實驗教育與實驗儀器設(shè)施（續(xù)二）

新喬 趙曉寧 任熙俊

（接上期）

4 實驗：知識的顯著形式

科學(xué)實驗是人們認識物質(zhì)世界的一種基本的方法，而實驗教學(xué)是通過科學(xué)實驗將驗證的理論轉(zhuǎn)化為傳承及發(fā)展的重要形式。兩者實際上共存于一個統(tǒng)一的過程和目標之中，既有共性，又有個性，且都具有承前啟后的作用。

實驗教學(xué)之所以不可或缺，就像過去幾個世紀業(yè)已證明的，在于它的承前啟后的特殊功能或重要作用。實驗教學(xué)并非僅僅是看似實驗演示或教學(xué)實驗這么簡單又平常的活動，在一個過程中，實驗可以顯示出它的前后聯(lián)系、推動發(fā)展的巨大的力量所在。首先，它通過教學(xué)設(shè)置把實驗過程或結(jié)論的信息傳達給下一個實驗者或者研究者：其次，這些被接受者或?qū)W習(xí)者包括研究者，對從實驗所顯示、所傳達的理論或?qū)嶒炐畔⑦M行加工，進一步驗證鞏固所學(xué)知識，從中分辨出真?zhèn)危谶@個基礎(chǔ)上再進行實驗，通過這種周而復(fù)始的過程，提升理論以及思維的高度和深度，包括發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)形態(tài)。

實驗是科學(xué)教育的主要方式和手段 ?18世紀的化學(xué)是一門以書本和口頭講演形式組成的實用技術(shù)、工具和材料的知識體系。當時的化學(xué)是一門沒有徹底嚴格界限的學(xué)科，學(xué)生被授以吸收新知識的方法，并對這門學(xué)科的歷史產(chǎn)生一種清楚的認識。它與相鄰學(xué)科特別是與自然哲學(xué)和博物學(xué)的相互交流往往是通過概念進行的，化學(xué)家用各種各樣的理論系統(tǒng)來解釋一些現(xiàn)象，在這些現(xiàn)象是否真正屬于化學(xué)這一范疇的問題上時常產(chǎn)生分歧，這些分歧又往往顯示出某些新奇實驗結(jié)果的重大價值，以及它們對于所要研究的化學(xué)理論的含義。[1]325

18世紀化學(xué)實驗主要涉及的是油、磷和碳的燃燒以及汞的氧化[1]452-453。博爾哈維在其《化學(xué)基礎(chǔ)》（1732年）中毫不含糊地陳述了熱的流體理論。他認為，溫度計測量的是熱流體的密度，因此，任何物體中的熱量都與其溫度和體積成比例，物體僅僅起著熱容器的作用。丹尼爾·加布里爾·華倫海特（Daniel Gabril Fahrenheit，1686—1736）完成的實驗，使博爾哈維相信，物體中的熱量與其體積成比例。華倫海特發(fā)現(xiàn)，當他把三體積的汞與二體積的水混合起來時，混合物達到一個差不多是兩個初始溫度之間的平衡溫度。根據(jù)華倫海特的規(guī)則，要得到同樣的平衡溫度，體積應(yīng)當相等。這種不一致使人遺憾，但它至少沒有出現(xiàn)實驗結(jié)果與通常持有的規(guī)則之間不一致那么糟，通常持有的規(guī)則是物體中所含的熱與其質(zhì)量成比例，這個規(guī)則要求水在體積上是汞的13倍。[3]77

圣安德魯斯大學(xué)的喬治·馬丁（George Martine，1702—

1741）在1739年撰寫的一篇論文中描述了一個實驗，在這個實驗中，他在火上加熱等體積的汞和水，發(fā)現(xiàn)汞溫度升高比水溫度升高快兩倍，再次表明物體中的熱量并非與其體積成比例。[3]77

