教育技術裝備發展傳統與基石

新喬 趙曉寧 任熙俊

1 實驗與實驗哲學

人們在研究科學史的時候，把17世紀看作近代自然科學誕生的分水嶺。因為在此以前，自然科學沒有建立自己的傳統，它依附在哲學的傳統和工匠的傳統之上。從近代科學教育源頭和事實出發進行的實驗與儀器設施情況的考察表明了這樣一種情況。

在科學從中古時代向近代轉變的關頭，有兩位杰出的哲學家積極倡導近代科學方法，對推動科學的發展起到重要作用，一個是英國的弗蘭西斯·培根（1561—1626），一個是法國的笛卡爾（Rene Descartes，1596—1650，法國哲學家、數學家、物理學家，17世紀歐洲哲學界和科學界最有影響的巨匠之一）。兩人雖然在哲學的基本傾向上不同，性格也各異，但他們都是看到了新科學的未來前景的人，并冀望用一種新哲學激勵人們去為新科學的發展而奮斗。弗朗西斯·培根的名字比其他任何一個名字都更加密切地與這個新觀念相聯系，馬克思和恩格斯在評價培根的貢獻時指出：“英國唯物主義和整個現代實驗科學的真正始祖是培根?！盵1]

培根繼承了羅吉爾·培根、達·芬奇等人的思想，強調實驗對科學的極端重要性，同時重視理性的作用，最后建立了實驗歸納法。培根認為，要得到正確的知識必須從事實出發，通過實驗收集大量資料，然后進行對比分析，排除無關因素，找出個別事物中的普遍規律。在《新工具》一書中，他不僅闡明了歸納法的重要性，而且提供了歸納邏輯中判明因果聯系的求同法、差異法和共變法。按照他的學說，科學是實驗的科學，科學就在于用理性方法去整理感性材料。歸納、分析、比較、觀察和實驗是理性方法的主要條件。培根一生并沒有做過一次實驗，沒有提出一個自然科學概念，但這并不影響對他對科學發展貢獻的評價。[2]

培根除了對建立實驗科學方法論有貢獻外，還在科學的重要社會功能的認識上提出“要命令自然，必須服從自然”的思想。由于人對自然的科學理解和對自然的技術控制是相輔相成的，因而培根又提出“知識就是力量”的口號[3]。他在烏托邦作品《新大西島》（1627年）一書中，即第一個科學烏托邦里，描述了所羅門社，一個致力于“擴大人類帝國的疆域，直至包容一切可能的事物的組織”，主張建立學者們的合作團體，強調學者們集體合作研究的重要性，而幾乎所有的研究都是實用的——改進了的果園，改進了的物種，改進了的醫學。他以“人類王國”一詞概括了自己的觀點，這可能是體現在他的所有著述中的基本思想。而他所說的人類王國是個物質世界，是上帝為人類所創的世界，是人類只有通過自然科學的途徑才能進入的世界。對于培根來說，知識就是力量，憑借這個力量，人類可以征服自然，讓自然服務于人類。培根絲毫沒有反對人們所說的純理論研究，認為實用的結果只能來源于真實的理論。對所羅門社的描述確切地說明了他的最終目標：知識的目的是使人類的等級消除，使人類的生活舒適和方便。

近代實驗科學的奠基人和主要代表人物則是伽利略。他把培根提出的實驗是自然科學的基礎這一哲學概念變成了可以實踐的科學方法，并且提出科學實驗的兩個基本要素，即用科學儀器進行測量和用數字記錄（表達）測量的結果，使實驗的結果成為可以定量比較和精確計算的數據。從此，自然科學結束了長達數千年的徘徊，由粗陋的觀察、模糊的推斷走向嚴肅的實驗和嚴密的邏輯，與數學結成堅固的聯盟，建立了自然科學自己的傳統。伽利略不僅以自己的實驗成果啟示人們如何去進行自然研究，而且告誡人們必須用實驗去獲得物理學的基本原理和考核推理的結果，而不能盲目相信書本。特別是伽利略還把實驗的觀測同數學的演繹結合起來，而不是單純依靠經驗。伽利略的實驗方法、數學方法和分析方法，深刻地影響了與他同代和在他以后的科學家，成為以后科學研究的基本方法。[4]

