实验教育与实验仪器设施（续一）

新乔 赵晓宁 任熙俊

（接上期）

3 实验与实验教学设施

早期实验设施情况  曾经昂贵而稀缺的实验仪器设施，随着新科学课程的实施，一个突出的问题开始显现出来：课程效果看起来主要依赖于实验器材，没有实验器材的支持，实验课程将很难实施好。16—17世纪，因为仪器很昂贵，许多较小的机构仅买得起少量实验器材，而出色的仪器制造者又很少，以至于当时实验教学仪器设施短缺的情况很普遍。[1]55

仪器设施十分昂贵的问题，对于那些能够聘请知名实验科学家的大学和机构而言，或许是平常的简单问题，但对大部分实验研究者个人而言显然就不同了，以个人能力多是无法承担的。以化学实验为例，化学实验相对容易，因为直接为实际生活所需，瓶子、罐子、试剂虽不可少，但价格相对便宜;其他实验仪器设施费用就较高了，如温度计、望远镜等，当时属于高级奢侈品，价格昂贵，平常人买不起。当时的实验研究者更多的是一些业余爱好者，就像已在本章各节中提到过的各种身份的人，实验也许是他们的业余爱好，连第二职业也算不上，因为实验是既需要时间又耗费钱财的行当，如果没有足够的财力支持（如商人等）或有一些背景（皇家、贵族资助等），仅凭一腔热情和爱好很难支撑，这些研究者此时十分期待大学和一些基金会提供帮助。

近代工业的发展，增强了科学研究、发明的需求，促使一些大学偶尔也把自己的实验室和设备提供给实验者使用，一些企业和基金会也出资帮助他们认为有科研潜质的人，使上述情况有所改變。但就总体而言，实验仪器设施短缺的情况是比较普遍的。

近代科学教育中的实验教学设施短缺、实验教育开展不普遍的情况，除了与供应不足的情况有很大关系外，显然很多也与实验教学未能或很少得到应用重视有关，表现在实验教学设施配置不平衡的情况比较常见，比如同样处于制度与内容的转换期，有些地方供应充分、设施完善，而很多地方处于短缺。如北美，当时只有哈佛大学从早期开始便拥有较好的仪器，普林斯顿大学则因之拥有当时最先进的里顿豪斯（Rittenhouse）太阳仪而骄傲，但地方上的一些大学，仪器柜实际上都空着，保管人只能不停地为之哀叹。迟至1796年时，一些学者不得不纷纷发出呼吁，如麦迪逊和伯尔等人请求为学校提供必需的化学实验教学仪器设施。当然，这一不平衡现象也从一个侧面反映出当时科学教育成熟度的情况。[1]55

面对实验仪器设施短缺，很多地方和学校采取措施积极加以解决，以适应科学教育需求。如法国的巴黎大学，虽然巴黎大学医学院的设施十分贫乏，但感兴趣的学生仍有机会在法国王家植物园上解剖学、植物学和化学中的实践课程。法国王家植物园是一个在17世纪30年代通过居伊·德拉布罗斯的努力建立的独立研究机构，在这里更有可能得到第一手的经验。[1]45

实验室建设  在教育技术装备体系中，实验室及其设施是一个相对稳定、独立的部分。品类繁多的实验仪器设施分学科分别集中于不同的实验室，构成不同的实验室功能与形式，诸如物理、化学、生物、地质等。应用于课堂演示需要的仪器设施实际上也多是构成实验室仪器设施体系的一部分。近代教育变革以来，实验室建设问题被作为教育教学发展的重要部分，得到持续关注。

实验室本身并不是近代的创新，中世纪已有炼金术和占星术的实验室。Laboratory一词与labor源于同一个拉丁语词根：实验室就是人们工作的地方。早期的实验室通常都是炼金的场所，卢浮宫的画藏中有一幅画描绘了16世纪的一间实验室，在一个装饰豪华的地下室里，地面上摆满了蒸馏器、坩埚，其实这些仪器、工具是炼金所用的。英语中开始用laboratory一词至少始于19世纪初，而属于同一时代的另一个同源词elaboratory（精制室）指的则是早先存在的一种特别的房间，在那里人们可以精心制作东西，即试图通过劳动生产出成品，特别是从贱金属中炼制出金。启蒙运动时期，该词汇以及其所指示的场所已为人们所熟悉，在那里，人们已不仅仅研究化学，而且研究自然世界的其他方面。19世纪以前，实验室多属私人所有，有的设在地下室，有的设在厨房一角。瑞典化学家贝采里乌斯每年只收一名学生，他的实验室就设在自家厨房。[4]

