實驗教育與實驗儀器設(shè)施（續(xù)一）

新喬 趙曉寧 任熙俊

（接上期）

3 實驗與實驗教學(xué)設(shè)施

早期實驗設(shè)施情況? 曾經(jīng)昂貴而稀缺的實驗儀器設(shè)施，隨著新科學(xué)課程的實施，一個突出的問題開始顯現(xiàn)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(jì)，因為儀器很昂貴，許多較小的機(jī)構(gòu)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(dāng)時實驗教學(xué)儀器設(shè)施短缺的情況很普遍。[1]55

儀器設(shè)施十分昂貴的問題，對于那些能夠聘請知名實驗科學(xué)家的大學(xué)和機(jī)構(gòu)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(dān)的。以化學(xué)實驗為例，化學(xué)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(shè)施費用就較高了，如溫度計、望遠(yuǎn)鏡等，當(dāng)時屬于高級奢侈品，價格昂貴，平常人買不起。當(dāng)時的實驗研究者更多的是一些業(yè)余愛好者，就像已在本章各節(jié)中提到過的各種身份的人，實驗也許是他們的業(yè)余愛好，連第二職業(yè)也算不上，因為實驗是既需要時間又耗費錢財?shù)男挟?dāng)，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(xué)和一些基金會提供幫助。

近代工業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)了科學(xué)研究、發(fā)明的需求，促使一些大學(xué)偶爾也把自己的實驗室和設(shè)備提供給實驗者使用，一些企業(yè)和基金會也出資幫助他們認(rèn)為有科研潛質(zhì)的人，使上述情況有所改變。但就總體而言，實驗儀器設(shè)施短缺的情況是比較普遍的。

近代科學(xué)教育中的實驗教學(xué)設(shè)施短缺、實驗教育開展不普遍的情況，除了與供應(yīng)不足的情況有很大關(guān)系外，顯然很多也與實驗教學(xué)未能或很少得到應(yīng)用重視有關(guān)，表現(xiàn)在實驗教學(xué)設(shè)施配置不平衡的情況比較常見，比如同樣處于制度與內(nèi)容的轉(zhuǎn)換期，有些地方供應(yīng)充分、設(shè)施完善，而很多地方處于短缺。如北美，當(dāng)時只有哈佛大學(xué)從早期開始便擁有較好的儀器，普林斯頓大學(xué)則因之擁有當(dāng)時最先進(jìn)的里頓豪斯（Rittenhouse）太陽儀而驕傲，但地方上的一些大學(xué)，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(xué)者不得不紛紛發(fā)出呼吁，如麥迪遜和伯爾等人請求為學(xué)校提供必需的化學(xué)實驗教學(xué)儀器設(shè)施。當(dāng)然，這一不平衡現(xiàn)象也從一個側(cè)面反映出當(dāng)時科學(xué)教育成熟度的情況。[1]55

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

實驗室建設(shè)? 在教育技術(shù)裝備體系中，實驗室及其設(shè)施是一個相對穩(wěn)定、獨立的部分。品類繁多的實驗儀器設(shè)施分學(xué)科分別集中于不同的實驗室，構(gòu)成不同的實驗室功能與形式，諸如物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)等。應(yīng)用于課堂演示需要的儀器設(shè)施實際上也多是構(gòu)成實驗室儀器設(shè)施體系的一部分。近代教育變革以來，實驗室建設(shè)問題被作為教育教學(xué)發(fā)展的重要部分，得到持續(xù)關(guān)注。

實驗室本身并不是近代的創(chuàng)新，中世紀(jì)已有煉金術(shù)和占星術(shù)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(jì)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(jì)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(chǎn)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(xué)，而且研究自然世界的其他方面。19世紀(jì)以前，實驗室多屬私人所有，有的設(shè)在地下室，有的設(shè)在廚房一角。瑞典化學(xué)家貝采里烏斯每年只收一名學(xué)生，他的實驗室就設(shè)在自家廚房。[4]

然而，近代的教學(xué)實驗室比較活躍的時期始于18世紀(jì)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(xué)家、語言學(xué)家、哲學(xué)家和詩人，被譽(yù)為俄國科學(xué)史上的彼得大帝，提出了“質(zhì)量守恒定律”的雛形，即物質(zhì)不滅定律）說服俄國科學(xué)院在彼得堡建立一個綜合型實驗室，設(shè)施儀器裝備齊全、精良，開展有關(guān)化學(xué)、冶金學(xué)以及光學(xué)和電學(xué)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(xué)實驗。憑借這一經(jīng)歷，李比希到吉森大學(xué)任教后建立了用于教學(xué)和研究的實驗室，并開始配置實驗助手。[4]

到19世紀(jì)，儀器制作商們的制造工藝達(dá)到精密測量的新水平，化學(xué)實驗室、物理實驗室、醫(yī)學(xué)實驗室、電磁實驗室已具相當(dāng)規(guī)模，集成化程度也有很大提高，大體相當(dāng)于今天的實驗室的樣子。英國皇家研究所也是在化學(xué)實驗室基礎(chǔ)上創(chuàng)辦的，由倫福德創(chuàng)建于1800年，法拉第以畢生精力在這里研究各種電化學(xué)和電磁現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了電解定律、電磁感應(yīng)和磁光效應(yīng)。[1]265

