西方技术发展科学化的历史变迁

历史教学问题　2002年第4期

●科技史讲座

西方技术发展科学化的历史变迁

王　顺　义

　　提　要:本文概述了技术发展科学化的历程, 廓, 关键词:　　。

。自从人类开始制造和使用工具, 技术活动便开始出现。随着人类文化的变迁, 技术也在发展。技术发展呈连续性、积累性、组合式和加速变化等特征。但当科学特别是近代科学产生之后, 技术发展开始呈现出另一种重要特征, 这就是“技术发展的科学化”特征①。

好的应用和发展, 在美索不达米亚和古埃及, 约在公元前5千年左右, 原始制陶技术就出现; 约在公元前3千年左右, 玻璃制造技术出现; 约在公元前2千年左右, 铜和青铜的冶炼及其工具、器皿的加工技术和工艺也得以形成和发展; 约在公元前1千年左右, 铁的冶炼及其工具、器皿的加工技术也出现了。如此等等, 可以说在这个时期人类迄今尚存的许多实用技术在当时已形成。与此同时, 职业的工匠队伍已经出现, 技术活动已开始有了自己的社会角色。

这个时期的技术是一种经验型的技术, 这些技术所含的工艺知识是工匠师傅们实际生产操作和传统常识的集合, 人们能掌握和使用这些技术, 但他们对其原理并不能作出理论的说明, 只能意会而不能言传, 即具有“默会”的性质。因此这个时期技术教育的方式只能是师傅带徒弟的教学形式, 徒弟只有通过与师傅一起进行技术实践的过程, 观察、揣摸师傅的操作活动, 积累经验, 在干中学。

从公元前600年至公元500年的古希腊时期, 技术发展的一个重要方向是工具、设备的机械化。例如, 滑轮、齿轮、羊头撞锤、活动甲板、升降机、“鼠笼轮”、投射器和驽炮等机械设备, 这是由于水利、建筑、冶金、采矿和军事活动的需要应运而生的。

在这个时期, 自然科学研究活动在古希腊开始出现并得到一定的发展, 特别是数学、力学和天文学。科学的产生和发展一开始是由生产的需要决定的。但是科学和技术这两种文化形态却互不相关、互不影响。造成这种状况的原因, 一是它们各自的社会角色分别由两种不同阶层的人们承担, 从事科学研究的主要是一些富裕有闲的哲学家或智者, 而从事技术工作的仍然是原来的工匠, 这两个阶层的人们交往并不密切; 二是由于当时从事科学研究的人们常常不仅不提倡甚至反对将科学知识用于实用技术, 例如柏拉图就是这样。

科学与技术互不相关的状况在阿基米德年代(公

经验技术时期:远古———1500年

在远古时代, 人类主要从事采集、狩猎和捕鱼等

活动。在这种活动中, 人类在狩猎、烹煮、石器制造、木器制造、弓箭制造、棚舍建筑、皮毛加工、制衣、造木舟和巫医过程中, 逐步形成了各种原始的实用技术。

这个时期技术的发展主要是沿着“工具”和能源“火”两个方面展开的。在200-300万年前, 南方猿人就掌握了燧石工具。到公元前10-4万年, 由于切割燧石的技术成熟, 人类已经拥有各种由石头制成的刮削器、尖头工具、刀具。尼安德特人用这些工具来砍削木头和兽角, 制造标枪和箭。到了公元前3-1万年, 人类已能制造出横口斧、斧子、刀、钻头等工具, 并用它们来制衣、盖茅屋和编篮筐。人类约在公元前40万年, 开始掌握了钻木取火的技术, 并将其用

②

于食品烹饪和照明、取暖。

约在公元前8千年后, 人类通过第一次产业革命进入农业社会。在农业生产过程中, 人类逐步形成了一套播种、锄地、收割、打谷、储藏、磨粉、烘焙、灌溉、养殖和酿造的技术。由于进入农业社会后人类进行有计划的生产和过长期定居的生活, 于是又出现了各种纺纱、织布的家庭工艺, 和大型房屋的营造技术。由于生产力的提高、剩余产品的增加, 促进了物质财富的相互交换, 这样便促进了远距离的贸易。这又促进了交通工具的发展, 于是轮车和木船的制造技术又得以产生和发展。这个时期能源火的技术得到较

