導(dǎo)師阿爾希那實(shí)驗(yàn)室:被遺忘的早期科學(xué)中心探索

馬之恒

創(chuàng)立于1937年的法國(guó)巴黎發(fā)現(xiàn)宮(Palais de la Découverte)，作為世界上第一座成熟的科學(xué)中心(在中國(guó)也稱(chēng)“科技館”或“科學(xué)館”)，是科學(xué)博物館發(fā)展的里程碑。但在此之前，科學(xué)中心的部分核心元素，比如面向公眾進(jìn)行有解說(shuō)的科學(xué)演示實(shí)驗(yàn)、基于科學(xué)原理和科研儀器創(chuàng)制展品、通過(guò)引導(dǎo)觀(guān)眾觀(guān)察科學(xué)現(xiàn)象以學(xué)習(xí)科學(xué)等，都已經(jīng)出現(xiàn)并逐漸走向成熟，并被認(rèn)為是傳播科學(xué)的有效手段。

20世紀(jì)初，西班牙發(fā)明家費(fèi)朗·阿爾希那·帕萊雅達(dá)(Ferran Alsina i Parellada，1861—1908)(見(jiàn)圖1)在建立科學(xué)教育機(jī)構(gòu)的過(guò)程中，進(jìn)行了集成這些成功經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)創(chuàng)性工作。他創(chuàng)立的“導(dǎo)師”(Mentora)實(shí)驗(yàn)室，具有科學(xué)中心特征，旨在面向公眾進(jìn)行科學(xué)展示與傳播，特別是服務(wù)于青少年科學(xué)教育。這座互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的誕生，與阿爾希那所處的時(shí)代及個(gè)人經(jīng)歷密切相關(guān)。

圖1 費(fèi)朗·阿爾希那·帕萊雅達(dá)

一、 阿爾希那和他生活的時(shí)代

1833年，西班牙第一座使用蒸汽機(jī)提供動(dòng)力的工廠(chǎng)，在西班牙東北部加泰羅尼亞地區(qū)的首府巴塞羅那建立。以此為標(biāo)志，加泰羅尼亞在19世紀(jì)中葉成為西班牙工業(yè)革命的發(fā)源地[1]76。1848年，西班牙第一條鐵路在巴塞羅那與馬塔羅之間開(kāi)通[1]77，加泰羅尼亞作為西班牙工業(yè)革命引擎的地位由此得以確立。直至19世紀(jì)70年代，巴斯克地區(qū)的鋼鐵工業(yè)興起[2]，使加泰羅尼亞的優(yōu)勢(shì)地位有所下降。

1861年，阿爾希那出生于巴塞羅那，他的父親經(jīng)營(yíng)著一家小型紡織廠(chǎng)。在阿爾希那的青少年時(shí)代，巴塞羅那已是一座典型的工業(yè)城市。與當(dāng)時(shí)很多家庭背景類(lèi)似的同齡人一樣，阿爾希那在成年之前，就由父親傳授了關(guān)于各種生產(chǎn)機(jī)械的工作原理以及管理工廠(chǎng)的知識(shí)，并被送往英國(guó)和德國(guó)的紡織廠(chǎng)進(jìn)修[3]。他在20歲生日前夕回國(guó)，進(jìn)入加泰羅尼亞北部的特爾河畔羅達(dá)的一家紡織廠(chǎng)實(shí)習(xí)[3-4]。

在青少年時(shí)代，阿爾希那已經(jīng)展現(xiàn)出對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理的極高領(lǐng)悟力，并且對(duì)紡織機(jī)械技術(shù)進(jìn)步的歷程興趣濃厚。他不到20歲就發(fā)明了一種全新的燈芯絨織機(jī)，可以直接織造出平紋或條紋的衣料[3,5]，并在1881年2月1日取得了為期20年的專(zhuān)利權(quán)[3]。

大體與此同時(shí)，發(fā)生在特爾河畔羅達(dá)的大規(guī)模罷工演變?yōu)轵}亂，幾乎摧毀當(dāng)?shù)氐墓I(yè)體系，也令阿爾希那深受震撼[4]145。他在研究分析后指出，罷工和破壞行為的根源，在于工人對(duì)工業(yè)革命缺乏全局性的認(rèn)知，也不了解促成工業(yè)革命的技術(shù)。這使得植根于善意、旨在提升效率的技術(shù)改進(jìn)，最終卻“收獲了令人沮喪的結(jié)果”。[4]146彌合分歧的第一步，是依托專(zhuān)利技術(shù)，創(chuàng)立一家紡織業(yè)合作社[4-6]。這將使工人能夠通過(guò)誠(chéng)實(shí)勞動(dòng)，取得與雇主相近的經(jīng)濟(jì)地位，而不至于為保住工作承受透支生命的勞動(dòng)，或者對(duì)雇主阿諛?lè)暧璠4]146。但更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的解決方案，是提供更多的教育資源[4]146，使工人子弟能夠?qū)?gòu)成工業(yè)社會(huì)的基石有所了解。

