实验艺术：教科学教师

我很荣幸在这本书中向索莉·科恩和希蒙-奥费尔致敬, 尽管令人感到忧伤——他们将定格于记忆之中。我们已故的同事，对于这个物理学的领域实验调查中表现出了如此崇高的兴趣和作出了贡献，而这就是同标题所一致的。由于我没有这样的贡献, 有人建议我写一个主题, 即科学的教学——这是接近索利和世蒙的初心的，而其中一个特别的方面研究其历史在科学教学中的作用多年来一直是索莉·科恩和我之间无数交流的主题。毫无疑问, 索利的科学兴趣的中心,反映在他的学术标题，作为实验物理教授，并给他自己带来快乐和喜悦的活动, 那就是实验本身: 发现, 探索和解释新的事物和现象。他的兴趣带领他进入了广泛的物理学和生物物理学的许多领域，而且还在他的学术服务范围提供了一定的作用，作为希伯来大学理学院院长（1965年至69年）的主席， Racah物理研究所（1971年至75年）和他在国外的许多访问教授，使他有机会在创造，理解，教学和培养科学的许多方面发展和表达他的这一兴趣。我在这里仅作一次简单的回顾，在 1977年, 他曾是希伯来大学科学历史和哲学系的主席的时候, 1975年, 他给予我在纽约哥伦比亚大学的物理史实验室开创工作一个学期的荣誉机会。在20世纪70年代，在多次访问耶路撒冷之际，我曾多次获得与在希伯来大学的同事们探索的机会，特别是索利与他的妻子达莉亚，在对科学的很多方面通信研究了很多次，这些经历影响到了我后来的观点、理念和描述澄清等方面提供了帮助。

根据希伯来大学遵循的一般 '西方' 学术实践理念, 大学科学教授通常兼顾教师和研究人员的职能。作为教师的作用的核心是教育和培训下一代科学家，其中也可能特别包括下一代专职学术的科学家，尽管这可能是最重要的, 对一些人来说也是唯一的教学责任, 但并不是必然或通常引起大多数讨论或争议的责任。也许是因为这项活动是针对那些选择学习科学的学生, 他们的智力兴趣和职业愿望或多或少都有界定, 所以教师的任务与其说是激发兴趣, 不如说是滋养和培养科学。开发它。此外, 科学教育在这里不是一个人的工作, 即使主要是一个人的工作;通常情况下, 许多人都会为本科生教育和毕业做出贡献。也许, 最重要的是, 人们认为, 对未来的科学家来说, 无论通过正式的教学来完成什么, 这都只是一小部分, 仅仅是科学教育的开始。人们将会认识到, 除此之外, 当科学实践正式开始时, 将会有无限的机会继续更充分和更深刻地学习与进步，而对于未来的职业科学家来说, 正规教育只是一次简单的介绍，学习与实践本身是相辅相成的;而在这种做法中, 不仅有机会在工作中自我学习, 而且有机会向许多同事学习, 与他们一起学习科学。对于科学专业的教师来说, 问题不在于教学生这种科学入门应该采取什么形式, 而在于教学生的时候能对它做出什么贡献？

对于那些不渴望成为实践科学家的学生 (在许多西方大学, 有大量这样的学生受到导师的鼓励或要求学习一些科学), 情况并非如此;这不再是一个教学生他们想学习的东西的问题, 而是教他们想学习的东西, 或者学习他们不想学的东西 (科学!)更重要的是, 个别学生可以从一个教授那里获得他所有的科学指导;而对许多人来说, 也许是大多数学生来说, 这项教学与其说是介绍, 不如说是第一次也是最后一次接触科学, 这是一个 '终端' 课程, 以后在他们的生活中将再也没有科学课程。不同的教授可能会在某种意义上提供不同的教学计划。替代办法不仅可能代表不同的科学主题, 而且可能代表对本质上相同的主题采取不同的原理。毫不奇怪的说, 风格和形式有时优先于内容;科学的 '客观性' 可能显得很淡定, 但争议的机会比比皆是。这些争议也不会被忽视;在许多大学校园里, 关于如何以及如何教授科学家以外的人群的科学的争论似乎是连续和无休止的。

