教育技術(shù)裝備內(nèi)知識(shí)系統(tǒng)建構(gòu)與發(fā)展
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1引言
在歐洲中世紀(jì)漫長的近一千年時(shí)間里，科學(xué)發(fā)展近乎處于停滯狀態(tài)，之所以如此，其中一個(gè)主要原因就是科學(xué)方法上的缺陷。由于宗教神學(xué)和經(jīng)院哲學(xué)一統(tǒng)天下，除了與之相適應(yīng)的那種抽象、空洞、思辨、脫離實(shí)際的煩瑣論證方法外，實(shí)際的觀察實(shí)驗(yàn)方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评矸椒◣缀鯖]有得到任何運(yùn)用和發(fā)展。按照今天的眼光看，之所以將達(dá)•芬奇、哥白尼、開普勒、伽利略等稱為近代科學(xué)主要奠基人，一方面是由于他們?nèi)〉昧司哂袆潟r(shí)代意義的科學(xué)成就，創(chuàng)立了近代科學(xué)；另一方面則是由于他們創(chuàng)立了用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)方法進(jìn)行科學(xué)研究，從而為更有效地探索自然界奠定了方法論基礎(chǔ)。[1]實(shí)驗(yàn)方法不像行星運(yùn)動(dòng)三大定律或折射定律，并不是一個(gè)只歸功于17世紀(jì)科學(xué)的特定發(fā)現(xiàn)。然而，只有到了17世紀(jì)，實(shí)驗(yàn)方法才成為科學(xué)研究的一個(gè)被廣泛使用的工具。18世紀(jì)開始逐漸使用“實(shí)驗(yàn)哲學(xué)”觀點(diǎn)來描述—些自然科學(xué)領(lǐng)域，事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)的發(fā)展是18世紀(jì)自然哲學(xué)的驚人特征之一。實(shí)驗(yàn)哲學(xué)的發(fā)展除了主要?dú)w功于儀器設(shè)施的進(jìn)步特別是該世紀(jì)最后20年中與之相伴隨的科學(xué)儀器精密性的增強(qiáng)之外，還有數(shù)學(xué)形式的普及。自然研究和實(shí)驗(yàn)方法運(yùn)用之間日益增長的聯(lián)系，連同牛頓影響的一個(gè)更明確的方面，即數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密性一起，越來越用以將自然科學(xué)同傳統(tǒng)意義上的哲學(xué)明確地區(qū)別開來，并用以為自然科學(xué)成為知識(shí)的特定形式奠定基礎(chǔ)。尤其是實(shí)驗(yàn)與科學(xué)儀器設(shè)施的應(yīng)用，極大啟發(fā)了人們的思維，進(jìn)而上升到方法論的維度。實(shí)驗(yàn)本身就是一個(gè)多維度的探索過程，當(dāng)然也不適合以某一科學(xué)研究環(huán)節(jié)或單一實(shí)驗(yàn)來判斷得失對(duì)錯(cuò)，這未免過于魯莽或失于絕對(duì)化，且難免脫離實(shí)踐。因此，選擇從實(shí)驗(yàn)方法的角度進(jìn)行探討，以區(qū)別于其他研究。
2無形的儀器——實(shí)驗(yàn)方法
“全盤拋棄早期的自然哲學(xué)乃是科學(xué)革命的一個(gè)中心特征”，除了有形的儀器之外，無形的儀器——實(shí)驗(yàn)方法更為重要。自17世紀(jì)以來，有相當(dāng)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(duì)當(dāng)時(shí)科學(xué)發(fā)展無疑都有積極意義，但顯然也有一定的時(shí)代局限性。培根（1561—1626）作為實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)始人，享有很高的聲譽(yù)，提倡和強(qiáng)調(diào)把普遍的自然史作為科學(xué)的必要基礎(chǔ)，反映出支配其觀點(diǎn)的基調(diào)是不偏不倚的觀察。笛卡爾則認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)只與科學(xué)的細(xì)節(jié)相關(guān)，要建立自然哲學(xué)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(shí)具有的功能，對(duì)17和18世紀(jì)的思想產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，然而對(duì)今天所說的科學(xué)方法的形成所起作用卻很小。帕斯卡關(guān)于方法的簡(jiǎn)短論文試圖“把實(shí)驗(yàn)和笛卡爾的計(jì)劃更加密切地聯(lián)系起來，但這些論文并不完善”。實(shí)驗(yàn)研究的先例很多，在蓋倫的生理學(xué)著述中可以找到它的例子。源于羅伯特•格羅塞特的中世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)方法以及16世紀(jì)帕多瓦大學(xué)的邏輯學(xué)家們對(duì)類似于假設(shè)演繹體系的方法做過考察。