1883年，阿爾希那將燈芯絨織機(jī)的發(fā)明專(zhuān)利賣(mài)給紡織業(yè)大亨歐塞比·古埃爾，用于巴塞羅那西南部圣徒地區(qū)的紡織廠(chǎng)[3,5]，開(kāi)啟了兩人持續(xù)10多年的合作。在此后若干年里，阿爾希那致力于紡織業(yè)技術(shù)和科學(xué)管理方面的研究，并擔(dān)任技術(shù)經(jīng)理，代表古埃爾管理紡織廠(chǎng)[4-5]。19世紀(jì)80年代后期，阿爾希那著手對(duì)生產(chǎn)機(jī)械、工藝流程和工人的工作方法進(jìn)行全面改進(jìn)，以提升生產(chǎn)效率[3,6]，但此舉會(huì)使車(chē)間需要的工人減半[4]150。一些工人無(wú)法適應(yīng)變化，出于對(duì)失業(yè)的擔(dān)心，他們強(qiáng)烈反對(duì)改進(jìn)計(jì)劃，并在1889年底持槍行刺阿爾希那，所幸并未擊中[1,6]。

這一極端事件使古埃爾下決心將工廠(chǎng)遷出市區(qū)，在巴塞羅那西面，位于略夫雷加特河西岸的圣-科洛瑪-德-塞爾韋洛的家族閑置土地上建設(shè)新廠(chǎng)，以及配套的工人生活區(qū)[1,6]。這個(gè)后來(lái)被稱(chēng)為“古埃爾村”的區(qū)域，擁有教堂、學(xué)校、診所、咖啡廳、足球場(chǎng)等設(shè)施，是一座全新的工業(yè)化城鎮(zhèn)[1]82-83。古埃爾認(rèn)為，這樣的安排可以讓工人生活得舒適[1]82，同時(shí)有助于引導(dǎo)工人認(rèn)同工業(yè)社會(huì)的價(jià)值觀(guān)，并使工人子弟完全適應(yīng)工業(yè)社會(huì)。

1891年，古埃爾村紡織廠(chǎng)建成投產(chǎn)，阿爾希那設(shè)計(jì)了它的技術(shù)架構(gòu)和生產(chǎn)流程[5]；但生活區(qū)并未同步建成。直到1918年古埃爾離世時(shí)，一部分建筑仍然未能完工[1,7]，并被其后裔所廢棄。盡管如此，阿爾希那作為古埃爾信賴(lài)的技術(shù)專(zhuān)家，有機(jī)會(huì)了解古埃爾村的全部建設(shè)理念；而遇刺和參與古埃爾村建設(shè)的經(jīng)歷，會(huì)促使他繼續(xù)年輕時(shí)在特爾河畔羅達(dá)的思考，即教育在急劇工業(yè)化的社會(huì)中扮演的角色與面臨的挑戰(zhàn)。

這一時(shí)期，加泰羅尼亞社會(huì)的主流思潮是主張推廣職業(yè)技術(shù)教育，即根據(jù)區(qū)域產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，優(yōu)先發(fā)展傳授農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)和商貿(mào)基本常識(shí)，訓(xùn)練常用勞動(dòng)技能的教育[8]。這是因?yàn)?，?dāng)時(shí)的西班牙基礎(chǔ)教育體系深受宗教影響；特別是由耶穌會(huì)掌控的中學(xué)教育體系，在當(dāng)時(shí)已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展的阻力[9]。學(xué)校提供的百科全書(shū)式教育與工業(yè)社會(huì)的實(shí)際需要脫節(jié)；它們還要求學(xué)生必須通過(guò)升級(jí)考試，方能升入下一年級(jí)，這使學(xué)生很容易留級(jí)，或者至少為復(fù)習(xí)耗費(fèi)大量精力，無(wú)謂地延長(zhǎng)受教育時(shí)間[9]。另一方面，19世紀(jì)初萌芽于巴塞羅那的職業(yè)技術(shù)教育體系，通過(guò)吸收從法國(guó)陸續(xù)傳入的經(jīng)驗(yàn)，到19世紀(jì)末已經(jīng)比較完善[10]8-9；在1867—1899年間，巴塞羅那更是西班牙唯一有能力培養(yǎng)工業(yè)企業(yè)工程師的城市[10]9-10。因此，加泰羅尼亞社會(huì)希望對(duì)既有的教育體系加以修正，擴(kuò)大職業(yè)技術(shù)教育的優(yōu)勢(shì)，以盡快獲得足夠的工業(yè)人口。

阿爾希那認(rèn)同這一思潮。他在1892年指出，推廣職業(yè)教育是確保加泰羅尼亞繁榮的“第一種可行的舉措”[3]。而且，他在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初的活動(dòng)表明，他傾向于擴(kuò)充職業(yè)技術(shù)教育的范疇，將作為技術(shù)進(jìn)步基礎(chǔ)的科學(xué)原理也納入其中。這是因?yàn)?，?9世紀(jì)中葉以來(lái)，世界博覽會(huì)等大規(guī)模的國(guó)際性博覽會(huì)，越發(fā)成為具有重大政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響力的活動(dòng)[4]147。阿爾希那所處的崗位，使他有機(jī)會(huì)頻繁參加博覽會(huì)，從而能洞悉人類(lèi)社會(huì)走向電氣化的趨勢(shì)和工程師群體對(duì)電氣化的看法，并且了解科學(xué)界關(guān)注的前沿課題[4]147-148，從而認(rèn)識(shí)到世界即將發(fā)生劇變。因此，加泰羅尼亞青少年需要為即將到來(lái)的變局做好準(zhǔn)備；他希望尋找一種途徑，幫助他們適應(yīng)科技加速發(fā)展的未來(lái)世界。