1）各類實驗室的一般情形。實驗進(jìn)入教育教學(xué)，一方面推動了教學(xué)發(fā)展，另一方面也使實驗室逐漸普及，從大學(xué)、職業(yè)、?？圃盒Ｖ饾u普及至普通教育教學(xué)。

①醫(yī)學(xué)實驗室。19世紀(jì)初期，巴黎的臨床機(jī)會曾和德國大學(xué)的實驗室吸引了許多美國的胸懷大志的醫(yī)生，如約翰·霍普金斯大學(xué)的病理學(xué)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(qū)的各大學(xué)還依照萊頓大學(xué)布爾哈夫的模式創(chuàng)建了教學(xué)診所。1753年，布爾哈夫的學(xué)生杰哈徳·凡·斯威頓（Gerhard van Swieten，1700—1772）掌管了維也納大學(xué)的這樣的一家診所。到18世紀(jì)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(xué)，臨床教學(xué)已成為必修之科目。[5]131870年后，實踐生理學(xué)成為參加皇家內(nèi)科醫(yī)師學(xué)會或皇家外科醫(yī)師學(xué)會考試的學(xué)生必須通過的一門課程。[5]141

生物學(xué)實驗室是18世紀(jì)西歐醫(yī)學(xué)和生理學(xué)研究及教學(xué)中常見的用于近代醫(yī)學(xué)教學(xué)的重要設(shè)施，包括解剖實驗室、器材或演示場所等，對于推動臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展、普及醫(yī)學(xué)知識起到重要的促進(jìn)作用。

②化學(xué)實驗室?；瘜W(xué)作為一門組織化的學(xué)科（以教科書和課程為代表），其開端可以追溯到16世紀(jì)末。從這門學(xué)科內(nèi)容的整體構(gòu)成來看，從這一時期到18世紀(jì)后期都存在相當(dāng)程度的連續(xù)性。從其工具源方面也可以說，到18世紀(jì)中葉以前，化學(xué)經(jīng)歷了一個相對長時段的穩(wěn)定期，玻璃器皿、坩堝和熔爐，這種狀況至少持續(xù)了150年。直到18世紀(jì)后期，在有關(guān)熱和氣體的新奇實驗現(xiàn)象以及化學(xué)量值朝向更加精確測量的進(jìn)展出現(xiàn)后，才使化學(xué)實驗室情況發(fā)生重要變化。[1]326

19世紀(jì)60—70年代，歐洲的學(xué)術(shù)性研究日新月異、突飛猛進(jìn)，其中德國發(fā)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(dǎo)致這些增長的一個重要原因是化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的非凡的知識力量。在化學(xué)領(lǐng)域，李比希所倡導(dǎo)的實驗室教學(xué)和集體研究相結(jié)合的教育終于結(jié)出豐碩的果實，當(dāng)學(xué)科的主題適合于這種教學(xué)風(fēng)格和研究風(fēng)格時尤其如此。當(dāng)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(xué)家的競爭不斷升溫，學(xué)生像潮水一樣涌入大學(xué)和工業(yè)技術(shù)學(xué)院，畢業(yè)生的就業(yè)市場急劇擴(kuò)大。

③物理學(xué)實驗室。物理實驗是實驗室早期最為普遍的應(yīng)用，但很難見到物理實驗室的清晰界定。伽利略時代已經(jīng)有比較正規(guī)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(dān)任英國皇家學(xué)會的儀器館長，免費設(shè)計儀器設(shè)備，每周向皇家學(xué)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(xué)的住宅中進(jìn)行的。[4]

在意大利北部，第一個確立實驗物理學(xué)席位并建立物理學(xué)實驗室的是1730年的帕維亞大學(xué)。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(xué)提供視覺直覺化教學(xué)方法的教授。當(dāng)時，帕多瓦實驗室被認(rèn)為是歐洲擁有最好設(shè)備的實驗室。在它的影響下，其他鄰近大學(xué)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(xué)的物理教授，他開始要求學(xué)生自己動手做實驗。當(dāng)時倫敦的幾所大學(xué)都設(shè)立了學(xué)生用的物理實驗室，但未列入正規(guī)物理課程，也沒有規(guī)定學(xué)生必須參加實驗研究。[4]

1866年和1868年，亞當(dāng)斯與福斯特分別在大學(xué)學(xué)院和英王學(xué)院成立了物理學(xué)實驗室，為學(xué)生提供有針對性的指導(dǎo)。亞當(dāng)斯建起了一個可供80名學(xué)生使用的教室在內(nèi)的綜合實驗室，包括一個研究室、一個儀器室、一個學(xué)生實驗室、一個儲藏室，耗資2000英鎊。這些應(yīng)用教學(xué)設(shè)施的實驗教學(xué)活動在相當(dāng)程度上推動了科學(xué)教育的進(jìn)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(xué)教授席位的年輕的實驗家，得到帕維亞大學(xué)的支持，為其研究和教學(xué)的特定目的建立了與這一席位相適應(yīng)的開放的物理實驗室，其實驗研究和教學(xué)條件由此得到改善。[1]55

