教育技術(shù)裝備發(fā)展傳統(tǒng)與基石（續(xù)三）

新喬 趙曉寧 任熙俊

（接上期）

5 實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐：知識(shí)發(fā)展的基本途徑

生物學(xué)：燃燒、呼吸和生命 ?運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究生物體的做法可以追溯到古代。德國(guó)機(jī)械論（一種在近代科學(xué)發(fā)展中有著高度影響的自然哲學(xué)。在它最早和最簡(jiǎn)單的階段，這個(gè)理論使自然完全類似于一臺(tái)機(jī)器，甚至基本上就是一部像齒輪或滑輪一樣的裝置。盡管這一點(diǎn)從某種意義上說(shuō)確實(shí)鼓勵(lì)了人們把世界當(dāng)作一個(gè)有著內(nèi)在聯(lián)系的整體來(lái)看待，卻證明不適于用以說(shuō)明活著的有機(jī)物及其關(guān)系。機(jī)械論的一個(gè)較為復(fù)雜和持久的形式是，它把整個(gè)自然都解釋成一個(gè)在運(yùn)動(dòng)中的、完全受制于物理學(xué)和化學(xué)規(guī)律的客觀存在的體系。很多哲學(xué)家和生態(tài)學(xué)家認(rèn)為，這種推理是過(guò)分“簡(jiǎn)化”了，盡管那些被省去的部分經(jīng)常也難以說(shuō)得清楚）者中一些較冷靜的學(xué)者在積極倡導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，還把實(shí)驗(yàn)很好地運(yùn)用到研究生物材料上去。

在18世紀(jì)早期，約翰尼斯·馮·赫爾蒙特做了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)：他在仔細(xì)稱量過(guò)的泥土里栽培了一棵柳樹(shù)，由于只有很少的土被消耗，因此，他斷定樹(shù)增加的質(zhì)量來(lái)自他定時(shí)澆入土里的水。1772年，普里斯特利（1733—1804，英國(guó)化學(xué)家、牧師、教育家）也發(fā)現(xiàn)薄荷草可以使它生長(zhǎng)于其中的那些空氣得到更新，但這實(shí)驗(yàn)很難被重復(fù)，因?yàn)槠绽锼固乩](méi)有完全認(rèn)識(shí)到光對(duì)葉子活動(dòng)的重要性，他不相信那些附著在玻璃器皿內(nèi)壁的泡沫似的綠色物質(zhì)（藻類）也是植物。然而，他確實(shí)在1778年從葉子上收集到了一些氣泡，發(fā)現(xiàn)其中的氣體是“脫燃素空氣”（氧氣）。[12]125

普里斯特利的成功，激勵(lì)荷蘭生理學(xué)家簡(jiǎn)·英根-浩斯（1730—1799）開(kāi)始研究這一問(wèn)題。英根-浩斯在他的《論植物實(shí)驗(yàn)》（1779年）—書(shū)中證明，葉子產(chǎn)生氧氣的基本條件是太陽(yáng)光而不是熱。他發(fā)現(xiàn)，在黑暗中，葉子逆轉(zhuǎn)了這一過(guò)程，釋放出少量的“固定空氣”（二氧化碳），而在陽(yáng)光下葉子則產(chǎn)生大量的氧氣。他觀察到，只有植物的綠色部分產(chǎn)生氧氣，并且氧氣是從葉子的內(nèi)面釋放出來(lái)的。在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，把植物完全放在水里，但仍然有陽(yáng)光的照射，可觀察到氧氣氣泡出現(xiàn)在葉子的內(nèi)面。英根-浩斯也發(fā)現(xiàn)，必須被放到新鮮泵出的水里時(shí)，葉子才能釋放出氧氣，而在煮沸過(guò)的水中則不能。他解釋說(shuō)，這一實(shí)驗(yàn)意味著煮沸過(guò)的水吸收了從葉子產(chǎn)生的氧氣，而泵出的水充滿氧氣，允許它釋放到水的表面。[12]126