二、 “導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室誕生的基礎(chǔ)

(一) 與丁達(dá)爾的會(huì)面

19世紀(jì)90年代初，阿爾希那前往英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，在無(wú)人引薦的情況下，拜會(huì)了此前素不相識(shí)的愛(ài)爾蘭實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約翰·丁達(dá)爾(John Tyndall，1820—1893)[11]5-6。阿爾希那青少年時(shí)代前往英國(guó)進(jìn)修的經(jīng)歷，是他進(jìn)行這次拜訪(fǎng)的重要原因[4]153。

自19世紀(jì)中葉以來(lái)，英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第進(jìn)行了將實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中面向公眾的演示活動(dòng)加以規(guī)范化的工作，創(chuàng)立了面向青少年的演示活動(dòng)“圣誕講座”，到19世紀(jì)末已經(jīng)成為著名的傳統(tǒng)[12]。丁達(dá)爾作為法拉第的接班人，不僅完成了出色的原創(chuàng)性研究，也承襲了法拉第傳播科學(xué)的熱情，并建立起更為完善的演示實(shí)驗(yàn)理論體系，使科學(xué)對(duì)公眾特別是青少年更具吸引力。按照同時(shí)代的英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的評(píng)價(jià)，丁達(dá)爾的工作是“用精心挑選的說(shuō)明性實(shí)驗(yàn)，在人們的腦海中留下深刻印象”[13]。

考慮到丁達(dá)爾在科學(xué)傳播方面的知名度，阿爾希那青少年時(shí)代在英國(guó)進(jìn)修時(shí)，很可能就已經(jīng)知曉丁達(dá)爾的工作。這使他在多年后決定故地重游，為加泰羅尼亞尋求青少年科學(xué)教育的解決方案。他認(rèn)為，丁達(dá)爾選擇的演示實(shí)驗(yàn)，或許不一定在科學(xué)史上有里程碑式的意義；它們的意義，在于通過(guò)簡(jiǎn)潔的方式，幫助人們洞悉自然的真相[11]6。

阿爾希那事后回憶，這次拜訪(fǎng)源于自己對(duì)下一次科學(xué)革命的模糊預(yù)感，希望丁達(dá)爾能為他解惑。在19世紀(jì)后半葉的歐洲，物理學(xué)界致力于解釋水星繞日公轉(zhuǎn)軌道的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象(1)水星公轉(zhuǎn)的軌道并非封閉的橢圓，而是以逆時(shí)針環(huán)繞太陽(yáng)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，如同萬(wàn)花尺繪出的圖案，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為“進(jìn)動(dòng)”。牛頓力學(xué)無(wú)法解釋這一現(xiàn)象；阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的相對(duì)論則指出，水星進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象是太陽(yáng)質(zhì)量過(guò)大引起空間扭曲導(dǎo)致，這種扭曲也是萬(wàn)有引力的本質(zhì)。，以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示光的本質(zhì)。在研究這兩個(gè)問(wèn)題的過(guò)程中，物理學(xué)界隱約意識(shí)到，伊薩克·牛頓建構(gòu)的物理學(xué)體系仍然不夠完美。阿爾希那認(rèn)為，這兩個(gè)問(wèn)題的答案將把人類(lèi)導(dǎo)向一場(chǎng)新的科學(xué)革命，就像“日心說(shuō)”取代“地心說(shuō)”一樣[11]5。

針對(duì)阿爾希那的疑問(wèn)，丁達(dá)爾給出了啟發(fā)式的回答。他指出，即使用“波動(dòng)說(shuō)”的理論可以解釋所有光學(xué)現(xiàn)象，物理學(xué)界仍然不能對(duì)那些可以證明“微粒說(shuō)”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象視而不見(jiàn)。不可否認(rèn)，喜帕恰斯(2)尼西亞的喜帕恰斯(Hipparchus of Nicaea，約公元前190—120)，古希臘天文學(xué)家、地理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，因天文學(xué)成就被譽(yù)為“天文學(xué)之父”， 亦是三角學(xué)的創(chuàng)始人。他認(rèn)為地球是宇宙的中心，行星的運(yùn)動(dòng)是多個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)的疊加。和托勒密等很多偉大的古代天文學(xué)家都篤信“地心說(shuō)”，而這種在人類(lèi)社會(huì)中曾經(jīng)根深蒂固的觀(guān)念，已經(jīng)被天文觀(guān)測(cè)和物理學(xué)的進(jìn)步所推翻；未來(lái)的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)或許還會(huì)使人類(lèi)意識(shí)到，太陽(yáng)也不是宇宙的中心。但“波粒之爭(zhēng)”，亦即探索光的本質(zhì)，并不存在像“日心說(shuō)”取代“地心說(shuō)”一樣的非此即彼。萬(wàn)有引力定律不再能解釋太陽(yáng)系里所有天體的運(yùn)行，并不意味著萬(wàn)有引力定律失效，也是一樣的道理。而光傳播機(jī)制的復(fù)雜程度，或許會(huì)百倍于太陽(yáng)系天體的運(yùn)行規(guī)律，因此物理學(xué)界不能草率地基于“波動(dòng)說(shuō)”否定“微粒說(shuō)”，最終的結(jié)論有賴(lài)于更多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)[11]7。

