登州文會館物理實驗初步研究

自伽利略以來，實驗成為近代物理學最基本的特徵之一。晚清漢譯西方物理學著作中介紹了一些物理實驗，但是大多數學校還沒有重視物理實驗，所以有學者認為1918年以前“我國大學物理課只有講堂講授而無實驗課”。一些教會學校講實證、重實驗，建立了較好的實驗室，對於近代科學實驗在中國的傳播起到了引領作用。狄考文（Calvin Wilson Mateer，1836—1908）在山東創辦的登州文會館就是這樣一所學校。鑑於目前未見到有相關研究，本文對該校的物理實驗情況初步介紹。

一、登州文會館的物理教育

登州文會館是最早強調講授西方自然科學知識的教會學校，它是美國傳教士狄考文1864年創辦的蒙養學堂基礎上發展而來的，並於1884年被其贊助者美國長老會確認為大學，英文名稱“Tengchow College”，成為“中國第一所基督教大學”。登州文會館當時的規模並不大，但招生、授課模式、學生管理等都很有特色。早期將文理、中西甚至工科和醫科統統融為一爐，學生畢業後各有所長。

文會館一直特別注重物理學科，正齋第三年和第四年學習兩年物理學，其中第三年學習水學、氣學、聲學、熱學、磁學，第四年學習光學和電學。文會館在建校初期將丁韙良編寫的《格物入門》作為學校物理教科書。狄考文還自己編譯過《理化試驗》、《電學全書》、《電氣鍍金》等書籍，但是他本人對這些教材並不是十分滿意，沒有出版。

1882年，赫士（Watson McMillan Hayes，1857—1944）夫婦受美國北長老會派遣來到文會館。赫士自幼聰穎好學，受過正規的大學教育，學習了拉丁文、希臘文、是非學（邏輯學）以及理化諸科。來華不久就掌握了漢語，並用於教學和傳教。赫士先後編譯出版了《聲學揭要》、《光學揭要》和《熱學揭要》，並多次再版。至此，文會館的物理學教育得到進一步完善和發展，與物理教科書相配套的物理實驗和實驗儀器也得到了很大發展。

二、文會館實驗室的三個發展階段

登州文會館很早就建起了自己的理化實驗室，在近半個世紀的時間裡，登州文會館物理實驗室的發展大體經歷了初創階段、規範化階段、標準化階段三個發展階段。

1864年至1882年是初創階段，代表人物是狄考文。這一時期校舍簡陋，生源困難。狄考文白手起家，透過自己仿製、購買、別人捐贈等方法逐漸添置儀器，建立了文會館物理實驗室。狄考文1874 年2月的日記記述那一年工作時說：“實際上我的全部時間都用在了教學、實驗和製作儀器上。”此時的文會館經濟拮据，無力購買先進的實驗儀器，大部分實驗儀器是由狄考文自己製作，實驗室建設還處於初級階段。

1882年至1901年是實驗儀器的規範化階段，代表人物是赫士。1882年赫士來華，帶來一架較大口徑的望遠鏡及一些儀器裝置，建起了天文臺，並配備與其相適應的實驗儀器裝置，學校物理實驗室初具規模。1897年，狄考文在給美國傑斐遜學院同學的一封信中也說：“我們現在擁有與美國普通大學一樣好的儀器裝置，比我們畢業時的傑斐遜學院的兩倍還多”。後來被認為是齊魯大學四大裝置的實驗室、電機房、天文臺、印刷廠在登州文會館時期已經形成了。

1901年至1917年是物理實驗室的標準化階段，代表人物是路思義（Henry Winters Luce，1868-1941）。1897年，路思義受美國北長老會派遣來到登州文會館並負責學校的物理教學工作，直到他1906年回國述職為止。

1901年，路思義等人開始籌建文會館新校區。1904年，文會館遷往濰縣，在新校址建成了康偉樓，並與青州的廣德學院合併成立廣文大學。教學儀器裝置“移至廣文學堂，藏於康偉樓中，”實驗室管理也更加規範。1907年，路思義回到廣文大學，帶回了近三萬美元的募款，學校又添購和研製了大量先進的教學儀器和裝置，學生可以兩三個人一組同時進行實驗。