而笛卡爾則倡導科學研究中的演繹法，提出科學始于懷疑，倡導理性演繹法，強調數學方法的意義。他把代數方程和幾何學的曲線、曲面聯系起來，創立了解析幾何學，使辯證法進入數學，并奠定了近代數學實驗方法的基礎。他繼承了伽利略等人的思想，認為科學與數學在本質上是同一的。在哲學上他是近代唯理性的代表，強調理性在整個認識過程中的作用，主張依靠人的理性來尋求可靠的知識。他認為只有從不可懷疑的或不證自明的公理出發，嚴格按照演繹法一步一步地進行推理，才能推演出可靠的知識。他在一定程度上看到了單憑經驗不能提供關于事物的本質的知識，但認為理性是一切知識的泉源又是片面的。不過他并不排斥實驗，認為實驗的功能在于確立演繹的結果與物理實驗之間的一致性，這又與培根的思想產生了共鳴。[2]

笛卡爾致力于自然界觀察，并意識到牽涉空間的“運動”可以用數學處理。作為解析幾何的創始人，笛卡爾把數學和幾何學聯系起來，從而表明空間或廣延可以用代數公式表示。他又引入現代數學符號以及運作方式，并且用x、y等字母代表未知線段，用a、b、c等字母代表已知數量，從而大大簡化了代數問題的解決。這是數學的現代革命過程中具有重大意義的決定性一步，由此，笛卡爾把科學的統一性建立在研究方法——數學上，而數學的確定性就保證了知識的確定性，數學思考的重心就從幾何學的“形”轉移到代數學的“計算”上去了，從而在數學角度為近代科學建立了形而上學的基礎（圖1）。[5]

培根與笛卡爾的觀點似乎是相互對立的，但其實他們是互相補充的。而注重實驗經驗的培根和笛卡爾方法成為英國皇家學會和早期法國科學院的一項宗旨。尤其是18世紀和以后的一些法國科學家奉行笛卡爾的原則，在理論的創造上做出了貢獻。[5]

17世紀，在近代自然科學中突出發展起來的經典力學以及在此基礎上形成的伽利略的自由落體定律，再到1687年牛頓的《自然哲學的數學原理》一書的出版，標志著一個有關物體運動的理論體系——經典力學從形成到成熟的過程。與傳統科學和現代物理學相比，經典力學注重實驗，實驗可以進一步揭示客觀現象和過程之間內在的邏輯聯系，并由此得出重要的結論。經典力學最重要的成就是萬有引力定律和運動三定律的發現，這些成就構成了經典力學的基本內容。在科學上的意義表現在它把天上和地上的運動統一起來，把萬有引力定律和運動三定律視為宇宙間一切力學運動的普遍規律，從力學的角度證明了自然界的統一性，實現了人類對自然界認識的第一次綜合，完成了人類對自然規律的第一次理論概括和總結。

經典力學體系的建立標志著近代科學的形成，表達了近代自然科學的基本特點：以實驗為基礎，以數學為表達形式。人們根據萬有引力定律發現海王星，又表明了實驗科學的預見力和對實踐的理論指導意義。

進入18世紀以后，由于科學實驗日益成為獨立的社會實踐方式，不僅使近代自然知識有了特有的實踐基礎，也促進了科學形態的變化，出現了與古代實用科學、自然哲學不同的嶄新的科學實驗觀——實驗哲學。在中世紀，自然科學屬于哲學范疇。17世紀以來，隨著近代自然科學的發展，以實驗為基礎的新的科學研究方式日趨成熟，促成了與古代自然哲學不同的實驗哲學觀的產生，到18世紀普遍使用實驗哲學這一術語。

18世紀開始，實驗哲學逐步應用于一些自然哲學領域，如電學、磁和光學等，但它們關注更易于實驗處理而不是數學處理的學科。也正如19世紀對實驗哲學的理解一樣，它是一個受限制的、定義于物理學發展的胚胎形式的學科范疇。[5]

隨著實驗哲學逐漸滲透進一系列彼此不相通的科學領域，包括在科學教育領域，傳統的界限被打破，新的定義開始確立，實驗哲學的概念開始涵蓋大量的方法論和教研領域，主要是通過對專業課程和課本中科學范圍明確且規范的重構，自然哲學中數學、醫學及其分支的關系最終得到重新調配，使新科學在課堂上確立，邁出了人們今天所熟悉的自然科學的關鍵一步。