不僅如此，作為杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，以及通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)向公眾傳播科學(xué)的大師，丁達(dá)爾顯現(xiàn)出“阿爾希那畢生難忘的平易近人”[11]6，鼓勵(lì)他投身于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)研究，運(yùn)用科學(xué)方法驗(yàn)證自己的假設(shè)。丁達(dá)爾表示，阿爾希那可以從制作與他所用相同的器材開(kāi)始(學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思路)；但在實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)、且現(xiàn)象能夠得到合理解釋之前，不宜向公眾進(jìn)行演示。他還介紹阿爾希那前往倫敦的艾略特兄弟公司，購(gòu)買(mǎi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)器材[11]6。

(二) 作為展教提綱的《新科學(xué)》

19世紀(jì)90年代中期，阿爾希那逐漸淡出工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域。他找到了只用棉纖維，以及用棉纖維和其他廉價(jià)纖維混合來(lái)生產(chǎn)天鵝絨的方法，使這類(lèi)織物擺脫了對(duì)蠶絲的依賴(lài)，并于1895年2月6日取得專(zhuān)利權(quán)，隨后出售給古埃爾[3]。但在此之前，阿爾希那已經(jīng)在丁達(dá)爾的影響下，轉(zhuǎn)向了嚴(yán)肅的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)研究?；诙∵_(dá)爾的工作，阿爾希那設(shè)計(jì)了大量物理學(xué)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)并加以分析，同時(shí)他也著手將它們與丁達(dá)爾的實(shí)驗(yàn)和學(xué)術(shù)觀(guān)點(diǎn)輯錄成冊(cè)，寫(xiě)成了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)專(zhuān)著《新科學(xué)》(NovasCientífiques)，嘗試解釋物質(zhì)世界運(yùn)轉(zhuǎn)的底層規(guī)律。

阿爾希那在機(jī)械方面的天賦，成為他設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的助力。他可以很快理解各種科學(xué)儀器的使用方法，并根據(jù)需要組合或創(chuàng)制新的實(shí)驗(yàn)器材。在寫(xiě)作《新科學(xué)》的過(guò)程中，他陸續(xù)購(gòu)買(mǎi)或自行制作了大量科學(xué)儀器，收藏于維克(Vic)附近的坎托尼格羅斯鎮(zhèn)(Cantonigrós)的房宅內(nèi)[5]；創(chuàng)制實(shí)驗(yàn)器材和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，也成為《新科學(xué)》正文的組成部分。

1897年，阿爾希那不幸患上肺結(jié)核，并因此喪失了勞動(dòng)能力[6,11]?！缎驴茖W(xué)》的寫(xiě)作進(jìn)度也隨之大幅延后，直到1904年方才完稿出版[6]。

阿爾希那以謙遜的態(tài)度看待科學(xué)教育和科學(xué)傳播，只扮演啟發(fā)者的角色。正如丁達(dá)爾在面向青少年的著作《水的形狀》(TheFormsofWaterinCloudsandRivers,IceandGlaciers)中，將自己定位為“助力讀者攀登的手臂”[14]，阿爾希那也在《新科學(xué)》的結(jié)尾寫(xiě)道：“如果我們大膽地展示出業(yè)已取得的勞動(dòng)成果，那并不意味著科學(xué)已經(jīng)臻于完美；它只是提供了一具腳凳，使那些比我們更聰慧、更強(qiáng)健的人可以循此而上，脫穎而出，更加接近自然的真相?！盵11]137這段話(huà)不僅表明了他對(duì)科學(xué)教育功能的看法，也暗示他計(jì)劃以《新科學(xué)》中的觀(guān)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)作為提綱，建立面向青少年的科學(xué)教育機(jī)構(gòu)。

三、 “導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室的展區(qū)排布與核心展項(xiàng)設(shè)置

(一) “導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室展項(xiàng)與展品概況

1904年，阿爾希那的肺結(jié)核病情惡化。在當(dāng)時(shí)的醫(yī)療條件下，肺結(jié)核是無(wú)法醫(yī)治的絕癥，但前往山區(qū)進(jìn)行療養(yǎng)有可能延長(zhǎng)生命。因此，他在巴塞羅那郊區(qū)提比達(dá)波山(Tibidabo)東麓建造了一座別墅，并將地面層建成“導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室(見(jiàn)圖2)。在別墅施工的最后階段，他將之前收藏的科學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)裝置陸續(xù)搬入其中，組成了103個(gè)演示實(shí)驗(yàn)展項(xiàng)[5]。1907年1月24日，“導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室隨別墅一起竣工[6]，并開(kāi)始接待青少年參觀(guān)者。

圖2 “導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室所在的別墅

從歷史照片分析，“導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室使用了跨度較大而且輕薄的拱圈結(jié)構(gòu)[6](見(jiàn)圖3)。這樣的設(shè)計(jì)可以在支撐上層建筑物質(zhì)量的同時(shí)，減少墻體和立柱對(duì)室內(nèi)面積的占用，并確保所有的科學(xué)儀器獲得足夠的采光，便于參觀(guān)者在白天進(jìn)行和觀(guān)看演示實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，立柱又可以作為布置電燈線(xiàn)路、水管與龍頭，以及溫度計(jì)的空間，便于參觀(guān)者在上手操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，獲得必要的資源。