布萊克從這些結(jié)果得出結(jié)論說，物體中的熱量既非與體積也非與質(zhì)量成比例。他論證說，不同物質(zhì)對于熱或者對于不同熱容量具有不同的親和力。在相同溫度下人們感到一片金屬比一片木頭熱，是因為金屬放出了更多的熱。因此，不僅是體積或者質(zhì)量，而且還有材料的本質(zhì)，決定了它在給定溫度下所含熱的多少。在不知道是由于與原子化合，還是由于海綿那樣的微孔的飽和，對如何使物質(zhì)中含熱的情況，布萊克于1760年簡單地假定每種物質(zhì)有不同的熱“容量”。他通過在不同溫度下混合不同物質(zhì)并且觀察它們的平衡溫度，得出結(jié)論：任何物體中的熱值都與該物體的溫度、質(zhì)量和熱容量成比例。他關(guān)于熱容量是物質(zhì)的一種確定的特性的唯一確證便來自這一發(fā)現(xiàn)，即熱容量因物質(zhì)而異，但對于任何一種物質(zhì)來說則保持相同，而無論實驗中質(zhì)量怎樣結(jié)合以及溫度如何。[3]77

1828年，李比希的好友，從1836年起任哥廷根大學(xué)化學(xué)教授的弗里德利克·維勒（Friedrich W?hler，1800—1882，德國化學(xué)家）就用無機質(zhì)復(fù)合成了有機物質(zhì)尿素，證明了活體動物身上發(fā)現(xiàn)的“生命”化學(xué)物與實驗室中普通的化學(xué)品之間沒有絕對的屏障。[5]122

18世紀，生理學(xué)和病理學(xué)建構(gòu)了醫(yī)學(xué)專有知識和自然哲學(xué)領(lǐng)域的橋梁，而自然哲學(xué)也試圖反過來提供一種廣泛的關(guān)于世界的基本組成和物質(zhì)運動的理論知識。因此，只要生理學(xué)和病理學(xué)解釋生命體在健康或疾病狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)和功能，并且提供符合自然哲學(xué)的明確解釋，它們就能夠使醫(yī)學(xué)作為一門科學(xué)知識的要求合理化，但實驗與實驗儀器設(shè)施使這一情形及醫(yī)學(xué)教育發(fā)生重要變化。[1]402

19世紀30和40年代，威廉·沙比（William Sharpey，

1802—1880）于1836年被聘為倫敦大學(xué)大學(xué)學(xué)院的解剖學(xué)和生理學(xué)教授。他在從事教學(xué)工作之前只做過很短一段時間的外科醫(yī)師，先是在愛丁堡城外，然后就移居倫敦。沙比常被稱為英國的生理學(xué)之父，但他作為一名科學(xué)實驗者，與歐洲大陸的許多同行卻不在一個級別上，實際上，他不太多但具有創(chuàng)造性的成就是關(guān)于顯微鏡的研究。他最大的長處在于能隨時掌握英吉利海峽兩岸的最新科研發(fā)展，并具有非凡的能力將它們傳授給自己的學(xué)生。他有一張專門制作的圓桌，上面有一條槽用來安放一臺顯微鏡，以便于顯微鏡在學(xué)生中傳遞。這張桌子現(xiàn)在仍保留著。他常常會向?qū)W生展示貝爾納某個最新實驗的準備步驟，幫助所謂的實踐生理學(xué)課取得成效。最初的時候，實踐生理學(xué)除了顯微鏡外幾乎別無他物，盡管學(xué)生被要求最終必須獲得相當多的生理學(xué)實踐經(jīng)驗。[5]140-141

在法國，弗朗索瓦·馬讓迪早期的教學(xué)活動大多是在大學(xué)以外進行的，且不得不去診療所找一份差事，即使這樣，也直到1826年才得到官方的確認。他利用自己在醫(yī)院的職位進行治療法研究，五年之后獲得法蘭西學(xué)院醫(yī)學(xué)教授的職位。他在那里開設(shè)的選修課上講解實驗方法，并討論實驗生理學(xué)和病理學(xué)所掲示的生理現(xiàn)象。從這個意義上說，他開創(chuàng)了一個傳統(tǒng)。1855年，馬讓迪去世后，他的門生克勞德·貝爾納（Claude Bernard，1813—1878，法國生物學(xué)家，實驗生物學(xué)的創(chuàng)立者之一）繼承了他的教授職位并承襲了這個傳統(tǒng)。[5]129-130