在这两个相反的专业之间, 未来的科学家和非科学专业的学生, 剩余的学生是三分之一, 而这些学生正在迅速消失, 在一些主要大学校园里甚至可能已经完全消逝的, 一群学生: 那些以教学为目的学习科学的学生科学给在校学生。正是从这些未来的老师那里,将获得他们的下一代第一个 (正式？) 科学入门, 从中他们对科学的态度和能力可能会受到很大影响。显然, 这群未来的科学教师的愿望与科学和非科学专业的学生有很大的不同, 会期待着有机会在科学实践中学习, 但是他们与有抱负的实践科学家的愿望完全不同:也许是因为, 在许多主要的学术机构, 这个群体已经变得难以理解的,学者们表达对学校科学教学的兴趣已成为一种时尚, 因为他们关心的不是如何 (未来)教师学习科学, 而是他们应该教什么, 他们应该如何教它。这对大学学者来说是否合适是一个值得商榷的问题 (索莉·科恩和我在这个问题上进行了很多长时间的讨论); 但向教师教授科学的责任 (如果他们的存在是可以识别的) 是大学学者的责任, 这一点是没有争议的。如果不适合, 这是谁的责任？(我在这里假设的是 '西方' 背景, 即在大学一级, 学术科学没有尖锐的分叉进入 '教育学' 和 '科学' 分支)。

从这三个 (至少) 不同的学生群体的存在来看, 可以合理地期待, 也肯定会发现针对每一组的不同形式的教学, 在一定程度上反映在教科书中。物理，有一些物理教科书 (和一些不那么严格的东西!)的对象是 '真正的' 物理学生, 未来的化学家, 生物学家, 工程师, 医科学生等, 和物理流的诗人, 物理学为每个人, 提供了喜悦或至少没有眼泪 (和数学!)。对于非科学学生和他们的 '终端课程' 而言，能有书取代所有科学课程、结束所有课程。但令人惊讶的是, 在这个课程过多的年代, 有一个课程缺乏教科书的, 以及未来的教师。我指的不是打算向老师展示如何教学的书, 也不是指直接教科学的书, 而是缺少这些未来老师要学习的作品。也许是对科学的基本目标的内在信任--物理学的普遍性是物理学: 对于那些打算教授科学的人来说, 只有一个物理学的概念是背道而驰的？(避免这种分离还有其他原因。也许是因为那些著名的学术机构几乎没有教师, 才决定了科学的步伐和风格？(这种缺席在我自己执教的大学肯定是如此。我对教学教师的关注并不是在正常的学术责任过程中产生的, 而是作为特定环境和机会的附带结果。

多年前, 当我经常向物理学生教授物理时, 我开始关注着一种越来越倾向于将物理作为一种正式的、抽象的、演绎的科学来呈现的方式。物理原理是经验性的, 有时似乎是不言而喻的或逻辑上不可避免的。一个经验基础也许被正式承认, 因为理论总是预先存在, 是敷衍的例子或 '验证' 实验演示或实验室锻炼后。(练习似乎比实验是更恰当的描述;：它没有想到, 也没有特别的意图, 任何新的或不可预见的, 无论是关于物理原理或其影响, 都会出现在这些实验室。科学创造和发展的一些确凿证据仍然存在于各种同名的法律、原则、单位等中, 偶尔也会在教科书、脚注或一两个前句中洋洋洒洒, 说明历史渊源和经验基础。在这样的科学呈现中, 发现的行为或艺术显得异常平凡而又稳定。