圖3 “導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室內(nèi)景

按照阿爾希那基于丁達(dá)爾的工作和《新科學(xué)》列出的展示與科學(xué)教育提綱，儀器和實(shí)驗(yàn)裝置被劃分為6組，分別用來(lái)演示不同領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)，使青少年了解基本的物理學(xué)常識(shí)，以及空氣壓力、流體力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)。組成這些展項(xiàng)的展品，有60件保存至今[5]。

1908年，阿爾希那不幸離世。根據(jù)他的遺愿，包括“導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的全部遺產(chǎn)被移交給巴塞羅那市議會(huì)?！皩?dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室也被更名為“導(dǎo)師阿爾希那”實(shí)驗(yàn)室，以紀(jì)念它的創(chuàng)始人[6]。實(shí)驗(yàn)室的具體業(yè)務(wù)，如維護(hù)展項(xiàng)、傳授展項(xiàng)的使用方法、組織面向青少年的演示實(shí)驗(yàn)等，則由阿爾希那的好友和助手拉蒙·略夫雷加特負(fù)責(zé)，直至其1964年離世[5-6]。

大約在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后，略夫雷加特鑒于實(shí)驗(yàn)室部分展項(xiàng)老化、損壞，以及展教活動(dòng)的實(shí)際需要，購(gòu)買(mǎi)和重新制作了一部分展品，充實(shí)到6個(gè)展區(qū)當(dāng)中[5]。此外，還有蒸汽機(jī)模型等少量展項(xiàng)沒(méi)有歸入任何一個(gè)展區(qū)，僅僅用來(lái)演示有趣的物理現(xiàn)象或營(yíng)造“奇觀(guān)感”，激發(fā)青少年對(duì)物理學(xué)的興趣。

根據(jù)加泰羅尼亞科學(xué)與技術(shù)博物館(Museu Nacional de la Ciència i de la Tècnica de Catalunya)的統(tǒng)計(jì)，截至略夫雷加特離世，導(dǎo)師阿爾希那實(shí)驗(yàn)室共擁有116個(gè)演示實(shí)驗(yàn)展項(xiàng)，涉及大約140件科學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)裝置[5-6](見(jiàn)圖4)。此外，還有13件科學(xué)儀器與演示實(shí)驗(yàn)無(wú)關(guān)，可能僅用于靜態(tài)展示[5]。得益于巴塞羅那皇家科學(xué)與藝術(shù)學(xué)院(Real Academia de Ciencias y Artes de Barcelona)前院長(zhǎng)拉蒙·帕雷斯·法拉斯(3)拉蒙·帕雷斯·法拉斯(Ramon Parés i Farràs，1927—2018)，西班牙微生物學(xué)家、科學(xué)史家。他創(chuàng)立了巴塞羅那大學(xué)的微生物學(xué)系，并從事加泰羅尼亞地區(qū)科學(xué)技術(shù)史的研究。等科學(xué)史研究者的考證，這些展項(xiàng)的用途和使用方法得以流傳至今[5]。

圖4 加泰羅尼亞科學(xué)與技術(shù)博物館收藏的導(dǎo)師阿爾希那實(shí)驗(yàn)室展項(xiàng)

(二) 力學(xué)展區(qū)[15]

本展區(qū)包括21件展品，可以組成18個(gè)展項(xiàng)，但內(nèi)容并不局限于力學(xué)，而是涵蓋了物體的質(zhì)量和長(zhǎng)度測(cè)定等物理學(xué)基本概念。因此，力學(xué)展區(qū)成為“導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室事實(shí)上的“序廳”。本展區(qū)的重點(diǎn)展項(xiàng)為“撞球臺(tái)”和“滑輪組實(shí)驗(yàn)”。

“撞球臺(tái)”是帶有刻度的半圓形木臺(tái)，作用相當(dāng)于量角器。參觀(guān)者移動(dòng)位于圓弧上的發(fā)球裝置，將球以任意角度發(fā)射到撞球臺(tái)的圓心，并觀(guān)察球回彈后的位置，會(huì)發(fā)現(xiàn)入射角與反射角相同。該展項(xiàng)可以幫助參觀(guān)者理解臺(tái)球的擊球戰(zhàn)術(shù)，以及光的反射定律。

“滑輪組實(shí)驗(yàn)”由多個(gè)定滑輪和動(dòng)滑輪，以及兩者的組合體組成。在提升物體時(shí)，只用定滑輪不能省力，但可以改變力的方向；只用動(dòng)滑輪可以省一半的力，但不能改變力的方向也不能省功。該展項(xiàng)意在幫助參觀(guān)者理解不同滑輪與滑輪組可以發(fā)揮的作用，以及其中的力學(xué)原理。

(三) 空氣壓力現(xiàn)象展區(qū)[15]

本展區(qū)包括20件展品，均為獨(dú)立展項(xiàng)，主要為參觀(guān)者展示大氣壓力和真空現(xiàn)象，以及制造真空環(huán)境的方法。本展區(qū)的重點(diǎn)展項(xiàng)為“阿基米德螺旋泵”“馬德堡半球”“帕斯卡定律”和“真空機(jī)”。

