教育技術裝備內知識系統建構與發展
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1引言
在歐洲中世紀漫長的近一千年時間里，科學發展近乎處于停滯狀態，之所以如此，其中一個主要原因就是科學方法上的缺陷。由于宗教神學和經院哲學一統天下，除了與之相適應的那種抽象、空洞、思辨、脫離實際的煩瑣論證方法外，實際的觀察實驗方法和嚴謹的邏輯推理方法幾乎沒有得到任何運用和發展。按照今天的眼光看，之所以將達•芬奇、哥白尼、開普勒、伽利略等稱為近代科學主要奠基人，一方面是由于他們取得了具有劃時代意義的科學成就，創立了近代科學；另一方面則是由于他們創立了用適當的科學方法進行科學研究，從而為更有效地探索自然界奠定了方法論基礎。[1]實驗方法不像行星運動三大定律或折射定律，并不是一個只歸功于17世紀科學的特定發現。然而，只有到了17世紀，實驗方法才成為科學研究的一個被廣泛使用的工具。18世紀開始逐漸使用“實驗哲學”觀點來描述—些自然科學領域，事實上，實驗的發展是18世紀自然哲學的驚人特征之一。實驗哲學的發展除了主要歸功于儀器設施的進步特別是該世紀最后20年中與之相伴隨的科學儀器精密性的增強之外，還有數學形式的普及。自然研究和實驗方法運用之間日益增長的聯系，連同牛頓影響的一個更明確的方面，即數學上的嚴密性一起，越來越用以將自然科學同傳統意義上的哲學明確地區別開來，并用以為自然科學成為知識的特定形式奠定基礎。尤其是實驗與科學儀器設施的應用，極大啟發了人們的思維，進而上升到方法論的維度。實驗本身就是一個多維度的探索過程，當然也不適合以某一科學研究環節或單一實驗來判斷得失對錯，這未免過于魯莽或失于絕對化，且難免脫離實踐。因此，選擇從實驗方法的角度進行探討，以區別于其他研究。
2無形的儀器——實驗方法
“全盤拋棄早期的自然哲學乃是科學革命的一個中心特征”，除了有形的儀器之外，無形的儀器——實驗方法更為重要。自17世紀以來，有相當多的人致力于方法的研究，培根寫了《新工具》，笛卡爾寫了《方法論》，帕斯卡、伽桑狄、牛頓等在這方面都有或多或少的著作和陳述。這些著述對當時科學發展無疑都有積極意義，但顯然也有一定的時代局限性。培根（1561—1626）作為實驗方法的創始人，享有很高的聲譽，提倡和強調把普遍的自然史作為科學的必要基礎，反映出支配其觀點的基調是不偏不倚的觀察。笛卡爾則認為，實驗只與科學的細節相關，要建立自然哲學的一般原則，光靠推理就行了。他明確斷言的推理在探索自然界時具有的功能，對17和18世紀的思想產生相當大的影響，然而對今天所說的科學方法的形成所起作用卻很小。帕斯卡關于方法的簡短論文試圖“把實驗和笛卡爾的計劃更加密切地聯系起來，但這些論文并不完善”。實驗研究的先例很多，在蓋倫的生理學著述中可以找到它的例子。源于羅伯特•格羅塞特的中世紀的實驗方法以及16世紀帕多瓦大學的邏輯學家們對類似于假設演繹體系的方法做過考察。到17世紀末，科學發展已然將實驗方法鍛造成一種可以一直運用的重要工具。這是一次重要的突破，而之所以說它重要，就在于科學發展出適合其需要的方法，自此之后的成功范例導致廣泛的越來越多的效仿。哈維生理學實驗的簡單性說明了實驗進程的基本方面。當他將自己的胳膊纏上繃帶切斷血液循環，觀察接下來發生什么變化時，實際上他是在加給自然界一組被他的問題所支配的人為條件。哈維證明了血液循環的必然性，但問題在于，如何證明血液循環是一個事實。沒有顯微鏡，他無法觀測到連接動脈系統與靜脈系統的毛細血管。為了證明血液循環，哈維設計了一個辦法，通過在自己身上進行的一個巧妙的實驗，他能夠表明血液確實從動脈流向了靜脈。他用繃帶緊緊系住胳膊，這樣既切斷了動脈，也切斷了靜脈，這時胳膊變涼但并未變色，而繃帶的動脈則脹起并顫動；繼之，他將繃帶稍稍放松，讓動脈恢復暢通，但靜脈仍處于阻斷狀態，他感到熱流洶涌，有新鮮血液流過胳膊，胳膊立刻呈現出紫色，繃帶以下的靜脈明顯鼓脹。下臂靜脈中的血不可能來自仍處于切斷狀態下的靜脈系統，這證明血一定是從動脈流向了靜脈。類似的還有托里拆利（埃萬杰利斯塔•托里拆利，意大利數學家、物理學家）的實驗，他所進行的氣壓計的實驗就是一種方法論的探索。在這個實驗中，托里拆利根據一個仔細定義了的問題，將水銀裝入玻璃試管，然后把它直立于一個盤子里。沒有實驗者的設計，托里拆利觀察到的現象將永不會發生。17世紀最好的實驗研究是牛頓的一系列很難說與自然現象相關的顏色起源實驗。牛頓設計了一組人為條件，在這組條件下，實驗者的意圖完全定義了與自然相關的問題。自然，他不得不默認答案，但是這種實驗的設計決定了自然界除了回答“是”或“否”外沒有別的選擇。