2 科學的特征之一：儀器設施

有研究指出，科學研究與科學儀器理論的研究不是分離的?？茖W史家沃爾夫曾指出，近代科學的主要特征之一在于使用科學儀器，沒有科學儀器的幫助很難設想近代科學的存在。“縱觀大量的科學哲學和科學史著作，除開理論優先這種傳統貫穿始終外，還同時伴隨有一個被遺忘的對象，那就是科學儀器……科學儀器史為科學儀器哲學提供概念的內容與含義，科學儀器哲學為科學儀器史提供概念結構?！盵6]針對柯瓦雷給出的大科學革命圖像（和諧整體宇宙的解體與空間的幾何化），“科學史家們延伸了儀器對促成16、17世紀的科學革命的重要性”。另一位科學史研究者林德伯格指出，有許多條件使得早期近代科學不同于中世紀科學，16、17世紀科學的決定性變革還發生在儀器方面。[7]

庫恩的范式論 ?作為科學史家，托馬斯·塞繆爾·庫恩（Thomas Sammual Kuhn，1922—1996，美國科學哲學家）對重視數學傳統的古典科學與重視實驗傳統的培根科學做過區分分析，關注到實驗在18世紀后期以前，古典科學與培根科學通常是彼此分離地發展。但是其作為理論物理學博士，又深受柯瓦雷的柏拉圖主義（柏拉圖哲學或柏拉圖的哲學，尤指宣稱理念形式是絕對的和永恒的實在，而世界中實在的現象卻是不完美的和暫時的反映）觀念史的影響，庫恩還是過于關注范式、理論、觀念而輕視實驗與儀器。[7]

庫恩將科學儀器作為范式的一個內在部分，他認為：

“科學發展模式可以描述為相繼范式的更替，科學的變化是基于范式的，范式是科學變化的動因，范式的更替是一種格式塔式轉換，突出了范式更替與觀察標準同時發生改變?！比鐖D2所示，雖然庫恩的范式包含了儀器及其使用的承諾，包含儀器維度，但是儀器與實驗在庫恩看來還是附屬于范式的。庫恩借助格式塔心理學來解釋范式的更替，強調前后范式間具有不可通約性：不同個體可以將一幅圖片看作鴨子或兔子，正如不同共同體成員可以認為同一實驗顯示了燃素的缺失或氧氣的存在。為此，庫恩認為：“與實驗相關的討論沒有趣味，而理論將總是最重要的場所?！盵7]

蓋里森：同一層次的三個方面 ?蓋里森以物理學發展方面的情況為例，認為庫恩給出的科學發展模式不能與20世紀粒子物理學的發展相吻合。蓋里森借助利奧塔的“宏大敘事”來批判庫恩的范式更替模式：“庫恩的還原論立場使其試圖超越時空給出科學發展的普適模式，借助‘微觀革命將專門的物理學學科分裂為無數的無關聯部分。”蓋里森通過批評庫恩與皮克林的觀點，真正將儀器、理論和實驗置于同一層次，儀器、理論與實驗一樣具有了自己的生命。[7]

蓋里森的研究的重要性在于他將儀器置于理論和實驗同樣重要的層次，明確表明了儀器與理論、實驗一樣具有自己獨立的生命，儀器設施真正成為研究的主題。[7]

戴森：二元論 ?儀器設施對16、17世紀的科學革命至關重要的思想在戴森（英國理論物理學者）這里得到進一步延展，他注意到儀器設施在科學發展過程中具有重要作用（圖3）。戴森認為，科學來源于兩種古老傳統的結合：一是古希臘的哲學思索，一是比它更早的、而在中世紀的歐洲繁榮起來的工藝技術的傳統?！罢軐W給科學提供概念，而工藝技術則提供工具。戴森將科學革命區分為觀念與概念驅動的革命以及工具與儀器驅動的革命。他認為庫恩的《科學革命的結構》只重視前者而忽視后者，而蓋里森的《圖像與邏輯》則關注到了工具與儀器驅動的科學革命。由這兩種不同的傳統出發，就可以有兩種不同的科學革命，而大多數新近的科學革命都是工具與儀器驅動的。[7]

戴森對于兩種科學革命的劃分“其實掩飾了庫恩科學革命分析中的工具與儀器維度”。英國哲學家、數學家懷特海在《科學與近代世界》中指出：“我們的想象力水平之所以會更高，并不是因為我們具有更精微的思維能力，而是因為我們有了更好的儀器?！痹谏鐣c科學發展過程中儀器的重要性不容置疑，與儀器的重要性形成越來越鮮明的對比，忽視了對科學儀器的研究所呈現的社會的與科學的圖景只能是片面的圖景。[7]

（未完待續）