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元前287—212年) 略有改观。阿基米德用自己发现的静力学来详述简单机械的作用和原理, 如杠杆原理; 他的一些立体几何的研究成果, 都与实用技术中的计算有关。科学、技术在他手中在一定程度上得以结合。

从公元500年至1500年的中世纪, 在西方科学与技术又开始了分离。在这个时期, 由于欧洲各国奉行一种“宗教神学和唯心主义的自然观”, 对科学的发展起着窒息的作用, 故科学在这个阶段中几乎是停滞不前的。而技术则不然, 技术只与工匠们有关, 而工匠的工作是不受那种落后的自然观的制约的, 中世纪仍在继续地发展, 、纺织制造、磨坊, 并不是因为它得益于科学的渗透和影响, 而是由于如下的原因:(1) 对既有技术的挖潜和改造。例如水轮磨和风轮磨技术在公元前1世纪的古希腊和古罗马就产生了, 这两种磨由于只能作旋转式运动, 因而只能用来磨谷或小麦, 到10世纪人们对其加以改进, 增加了椎和曲柄这两种器具, 便可以将旋转式运动变为往复式运动, 这样它们便可以将水轮或风轮作为用于漂布、鼓风、锻铁和锯木的动力装置, 成为后面几种生产部门的新技术。(2) 对既有各种技术进行组合。例如计时钟技术的发展。人们最初是用铃来报时, 它由报时人依滴漏桶滴漏水滴数而撞鸣。到13世纪, 维拉尔・德・奥纳库尔制作了“机械天使”的半自动机械, 通过这种方法, 制造一个手指指向太阳的机械天使, 稍后有一位风、水轮匠将风、水轮磨中旋转运动与往复运动相互转换技术应用到其中, 于是更制成了机械式的钟。(3) 从中国和东方各国进行技术引进。例如罗盘制造技术、造纸技术、印刷技术和火药制造技术。这些技术最初都是由我们中国发明的, 流传到西方之后, 为他们广泛地应用, 并得到进一步的发展。

总数纯科学解决技术难题

两种文化系统相互作用开始有组织、有规模地出现。这主要表现在, 科学家研究从技术中派生出来的问题, 而且技术工作者们则求助于科学家们来帮助他们解决技术难题; 另一方面科学家在自己的研究中使用技术工作者们为他们提供的新的实验设备, 从而使科学研究有所突破。

由于科学与技术的相互作用, 。, 在十七世(见下表) ③, 涉及到的方方面:(1) 海上运输与航海技术, 如罗盘的研制、传导设备的实验研制、矿井通风与控制“矿中毒气”的方法和一般采矿技术; (2) 海图和水文的研制、测定船在海洋中的位置的方法、潮汐时间测算和造船方法和船的附属设备的发明, 等等; (3) 采矿与冶金技术, 如提升矿石的方法、关于水泵与水、军事技术, 如研究子弹的轨道与速度、铸造工艺与枪炮的改进、枪管的长度与子弹射程的关系、反冲现象和火药研制等等; 此外, 还有纺织技术和农业技术等等。这些问题的解决, 往往得出一些类似于定律性的技术结论。例如, 意大利科学家伽利略为解决建筑技术中难题的需要, 他研究了“梁的抗断裂力问题”, 他通过力学分析和数学计算, 最后得出如下命题:任一给定的宽度超过厚度的直尺型梁或棱柱体梁侧立时要比平放时具有更大的抗断裂力, 且这两个抗断裂力成宽与厚之比; 长度相等但厚度不等的棱柱体和圆柱体梁, 其抗断裂力与裂面底厚度的立方成正比; 等等。

英国皇家学会会员科研选题分类表

1661年1662年1686年1687年百分

比

比

比

比

比

100

[***********]171100806

“科学的技术”的出现:1500———1750年

公元1500年到1750年, 科学与技术在“职业”上进一步分道扬镳, 但在“解决技术问题”上却开始合作。于是出现了一种不同于以往经验技术的新的技术, 学

(scientifical technology ) 。术界称之为“科学的技术”