為了發(fā)現(xiàn)人的胃液與動(dòng)物的胃液是否相似，他還在自己身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，吞下各種裝了樣品的試管和裝了樣品的袋子，盡管這對(duì)自己的食管很危險(xiǎn)。在愛(ài)丁堡，愛(ài)德華·斯蒂文（1755—1834）在狂歡節(jié)表演吞石頭為生的一個(gè)表演者的幫助下，做了很多類似的實(shí)驗(yàn)。斯蒂文把實(shí)驗(yàn)物放入有孔的銀制的球中，讓志愿者可以吞下，而后還能吐出來(lái)。18世紀(jì)的化學(xué)狀況還沒(méi)有先進(jìn)到可以完全分析消化過(guò)程，但是這些科學(xué)家拋棄了生命力和活力的原則，目的是尋求對(duì)消化過(guò)程進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)分析，這是非常重要的[12]127。

1740年后，盡管試圖創(chuàng)建動(dòng)物的化學(xué)生理學(xué)不是很成功，卻促使研究化學(xué)和生理學(xué)的方法發(fā)生非常大的轉(zhuǎn)變。生理學(xué)家更主要的是強(qiáng)調(diào)生命的功能，而不是試圖發(fā)現(xiàn)生命的結(jié)構(gòu)。[12]127到19世紀(jì)中期，現(xiàn)今非常熟悉的實(shí)驗(yàn)的方法開(kāi)始普及，并得到實(shí)驗(yàn)者自己的檢驗(yàn)。克勞德·伯爾納在《實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)導(dǎo)論》（1865年）中對(duì)實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)作了很好的系統(tǒng)描述：實(shí)驗(yàn)者首要的任務(wù)是要找到與自己感興趣的問(wèn)題密切相關(guān)的現(xiàn)象，然后明確那些能使這些現(xiàn)象產(chǎn)生或改變的因素——可變條件，并對(duì)它們進(jìn)行研究。合理進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)所取得的結(jié)果經(jīng)過(guò)整理之后，就可以大膽地用來(lái)對(duì)身體的各種功能提出概括性的看法。1880年以來(lái)，生物學(xué)中對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣總的來(lái)說(shuō)是持續(xù)上升的。實(shí)驗(yàn)主義者的工作再加上他們的宣傳，很快傳遍歐洲和美洲，并給20世紀(jì)的生物學(xué)留下一個(gè)與眾不同的標(biāo)志——實(shí)驗(yàn)。[10]13-14

現(xiàn)代生理學(xué)家認(rèn)為，生命依賴于能量有規(guī)則的、緩慢的釋放，而這種能量則來(lái)自對(duì)已消化食物的氧化。這種能量為發(fā)生在體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)（包括合成反應(yīng)）提供了合適的溫度，并引起身體的運(yùn)動(dòng)、神經(jīng)的電行為和腺體的分泌活動(dòng)。這種依賴性通常作為一種因果聯(lián)系的依賴性的確定，是19世紀(jì)呼吸生理學(xué)的一個(gè)成就。[10]134

古斯塔夫·馬格努斯的著名實(shí)驗(yàn)，用一個(gè)能產(chǎn)生高度真空的汞排空裝置以及一些能替換血液中氣體的技術(shù)，表明二氧化碳和氧在動(dòng)脈和靜脈系統(tǒng)中都存在，氧的比例在動(dòng)脈中明顯比靜脈中高的事實(shí)證明，生命的燃燒過(guò)程不可能發(fā)生在肺部。[10]139

到19世紀(jì)70年代初期，血液有呼吸作用的說(shuō)法仍然受到辯護(hù)，這主要以從卡爾·路德維希和他學(xué)生的研究工作中反映出來(lái)。他們認(rèn)為（并提出明顯能說(shuō)明問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)證據(jù)），組織氧化確實(shí)是真實(shí)的，但要受到血液中化學(xué)條件的調(diào)控。[10]139

