教育技术装备发展传统与基石

新乔 赵晓宁 任熙俊

1 实验与实验哲学

人们在研究科学史的时候，把17世纪看作近代自然科学诞生的分水岭。因为在此以前，自然科学没有建立自己的传统，它依附在哲学的传统和工匠的传统之上。从近代科学教育源头和事实出发进行的实验与仪器设施情况的考察表明了这样一种情况。

在科学从中古时代向近代转变的关头，有两位杰出的哲学家积极倡导近代科学方法，对推动科学的发展起到重要作用，一个是英国的弗兰西斯·培根（1561—1626），一个是法国的笛卡尔（Rene Descartes，1596—1650，法国哲学家、数学家、物理学家，17世纪欧洲哲学界和科学界最有影响的巨匠之一）。两人虽然在哲学的基本倾向上不同，性格也各异，但他们都是看到了新科学的未来前景的人，并冀望用一种新哲学激励人们去为新科学的发展而奋斗。弗朗西斯·培根的名字比其他任何一个名字都更加密切地与这个新观念相联系，马克思和恩格斯在评价培根的贡献时指出：“英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖是培根。”[1]

培根继承了罗吉尔·培根、达·芬奇等人的思想，强调实验对科学的极端重要性，同时重视理性的作用，最后建立了实验归纳法。培根认为，要得到正确的知识必须从事实出发，通过实验收集大量资料，然后进行对比分析，排除无关因素，找出个别事物中的普遍规律。在《新工具》一书中，他不仅阐明了归纳法的重要性，而且提供了归纳逻辑中判明因果联系的求同法、差异法和共变法。按照他的学说，科学是实验的科学，科学就在于用理性方法去整理感性材料。归纳、分析、比较、观察和实验是理性方法的主要条件。培根一生并没有做过一次实验，没有提出一个自然科学概念，但这并不影响对他对科学发展贡献的评价。[2]

培根除了对建立实验科学方法论有贡献外，还在科学的重要社会功能的认识上提出“要命令自然，必须服从自然”的思想。由于人对自然的科学理解和对自然的技术控制是相辅相成的，因而培根又提出“知识就是力量”的口号[3]。他在乌托邦作品《新大西岛》（1627年）一书中，即第一个科学乌托邦里，描述了所罗门社，一个致力于“扩大人类帝国的疆域，直至包容一切可能的事物的组织”，主张建立学者们的合作团体，强调学者们集体合作研究的重要性，而几乎所有的研究都是实用的——改进了的果园，改进了的物种，改进了的医学。他以“人类王国”一词概括了自己的观点，这可能是体现在他的所有著述中的基本思想。而他所说的人类王国是个物质世界，是上帝为人类所创的世界，是人类只有通过自然科学的途径才能进入的世界。对于培根来说，知识就是力量，凭借这个力量，人类可以征服自然，让自然服务于人类。培根丝毫没有反对人们所说的纯理论研究，认为实用的结果只能来源于真实的理论。对所罗门社的描述确切地说明了他的最终目标：知识的目的是使人类的等级消除，使人类的生活舒适和方便。

近代实验科学的奠基人和主要代表人物则是伽利略。他把培根提出的实验是自然科学的基础这一哲学概念变成了可以实践的科学方法，并且提出科学实验的两个基本要素，即用科学仪器进行测量和用数字记录（表达）测量的结果，使实验的结果成为可以定量比较和精确计算的数据。从此，自然科学结束了长达数千年的徘徊，由粗陋的观察、模糊的推断走向严肃的实验和严密的逻辑，与数学结成坚固的联盟，建立了自然科学自己的传统。伽利略不仅以自己的实验成果启示人们如何去进行自然研究，而且告诫人们必须用实验去获得物理学的基本原理和考核推理的结果，而不能盲目相信书本。特别是伽利略还把实验的观测同数学的演绎结合起来，而不是单纯依靠经验。伽利略的实验方法、数学方法和分析方法，深刻地影响了与他同代和在他以后的科学家，成为以后科学研究的基本方法。[4]