然而，近代的教学实验室比较活跃的时期始于18世纪中后期。1748年，罗蒙诺索夫（米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫，1711—1765，俄国百科全书式的科学家、语言学家、哲学家和诗人，被誉为俄国科学史上的彼得大帝，提出了“质量守恒定律”的雏形，即物质不灭定律）说服俄国科学院在彼得堡建立一个综合型实验室，设施仪器装备齐全、精良，开展有关化学、冶金学以及光学和电学研究。1818年，盖·吕萨克也建立了实验室，李比希在这里得以做了很多化学实验。凭借这一经历，李比希到吉森大学任教后建立了用于教学和研究的实验室，并开始配置实验助手。[4]

到19世纪，仪器制作商们的制造工艺达到精密测量的新水平，化学实验室、物理实验室、医学实验室、电磁实验室已具相当规模，集成化程度也有很大提高，大体相当于今天的实验室的样子。英国皇家研究所也是在化学实验室基础上创办的，由伦福德创建于1800年，法拉第以毕生精力在这里研究各种电化学和电磁现象，发现了电解定律、电磁感应和磁光效应。[1]265

1）各类实验室的一般情形。实验进入教育教学，一方面推动了教学发展，另一方面也使实验室逐渐普及，从大学、职业、专科院校逐渐普及至普通教育教学。

①医学实验室。19世纪初期，巴黎的临床机会曾和德国大学的实验室吸引了许多美国的胸怀大志的医生，如约翰·霍普金斯大学的病理学家威廉·亨利·韦尔奇（William Henry Welch，1850—1934）就是冲着那儿的实验室去的。[5]145

德语地区的各大学还依照莱顿大学布尔哈夫的模式创建了教学诊所。1753年，布尔哈夫的学生杰哈徳·凡·斯威顿（Gerhard van Swieten，1700—1772）掌管了维也纳大学的这样的一家诊所。到18世纪末时，在厄兰根、爱尔特多夫、基尔、格廷根、耶拿、图宾根以及莱比锡等大学，临床教学已成为必修之科目。[5]131870年后，实践生理学成为参加皇家内科医师学会或皇家外科医师学会考试的学生必须通过的一门课程。[5]141

生物学实验室是18世纪西欧医学和生理学研究及教学中常见的用于近代医学教学的重要设施，包括解剖实验室、器材或演示场所等，对于推动临床医学发展、普及医学知识起到重要的促进作用。

②化学实验室。化学作为一门组织化的学科（以教科书和课程为代表），其开端可以追溯到16世纪末。从这门学科内容的整体构成来看，从这一时期到18世纪后期都存在相当程度的连续性。从其工具源方面也可以说，到18世纪中叶以前，化学经历了一个相对长时段的稳定期，玻璃器皿、坩埚和熔炉，这种状况至少持续了150年。直到18世纪后期，在有关热和气体的新奇实验现象以及化学量值朝向更加精确测量的进展出现后，才使化学实验室情况发生重要变化。[1]326

19世纪60—70年代，欧洲的学术性研究日新月异、突飞猛进，其中德国发展最快，跃升为实验理论及实践最为活跃的国家。毫无疑问，导致这些增长的一个重要原因是化学结构理论的非凡的知识力量。在化学领域，李比希所倡导的实验室教学和集体研究相结合的教育终于结出丰硕的果实，当学科的主题适合于这种教学风格和研究风格时尤其如此。当时在德国大地上，一座座大型宽敞的实验室拔地而起，争夺顶级明星科学家的竞争不断升温，学生像潮水一样涌入大学和工业技术学院，毕业生的就业市场急剧扩大。

③物理学实验室。物理实验是实验室早期最为普遍的应用，但很难见到物理实验室的清晰界定。伽利略时代已经有比较正规的物理实验研究，伽利略做过许多实验，但并没有明确提到过自己的实验室。罗伯特·胡克是建立物理实验室的先行者。1662年，他担任英国皇家学会的仪器馆长，免费设计仪器设备，每周向皇家学会的例会提供三四个有意义的实验。牛顿的白光色散实验则是他在剑桥大学的住宅中进行的。[4]

在意大利北部，第一个确立实验物理学席位并建立物理学实验室的是1730年的帕维亚大学。1738年，新课程被委托给乔瓦尼·波莱尼（1683—1761），一位长期感兴趣于为自然科学提供视觉直觉化教学方法的教授。当时，帕多瓦实验室被认为是欧洲拥有最好设备的实验室。在它的影响下，其他邻近大学随之也这么做了，包括比萨（1746年）、都灵（1748年）、摩德纳（1760年）和帕尔马（1770年）。[1]55

英国的开尔文即威廉·汤姆森在1846年成为格拉斯哥大学的物理教授，他开始要求学生自己动手做实验。当时伦敦的几所大学都设立了学生用的物理实验室，但未列入正规物理课程，也没有规定学生必须参加实验研究。[4]