“阿基米德螺旋泵”是一種早期的機(jī)械泵，通過(guò)螺桿將水提升到高處。在這個(gè)過(guò)程中，不斷旋轉(zhuǎn)的螺桿形成了一個(gè)個(gè)腔室，水會(huì)因?yàn)橹亓Χ粼诿總€(gè)腔室底部，但因?yàn)榇髿鈮毫Φ南拗撇粫?huì)回流，而是隨著螺桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)入下一個(gè)腔室，直至抵達(dá)終點(diǎn)?！皩?dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室的展項(xiàng)為意在展示原理的模型。

“馬德堡半球”是證明大氣壓力存在的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用兩個(gè)銅質(zhì)半球拼成的空心球體，內(nèi)部抽成真空，需要用16匹馬才能拉開(kāi)?！皩?dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室的展項(xiàng)為實(shí)驗(yàn)器材的縮尺復(fù)制品。

帕斯卡定律是流體靜力學(xué)的重要定律。它指出，不可壓縮的靜止流體中任意一點(diǎn)遭受外力，壓強(qiáng)增大后，會(huì)瞬間傳至靜止流體各點(diǎn)?！皩?dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室演示這一原理的展項(xiàng)，是一個(gè)表面鉆有微孔的空心球和與之相連的活塞。如果將球內(nèi)充滿(mǎn)水直至與活塞接觸，并輕輕推動(dòng)活塞，水就會(huì)克服表面張力，以相同的速度從球上所有的孔中流出。

“真空機(jī)”是用來(lái)制造真空環(huán)境的裝置，可以同“導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室中的另一些展品，如“戴安娜雨”(4)在一根直立的粗玻璃管上方連接以木板或麂皮為底的容器，做好密封，而后在容器中放入汞，并從玻璃管下方抽去空氣，汞會(huì)穿過(guò)麂皮的毛孔或木材中的維管束，以極細(xì)的液滴落下。這一現(xiàn)象，在西班牙語(yǔ)世界中被稱(chēng)為“戴安娜雨”(lluvia de Diana)。和“真空中的鈴聲”組合起來(lái)，演示真空中的各種物理現(xiàn)象。它帶有一個(gè)無(wú)液氣壓計(jì)，通過(guò)彈簧感受到的大氣壓力，大致測(cè)定其他展品獲得的真空度。

(四) 流體力學(xué)展區(qū)[15]

本展區(qū)包括5件展品，均為獨(dú)立展項(xiàng)，演示物體浸沒(méi)水中或者漂浮在水面時(shí)的受力情況，以及虹吸原理。本展區(qū)的重點(diǎn)展項(xiàng)為“抽吸泵”和“坦塔羅斯容器”。

“抽吸泵”是日常生活中壓水機(jī)的微縮模型。這一裝置通過(guò)由杠桿驅(qū)動(dòng)的活塞，以及兩個(gè)閥門(mén)的組合，使井水在大氣壓力的作用下被吸到地面。該展項(xiàng)可以展示大氣壓力在抽水過(guò)程中扮演的角色。

“坦塔羅斯容器”(5)坦塔羅斯(Tantalus)是希臘神話(huà)中主神宙斯之子，因受寵之后過(guò)于貪婪和捉弄眾神而受到懲罰，被囚禁于施有魔法的湖泊中，只有頭部露出水面。但湖水會(huì)在他口渴時(shí)自動(dòng)降低水位，以示貪得無(wú)厭終會(huì)失去一切。該展品的名稱(chēng)即是取自這則典故。與中國(guó)古代的“公道杯”原理相同，是一種內(nèi)置虹吸管的容器。當(dāng)容器中的水沒(méi)過(guò)虹吸管最高點(diǎn)的時(shí)候，便會(huì)觸發(fā)虹吸現(xiàn)象，損失容器中盛裝的絕大部分水。

值得注意的是，這一展區(qū)中的展項(xiàng)“水槽與木球”，代表著阿爾希那對(duì)科研儀器與科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行“展品化”的嘗試。該展項(xiàng)的主體，是一個(gè)超過(guò)30厘米深的水槽，與4～5枚直徑2厘米或2.5厘米的輕木球；水槽一側(cè)固定著一面用于制造波浪的金屬網(wǎng)。在木球被浸濕且置于水面中央的情況下，它們會(huì)逐漸聚在一起；而后，實(shí)驗(yàn)室工作人員或參觀(guān)者可以通過(guò)調(diào)整金屬網(wǎng)擺動(dòng)的頻率這項(xiàng)僅有的變量，來(lái)改變波浪的波長(zhǎng)。當(dāng)波長(zhǎng)接近木球直徑的時(shí)候，球便會(huì)劇烈地震動(dòng)起來(lái)，并且向四周分開(kāi)[11]33-35。這一裝置的金屬網(wǎng)還可以拆下，換成小鏟等手持小型工具，以進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)[11]35-36。