到1850年，一個(gè)觀察小組開(kāi)始對(duì)隔離材料（通常是肌纖維）的呼吸活動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。格奧爾格·利比希（1803—1873）證明，活動(dòng)的肌肉消耗氧氣并產(chǎn)生二氧化碳。如果這兩個(gè)事件確實(shí)是“呼吸作用”的話，那么肌肉可以呼吸，并且與血液沒(méi)有關(guān)系。亥姆霍茲在一系列極出色的研究中，證明在肌肉的收縮過(guò)程中伴隨有物質(zhì)的交換（1847）另外，亥姆霍茲?rùn)z測(cè)了肌肉中的熱量變化，這對(duì)亥姆霍茲關(guān)于能量守恒的研究以及對(duì)動(dòng)物能量學(xué)更專門(mén)的研究來(lái)說(shuō)，都是極其重要的。在肌肉運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中經(jīng)證明，確實(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而這些化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)而又與熱能的產(chǎn)生有明顯的關(guān)系。這一關(guān)系可以被定量化。[10]139-140

電學(xué)：實(shí)驗(yàn)的定量化、模型化 ?1769年，在格拉斯哥，約瑟夫·布萊克的學(xué)生約翰·魯賓遜（1739—1805）用一個(gè)排斥地心引力的電斥力平衡裝置測(cè)量了電荷之間的斥力。他能夠說(shuō)明，電力就像萬(wàn)有引力那樣，與荷電物體之間距離的平方成比例地減小。法國(guó)軍事工程師夏爾·奧古斯丁·庫(kù)侖（1736—1806）于1785年通過(guò)抵抗一根細(xì)絲扭力的平衡電力，做出他對(duì)電的吸引和排斥的非常著名的測(cè)量。他的裝置的精密性在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中建立了一種新的標(biāo)準(zhǔn)。庫(kù)侖之后，人們傾向于根據(jù)任務(wù)細(xì)致地建造裝置，而不是把碰巧躺在實(shí)驗(yàn)室周圍的什么東西湊起來(lái)。[12]73

最成功的量化者是亨利·卡文迪許（1731—1810）。他不僅于1771年測(cè)量了電力，還進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差首次做了仔細(xì)分析，發(fā)展了測(cè)量導(dǎo)體的相對(duì)電容和相對(duì)電阻率的技巧。他在把自己的身體放得與不同長(zhǎng)度的導(dǎo)體平行時(shí)感到震搖，通過(guò)均衡這種震搖測(cè)量了后者。通過(guò)這個(gè)技巧，他得到一致的結(jié)果，誤差低于10%。[12]73-74

18世紀(jì)的電學(xué)家把他們的學(xué)科帶到一條漫長(zhǎng)的路程上。他們提煉了理論，使自己的實(shí)驗(yàn)定量化，并且改進(jìn)了裝置。到18世紀(jì)末，電的“細(xì)微流體”概念發(fā)生極大改變：氣氛和電以弗的概念一去不復(fù)返;電流體仍然被想象為在導(dǎo)體中流動(dòng)，但是它所施的力不再被理解為物質(zhì)在空間中的機(jī)械作用。當(dāng)19世紀(jì)流電現(xiàn)象持續(xù)成倍地增多的時(shí)候，甚至電流體的存在都被認(rèn)為是值得懷疑的。隨著電理論的變化，細(xì)微流體的本質(zhì)也發(fā)生變化，不過(guò)這是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。說(shuō)流電的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了一門(mén)“新科學(xué)”，則是一個(gè)錯(cuò)誤，定量的電理論的建構(gòu)在很好地進(jìn)行著，甚至在伏特建造他的電堆之前，電學(xué)家都在試圖測(cè)量電阻率、電容、電“張力”，以及其他那些通常把它們與流電相聯(lián)系的量。[12]75