到17世紀(jì)末，科學(xué)發(fā)展已然將實(shí)驗(yàn)方法鍛造成一種可以一直運(yùn)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(xué)發(fā)展出適合其需要的方法，自此之后的成功范例導(dǎo)致廣泛的越來越多的效仿。哈維生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單性說明了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的基本方面。當(dāng)他將自己的胳膊纏上繃帶切斷血液循環(huán)，觀察接下來發(fā)生什么變化時(shí)，實(shí)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(huán)的必然性，但問題在于，如何證明血液循環(huán)是一個(gè)事實(shí)。沒有顯微鏡，他無法觀測(cè)到連接動(dòng)脈系統(tǒng)與靜脈系統(tǒng)的毛細(xì)血管。為了證明血液循環(huán)，哈維設(shè)計(jì)了一個(gè)辦法，通過在自己身上進(jìn)行的一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，他能夠表明血液確實(shí)從動(dòng)脈流向了靜脈。他用繃帶緊緊系住胳膊，這樣既切斷了動(dòng)脈，也切斷了靜脈，這時(shí)胳膊變涼但并未變色，而繃帶的動(dòng)脈則脹起并顫動(dòng)；繼之，他將繃帶稍稍放松，讓動(dòng)脈恢復(fù)暢通，但靜脈仍處于阻斷狀態(tài)，他感到熱流洶涌，有新鮮血液流過胳膊，胳膊立刻呈現(xiàn)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(tài)下的靜脈系統(tǒng)，這證明血一定是從動(dòng)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(shù)學(xué)家、物理學(xué)家）的實(shí)驗(yàn)，他所進(jìn)行的氣壓計(jì)的實(shí)驗(yàn)就是一種方法論的探索。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，托里拆利根據(jù)一個(gè)仔細(xì)定義了的問題，將水銀裝入玻璃試管，然后把它直立于一個(gè)盤子里。沒有實(shí)驗(yàn)者的設(shè)計(jì)，托里拆利觀察到的現(xiàn)象將永不會(huì)發(fā)生。17世紀(jì)最好的實(shí)驗(yàn)研究是牛頓的一系列很難說與自然現(xiàn)象相關(guān)的顏色起源實(shí)驗(yàn)。牛頓設(shè)計(jì)了一組人為條件，在這組條件下，實(shí)驗(yàn)者的意圖完全定義了與自然相關(guān)的問題。自然，他不得不默認(rèn)答案，但是這種實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)決定了自然界除了回答“是”或“否”外沒有別的選擇。
3實(shí)驗(yàn)方法：觀察方法和邏輯方法
近代實(shí)驗(yàn)主要依賴兩種方法：觀察方法和邏輯方法（包括數(shù)學(xué)方法，因?yàn)閿?shù)學(xué)本質(zhì)上也是邏輯）。前者是獲取經(jīng)驗(yàn)材料或科學(xué)事實(shí)和進(jìn)行科學(xué)檢驗(yàn)的方法，后者是整理科學(xué)事實(shí)并建構(gòu)理論體系的方法。
牛頓的“假設(shè)”實(shí)驗(yàn)方法
牛頓的研究方法可以看作自然哲學(xué)的伽利略風(fēng)格和波義耳風(fēng)格的不同方面的結(jié)合。他關(guān)于科學(xué)方法的權(quán)威陳述在此后的兩個(gè)世紀(jì)中起到科學(xué)上的“十誡”作用。從1669年接受盧卡斯數(shù)學(xué)教授的任職開始，他抨擊同時(shí)代者的蓋然論，并指出關(guān)于顏色的科學(xué)可以像光學(xué)的任何其他部分一樣確定。在于1672年初遞交給皇家學(xué)會(huì)的關(guān)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(gòu)成的理論，具有數(shù)學(xué)上的確定性，該理論可由一個(gè)“判決性實(shí)驗(yàn)”加以證明。在對(duì)同時(shí)代的所有可能的科學(xué)哲學(xué)，特別是訴諸“假設(shè)”的科學(xué)哲學(xué)加以痛責(zé)之時(shí)，牛頓對(duì)哲學(xué)共同體的其余部分做了一個(gè)嚴(yán)格的方法論規(guī)定：以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，然后通過歸納，上升為一般數(shù)學(xué)關(guān)系或自然定律。實(shí)驗(yàn)方法運(yùn)用和牛頓的研究在17世紀(jì)以后的歐洲更廣泛地流行開來，如威廉•雅各•格雷弗桑德關(guān)于牛頓自然哲學(xué)的教科書就在法國被廣泛傳播。