巴黎外科學(xué)界很好地留存有創(chuàng)作于1780年的版畫（圖3），該畫描繪了外科學(xué)院講課大廳的一次尸體解剖演示。[5]10

貝爾納也是從醫(yī)院系統(tǒng)出來的，與德國同行不同，他的研究從未借助過非常精密的實驗器具。貝爾納早年的研究是在設(shè)備匱乏、有時甚至是私人資助的場所逬行的，他的天才在于他那高超的手術(shù)技藝，在于他在動物實驗研究中使實驗動物能活過隨訪和闡釋階段的能力，在于他實驗設(shè)計的精確簡練。他的主要發(fā)現(xiàn)包括肝臟在糖原生成及使血糖保持一定水平中的作用、胰液的消化功能、血管舒張神經(jīng)以及一氧化碳和箭毒等毒物起作用的位置等，這些發(fā)現(xiàn)的共同特點就是都基于簡單卻富有說服力的實驗證據(jù)。[5]130-131

貝爾納曾在醫(yī)院當過一年實習(xí)生，在馬讓迪手下當了三年的示范講師，并因此而能夠遞交出他那篇關(guān)于消化之化學(xué)原理的論文。然而，他未能通過醫(yī)學(xué)院教師崗位的考試。1847年，他成為馬讓迪在法蘭西學(xué)院的副手，從那以后，成功接踵而來，包括任巴黎索邦大學(xué)和自然史博物館的教授，成為科學(xué)和醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)會的會員，在參議院獲得一席之地，并當上了法國科學(xué)院主席。[5]130-131

儀器設(shè)施及其應(yīng)用

1）顯微鏡。在眾多實驗儀器設(shè)施中，顯微鏡的應(yīng)用是一個具有典型性的例證。盡管早在17世紀就已有顯微鏡，但19世紀20年代末的技術(shù)進步使顯微鏡圖像失真的兩個原因得以糾正，從而使顯微鏡從邊緣走到實驗研究的中

心[5]1241，偉大的實驗者“通過簡單的儀器就能獲得偉大的發(fā)現(xiàn)”[5]134。如圖4所示，巴斯德在實驗室中以他慣用的姿勢透過顯微鏡進行觀察。

巴斯德這位19世紀最著名的醫(yī)學(xué)科學(xué)家甚至不是醫(yī)生，而是巴黎最重要的理學(xué)院巴黎高等師范學(xué)?；瘜W(xué)和物理學(xué)專業(yè)的畢業(yè)生，這象征著科學(xué)對醫(yī)學(xué)正越來越重要。他對微生物的興趣甚至也是在研究某些化學(xué)成分特別是酒石酸鹽的旋光性時才產(chǎn)生的。人們早就發(fā)現(xiàn)某些化合物能將偏振光的光帶向左或向右旋轉(zhuǎn)，幾十年后即19世紀40年代末，巴斯德開始注意細菌和酵母等微生物。關(guān)于旋光性，巴斯德確定，此類化合物始終是由生物生成的，如果在實驗室里合成相同的化合物，那它的光譜就會是中性的。[5]134

1857年，巴斯德在結(jié)束了斯特拉斯堡大學(xué)和里爾大學(xué)的化學(xué)教師工作之后回到巴黎，之后就潛心研究微生物：研究由來已久的無生源說（自然發(fā)生說）問題;研究發(fā)酵的性質(zhì)以及微生物在諸如牛奶酸敗、肉變腐爛等日?，F(xiàn)象中的作用;研究葡萄酒、啤酒和醋的釀造;研究微生物的生理學(xué)原理及其與蠶、雞、牛、豬等動物和人類所患疾病的關(guān)系;研究傳染和免疫的本質(zhì);以及研究傳染病的預(yù)防和治療。[5]135