科研儀器是科學(xué)中心展品的源頭之一，并且可以保證展品的實(shí)踐性[16]。但科學(xué)中心需要發(fā)現(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象的趣味與美感，并在此基礎(chǔ)上再次創(chuàng)造，使展品從科研儀器中分化出來(lái)。除了“水槽與木球”，筆者認(rèn)為下文提到的“凹面聚聲”和“實(shí)驗(yàn)室風(fēng)琴”，也有可能是科研儀器“展品化”的實(shí)例，但以現(xiàn)有的資料，尚無(wú)法確定這兩個(gè)展項(xiàng)是否為阿爾希那或?qū)嶒?yàn)室團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)。阿爾希那在“展品化”方面的工作，體現(xiàn)了他對(duì)科研儀器設(shè)計(jì)思想的領(lǐng)悟，彰顯出創(chuàng)新智慧。

(五) 聲學(xué)展區(qū)[15]

本展區(qū)包括14件展品，可以組成8個(gè)展項(xiàng)，用來(lái)展示聲音的本質(zhì)，即聲音是源于振動(dòng)的機(jī)械波，并通過(guò)介質(zhì)向四面八方傳遞的事實(shí)。本展區(qū)的重點(diǎn)展項(xiàng)為“凹面聚聲”“克拉尼板”和“實(shí)驗(yàn)室風(fēng)琴”。

“凹面聚聲”由兩個(gè)相對(duì)放置的凹面，懸掛在凹面中間的懷表，以及一個(gè)用來(lái)接收聲音的牛角組成。懷表運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)出的聲波，會(huì)因?yàn)榘济娴姆瓷涠蹟n，音量放大約10倍，使參觀(guān)者可以通過(guò)牛角收聽(tīng)。

“克拉尼板”是一種用來(lái)展現(xiàn)聲音本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置，為一組中心被固定在底座上的金屬薄板，上面撒有一層細(xì)沙。使用小提琴的琴弓在薄板的側(cè)面拉動(dòng)來(lái)激勵(lì)它，直到它達(dá)到共振，細(xì)沙便會(huì)因?yàn)楸“逭駝?dòng)而形成“克拉尼圖形”。

“實(shí)驗(yàn)室風(fēng)琴”是日常生活中管風(fēng)琴哨管的微縮模型，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行了改造，可以幫助參觀(guān)者了解教堂管風(fēng)琴的工作原理。參觀(guān)者首先充滿(mǎn)展項(xiàng)的氣囊，而后通過(guò)鍵盤(pán)接通風(fēng)道，使空氣進(jìn)入哨管并發(fā)出振動(dòng)，產(chǎn)生樂(lè)音。

(六) 光學(xué)與視錯(cuò)覺(jué)展區(qū)[15]

本展區(qū)包括26件展品，可以組成21個(gè)展項(xiàng)，用來(lái)展示光的傳播規(guī)律，如傳播中遇到不同介質(zhì)分界面時(shí)的反射、折射等特性，不同形狀的透鏡對(duì)光路的影響，此外也涉及偏振光的產(chǎn)生和應(yīng)用，以及牛頓色碟等視錯(cuò)覺(jué)演示實(shí)驗(yàn)裝置。本展區(qū)的重點(diǎn)展項(xiàng)為“偏光顯微鏡”“分光鏡”和“蔡司顯微鏡”。

“偏光顯微鏡”是一種通過(guò)偏振光來(lái)檢驗(yàn)物質(zhì)是否具有雙折射性(各向異性)的顯微鏡。在阿爾希那生活的時(shí)代，偏光顯微鏡使用天然方解石制成的尼古拉棱鏡，作為起偏器和檢偏器，來(lái)檢測(cè)樣本的性質(zhì)，比如葡萄酒或尿液樣本中的糖含量。在“導(dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室，參觀(guān)者可以通過(guò)觀(guān)察不同的樣本，來(lái)體驗(yàn)偏光顯微鏡的用途和檢驗(yàn)員的工作。

“分光鏡”是一種研究光譜的裝置，可以通過(guò)3個(gè)臂件和位于中心的棱鏡，幫助人們對(duì)光進(jìn)行分析，推知發(fā)光物體的物質(zhì)成分。被研究的光通過(guò)第一個(gè)臂件照射到棱鏡上，并被散射成光譜；第二個(gè)臂件則將刻度疊加在光譜上；參觀(guān)者從作為目鏡的第三個(gè)臂件中觀(guān)察，就可以看到帶有刻度的光譜圖像。

“顯微鏡”可以幫助人們看到微觀(guān)世界，是近代生命科學(xué)研究中常常用到的設(shè)備?！皩?dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室使用的顯微鏡由德國(guó)蔡司公司制造。它在供參觀(guān)者體驗(yàn)之余，也有可能用于靜態(tài)展示，以供工作人員講述顯微鏡從放大鏡中分化出來(lái)，并經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)逐漸“定型”的歷程。

(七) 電學(xué)展區(qū)[15]

本展區(qū)包括25件展品，可以組成24個(gè)展項(xiàng)，涵蓋電學(xué)研究的各個(gè)方面，如靜電、電流的磁效應(yīng)、不同材料的導(dǎo)電性，以及一些早期的電動(dòng)機(jī)和電池模型，展現(xiàn)人類(lèi)電氣時(shí)代的基石。本展區(qū)的重點(diǎn)展項(xiàng)為“巴羅輪”“伏打弧燈”和“魯姆科夫線(xiàn)圈”。