文艺复兴之后, 在西方科学开始制度化, 科学事业得到发展, 从而也导致了科学理论的迅速发展。当时科学家除研究理论外, 积极地参与军事、海运、工业和农业中问题的研究已成为时尚。在这个时期, 科学研究工作主要是由科学家承担, 而技术则是由工匠、技师和工程师们承担。从这个意义上来说, 科学与技术在职业上进一步分道扬镳。但是科学与技术这

[***********][***********][***********][1**********]7

　　以类似于上述伽利略题为依据的技术, 显然不同

于历史上的经验技术, 而已烙上了科学的印记, 学术界称之为“科学的技术”。这种新技术与经验技术相比, 有一个明显的差别, 即传统经验技术中所涉及的工艺知识往往只是工匠们的个人经验, 而科学的技术中所涉及的工艺知识的一部分(不是全部) 则是应用科学理论来求解技术难题时所得出的结论。

蒸汽机的技术是这个时期出现的一种重要的能源技术, 它也是一种科学的技术。1673-1680年荷兰物

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理学家惠更斯首先提出了真空活塞式火药内燃机的工作原理。但由于火药的燃烧难以控制, 以致这一原理未能实现。1690年他的学生和助手法国的德尼・帕潘在屡次试验火药机失败之后, 用蒸汽代替燃烧火药, 发明了“活塞式蒸汽机”。帕潘的技术工作是在科学指导下进行的, 他从科学上研究大气压、作用力与活塞做功的关系提出了常压蒸汽机的工作原理。在帕潘工作的影响下, 1712年英国的托马斯・纽可门发明了“常压蒸汽机”, 并成功地应用于矿井排水。1720年后, 它开始被出口供应欧洲各国机效率很低, , 并于

1765术提供新的“技术原理”, 从而启发新技术的发明; 靠科学打开技术“黑箱”, 使得技术过程的理论得以优化, 使其实际应用所涉及到的材料和程序的条件范围变得可以确定。这也就是说, 科学要以上述途径向

技术活动中的工艺知识进行全面的(而不象前面所提到的“科学的技术”那样只是部分的) 渗透, 这种渗。由于这种, , (scientifi 2) 。在这时期, 由于机器的大量使用, 钢的需求量便骤增。然而炼铁遇到了种种困难, 传统的方法是用木炭冶炼铁矿石。但这需要耗费大量的森林资源。于是人们开始改用焦来冶炼铁矿石, 但产品中含有较多的碳的杂质, 这就是生铁。它很脆不易被铁匠打制成形, 只适用于浇铸。脱去几乎全部碳杂质的铁, 在加热之后才可以锤打成各种形状的东西, 如马蹄铁、铰链和五金器具等。这种具有较好的延展性的铁被称为熟铁或钢。为了冶炼出钢来, 1776年约翰・威尔金森首先使用鼓风机, 向熔铁炉鼓吹空气, 使吹入空气中的氧与熔铁中所含的杂质炭起化学反应生成一氧化碳或二氧化碳挥发掉, 从而得到不含碳的金属钢。威尔金森在这儿实际上是依据化学反应理论为炼钢技术提出了一个新的基本原理和具体的工艺流程。1784年, 亨利・科特通过对熔化的铁进行搅炼, 使钢的生产大有改进。1856年贝斯麦发明了转炉炼钢法, 产量大且成本低。但贝斯麦的技术并不能照搬到英国和欧洲各国的钢铁生产中去, 因为他们所用的铁矿石中含磷(氧化磷或磷酸) 较高。这个问题是由托马斯解决的。他在大学里攻读过化学, 他阅读了大量的科学、技术文献, 并用科学理论来分析技术问题, 同时还做一些具体的实验, 历时四年之久。1879年, 他从化学理论出发, 为炼钢技术提供了一条关键性的技术原理:用添加含镁的石灰石的填料来吸收掉熔铁中所含的氧化磷或磷酸杂质, 从而炼出好钢来。从这个例子我们可以看到, 在整个炼钢技术的发展过程中, 两条工艺流程至关重要, 一是威尔金森吹氧去炭的工艺流程, 另一是托马斯的加含镁的石灰石去氧化磷或磷酸的工艺流程。这两个工艺流程实际上都是根据科学理论提出来的。这样科学理论便渗透到整个炼钢技术的工艺知识中去了, 或者说, 整个工艺知识科学化了。可以说, 威尔金森、托马斯炼钢技术就是