②土木工程實驗室。1835年，法國路橋?qū)W校成立了世界上最早的土木工程實驗室，用于培養(yǎng)工程師[4]。這所學(xué)校及實驗室的活動取得重大而具有開創(chuàng)性的進(jìn)步，培養(yǎng)出相當(dāng)一批杰出人才。

③柏林大學(xué)物理實驗室。歐洲最早的、規(guī)模較大的物理實驗室當(dāng)屬柏林大學(xué)的物理實驗室，由化學(xué)實驗家、1845年成為柏林大學(xué)物理和技術(shù)教授的馬克努斯創(chuàng)建。開始時他也是用自己的住宅辟出幾間屋當(dāng)實驗室，學(xué)校給予財政資助。當(dāng)時私人實驗室還被當(dāng)作大學(xué)機(jī)構(gòu)的一部分，大學(xué)里還未形成專業(yè)的、完全屬于大學(xué)的實驗機(jī)構(gòu)。直到1863年，馬克努斯的實驗室才正式成為柏林大學(xué)的物理實驗室。

④卡文迪許實驗室。1871年，劍橋大學(xué)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(dān)任實驗物理學(xué)教授。麥克斯韋主張將實驗引入物理教學(xué)，物理教學(xué)在學(xué)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(fā)制作儀器，并積極推動學(xué)生自己動手做實驗。他倡導(dǎo)研究性的實驗儀器設(shè)施盡可能由教師和學(xué)生自己動手制造，認(rèn)為研究的目的在于創(chuàng)新，而創(chuàng)新的東西往往沒有合適的、可供使用的現(xiàn)成的儀器設(shè)施。麥克斯韋正是通過自制儀器設(shè)施，自己動手實驗，尋求準(zhǔn)確測量的方法，建立了扎實、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)。

自麥克斯韋起，卡文迪許實驗室自制儀器蔚成風(fēng)氣，如發(fā)現(xiàn)電子的陰極射線管，威爾遜的云霧室，阿斯頓的質(zhì)譜儀，計數(shù)器、加速器以及發(fā)現(xiàn)α、β、γ射線使用的儀器設(shè)備等，幾乎都是根據(jù)研究需要自己發(fā)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(xué)家，例如：W.M.?？怂钩蔀橹x菲爾德大學(xué)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(fā)明的先驅(qū)者之一、著名的電氣工程師;A.舒斯特主持領(lǐng)導(dǎo)曼徹斯特大學(xué)的實驗室，成為著名的實驗物理教授;J.A.弗萊明任大學(xué)的電氣工程教授，是二極管的發(fā)明人，對微電子技術(shù)的發(fā)展做出過開創(chuàng)性的重大貢獻(xiàn);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(xué)的物理教授，發(fā)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(jìn)近代科學(xué)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

⑤李比?；瘜W(xué)實驗室。1826年，吉森大學(xué)（后改名為洪堡大學(xué)，是德國著名大學(xué)）的李比?；瘜W(xué)實驗室是近代大學(xué)實驗室創(chuàng)立的重要開端。近代實驗室創(chuàng)建的意義，在于它強(qiáng)調(diào)了只有通過實驗，對科學(xué)現(xiàn)象的分析和觀察才能建立在理性基礎(chǔ)上，確立了理解科學(xué)現(xiàn)象并做出解釋的觀念。[1]91

1834年誕生的英文單詞“scientist”（科學(xué)家）或顯示了19世紀(jì)科學(xué)的巨變。李比?；瘜W(xué)實驗室的創(chuàng)建，也顯示了19世紀(jì)初德意志大學(xué)作為研究中心和教學(xué)中心的復(fù)興，表現(xiàn)了科學(xué)在社會中的一個新的、有影響力的進(jìn)程。[1]91

19世紀(jì)初，德國實驗室活動活躍，各大學(xué)紛紛開始建立附屬實驗室。吉森大學(xué)的化學(xué)研究所的賈斯特斯·馮·李比希在巴黎獲得著名化學(xué)家特別是蓋·呂薩克（1778—1850，法國化學(xué)家、物理學(xué)家，提出氣體反應(yīng)體積比定律，發(fā)現(xiàn)硼、氯，并改進(jìn)許多化學(xué)工藝）的指導(dǎo)，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(xué)的化學(xué)教授，他指導(dǎo)的研究所注重用定量分析的新方法進(jìn)行實驗教學(xué)，開展實踐培訓(xùn)，吸引了大量學(xué)徒前往求學(xué)。為容納更多學(xué)生，研究所添置了更多研究設(shè)備，擴(kuò)大實驗室規(guī)模，開辟了生物化學(xué)實驗并推進(jìn)了這一學(xué)科的產(chǎn)生和發(fā)展。[5]120

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

（未完待續(xù)）