熱與溫度的測(cè)量 ?在所有的細(xì)微流體中，熱是日常經(jīng)驗(yàn)最多的部分（可能除了光以外）。在亞里士多德的事物框架中，熱就像顏色、氣味、粗糙或者潮濕一樣，是一種質(zhì)。質(zhì)有強(qiáng)烈的高低，但不能測(cè)量或者用數(shù)目表達(dá);只有長(zhǎng)度、重量和時(shí)間之類的量才有大小，能測(cè)量。中世紀(jì)的學(xué)者談?wù)撨^(guò)熱度（他們認(rèn)為有8度），14世紀(jì)牛津和巴黎的學(xué)者也探究過(guò)把熱這樣的質(zhì)化為數(shù)量的可能性，但只有伽利略在1592年首次建造的溫度計(jì)才使熱的定量研究最終成為可能。伽利略的氣體溫度計(jì)沒(méi)有固定的標(biāo)度，因此，它實(shí)際上不是測(cè)量?jī)x器。膨脹的液體溫度計(jì)不久就取代了伽利略的氣體溫度計(jì)，到1641年，托斯卡納大公斐迪南二世建造了一個(gè)一頭封住了的膨脹液體溫度計(jì)，這個(gè)溫度計(jì)不受氣壓或者管中液體蒸汽的影響。[12]75-76

溫度計(jì)的標(biāo)度是完全任意的，一些標(biāo)度只有單個(gè)溫度，度數(shù)是在溫度計(jì)桿上任意選擇一個(gè)距離;還有一些標(biāo)度有兩個(gè)固定的溫度，二者之間的空間被分成若干個(gè)度數(shù)。安德斯·攝爾修斯于1742年選擇水的凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)作為固定點(diǎn)，把中間溫度劃分成100度，創(chuàng)立了攝氏溫標(biāo)。不過(guò)，他選擇0度表示沸點(diǎn)，100度表示凝固點(diǎn)。按照現(xiàn)在的用法，他把標(biāo)度弄顛倒了。[12]76

布萊克還測(cè)量了把水煮沸成為蒸汽需要的“潛熱”。這種測(cè)量需要恒定的熱源，布萊克起初認(rèn)為不能得到恒定熱源，但在一位制酒者告訴他，在他的爐子狀況正常時(shí)，他就能夠說(shuō)出一小時(shí)之內(nèi)能夠得到的酒量是一品脫之后，布萊克就決定去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)恒定的火上，他比較了水煮成蒸汽的速率與冷水在同樣的火上溫度上升的速率，發(fā)現(xiàn)煮干給定量的水所需要的熱量，會(huì)使該水的溫度提高華氏810度（如果該水不沸騰），這個(gè)數(shù)字大約是20%。雖然這個(gè)數(shù)字太低，但對(duì)于布萊克設(shè)計(jì)的粗糙實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)就是一個(gè)很好的結(jié)果了。[12]78-79

如果熱是一種實(shí)際的物質(zhì)，而不是一種“不可稱量的”，人們就會(huì)期待它有重量，而且在整個(gè)18世紀(jì)做出許多努力去測(cè)量它。博爾哈維發(fā)現(xiàn)，鐵在加熱時(shí)重量沒(méi)有變化。然而，布豐卻發(fā)現(xiàn)，鐵在加熱時(shí)增加了重量，約翰·羅巴克于1755年發(fā)現(xiàn)情況正好相反，約翰·懷特赫斯特（1713—1788）于次年確證了羅巴克的結(jié)果。他們兩人都發(fā)現(xiàn)，鐵在冷卻時(shí)重量增加。然而，懷特赫斯特警告說(shuō)，被稱出來(lái)的熱鐵的熱也許引起了氣流或者天平臂的不均勻膨脹，這也許能說(shuō)明重量差異。[12]79-81

