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教育技術(shù)裝備內(nèi)知識系統(tǒng)建構(gòu)與發(fā)展

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教育技術(shù)裝備內(nèi)知識系統(tǒng)建構(gòu)與發(fā)展

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)來判斷得失對錯(cuò),這未免過于魯莽或失于絕對化,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17和18世紀(jì)的思想產(chǎn)生相當(dāng)大的影響,然而對今天所說的科學(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,他無法觀測到連接動脈系統(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(shí)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(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“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——他們在其教材中贊美以實(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(yàn)證方法1815年,菲涅耳才對當(dāng)時(shí)微粒光學(xué)的復(fù)雜性有比較清醒的認(rèn)識。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,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(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說。當(dāng)他從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)自己的理論判斷時(shí),波動說解釋受到強(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(xué)院,為光的波動說的勝利立下汗馬功勞。在對論文進(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?。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(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。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,引起導(dǎo)線周圍的空間發(fā)生一種圓周運(yùn)動。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“電動式電表”是于1848年為準(zhǔn)確測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。懸掛小線圈的支架能抑制小線圈的轉(zhuǎn)動角度,并使轉(zhuǎn)動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(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)心的是如何定量測量的問題,他強(qiáng)調(diào)指出,實(shí)驗(yàn)測量必須符合嚴(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)帶來一大批新的動植物知識;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。在這種形勢下,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)提出要對物種進(jìn)行分類的人。他是系統(tǒng)動物學(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。動物學(xué)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(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)而非動物分類學(xué),動物學(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)。

作者:新喬 趙曉寧 任熙俊 單位:《中國教育技術(shù)裝備》雜志社