巴斯德的研究似乎證實了這一觀點，因為盡管他的思想尤其是他的病菌學(xué)說具有重要的理論意義，但他的研究工作始終都具有直接的實踐價值，如他對發(fā)酵和釀酒的研究使葡萄酒、啤酒和醋的釀造者獲益匪淺，對桑蠶疾病的研究挽救了法國的絲綢工業(yè)。與巴斯德出身于科學(xué)而非醫(yī)學(xué)相稱的是，第一次使他的病菌學(xué)說確定成形的傳染病是桑蠶疾病。隨后他又研究了雞霍亂和豬丹毒（它們與人類的霍亂和丹毒沒什么關(guān)系）以及炭疽。對這些疾病，他都找到了預(yù)防用的疫苗（vaccine，他用這個詞以示對詹納的尊敬）。而他的最大成就為狂犬病疫苗，這是用來預(yù)防像炭疽一樣的動物和人類常見病的，但對給狗咬過的人施用這種疫苗必須有醫(yī)生的指導(dǎo)。[5]136

顯微鏡長期以來一直是生物學(xué)家繆勒的主要科研工具?！皩W(xué)會用顯微鏡觀察”，他的學(xué)生弗休喜歡這樣來描述繆勒向所有學(xué)生灌輸?shù)乃枷?。弗休撰寫的《細胞病理學(xué)》（1858年）對細胞的研究就像莫爾加尼的《疾病的位置與原因》（1761年）對器官、比沙的《論細胞膜》（1800年）對組織的研究一樣，為探究機能和疾病確定了一種新的重要單位。[5]125

弗休在19世紀40年代和50年代用顯微鏡做的研究具有更廣泛的生物學(xué)意義，“所有的細胞均來自細胞”是他的重要格言，這句話擴展了繆勒的另一個學(xué)生西奧多·施旺（Theodor Schwann，1810—1882）于1839年闡述的細胞理論。施旺的細胞形成模式是還原論的：細胞是動物和植物行為的基本單位，它們由一個細胞核及核周圍的一層細胞膜組成，并可以從胚基（施旺的叫法）的不規(guī)則器官基質(zhì)中形成。他將這個過程明確比作液體內(nèi)結(jié)晶的過程。與此相反，弗休則認為細胞永遠都是細胞分裂的產(chǎn)物。這一理論對重大的生物活動（如卵的受精）或病理生理學(xué)活動（如炎癥膿細胞的起源）等，具有特別重要的意義。[5]125

2）電、磁儀器。無線電通信最終依靠的是由麥克斯韋提出的電磁理論。1854—1879年的25年間，這個蘇格蘭物理學(xué)家用數(shù)學(xué)術(shù)語重構(gòu)了他所了解的當時電與磁研究的一切，包括邁克爾·法拉第關(guān)于磁場與電場存在的理論。在麥克斯韋提出他的數(shù)學(xué)表述的電磁定律時，它們的公式需要一個新術(shù)語使其保持一致。這個術(shù)語主要是出于數(shù)學(xué)的需要，而不是實驗證明的結(jié)果，他解釋成是穿過空間的一種電流或波，稱為位移電流的這種東西產(chǎn)生一個不斷變化的磁場，反過來又產(chǎn)生一種新的電場。這樣就有不斷交替變化的電場與變化的磁場，一個接著一個，一個激發(fā)另一個。因為這一切都發(fā)生在空間中，交變電磁場可以被認為是以光速在空間中傳播的電磁波。[6]268

至此為止，麥克斯韋并沒有做過實驗，雖然他的數(shù)學(xué)公式是建立在已知的電和磁的現(xiàn)象基礎(chǔ)上并與之相一致的。麥克斯韋也沒有采取行動來證明自己推測的波的存在，并確定其速度。他用于求取數(shù)學(xué)公式的高強度勞動，和他的公式與已有電學(xué)和磁學(xué)的知識體系之間的契合使他確信自己不必這么做。[6]268

