过，悬挂着的小线圈就发生转动。悬挂小线圈的支架能抑制小线圈的转动角度，并使转动角度正比于流过线圈电流的大小。其儀表的结构十分精巧，线圈的转动十分灵活，即使很小的电流流过，线圈也会有所反映。这一仪表充分说明，物理学家和仪表制作者间的关系十分密切。物理学家韦伯所关心的是如何定量测量的问题，他强调指出，实验测量必须符合严格的标准，传统的定性分析的方法应当抛弃。[4]32

    19世纪中期，德国物理学已出现专业化的倾向，不但强调研究的价值，强调采用数学方法和准确的实验测量，而且强调开展创造性的实验室研究和实验教学研究。这些观念促进了19世纪德国物理学的发展并对德国研究工作起到极为重要的促进作用。德国的物理学研究成为当时的研究和专业分工的典范，国家大学研究基金给物理研究以资助，并直接分配给各大学的教职人员，促成物理学的专业化。[4]34

    分类学的方法? 17世纪，新知识的潮流冲击着生命科学领域：越洋探险带来一大批新的动植物知识;显微镜掲示生命的新领域;更加深入的解剖学研究则在已知领域里发掘出新的知识。在这种形势下，分类学不可避免地显示出其具有的重要性。[2]87

    植物学方面，加斯帕德·鲍欣在17世纪初将草本植物描述为6000个不同品种。法国人约瑟福·皮顿·德·土尔恩福尔（1656—1708）和英国人约翰·雷（英国博物学家。在17世纪时，他是第一个提出要对物种进行分类的人。他是系统动物学的奠基人）使植物学研究达到顶峰。土尔恩福尔第一个系统地划分出高于“属”的各种类别，将所有的植物分为22纲，依次向下分别为科、属。约翰·雷在其写于17世纪末的《植物通史》中则收录了1.8万多种植物。处理如此多的数据的关键在于分类体系。至1750年，林耐为植物学提出25种分类体系。虽然这些大部分是人为划定的，正如植物学家所愿意承认的那样，他们往往武断地抓住植物的某一特征作为分类标准，而没有通过考察一切植物及其天然属性以形成一个所谓的自然体系的体系。然而无论他们的做法存在多少不足之处，这些分类体系确已成功地将大量物种归入序的类别，可以说他们为18世纪那些更优秀的分类学者开辟了道路。[2]88

    动物学也同样面临多种多样的动物形式，如四足动物、鸟类、爬虫类、鱼类、贝类和昆虫以及在17世纪增加的微生物等。然而，幸运的是，古代世纪已出现亚里士多德这样的分类者，他将混乱的物种归结为有序的系统。毫无疑问，亚里士多德体系的存在有助于解释这样一个事实：17世纪更注重的是植物分类学而非动物分类学，动物学摆脱亚里士多德分类学还要等待一个世纪之久——18世纪动物分类学得到发展。[2]89

    此外，这个时期生理学也一直在寻找科学的方法。17世纪，生理学已经形成一系列用来研究生物功能的方法。这些方法主要包括观察和比较、病理解剖、活体解剖，以及后来加入的系统的物理—化学实验。[5]157

    （未完待续）