狄考文為了製作、準備教學實驗儀器，還花費 1000美元建起了一個相當完善的製作所。“我自己出資僱用了一名工人，我已對這名工人進行了訓練，他能夠做大部分普通工作。”這名工人是曾就讀於文會館的丁立璜，他事實上起到了實驗員的作用。1901年，丁立璜被袁世凱聘到濟南之後，這項職務由葛世澤接任。之後，製造所逐漸擴大規模，1911年，馮純修廣文大學畢業留校做教習併兼任理化製作所總工程師，直到1917年學校搬遷到濟南，製作所和實驗儀器留給了文華中學。

三、登州文會館物理實驗室的實驗儀器

1913年，廣文學校印刷的由王元德和劉玉峰編寫的《文會館志》，記錄了文會館的300多種實驗儀器，分為十大類，包括：水學器、氣學器、蒸氣器、聲學器、力學器、熱學器、磁學器、光學器、電學器三類（乾電器、溼電器、副電器）和天文器。現將有關情況介紹與說明如下（對與現代名稱一樣或明顯可知是什麼儀器的不予介紹）：

1、水學器類是研究流體力學的實驗儀器，包括靜流體力學（靜水學）和動流體力學（動水學）儀器裝置。水學實驗室是文會館最早建立的實驗室之一。列舉了35種儀器裝置：噴水狗、壓水管、壓水球、間流泉、無輪水磨、平常水磨、水力上托架、噴水馬、提水管、毛孔片、壓力筒、奶輕重表、水躍力筒、銀淡養輕重表、大水斗、輕重表、毛孔管、壓櫃、同體水稱、巴瑪壓櫃、壓力六面球表、攪水龍、密率表、過水瓶、鬼瓶、救火水龍、湍大勒杯、水錘、酒精、虹吸、葫蘆瓶、銅浮表、玻浮表、汽船水輪、試水漲球、光鐵射水器。

其中的密率表是其它物質相對於水的密度比率的一張教學用掛圖，酒精也只是教學用物品，並不能算實驗儀器，間流泉是一種關於氣體壓強的氣學器，被誤認為水學器，因此水學器中的實驗儀器應該是32種。其中的巴瑪壓櫃和水稱在西方應用非常廣泛，在實驗儀器中也屬較精密的儀器。水學器中還有一種稱為救火水龍的消防車，是一種用汽機做動力的消防裝置，在蒸氣器中還有水龍汽機，這種當時最為先進的消防車，也只在上海的租界和香港才有，然而誰又能想到在偏遠的山東登州文會館的學校實驗室裡竟已完備了。

2、氣學器類是有關氣體壓強研究的實驗儀器。包括21種：吸空球、吸重盤、輕氣球、氣稀盤、馬路水銀管、大抽氣機、空盒風雨表、積氣泉、吸重鞟、氣稀瓶、天氣球、天氣積火筒、水鬼、吸空水銀鬥、積氣筒、空中稱、積氣瓶、吸氣管、哥路第恩球、水銀吸氣管、間流泉。

其中輕氣球指的是熱氣球（熱氣球是法國人蒙特哥菲爾兩兄弟於1783年11月21日發明的），但文會館實驗室並沒有放飛熱氣球的相關記錄資料，可能是這種熱氣球比較小，並不是載人的那種大型熱氣球。風雨表是氣學器中的代表性實驗儀器，然而實驗室中有比較少見的空盒風雨表，卻並沒有提及最為常見且更為精確的水銀風雨表，依據當時的實驗要求看，離開了水銀風雨表研究大氣壓問題，幾乎是不可能的。《文會館志》說的“茲撮其要列左”，並不僅是一句謙虛的話，書中有關實驗儀器的記錄並不全面。