有一种手段可以温和的解决这些问题, 当然，不是取代这种正统的教学, 我为学生提供了一个机会, 在物理的背景下, 研究物理的一些基本现象、概念和原则。最初的探索, 即一个机会, 不仅研究科学知识和理解的内容和后果, 而是研究这些知识是如何创造的。(当然, 这很可能，而且已经有人认为, 真正的科学在经验以后发生，当科学的学生成为一个实践者, 即科学就重新回来了。然而, 这种对科学的感觉需要培养这么长时间, 似乎是不合理的, 也是没有必要的。这项活动的意义体现了在建立了一个历史物理实验室的情况下, 学生可以在其原有的开拓性的背景下探索和考察物理现象。

这个实验室的目的和意图, , 在其他地方已经阐述了(s. Devons 和 L. Hartmann, 物理 Today23(1970 的实验 4-49) 因为他们是设想的时间。在此, 我只想再次强调, 我们的目的不是将物理学的历史描述为与科学本身不同或额外的东西, 而是利用丰富的历史材料和背景作为更好地理解科学作为一种工具，了解物理本身。毕竟, 这一调查是从今天对现象的观察和测量中展开的, 这些现象与这个主题的先驱者第一次遇到和探索时一样真实 (如果复制的话!当然, 一个人观察到的东西或衡量的东西有失误是不可避免的, 在这方面, 必然受到我们对一个事实的历史知识的影响, 一个事后被证明是意义重大的影响。然而, 对于敏锐的调查员来说, 所观察到的一切并不总是与所记录的东西重合;因此, 学生仍然面临的挑战仍然是理解所有实际观察到的 (有意义的!), 无论是在普遍的知识和理解的背景下, 当前的原始发现,可能帮助学生对当代物理的理解的框架工作。

不用说, 在这种历史娱乐和再发现的精神中, 整个科学都是不可行的。它确实是科学的一个基本特征, 它能够而且确实不断地吸收、巩固和简洁地重新表述了多年和几个世纪的探索、探索、猜想、试错和纠错的产物, 它就在科学的基础上。巩固, 它是可行的逮捕。任何追溯和重现历史道路的企图最多只能被视为典范。但这并不意味着否认其价值。每个科学专业的学生都要经历一种交流状态的过程,一种对知识和理解缺乏的状况。无论这种转变是在直接个人经验的基础上进行的, 还是基于他人的替代经验（我排除了简单地接受权威的可能性, 因为本质上是不科学的!), 在这个过程中, 学生意识到最终整洁, 逻辑秩序之间的区别是什么理解, 与往往不稳定, 不可预测, 甚至不可言喻的学习过程。对相应的发现先锋道路的一些熟悉几乎总是会给人一些洞察力、启发性甚至鼓励, 在一个人自己努力将无知转化为知识和理解上，即使只是通过有限的例子, 审查从整个经验 '事实' 画布上出现的有序逻辑科学与创作画布的实验者的艺术之间非常不同的关系, 不管是有意识的还是无意识的,关注它的微妙之处和奇点, 不能不导致对可能已经熟悉的东西有更充分、也许更深入的了解。

并非所有的科学都能同样方便或有效地创造这样一个学生实验室来达成目的。有时候并不缺乏适当的硬性条件, 但确实存在财富上的尴尬。电力提供了一个特别丰富和重新调整的领域。它的历史是最近的三四个世纪, 所以有大量的原创作品记录。它的表现是无数的和无限的斑叶 (已经在18世纪中期, 欧拉抱怨说, '这个主题..。几乎吓到我了。它呈现的品种和数量是巨大的..。几乎每天都会发现一些新的现象..。然而, 一些基本原则可以从相当简单和适度的设备的实验中推导出来;其中最重要的是一只熟练的手、敏锐的眼睛、敏锐的头脑和诚实!