“巴羅輪”是一種原始的電動(dòng)機(jī)，但結(jié)構(gòu)與后世使用的電動(dòng)機(jī)不同，由英國(guó)物理學(xué)家彼得·巴羅(6)彼得·巴羅(Peter Barlow，1776—1862)，英國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。他發(fā)明了可以接入天文望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)等光學(xué)系統(tǒng)，用以消除色差和改變放大倍率的透鏡組，稱(chēng)為“巴羅透鏡”。創(chuàng)制。它是一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的星形輪，懸浮在盛裝汞的凹槽上，尖端浸入位于馬蹄形磁鐵兩極之間的汞槽中。直流電會(huì)從輪轂出發(fā)，通過(guò)輪子與汞槽的觸點(diǎn)流入汞槽形成回路。磁場(chǎng)的洛倫茲力則推動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，并因?yàn)閼T性使下一個(gè)觸點(diǎn)同汞槽接觸；如果用手撥動(dòng)輪子，它也會(huì)成為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。在19世紀(jì)中葉，巴羅輪常常被用來(lái)演示電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的原理，以及兩者間的聯(lián)系，該展項(xiàng)的職能即是如此。

“伏打弧燈”是演示電弧(即“伏打弧”)放電產(chǎn)生可見(jiàn)光的裝置。在電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)的情況下，原本不導(dǎo)電的空氣會(huì)形成等離子體，在電流通過(guò)時(shí)發(fā)出可見(jiàn)光并產(chǎn)生高溫。在19世紀(jì)末，人們用電弧來(lái)加熱金屬，并為街道提供照明。該展項(xiàng)可以使參觀(guān)者知曉電弧產(chǎn)生的位置，從而了解電弧燈如何工作。

“魯姆科夫線(xiàn)圈”是德國(guó)精密儀器制作師海因里?！さつ釥枴斈房品?7)海因里希·丹尼爾·魯姆科夫(Heinrich Daniel Ruehmkorff，1803—1877)，德國(guó)精密儀器制作師，感應(yīng)線(xiàn)圈商業(yè)化的先驅(qū)者。制作的一種感應(yīng)線(xiàn)圈。感應(yīng)線(xiàn)圈是世界上第一種變壓器，魯姆科夫則在前人的基礎(chǔ)上改進(jìn)它的結(jié)構(gòu)，以得到更高的電壓，用于高壓電研究和高壓放電表演?！皩?dǎo)師”實(shí)驗(yàn)室的“魯姆科夫線(xiàn)圈”，是為學(xué)校的演示實(shí)驗(yàn)制造的版本，加裝了用于高壓放電表演的組件。

四、 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)入20世紀(jì)60年代后，導(dǎo)師阿爾希那實(shí)驗(yàn)室的大部分展項(xiàng)嚴(yán)重老化，一部分展品由于化學(xué)試劑腐蝕或連續(xù)高強(qiáng)度使用而脆弱易損，或距離制造時(shí)間過(guò)于久遠(yuǎn)而成為文物，均不再適合進(jìn)行互動(dòng)展示[5,6,15]。有鑒于此，實(shí)驗(yàn)室放棄了演示實(shí)驗(yàn)和互動(dòng)功能，成為展示自身歷程的博物館[5-6]，只接待事先預(yù)約的團(tuán)體參觀(guān)，每周開(kāi)放一次[6]。到1991年，由于展品保存條件不佳，狀況有可能進(jìn)一步惡化，巴塞羅那市議會(huì)決定將實(shí)驗(yàn)室永久關(guān)閉，所有展品就地封存。4年后，實(shí)驗(yàn)室的所有展品均被加泰羅尼亞科學(xué)與技術(shù)博物館收藏[5-6]。

導(dǎo)師阿爾希那實(shí)驗(yàn)室在面向青少年開(kāi)展科學(xué)教育，以及促進(jìn)包括青少年在內(nèi)的公眾理解物理學(xué)原理等方面，做出了開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)[5]。它是啟蒙運(yùn)動(dòng)時(shí)期誕生的、以收藏科學(xué)儀器和模型為任務(wù)的“物理室”的終章[6]；同時(shí)，它作為一個(gè)活躍的科學(xué)教育中心，又為熱愛(ài)科學(xué)的人提供了求知與交流的平臺(tái)。通過(guò)作為展教提綱的《新科學(xué)》，它探索了將已有的多種科學(xué)傳播手段進(jìn)行融合，并形成體系的可能性，并且進(jìn)行了將科學(xué)實(shí)驗(yàn)器材和生產(chǎn)工具“展品化”的初步探索與嘗試，從而完成了從偏重收藏的“物理室”，向重視互動(dòng)體驗(yàn)的公共教育場(chǎng)所的躍遷。

然而，導(dǎo)師阿爾希那實(shí)驗(yàn)室最終未能成長(zhǎng)為具有廣泛影響力的科學(xué)中心。這一令人遺憾的事實(shí)，要?dú)w結(jié)于阿爾希那本人早逝[5]，互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的理念過(guò)于超前，以及西班牙國(guó)內(nèi)政治動(dòng)蕩等多方面因素的共同作用。筆者將從阿爾希那創(chuàng)立實(shí)驗(yàn)室的時(shí)代背景入手，繼續(xù)探討其精神層面上的建立動(dòng)因，以及制約其進(jìn)一步發(fā)展的因素。