而笛卡尔则倡导科学研究中的演绎法，提出科学始于怀疑，倡导理性演绎法，强调数学方法的意义。他把代数方程和几何学的曲线、曲面联系起来，创立了解析几何学，使辩证法进入数学，并奠定了近代数学实验方法的基础。他继承了伽利略等人的思想，认为科学与数学在本质上是同一的。在哲学上他是近代唯理性的代表，强调理性在整个认识过程中的作用，主张依靠人的理性来寻求可靠的知识。他认为只有从不可怀疑的或不证自明的公理出发，严格按照演绎法一步一步地进行推理，才能推演出可靠的知识。他在一定程度上看到了单凭经验不能提供关于事物的本质的知识，但认为理性是一切知识的泉源又是片面的。不过他并不排斥实验，认为实验的功能在于确立演绎的结果与物理实验之间的一致性，这又与培根的思想产生了共鸣。[2]

笛卡尔致力于自然界观察，并意识到牵涉空间的“运动”可以用数学处理。作为解析几何的创始人，笛卡尔把数学和几何学联系起来，从而表明空间或广延可以用代数公式表示。他又引入现代数学符号以及运作方式，并且用x、y等字母代表未知线段，用a、b、c等字母代表已知数量，从而大大简化了代数问题的解决。这是数学的现代革命过程中具有重大意义的决定性一步，由此，笛卡尔把科学的统一性建立在研究方法——数学上，而数学的确定性就保证了知识的确定性，数学思考的重心就从几何学的“形”转移到代数学的“计算”上去了，从而在数学角度为近代科学建立了形而上学的基础（图1）。[5]

培根与笛卡尔的观点似乎是相互对立的，但其实他们是互相补充的。而注重实验经验的培根和笛卡尔方法成为英国皇家学会和早期法国科学院的一项宗旨。尤其是18世纪和以后的一些法国科学家奉行笛卡尔的原则，在理论的创造上做出了贡献。[5]

17世纪，在近代自然科学中突出发展起来的经典力学以及在此基础上形成的伽利略的自由落体定律，再到1687年牛顿的《自然哲学的数学原理》一书的出版，标志着一个有关物体运动的理论体系——经典力学从形成到成熟的过程。与传统科学和现代物理学相比，經典力学注重实验，实验可以进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论。经典力学最重要的成就是万有引力定律和运动三定律的发现，这些成就构成了经典力学的基本内容。在科学上的意义表现在它把天上和地上的运动统一起来，把万有引力定律和运动三定律视为宇宙间一切力学运动的普遍规律，从力学的角度证明了自然界的统一性，实现了人类对自然界认识的第一次综合，完成了人类对自然规律的第一次理论概括和总结。

经典力学体系的建立标志着近代科学的形成，表达了近代自然科学的基本特点：以实验为基础，以数学为表达形式。人们根据万有引力定律发现海王星，又表明了实验科学的预见力和对实践的理论指导意义。

进入18世纪以后，由于科学实验日益成为独立的社会实践方式，不仅使近代自然知识有了特有的实践基础，也促进了科学形态的变化，出现了与古代实用科学、自然哲学不同的崭新的科学实验观——实验哲学。在中世纪，自然科学属于哲学范畴。17世纪以来，随着近代自然科学的发展，以实验为基础的新的科学研究方式日趋成熟，促成了与古代自然哲学不同的实验哲学观的产生，到18世纪普遍使用实验哲学这一术语。

18世纪开始，实验哲学逐步应用于一些自然哲学领域，如电学、磁和光学等，但它们关注更易于实验处理而不是数学处理的学科。也正如19世纪对实验哲学的理解一样，它是一个受限制的、定义于物理学发展的胚胎形式的学科范畴。[5]

随着实验哲学逐渐渗透进一系列彼此不相通的科学领域，包括在科学教育领域，传统的界限被打破，新的定义开始确立，实验哲学的概念开始涵盖大量的方法论和教研领域，主要是通过对专业课程和课本中科学范围明确且规范的重构，自然哲学中数学、医学及其分支的关系最终得到重新调配，使新科学在课堂上确立，迈出了人们今天所熟悉的自然科学的关键一步。