⑥

一种典型的“技术科学”。

机。瓦特于1781年发明了旋转式蒸汽机, 将直线运动转化为旋转运动, 使过去只能做抽水装置的直线运动机械变为一种万能的动力机械, 广泛地应用于各工业部门。1788年瓦特又发明了蒸汽机调速器, 它可以自动调节蒸汽机的转速, 使其稳定在用户所要求的目标值上。瓦特的这些重大发明在技术史上均具有革命性意义。1804年后英国的棉纺织业已普遍地采用蒸汽机作为生产动力机了。此外, 蒸汽机还被应用于炼铁的鼓风设备、矿山的起重设备和机械加工中的锻造设备之中。1807年美国的富尔顿用蒸汽机作动力发明了轮船。1830年英国的斯蒂芬森用蒸汽机作动力发明了铁路火车。

重大技术的经济社会效益往往要在其被产业化后的几十年后才显现出来。“科学的技术”特别是蒸汽机技术、机械化纺织技术在实现产业化之后, 便导致

1750-1840年的欧洲国家如英国第一次工业革命的产

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生, 出现了纺织产业、蒸汽机和机床制造业、造船业、航运业、铁路设备制造业和铁路运输业等新的拉

⑤

动经济增长的产业部门。

“技术科学”的产生:1750———1840年

从公元1750年到1850年, 是西方第一次工业革命时期。在这个时期, 工业的发展需要更大的技术进步来解决它的四大问题:(1) 原材料大量生产问题, 如大批量炼钢的工艺问题; (2) 不断地提高效率的问题, 如热机效率问题; (3) 研究不断增多的技术参量(如技术过程中的质量、温度、压强等) 的临界值问题; (4) 提高技术过程的更高的精确性问题, 如工业生产过程的精确控制问题。为了解决这些问题, 单靠对现存技术的修改、组合来取得已显得力不从心了, 因为当时技术靠自身取得进步的潜力已经枯竭了。在这种情况下, 只能进一步地求助于科学:靠科学为技

“技术科学”与“科学的技术”的差别在于, 在技术的工艺知识中, 前者是全部科学化的, 而后者则

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是局部科学化的。

电动机、发电机技术也是如此, 1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应, 1831年英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象和定律。在此基础上法拉第先后于1821年发明了电动机, 1831年发明了发电机。早期化工技术的发明, 如1791年法国人勤布朗的工业制碱工艺, 1831年英国人菲利浦的工业制硫酸工艺, 1828年德国人维勒的人工合成尿素的工艺, 1839年美国人黑尔制造电石和乙炔的工艺, 1844年德国人柯尔帕合成醋酸的工艺等都是如此。

⑦

科。从十九世纪到二十世纪三十年代, 在蒸汽机技术发展和热工理论研究的基础上, 1860年比利时人勒努瓦发明了汽油内燃机, 1892年德国人发明了柴油内燃

⑧

机, 1928年英国人惠特尔发明了燃气轮机。这些热机

的发展, 要求人们在原有热工理论的基础上, 更综合更系统地应用物理学等基础科学的有关基本规律和基础知识, 更深入更全面地分析和研究它们内部的热力过程。工, 还要使用统计物理学的基本; 热机气动热力学是在工程热力学的基础上, 加上牛顿第二定律; 传热传质学则是在上述基础上, 再引入物理学中关于热传导、对流传热、热辐射和物质输运等定律; 最后, 第四个分支学科燃烧学还需运用化学反应动力学定律。由于许多新型热机的内部工作过程非常复杂, 上述许多基础学科的基本规律虽然可以很好地用来分析问题, 但往往是不够的。人们还需对具体热机的各个具体工作过程通过在专门设计的模拟实验器上进行深入内部的细致测量工作, 才能找出它们的问题所在, 建立基本上反映物理本质的模型, 得出相应的数学方程, 用计算数学方法在电子计算机上得出数值解后, 还需在较完整的部件或整机实验台上验证和发展理论。