3、蒸氣器類是文會館實驗室中研究蒸汽機動力的實驗裝置，包括18種實驗儀器：火輪錘、升降鍋、舂礦機、擺動汽機、扭力蒸鍋、暗輪、瓦德汽機剖面、鼠力機、汽機鋸、火輪車、水龍汽機、汽機五種、橫機、輪車汽機剖面。

其中的“汽機五種”包含了瓦特改進蒸汽機之前的五種型別：希羅汽機、高氏汽機、吳氏汽機、塞氏汽機和牛氏汽機。該實驗室還有火輪車模型，1879年5月至1881年1月，狄考文夫婦第一次回美國度假，在這一次休假中，他在鮑德溫機車工廠（Baldwin Locomotive Works）經特別允准，待了一段時間研究機車構造，目的是要製作一個模型在休假結束後帶回中國。另有蒸汽船所用的暗輪，也即螺旋槳。文會館實驗室既有暗輪又有明輪，水學器中提到的汽船水輪即是明輪，華蘅芳設計建造的中國第一艘蒸汽機輪船——黃鵠號使用的就是明輪。

4、聲學器類共有18種，大多為比較常見的實驗儀器：賽輪、獨絃琴、聲光鏡、定音義（儀）、聲紋搿、無聲鈴義（儀）、空盒定音義（儀）、打琴、口琴、聲光筒、無聲鈴、印音輪、礙聲管、聲浪玻片、聲浪玻管、大助聲筒、大聲浪機、聲浪銅片。

無聲鈴儀和定音儀仍然被現代中學物理實驗中廣泛應用，定音儀現在稱為音叉。印音輪則是早期研究錄音原理的裝置。路思義1907年從美國募款歸來，還帶回來一架留聲機和一疊“古典和流行兼具”的唱片。

5、力學器類是關於力學實驗的儀器裝置，包括：槓桿架、雙尖劈、天平、離中弧、瑪瑙臼、不倒翁、高升輪、躍力架、翻車人、離中機、離中杯、立方鐵瑪（碼）、欹器、稱架、傳力球、離中車、摔力杯、法國法瑪（砝碼）、斜塔、重心板、穩行球、斜面車、滑車架、中國法瑪（砝碼）、奇動輪、重心杆、躍力框、鋼舂、互轉架、蓄力球、旋轉機、離毗力球、立方鉛瑪（碼）、英國法瑪（砝碼）、地球形圓、各式滑車。

力學器的確切種類並不是很明確，需要進一步考證，以滑車（滑輪）為例，只提到了滑車架和各式滑車，至於究竟有多少種滑車，並沒有詳細說明，但從文會館早期物理教材《格物入門》的力學卷看，“各式滑車”不少於四種，分別是死滑車（定滑輪）、活滑車（動滑輪）、滑車相連（滑輪組）、有凹槽的滑車組（應用型滑輪組）。迦諾的《初等物理學》第14版也有相近的說明，所以力學器應該不少於39種。力學器還很重視包括了測量物體質量的儀器，不僅有精密度極高的天平，僅砝碼就有五種。

6、熱學器類有26種：射熱筒、零玻滴、引熟圜、吹火、引熱囊、雪鹽冰球、鐵球架、鉑鍋、漲力義（儀）、熱聲筒、漲力表、較準寒暑表、傳熱表、銀鍋、磨力管、開花炮、漲力燈、散熱銅壺、自記寒暑表、四質漲力圜、散熱泥壺、磨熱管夾板、雙球寒暑表、熱學金類條、試漲力鐵球與圜、傅蘭林胍表球。

其中漲力表和傳熱表是表徵物質受熱膨脹係數和傳熱能力的掛圖，不應屬於實驗儀器之列，所以熱學器應為24種。熱學器中研究物體受熱膨脹的儀器有四種：漲力儀、漲力燈、四質漲力圜和試漲力鐵球與圜。寒暑表（溫度計）也有三種：較準寒暑表、自記寒暑表和雙球寒暑表。