2 科学的特征之一：仪器设施

有研究指出，科学研究与科学仪器理论的研究不是分离的。科学史家沃尔夫曾指出，近代科学的主要特征之一在于使用科学仪器，没有科学仪器的帮助很难设想近代科学的存在。“纵观大量的科学哲学和科学史著作，除开理论优先这种传统贯穿始终外，还同时伴随有一个被遗忘的对象，那就是科学仪器……科学仪器史为科学仪器哲学提供概念的内容与含义，科学仪器哲学为科学仪器史提供概念结构。”[6]针对柯瓦雷给出的大科学革命图像（和谐整体宇宙的解体与空间的几何化），“科学史家们延伸了仪器对促成16、17世纪的科学革命的重要性”。另一位科学史研究者林德伯格指出，有许多条件使得早期近代科学不同于中世纪科学，16、17世纪科学的决定性变革还发生在仪器方面。[7]

库恩的范式论  作为科学史家，托马斯·塞缪尔·库恩（Thomas Sammual Kuhn，1922—1996，美国科学哲学家）对重视数学传统的古典科学与重视实验传统的培根科学做过区分分析，关注到实验在18世纪后期以前，古典科学与培根科学通常是彼此分离地发展。但是其作为理论物理学博士，又深受柯瓦雷的柏拉图主义（柏拉图哲学或柏拉图的哲学，尤指宣称理念形式是绝对的和永恒的实在，而世界中实在的现象却是不完美的和暂时的反映）观念史的影响，库恩还是过于关注范式、理论、观念而轻视实验与仪器。[7]

库恩将科学仪器作为范式的一个内在部分，他认为：

“科学发展模式可以描述为相继范式的更替，科学的变化是基于范式的，范式是科学变化的动因，范式的更替是一种格式塔式转换，突出了范式更替与观察标准同时发生改变。”如图2所示，虽然库恩的范式包含了仪器及其使用的承诺，包含仪器维度，但是仪器与实验在库恩看来还是附属于范式的。库恩借助格式塔心理学来解释范式的更替，强调前后范式间具有不可通约性：不同个体可以将一幅图片看作鸭子或兔子，正如不同共同体成员可以认为同一实验显示了燃素的缺失或氧气的存在。为此，库恩认为：“与实验相关的讨论没有趣味，而理论将总是最重要的场所。”[7]

盖里森：同一层次的三个方面  盖里森以物理学发展方面的情况为例，认为库恩给出的科学发展模式不能与20世纪粒子物理学的发展相吻合。盖里森借助利奥塔的“宏大叙事”来批判库恩的范式更替模式：“库恩的还原论立场使其试图超越时空给出科学发展的普适模式，借助‘微观革命将专门的物理学学科分裂为无数的无关联部分。”盖里森通过批评库恩与皮克林的观点，真正将仪器、理论和实验置于同一层次，仪器、理论與实验一样具有了自己的生命。[7]

盖里森的研究的重要性在于他将仪器置于理论和实验同样重要的层次，明确表明了仪器与理论、实验一样具有自己独立的生命，仪器设施真正成为研究的主题。[7]

戴森：二元论  仪器设施对16、17世纪的科学革命至关重要的思想在戴森（英国理论物理学者）这里得到进一步延展，他注意到仪器设施在科学发展过程中具有重要作用（图3）。戴森认为，科学来源于两种古老传统的结合：一是古希腊的哲学思索，一是比它更早的、而在中世纪的欧洲繁荣起来的工艺技术的传统。“哲学给科学提供概念，而工艺技术则提供工具。戴森将科学革命区分为观念与概念驱动的革命以及工具与仪器驱动的革命。他认为库恩的《科学革命的结构》只重视前者而忽视后者，而盖里森的《图像与逻辑》则关注到了工具与仪器驱动的科学革命。由这两种不同的传统出发，就可以有两种不同的科学革命，而大多数新近的科学革命都是工具与仪器驱动的。[7]

戴森对于两种科学革命的划分“其实掩饰了库恩科学革命分析中的工具与仪器维度”。英国哲学家、数学家怀特海在《科学与近代世界》中指出：“我们的想象力水平之所以会更高，并不是因为我们具有更精微的思维能力，而是因为我们有了更好的仪器。”在社会与科学发展过程中仪器的重要性不容置疑，与仪器的重要性形成越来越鲜明的对比，忽视了对科学仪器的研究所呈现的社会的与科学的图景只能是片面的图景。[7]

（未完待续）