一個大膽預(yù)言一個全新實體的存在，又認為沒有必要用事實證明其存在的人肯定不樂意考慮它的技術(shù)上和商業(yè)上的應(yīng)用可能性。作為理論家的麥克斯韋對其物理學(xué)原理的應(yīng)用所起的作用很小。1878年，當見到亞歷山大·格林厄姆·貝爾的新電話機時，麥克斯韋鄙夷地評論：自己對其鄙陋的模樣的失望，只部分地被它確能說話的發(fā)現(xiàn)沖淡了一點點。在他眼里，貝爾的裝置完全可能是由一個非專業(yè)人員把一些常見的零部件裝配在一起而構(gòu)成的設(shè)備。

麥克斯韋的電磁波理論堪稱知識上的偉大成就，然而要是沒有一些英國和歐洲大陸科學(xué)家的工作，它有可能得不到一個令人信服的成就。在麥克斯韋首先就此專題發(fā)表論文23年后的1887年，德國物理學(xué)家海因里?！ず掌澯脤嶒炞C實了電磁波的存在。[6]251

為了做到這一點，赫茲設(shè)計了一個波的發(fā)射體（發(fā)送機）和一個檢波器（接收機），這樣就能證明波是以人們所宣稱的方式傳播的。但他用的是當時大多數(shù)裝備比較充實的實驗室中包括麥克斯韋的實驗室中都能找到的普通電器設(shè)備。赫茲的發(fā)送機是一個以電池為能源的感應(yīng)裝置或電火花線圈，跟現(xiàn)代汽車上的點火線圈相似，有一個可調(diào)火花間隙的兩塊與之相連的金屬平板，起偶極天線作用。他的檢波器是一匝由小縫隙隔開的金屬線，火花隙中的電荷在抵達檢波器上時，所產(chǎn)生的電磁波引起金屬線上的定態(tài)電子的運動，并在線圈的縫隙中產(chǎn)生火花，電磁波可以輻射到整個空間。[6]251-252

實驗為科學(xué)的深度發(fā)展開辟了通道 ?19世紀上半葉，關(guān)于理論概念、實驗室效果和技術(shù)產(chǎn)品之間相互影響問題而進行的討論中，克羅斯比·史密斯的能量研究與布魯斯·J.亨特對電科學(xué)的分析中分別表明了觀點。亨特更關(guān)注于技術(shù)，并且與克羅斯比·史密斯觀點一致，認為威廉·湯姆森的電氣工程科學(xué)方法的成功，幫助賽勒斯·菲爾德完成了于1865—1866年鋪設(shè)跨大西洋電報電纜的冒險。亨特解釋了19世紀80年代奧利弗·亥維賽、海因里希·赫茲對麥克斯韋電磁理論的重要完善，并說明歐洲大陸電磁學(xué)超距作用方法與麥克斯韋場的概念之間的差別。[6]7

H.A.洛倫茲的理論說明了這兩者之間的重要聯(lián)系，即微小電荷在導(dǎo)體中可以自由移動，但在絕緣體中被限制在特定位置。因此，亨特論證說，阿爾伯特·米切爾森反常地未能發(fā)現(xiàn)以太效應(yīng)，可以被視為對物質(zhì)之電的構(gòu)成的肯定，直到愛因斯坦1905年獨立地為運動物體的電動力學(xué)開創(chuàng)了新的基礎(chǔ)。[6]7

參考文獻

[1]波特.劍橋科學(xué)史·第四卷：18世紀科學(xué)[M].方在慶，主譯.鄭州：大象出版社，2010.

[2]布魯克.劍橋科學(xué)史：科學(xué)與宗教[M].蘇賢貴，譯.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2000.

[3]漢金斯.劍橋科學(xué)史叢書：科學(xué)與啟蒙運動[M].任定成，張愛珍，譯.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2000.

[4]趙曉寧，新喬，任熙俊.緣起于近代教育變革的教育技術(shù)裝備[J].中國教育技術(shù)裝備，2018（9）：6-10，13.

[5]拜納姆.劍橋科學(xué)史叢書：19世紀醫(yī)學(xué)科學(xué)史[M].曹珍芬，譯.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2000.

[6]奈.劍橋科學(xué)史·第五卷：近代物理科學(xué)和數(shù)學(xué)科學(xué)[M].劉冰，江曉原，楊艦，主譯.鄭州：大象出版社，2014..