當(dāng)牛頓學(xué)說在法國和英國贏得支持的時(shí)候，其他研究，如對(duì)“人的科學(xué)”、醫(yī)學(xué)甚至宗教的研究，都試圖給予其研究同牛頓力學(xué)一樣的認(rèn)識(shí)論地位。在1740年后的幾十年間，牛頓“方法”——即使不是“吸引力”學(xué)說——一度統(tǒng)治了歐洲。與本體論一起，這種方法能以多種方式被解讀，達(dá)朗貝爾等法國學(xué)人將《原理》中的數(shù)學(xué)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?cè)谄浣滩闹匈澝酪詫?shí)驗(yàn)為依托的“牛頓”方法——促進(jìn)了在大量觀眾面前有形地顯現(xiàn)牛頓原理的演示裝置的發(fā)展。牛頓體系在蘇格蘭的大學(xué)中特別盛行，正如保羅•伍德所指出的，大衛(wèi)•休謨和托馬斯•里德等人在編纂其道德哲學(xué)時(shí)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(xué)》一書是他留給18世紀(jì)的偉大的遺產(chǎn)之一。這本著作主要講與顏色有關(guān)的現(xiàn)象，把牛頓讓白光穿過一塊棱鏡折射而分解成它的各個(gè)不同顏色的組分的著名分光實(shí)驗(yàn)作為出發(fā)點(diǎn)，還包括牛頓對(duì)薄膜、厚板和自然物體的顏色的先驅(qū)性研究的詳盡敘述，以及對(duì)雙折射和“拐射”（即衍射）研究的更簡(jiǎn)要的敘述。菲涅耳的演示驗(yàn)證方法1815年，菲涅耳才對(duì)當(dāng)時(shí)微粒光學(xué)的復(fù)雜性有比較清醒的認(rèn)識(shí)。菲涅耳提出用干涉原理去解釋光的衍射現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)的辦法，發(fā)現(xiàn)衍射帶的觀測(cè)位置和理論預(yù)示的位置十分接近，以此將衍射帶解釋為是由波的建設(shè)性干涉和破壞性干涉引起的結(jié)果。菲涅耳在1816年的第一篇關(guān)于光的衍射的論文中討論了衍射光帶的成因。當(dāng)一根發(fā)絲或其他細(xì)絲被一束窄光束照射時(shí)，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(xiàn)象。他主張光是一種擾動(dòng)，正是這種擾動(dòng)的疊加和光波的干涉原理解釋了這一衍射效應(yīng)。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(xiàn)互相加強(qiáng)的亮條紋；當(dāng)來自光源和來自擾射體反射的光振動(dòng)位相相反時(shí)，兩束光互相抵消，就出現(xiàn)一條一條的暗條紋。菲涅耳對(duì)光波干涉的理論處理所預(yù)言的衍射條紋的位置同實(shí)驗(yàn)得到的值十分接近，他的實(shí)驗(yàn)演示驗(yàn)證了這一結(jié)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(dòng)說。當(dāng)他從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)自己的理論判斷時(shí)，波動(dòng)說解釋受到強(qiáng)有力的支持。阿拉戈很好地報(bào)道了菲涅耳的工作，表示支持光的波動(dòng)說，并希望做進(jìn)一步探入的研究。畢奧則用微粒說來解釋衍射現(xiàn)象以致作答。拉普拉斯的微粒光學(xué)的支持者們還就這一課題提出開展一場(chǎng)研究競(jìng)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(dòng)說。菲涅耳的論文于1819年呈交巴黎科學(xué)院，為光的波動(dòng)說的勝利立下汗馬功勞。在對(duì)論文進(jìn)行審讀的時(shí)候，泊松指出，菲涅耳的理論能解釋意料之外的結(jié)果：在用作衍射體的圓盤陰影的中心所出現(xiàn)的那個(gè)亮點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)上證明是確實(shí)存在的。
奧斯特和韋伯的測(cè)量方法
1820年，丹麥物理學(xué)家H.C.奧斯特（1777—1851）發(fā)現(xiàn)了電磁學(xué)，這使人們千方百計(jì)要建立電力在電以太中傳播的理論。普通物質(zhì)周圍粒子構(gòu)成電“大氣”的概念與18世紀(jì)物理學(xué)理論工作者在著述中所描繪的完全一致，但到18世紀(jì)后期，電“大氣”的概念已演變?yōu)椤盎钚郧颉钡母拍睢Ｋ^“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(chǔ)時(shí)，把電的作用表述為以太介質(zhì)所產(chǎn)生的應(yīng)力。奧斯特認(rèn)為電流是一種動(dòng)力學(xué)振蕩，是相反方向的引力和斥力之間不平衡所產(chǎn)生的力的波動(dòng)。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁針分別置于載流導(dǎo)線的上面或下面時(shí)，磁針的偏轉(zhuǎn)方向是相反的。他猜想由于導(dǎo)線中的電力波動(dòng)，引起導(dǎo)線周圍的空間發(fā)生一種圓周運(yùn)動(dòng)。