圖5所示為拉瓦錫和拉普拉斯的量熱器，該量熱器用融冰測(cè)量一個(gè)物體放出的熱[12]80。喬治·福代斯（1736—1802）處理潛熱知識(shí)時(shí)認(rèn)識(shí)到，如果比較水和冰，那么用小的溫度差異可以得到大的熱差異。他稱量了液體時(shí)和凍結(jié)時(shí)的一燒瓶水（兩種情況都接近熔點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)凍結(jié)時(shí)較重，這與羅巴克和懷特赫斯特的結(jié)果一致。1787年，本杰明·湯姆遜（1753—1814）用一架更精密的天平重復(fù)了福代斯的實(shí)驗(yàn)，并且改變實(shí)驗(yàn)去檢測(cè)由燒瓶上的冷凝和天平臂的不均勻膨脹引起的反常。他的結(jié)果發(fā)覺(jué)熱完全沒(méi)有重量，這使他得出熱是一種運(yùn)動(dòng)方式而不是一種物質(zhì)的結(jié)論。[12]81

慕尼黑兵工廠的總監(jiān)朗福德在自己完成的一組更加著名的實(shí)驗(yàn)中，注意到鏜加農(nóng)炮時(shí)有大量的熱產(chǎn)生，在鏜具變鈍時(shí)尤其如此。把鏜炮裝置封在一個(gè)盒子里，他能夠用馬推動(dòng)機(jī)器時(shí)產(chǎn)生的熱使水沸騰，而且只要馬在動(dòng)，水就保持沸騰，這似乎表明這是一個(gè)無(wú)窮的熱源。這個(gè)實(shí)驗(yàn)常常被描述為判決性實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗f(shuō)明——從現(xiàn)在的觀點(diǎn)看——熱的機(jī)械理論正確，熱的流體理論錯(cuò)誤。流體理論假定熱是被保存著的，這意味著它不能用作無(wú)窮的熱源。然而，對(duì)于20世紀(jì)的人們來(lái)說(shuō)，朗福德有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)似乎說(shuō)明，歷史駁斥了這種主張。流體理論保持著其支持者，因?yàn)樗梢哉f(shuō)明熱的傳導(dǎo)和保存，說(shuō)明狀態(tài)以簡(jiǎn)單方式發(fā)生的變化，使得使用溫度計(jì)測(cè)定熱的計(jì)量科學(xué)成為可能。[12]81-82

當(dāng)人們探尋一個(gè)能適合輻射熱的理論時(shí)，流體理論就走向終結(jié)了。無(wú)論是流體理論還是機(jī)械理論，解釋來(lái)自太陽(yáng)的熱都不容易。人們很難相信一種流體從太陽(yáng)漂流過(guò)來(lái)的全部距離，或者一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)超越這個(gè)距離起作用。19世紀(jì)，光的波動(dòng)理論的復(fù)活使人想到一個(gè)類似的熱的波動(dòng)理論。按照這個(gè)理論，所有的熱都是輻射的，甚至熱傳導(dǎo)也只是熱波從一個(gè)原子向鄰近的原子的輻射。這個(gè)錯(cuò)誤的理論有效地取代了流體理論，在它享有短暫的統(tǒng)治權(quán)后，被機(jī)械理論所取代，現(xiàn)在被氣體運(yùn)動(dòng)理論和更抽象的熱力學(xué)數(shù)學(xué)公式所強(qiáng)化。[12]82

細(xì)微流體理論在啟蒙運(yùn)動(dòng)期間使實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的定量化成為可能，并且為占優(yōu)勢(shì)的機(jī)械論哲學(xué)增加了一個(gè)較抽象的維度，產(chǎn)生令人驚異的多方面效應(yīng)。富蘭克林的電氛和諾萊的以弗被證明不足以完成說(shuō)明一切電現(xiàn)象的任務(wù)，但是細(xì)微流體的主要性質(zhì)——它的不滅留下來(lái)了。熱的細(xì)微流體理論幸免于朗福德的實(shí)驗(yàn)駁斥，因?yàn)樗?jiǎn)直太有價(jià)值，不能拋棄。機(jī)械理論沒(méi)有提供熱的守恒或者它從熱處流到冷處的模型，在多數(shù)情況下，放棄細(xì)微流體就意味著放棄能夠按照簡(jiǎn)單方式理解的唯一的模型。細(xì)微流體是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)早年的定量化所必需的，但是，隨著定量化在19世紀(jì)的進(jìn)步，尤其是新的、更精密儀器的創(chuàng)造，細(xì)微流體逐漸讓位于更抽象、更數(shù)學(xué)化的模型。[12]82