1866年和1868年，亚当斯与福斯特分别在大学学院和英王学院成立了物理学实验室，为学生提供有针对性的指导。亚当斯建起了一个可供80名学生使用的教室在内的综合实验室，包括一个研究室、一个仪器室、一个学生实验室、一个储藏室，耗资2000英镑。这些应用教学设施的实验教学活动在相当程度上推动了科学教育的进展。

2）近代部分著名的实验室。

①伏特物理实验室。亚历山德罗·伏特（1745—1827），

这位1787年就获帕维亚大学教授席位的年轻的实验家，得到帕维亚大学的支持，为其研究和教学的特定目的建立了与这一席位相适应的开放的物理实验室，其实验研究和教学条件由此得到改善。[1]55

②土木工程实验室。1835年，法国路桥学校成立了世界上最早的土木工程实验室，用于培养工程师[4]。这所学校及实验室的活动取得重大而具有开创性的进步，培养出相当一批杰出人才。

③柏林大学物理实验室。欧洲最早的、规模较大的物理实验室当属柏林大学的物理实验室，由化学实验家、1845年成为柏林大学物理和技术教授的马克努斯创建。开始时他也是用自己的住宅辟出几间屋当实验室，学校给予财政资助。当时私人实验室还被当作大学机构的一部分，大学里还未形成专业的、完全属于大学的实验机构。直到1863年，马克努斯的实验室才正式成为柏林大学的物理实验室。

④卡文迪许实验室。1871年，剑桥大学建立卡文迪许实验室。1874年，麦克斯韦出任第一任主任，同时担任实验物理学教授。麦克斯韦主张将实验引入物理教学，物理教学在学院讲授的同时，辅以演示实验。[6]280

从麥克斯韦主持卡文迪许实验室开始，便主持并自己动手开发制作仪器，并积极推动学生自己动手做实验。他倡导研究性的实验仪器设施尽可能由教师和学生自己动手制造，认为研究的目的在于创新，而创新的东西往往没有合适的、可供使用的现成的仪器设施。麦克斯韦正是通过自制仪器设施，自己动手实验，寻求准确测量的方法，建立了扎实、严谨的学风。

自麦克斯韦起，卡文迪许实验室自制仪器蔚成风气，如发现电子的阴极射线管，威尔逊的云雾室，阿斯顿的质谱仪，计数器、加速器以及发现α、β、γ射线使用的仪器设备等，几乎都是根据研究需要自己发明制造出来的。在短短几年间，卡文迪许实验室走出多名实验物理学家，例如：W.M.希克斯成为谢菲尔德大学的物理教授;J.E.H.高尔顿建立了自己的物理实验室，是电灯发明的先驱者之一、著名的电气工程师;A.舒斯特主持领导曼彻斯特大学的实验室，成为著名的实验物理教授;J.A.弗莱明任大学的电气工程教授，是二极管的发明人，对微电子技术的发展做出过开创性的重大贡献;R.T.格拉兹布鲁克与W.N.肖则是编写英国第一本实验物理教科书的作者;J.H.波印亭成为伯明翰大学的物理教授，发明了太阳、行星和空间绝对温度的测量方法;等等。这批人对促进近代科学发展发挥了重要作用。

⑤李比希化学实验室。1826年，吉森大学（后改名为洪堡大学，是德国著名大学）的李比希化学实验室是近代大学实验室创立的重要开端。近代实验室创建的意义，在于它强调了只有通过实验，对科学现象的分析和观察才能建立在理性基础上，确立了理解科学现象并做出解释的观念。[1]91

1834年诞生的英文单词“scientist”（科学家）或显示了19世纪科学的巨变。李比希化学实验室的创建，也显示了19世纪初德意志大学作为研究中心和教学中心的复兴，表现了科学在社会中的一个新的、有影响力的进程。[1]91

19世纪初，德国实验室活动活跃，各大学纷纷开始建立附属实验室。吉森大学的化学研究所的贾斯特斯·冯·李比希在巴黎获得著名化学家特别是盖·吕萨克（1778—1850，法国化学家、物理学家，提出气体反应体积比定律，发现硼、氯，并改进许多化学工艺）的指导，参加了实验室实验研究。1824年，年仅21岁的李比希便成为吉森大学的化学教授，他指导的研究所注重用定量分析的新方法进行实验教学，开展实践培训，吸引了大量学徒前往求学。为容纳更多学生，研究所添置了更多研究设备，扩大实验室规模，开辟了生物化学实验并推进了这一学科的产生和发展。[5]120

李比希任职慕尼黑研究所时期，更进一步认识到许多科学难题只有通过更精密的实验设计才能解决。因此，他采用最新的科研设备，重视对学生动手实验的训练和研究方法的培养，要求他们针对广泛感兴趣的相关问题展开研究。

（未完待续）