对第二种情况, 我们可以以“遗传工程技术”为例。所谓遗传工程技术, 就是用人工的方法, 把不同生物的核酸分子提取出来, 在体外进行切割, 彼此搭配, 重新“缝合”, 再放到生物体中, 把不同生物的遗传特性组合在一起, 创造出生物新类型, 以满足人类日益增长的物质需要。这项技术是二十世纪七十年代后发展起来的。其实这项技术只不过是“分子遗传学”理论兑现为技术的结果, 从二十世纪五十年代以后, 分子遗传学得到迅速的发展, 它揭示了生物体遗传密码的保存、传递、转录、翻译的本质及其机理。将其原理付诸为一个工艺过程, 就成为日后的遗传工程技术。在遗传工程技术原理的构思过程中, 显然人们用的发明技法是“科学原理推演法”。

作为理论技术的例子还可以举许多, 如化学工程技术、自动化技术等等。二十世纪四十年代之后出现的“高技术”, 其实都属于理论技术, 前面说的“遗传工程技术”仅是其中一例, 如信息技术(微电子、光电子、电子计算机和现代通信技术) 、新材料技术(高性能金属材料、新型有机高分子材料、先进的无机非金属材料和复合材料技术) 、新能源技术(原子核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能和氢能等技术) 、航天技术(运载火箭、人造卫星、宇

“, —, 出现了钢铁产业、的产业部门。

“理论技术”的出现:1840———迄今

从十九世纪中叶开始, 科学发展进入了全盛时期, 与此同时出现了企业兴办“工业研究实验室”的现象。十九世纪七十年代, 德国的染料和化学工业, 由于在人才方面普遍地雇佣了专业化学家, 企业得到迅速发展。当时德国已有了研究生培养制度, 凡是那些在学术机构里找不到工作的人, 都被欢迎到企业中去从事工业管理和技术创新的研究开发工作。八十年代, 德国和瑞士的几家公司在其实验室里开始雇佣了十几位科学家, 旨在用科学来研究工业中的各种技术问题。第一次世界大战后, 许多国家都出现了类似的工业研究, 而且规模日趋增大。在这个时期, 技术进步主要是与这种对工业的“研究与开发”有关的。

与这种发展相应, 科学与技术的相互作用发展到一种新的水平, 即科学往往以其一门科学理论或某几门科学理论渗透到一种具体的技术理论中去, 形成一种新的技术, 学术界称之为“理论技术”(theoretical

technology ) 。这种新型的技术往往是作为一些科学基础

研究在技术中的“投入-产出”的结果, 或者说, 它是通过用科学来构造技术理论, 从而达到某种技术目标的结果。它往往是通过如下两种途径实现的:一是用几门科学理论来塑述一门技术原理; 另一是将一门科学理论具体化为一门技术原理。因此, 这种技术的工艺知识本身就是一种理论或理论群。

对第一种情况, 我们可以“工程热物理学”为例。工程热物理学是研究热力机械与热力设备中能量转化与传递过程的一门技术理论; 它着重研究工作介质的压缩、燃烧、膨胀、传热传质等热物理现象的基本规律及其工程应用。它有工程热力学、热机气动热力学、传热传质学和燃烧学四个有机联系的分支学

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宙飞船、航天飞机、升空探测器和航天站技术) 、海

洋工程技术(海洋开发技术、海洋应用技术等) 和现代生物工程技术(基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等) 。

“理论技术”与“技术科学”的差别在于, 前者是由一门或几门科学理论构成其工艺知识, 而后者是由一门科学理论中的部分定理来表述其工艺知识的。这种差别反映了技术科学化程度上的不同。实际上, 它们与“科学的技术”的差别也在于此。从经验技术到科学的技术, 从科学的技术再到技术科学, 科学进一步到理论技术, 。

注释:

①G. Bohme , The ‘Scientification ’of T echnology , in 《The Dynamics of Science and T echnology 》, D. Reidel Pub 2lishing C om pany , pp. 219-245.