光學(xué)：折射、波動(dòng)和微粒說(shuō) ?物理學(xué)輝格史觀（輝格史觀一詞來(lái)自歷史學(xué)家Herbert Butterfield于1931年的一個(gè)演講。根據(jù)Butterfield的觀點(diǎn)，輝格史觀者相信在歷史學(xué)中存在演變的邏輯，他們用現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判過(guò)去）把18世紀(jì)的光學(xué)獨(dú)斷地分為微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)。格奧爾格·康托爾曾提出一種三分法：把光視為物質(zhì)粒子之發(fā)射的發(fā)射理論;把光視為類似假定中流質(zhì)的平移運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)理論;以及把光視為彌漫在以太中的脈沖的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)理論。[8]241

克里斯蒂安·惠更斯提出一個(gè)新穎的原理，被稱為惠更斯原理，根據(jù)這一原理，波前上的各點(diǎn)都是發(fā)射子波的波源，這些子波的包絡(luò)形成新的（有限傳播的）波前。惠更斯還運(yùn)用波動(dòng)理論的幾何學(xué)思考方法解釋冰洲石呈現(xiàn)出的被稱為雙折射的奇怪效應(yīng)。他在一些特殊的實(shí)例中得到雙折射的規(guī)律，并以實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這些實(shí)例，但是對(duì)他的規(guī)律的一般意義上的證實(shí)則超出18世紀(jì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的范圍。[8]240-241

介質(zhì)理論植根于笛卡兒把光視為一束（瞬間傳播的）脈沖的觀念。介質(zhì)理論把光視為在彌漫的以太中的一種擾動(dòng);粒子說(shuō)則把光視為粒子，認(rèn)為這些粒子遵循牛頓力學(xué)的規(guī)律。光的微粒說(shuō)起源于牛頓杰出的光學(xué)著作，特別是在1704年的《光學(xué)》一書(shū)中，他在那部作品中用光粒子和力來(lái)解釋折射和可能的散射現(xiàn)象。[8]241

在19世紀(jì)10年代，甚至是在19世紀(jì)20年代初期，人們一致公認(rèn)微粒理論相當(dāng)成功地解釋了光學(xué)現(xiàn)象，由此，一場(chǎng)更為劇烈復(fù)雜的爭(zhēng)論爆發(fā)了。在這個(gè)時(shí)期，尤金·蘭克爾已經(jīng)詳細(xì)地描述了光的微粒說(shuō)的優(yōu)點(diǎn)和成功之處。總的來(lái)說(shuō)，微粒說(shuō)用來(lái)解釋偏振及相關(guān)現(xiàn)象時(shí)更為成功，而波動(dòng)說(shuō)則更適合用于解釋衍射現(xiàn)象的各個(gè)方面。拉普拉斯學(xué)派認(rèn)為偏振現(xiàn)象比衍射現(xiàn)象更為重要，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為衍射是由于光和物質(zhì)性實(shí)體相互作用而產(chǎn)生的二級(jí)現(xiàn)象。在19世紀(jì)20年代初期，菲涅耳提出橫波的概念，用于解釋偏振現(xiàn)象。但是，為了自圓其說(shuō)，他又不得不接受這樣一種前提條件，即以太必須像固體一樣具有高度彈性，但這種假設(shè)連菲涅耳自己也很難接受。這種彈性的固體以太模型后來(lái)被奧古斯丁-路易·柯西（1789—1857）、詹姆斯·麥卡拉（1809—1847）和喬治·格林（1793—1841）進(jìn)一步完善發(fā)揮，不過(guò)這種模型會(huì)不時(shí)地給波動(dòng)理論家提出許多難以對(duì)付的問(wèn)題。[8]242

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