3實驗方法：觀察方法和邏輯方法
近代實驗主要依賴兩種方法：觀察方法和邏輯方法（包括數學方法，因為數學本質上也是邏輯）。前者是獲取經驗材料或科學事實和進行科學檢驗的方法，后者是整理科學事實并建構理論體系的方法。
牛頓的“假設”實驗方法
牛頓的研究方法可以看作自然哲學的伽利略風格和波義耳風格的不同方面的結合。他關于科學方法的權威陳述在此后的兩個世紀中起到科學上的“十誡”作用。從1669年接受盧卡斯數學教授的任職開始，他抨擊同時代者的蓋然論，并指出關于顏色的科學可以像光學的任何其他部分一樣確定。在于1672年初遞交給皇家學會的關于光與顏色的理論中，他宣稱他的白光是由不同成分的光構成的理論，具有數學上的確定性，該理論可由一個“判決性實驗”加以證明。在對同時代的所有可能的科學哲學，特別是訴諸“假設”的科學哲學加以痛責之時，牛頓對哲學共同體的其余部分做了一個嚴格的方法論規定：以實驗為基礎，然后通過歸納，上升為一般數學關系或自然定律。實驗方法運用和牛頓的研究在17世紀以后的歐洲更廣泛地流行開來，如威廉•雅各•格雷弗桑德關于牛頓自然哲學的教科書就在法國被廣泛傳播。當牛頓學說在法國和英國贏得支持的時候，其他研究，如對“人的科學”、醫學甚至宗教的研究，都試圖給予其研究同牛頓力學一樣的認識論地位。在1740年后的幾十年間，牛頓“方法”——即使不是“吸引力”學說——一度統治了歐洲。與本體論一起，這種方法能以多種方式被解讀，達朗貝爾等法國學人將《原理》中的數學分析視為理性研究的典范，讓•西奧菲勒斯•德薩居利耶以及荷蘭的牛頓主義者格雷弗桑德和彼得•范•米森布魯克——他們在其教材中贊美以實驗為依托的“牛頓”方法——促進了在大量觀眾面前有形地顯現牛頓原理的演示裝置的發展。牛頓體系在蘇格蘭的大學中特別盛行，正如保羅•伍德所指出的，大衛•休謨和托馬斯•里德等人在編纂其道德哲學時訴諸牛頓的“方法”，盡管他們的研究途徑之間有巨大的差異。牛頓的《光學》一書是他留給18世紀的偉大的遺產之一。這本著作主要講與顏色有關的現象，把牛頓讓白光穿過一塊棱鏡折射而分解成它的各個不同顏色的組分的著名分光實驗作為出發點，還包括牛頓對薄膜、厚板和自然物體的顏色的先驅性研究的詳盡敘述，以及對雙折射和“拐射”（即衍射）研究的更簡要的敘述。菲涅耳的演示驗證方法1815年，菲涅耳才對當時微粒光學的復雜性有比較清醒的認識。菲涅耳提出用干涉原理去解釋光的衍射現象，通過實驗的辦法，發現衍射帶的觀測位置和理論預示的位置十分接近，以此將衍射帶解釋為是由波的建設性干涉和破壞性干涉引起的結果。菲涅耳在1816年的第一篇關于光的衍射的論文中討論了衍射光帶的成因。當一根發絲或其他細絲被一束窄光束照射時，可以看到屏上明暗相間的條紋，這就是菲涅耳所研究的光的衍射現象。他主張光是一種擾動，正是這種擾動的疊加和光波的干涉原理解釋了這一衍射效應。擾射體（AB）反射的光波和從光源（S）來的直接光波同位相處，即出現互相加強的亮條紋；當來自光源和來自擾射體反射的光振動位相相反時，兩束光互相抵消，就出現一條一條的暗條紋。菲涅耳對光波干涉的理論處理所預言的衍射條紋的位置同實驗得到的值十分接近，他的實驗演示驗證了這一結果，用光波的疊加和抵消來解釋衍射條紋，有力地支持了光的波動說。當他從實驗上證實自己的理論判斷時，波動說解釋受到強有力的支持。阿拉戈很好地報道了菲涅耳的工作，表示支持光的波動說，并希望做進一步探入的研究。畢奧則用微粒說來解釋衍射現象以致作答。拉普拉斯的微粒光學的支持者們還就這一課題提出開展一場研究競賽的提議，以便使衍射得到微粒說解釋，并以此來拒絕光的波動說。菲涅耳的論文于1819年呈交巴黎科學院，為光的波動說的勝利立下汗馬功勞。在對論文進行審讀的時候，泊松指出，菲涅耳的理論能解釋意料之外的結果：在用作衍射體的圓盤陰影的中心所出現的那個亮點，實驗上證明是確實存在的。