奧斯特的實(shí)驗(yàn)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(dòng)式電表”是于1848年為準(zhǔn)確測(cè)量電作用力而精心設(shè)計(jì)的儀表。其中由銅絲繞制的小線圈置于固定不動(dòng)的大線圈之內(nèi)，一旦電流同時(shí)從兩個(gè)線圈中通過，懸掛著的小線圈就發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。懸掛小線圈的支架能抑制小線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并使轉(zhuǎn)動(dòng)角度正比于流過線圈電流的大小。其儀表的結(jié)構(gòu)十分精巧，線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)十分靈活，即使很小的電流流過，線圈也會(huì)有所反映。這一儀表充分說明，物理學(xué)家和儀表制作者間的關(guān)系十分密切。物理學(xué)家韋伯所關(guān)心的是如何定量測(cè)量的問題，他強(qiáng)調(diào)指出，實(shí)驗(yàn)測(cè)量必須符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的定性分析的方法應(yīng)當(dāng)拋棄。19世紀(jì)中期，德國物理學(xué)已出現(xiàn)專業(yè)化的傾向，不但強(qiáng)調(diào)研究的價(jià)值，強(qiáng)調(diào)采用數(shù)學(xué)方法和準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，而且強(qiáng)調(diào)開展創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)室研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。這些觀念促進(jìn)了19世紀(jì)德國物理學(xué)的發(fā)展并對(duì)德國研究工作起到極為重要的促進(jìn)作用。德國的物理學(xué)研究成為當(dāng)時(shí)的研究和專業(yè)分工的典范，國家大學(xué)研究基金給物理研究以資助，并直接分配給各大學(xué)的教職人員，促成物理學(xué)的專業(yè)化。
分類學(xué)的方法
17世紀(jì)，新知識(shí)的潮流沖擊著生命科學(xué)領(lǐng)域：越洋探險(xiǎn)帶來一大批新的動(dòng)植物知識(shí)；顯微鏡掲示生命的新領(lǐng)域；更加深入的解剖學(xué)研究則在已知領(lǐng)域里發(fā)掘出新的知識(shí)。在這種形勢(shì)下，分類學(xué)不可避免地顯示出其具有的重要性。植物學(xué)方面，加斯帕德•鮑欣在17世紀(jì)初將草本植物描述為6000個(gè)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(xué)家。在17世紀(jì)時(shí)，他是第一個(gè)提出要對(duì)物種進(jìn)行分類的人。他是系統(tǒng)動(dòng)物學(xué)的奠基人）使植物學(xué)研究達(dá)到頂峰。土爾恩福爾第一個(gè)系統(tǒng)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(jì)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(shù)據(jù)的關(guān)鍵在于分類體系。至1750年，林耐為植物學(xué)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(xué)家所愿意承認(rèn)的那樣，他們往往武斷地抓住植物的某一特征作為分類標(biāo)準(zhǔn)，而沒有通過考察一切植物及其天然屬性以形成一個(gè)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?yōu)?8世紀(jì)那些更優(yōu)秀的分類學(xué)者開辟了道路。動(dòng)物學(xué)也同樣面臨多種多樣的動(dòng)物形式，如四足動(dòng)物、鳥類、爬蟲類、魚類、貝類和昆蟲以及在17世紀(jì)增加的微生物等。然而，幸運(yùn)的是，古代世紀(jì)已出現(xiàn)亞里士多德這樣的分類者，他將混亂的物種歸結(jié)為有序的系統(tǒng)。毫無疑問，亞里士多德體系的存在有助于解釋這樣一個(gè)事實(shí)：17世紀(jì)更注重的是植物分類學(xué)而非動(dòng)物分類學(xué)，動(dòng)物學(xué)擺脫亞里士多德分類學(xué)還要等待一個(gè)世紀(jì)之久——18世紀(jì)動(dòng)物分類學(xué)得到發(fā)展。此外，這個(gè)時(shí)期生理學(xué)也一直在尋找科學(xué)的方法。17世紀(jì)，生理學(xué)已經(jīng)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(tǒng)的物理—化學(xué)實(shí)驗(yàn)。