②布鲁诺・雅科米:《技术史》, 北京大学出版社, 2000年版, 第12-26页。

③R ・K ・默顿:《十七世纪英国的科学、技术与社会》, 四川人民出版社, 1986年版, 第312页。

④亚・沃尔夫:《十八世纪科学、技术和哲学史》, 商务印书馆, 1991年版, 第731-748页。

(上接第45页)

业化, 导致了二十世纪初以来许多国家汽车工业、航空工业、石油化工工业等拉动经济增长的新部门的形成和发展。六大高技术的产业化, 更是导致了二十世纪八十年代以后“知识经济”或曰“新经济”在最发达工业国如美国初见端倪。

在技术发展的历史系列中, 前后项的关系并不是否定关系而是积累关系, 。技术发展到今天, , 、科学的技术, , 要分层次的进行, 培养的目标、课程设置等都不能简单划一。

⑤G ・多西:《技术进步与经济理论》, 经济科学出版社, 1992年版, 第63-73页。

⑥布鲁诺・雅科米:《技术史》, 北京大学出版社, 2000年版, 第253-254页。

⑦吴守玉等, 《化学史图册》, 高等教育出版社, 1993年版, 第69页。

⑧乔治・巴萨拉:《技术发展简史》, 复旦大学出版社, 2000年版, 第100-105页。

即在活动开始前, 就将对学生的评价作为教学活动的重要环节加以设计, 教师设计了评价反馈表; 过程评价, 即在教学活动开展后, 教师、学生等有关人员或作为评价主体或以其他方式参与评价过程, 个人、小组、教师依次填写专题探讨前教师与学生共同制定的评价反馈表; 成果反馈, 即学生阐释此次探讨的收获和对以后教学的建议, 作为今后教与学的参考。

评析:

从我们对学生历史学习心理的调查看, 经济史内容是学生视为“头疼”、不感兴趣的学习内容。分析构成学生“头疼”的因素, 与学习内容和学生的心理距离、学习内容的呈现形式、教与学的方式等等都不无关系。本课改变教与学形式, 将经济史学习内容与学生拉近, 在自主探究的教与学、教学与评价等方面作了有益的尝试。

首先, 本课的内容适宜选择专题研究式, 这是因为:第一, 本专题有进行深层次探究的余地, 能为学生提供思考与讨论的空间; 而且由于题目具有难度, 独木难支, 学生愿意采用合作的方式集体攻关; 体现了历史与现实的结合, 特别是亚洲经济的发展对于我

国的现代化建设具有现实意义, 学生有探究的兴趣; 体现了历史与其他学科的融合与联系, 能促进学生综合的、多角度的思考问题。第二, 在“教学目标”的确定上, 是从新教学大纲的要求出发, 从培养学生的正确的历史意识和研究能力考虑。第三, 本课的教学过程活跃而有序, 各研究小组的多媒体课件展示、模拟旅游、记者招待会、书面报告的展示, 以及教室墙壁四周张贴的富有创意、内容丰富、色彩鲜艳的展板, 构成了一幅学生在特有的历史情境中主动体验、感受、研讨的图画。在研讨的过程中, 学生的历史研究能力, 如收集、处理与运用材料的能力, 历史思维能力、与人合作的能力和展示成果的能力都得到了锻炼和培养。第四, 课堂教学与过程评价相结合, 即针对本课中学生基础知识、探究能力、情感态度等学习目标达到的程度进行综合性的评价。这种评价注重过程性、发展性、多元性、互动性, 是当前国内历史教学改革中的创新尝试。

(参与研讨:白幼蒂、张文燕、叶小兵、姚岚、张增强、梁美秀、李静、郑洁、冯建、魏刚、张静等)

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