电学最熟悉的基本概念包括电荷的单位, 电位差, 电流和阻力, 都涉及个人的名字, 库仑, 沃尔塔, 安培, 欧姆, 他们在科学的位置取决于他们的原则,在观察、实验和测量的基础上建立了相应的基础, 成为电学的基石。他们的实际观察、发现和主张是什么, 这些与现在牢固地扎根于我们科学中对他们的印象的残余相比如何？

查尔斯·奥古斯特在库仑 (1736-1806), 在卓越的职业生涯以后作为军事工程师, 转动他的精力到科学: 首先改进磁罗盘的实际问题, 导致弹性和扭转悬浮, 和发展扭转平衡, 回到磁力, 最后 (1785) 的注意力第一次转向电力, 他声明, 他的仪器可以适应测量电力与加大精度', 这一点, 他声称使他能够建立电磁平等并辅以相应的精度（电力基本法——库伦法）但是公布的实验结果似乎没有达到承诺。测量记录只有三个距离, 与基本法的协议在20% 左右!但差异, 或错误, 虽然没有消除, 至少解释了 {由于在测量过程中的费用损失!)如果实验是在更理想的情况下进行的, 定律就会得到精确的确认!(库仑随后的所有实验都安排在基本定律的基础上, 对其仪器的极端灵敏度进行了定量解释。丰富的、五花八门的电现象欧拉可怕的 '巨大的变化' 似乎已经消失;所有的电都减少到或似乎是一个几何推理和一个单一的例证!就连库仑的电学也这么简单吗？

库仑的当代伙伴亚历桑德罗·沃尔塔 (1745-1827), 也在研究电力, 但他的目标是丝绸和毛皮, 玻璃和树脂, 云和蒸汽等的电。对于沃尔塔的电气现象, 原理是如此遥远, 他不仅可以免除其使用, 甚至怀疑其可以作为一个基本的现实真理, 同性相斥!他关心库仑否认的是: 不同的电力材料存在不同的 '亲和力'。由于他主要精通自己的一门电子技术和他不懈的实验--'标准层的经验', 他被领导的最后通牒与一些强大的指示刺激, 从同事加尔瓦尼发明 (votalic) 桩，米拉贝尔迪图: 发电机, 产生熟悉的火花和冲击, 但没有移动的部分等事件中得到结论!相反,湿材料, 是电工的诅咒。电压电池是否本质上是两种不同的金属 (导体) 浸没在 (活性) 电解质中构成的？沃尔塔: '我的电动装置的真正元素.....。是由两种不同金属组成的简单金属对, 而不是大多数物理学家所认为的两种不同金属之间的一种潮湿物质。湿物质只是一种被动导体.....。

然而, 沃尔塔最终也没有发现和完全明确无误的证明，实际情况下电在实验配置中, 其中 '..。两个金属板由于相互接触而同时表现为电马达, 并作为电的冷凝器, 因为它们彼此呈现一个很大的面积. '; 沃尔塔宣称, 这一类实验拓展展示了我所有的专业知识。给我更多的乐趣，比所有其他的都有价值，因为它是有教育意义的。

很难找到一个更磅礴的实例去例证个人的经验和特质如何塑造发现的方式,。事实上发现本身，即使在沃尔塔自己的时代, 他的理论也受到了广泛的争议。但用他自己的话说, '智慧是由下一代来判断的'沃尔塔的发现开启了一个全新的科学时代。他的名字和发现已经被吸收在科学的里程碑中，即使他的身体与他们非凡的起源的所有痕迹已经被历史抹去!

Pauvre Andre Marie Ampere（安培） (1775年-1836)。化学、数学和天文学、数学分析和哲学教授。然后, 在 1820, 在没有任何征兆的情况下, 他的兴趣因一个发现而点燃, 他完全沉浸在电中。在他的心目中, 他设想了一个 '伟大的电动力学理论', 并在几年的时间里, 他把所有的精力和微薄的财富都用在了它的阐述和完善上。作为牛顿力学的忠实粉丝和被认可的弟子, 他必须遵循牛顿原则: 首先, 基本要素 (安培的 '当前元素') 之间的基本力量定律必须通过实验来确定

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