奧斯特和韋伯的測量方法
1820年，丹麥物理學家H.C.奧斯特（1777—1851）發現了電磁學，這使人們千方百計要建立電力在電以太中傳播的理論。普通物質周圍粒子構成電“大氣”的概念與18世紀物理學理論工作者在著述中所描繪的完全一致，但到18世紀后期，電“大氣”的概念已演變為“活性球”的概念。所謂“活性球”，就是電力空間的換一種說法，很多電氣理論的作者在探討電在空間分布的物理基礎時，把電的作用表述為以太介質所產生的應力。奧斯特認為電流是一種動力學振蕩，是相反方向的引力和斥力之間不平衡所產生的力的波動。他發現當磁針分別置于載流導線的上面或下面時，磁針的偏轉方向是相反的。他猜想由于導線中的電力波動，引起導線周圍的空間發生一種圓周運動。奧斯特的實驗表明，電、磁力只沿圓周方向才有作用，電、磁力的分布也是一種立體分布。韋伯的“電動式電表”是于1848年為準確測量電作用力而精心設計的儀表。其中由銅絲繞制的小線圈置于固定不動的大線圈之內，一旦電流同時從兩個線圈中通過，懸掛著的小線圈就發生轉動。懸掛小線圈的支架能抑制小線圈的轉動角度，并使轉動角度正比于流過線圈電流的大小。其儀表的結構十分精巧，線圈的轉動十分靈活，即使很小的電流流過，線圈也會有所反映。這一儀表充分說明，物理學家和儀表制作者間的關系十分密切。物理學家韋伯所關心的是如何定量測量的問題，他強調指出，實驗測量必須符合嚴格的標準，傳統的定性分析的方法應當拋棄。19世紀中期，德國物理學已出現專業化的傾向，不但強調研究的價值，強調采用數學方法和準確的實驗測量，而且強調開展創造性的實驗室研究和實驗教學研究。這些觀念促進了19世紀德國物理學的發展并對德國研究工作起到極為重要的促進作用。德國的物理學研究成為當時的研究和專業分工的典范，國家大學研究基金給物理研究以資助，并直接分配給各大學的教職人員，促成物理學的專業化。
分類學的方法
17世紀，新知識的潮流沖擊著生命科學領域：越洋探險帶來一大批新的動植物知識；顯微鏡掲示生命的新領域；更加深入的解剖學研究則在已知領域里發掘出新的知識。在這種形勢下，分類學不可避免地顯示出其具有的重要性。植物學方面，加斯帕德•鮑欣在17世紀初將草本植物描述為6000個不同品種。法國人約瑟福•皮頓•德•土爾恩福爾（1656—1708）和英國人約翰•雷（英國博物學家。在17世紀時，他是第一個提出要對物種進行分類的人。他是系統動物學的奠基人）使植物學研究達到頂峰。土爾恩福爾第一個系統地劃分出高于“屬”的各種類別，將所有的植物分為22綱，依次向下分別為科、屬。約翰•雷在其寫于17世紀末的《植物通史》中則收錄了1.8萬多種植物。處理如此多的數據的關鍵在于分類體系。至1750年，林耐為植物學提出25種分類體系。雖然這些大部分是人為劃定的，正如植物學家所愿意承認的那樣，他們往往武斷地抓住植物的某一特征作為分類標準，而沒有通過考察一切植物及其天然屬性以形成一個所謂的自然體系的體系。然而無論他們的做法存在多少不足之處，這些分類體系確已成功地將大量物種歸入序的類別，可以說他們為18世紀那些更優秀的分類學者開辟了道路。動物學也同樣面臨多種多樣的動物形式，如四足動物、鳥類、爬蟲類、魚類、貝類和昆蟲以及在17世紀增加的微生物等。然而，幸運的是，古代世紀已出現亞里士多德這樣的分類者，他將混亂的物種歸結為有序的系統。毫無疑問，亞里士多德體系的存在有助于解釋這樣一個事實：17世紀更注重的是植物分類學而非動物分類學，動物學擺脫亞里士多德分類學還要等待一個世紀之久——18世紀動物分類學得到發展。此外，這個時期生理學也一直在尋找科學的方法。17世紀，生理學已經形成一系列用來研究生物功能的方法。這些方法主要包括觀察和比較、病理解剖、活體解剖，以及后來加入的系統的物理—化學實驗。