7、光學器類至少有62種：極光鏡、映畫鏡、雙凸鏡、隔光簾、折光池、旋轉機畫、手轉機畫、凸鏡、顯微鏡、平行鏡、照面鏡、稜光窗、光表探、新萬花筒、顯微鏡畫、凹鏡、活角鏡、繪畫鏡、間色鏡、三稜瓶、豎電池、直角三稜、極光鏡表、光表、萬花筒、鈍角鏡、牛頓鏡、肥皂圈、折光表、愛斯蘭石、比路斯得、光原、活畫輪、奇妙燈、輕養燈、差角表、湊巧畫、顯微鏡槽、量直角鏡、光窗、尖錐鏡、鉑絨燈、分影鏡一、分影鏡二、返光鏡、三稜玻璃、返光凹鏡、胍鏡、存光板、七色輪、留光管、黑方鏡、雙凹鏡、返光凸鏡、直角三稜、千里鏡、雙遠鏡、然根光諸器、試流質折光器、大直角返光鏡。

燃根光（倫琴射線）諸器至少有三種：虛無筒、燃根光發生器2種。光學器的數量僅次於文會館實驗室中的電學器，一些精密度很高的儀器如顯微鏡、千里鏡（望遠鏡）、雙遠鏡（雙筒望遠鏡）等應有盡有，還有研究偏振光的極光鏡，以及當時研究X光的燃根光諸器，都是當時學校物理實驗室中最為先進的實驗儀器。目錄中兩次提到雙凸鏡，其中一個應為雙凹鏡，應屬於記錄時出現的筆誤。

8、天文器類包括6種儀器和4張實驗室掛圖：遠鏡（徑十寸）、天球、天文指表、章動輪、章動表、經緯儀、紀限儀、行星繞日表、恆星表。

文會館非常重視天文學的研究，很早就建立起用於觀測的天文臺。1879 年，狄考文從美國帶回了一架口徑 25 釐米的反射式望遠鏡，實驗室中的遠鏡（徑十寸）應該就是這架望遠鏡。天文器材和天文觀測裝置還有當時的國內很先進的章動輪以及章動表。經緯儀和紀限儀也屬於光學儀器。

9、磁學器類列舉了15種：磁鐵、磁稱、磁魚、指南針、水上磁針、量地羅鏡、磁末小盤、磁轉電流、側針、鋼屑、鐵末、地磁環、磁感電流、磁針、航海羅鏡。

其中鐵末、鋼屑是實驗材料，不應列入實驗儀器之中，所以磁學器有13種儀器。其中的磁轉電流和磁感電流都是指的是產生這兩種電流的裝置儀器，地磁環是指模擬產生地磁環的儀器。

10、電學實驗室是文會館最大的實驗室，具體包括乾電、溼電和副電三部分。“電分兩種，由幹而生者”稱為乾電，“由溼而生者”稱為溼電。

乾電部分包括63種儀器：電轉、電囊、電鈴、電日月、吸驅球、量電瓶、雷盾電瓶、侯氏電機、電炮、電瓶、電網、電酒杯、電跌船、電火蛇、電躍水杯、葛利電機架、鈾杯、電準、電毛、金頁表、電飛毛、虛無筒、正弦電錶、做水銀屑瓶、電球、電星、電砂、電打鵲、電空球、電鴻鍾、電舞人架、活雷盾瓶、電蛋、電龍、電臺、電蜘蛛、電皮球、電火字、花雷盾瓶、穰球、電穗、文暑德干電機、琥珀、跳舞盤、電鞦韆、電舞人、電劈物機、北方曉全具、電稱、電堆、電燈、電錫盤、放電義（儀）、電尖堆、無極電錶、享利放電架、電搬、電盒、電鵝、扭力表、象限表、隔電機、否司電機、範克林電頁。

乾電儀器主要是電的一些應用，如電動機就提到了五種，電在生活中的應用儀器更是應有盡有。乾電部分提到的虛無筒，屬於觀察倫琴射線的燃根光諸器。

溼電部分包括39種儀器：磁電、榮燈、鉑燈、顛倒管、德律風、極裡雷、但氏電池、羅環、電輪、裡雷、埋革風、火藥電氣芯子、電報響、力電機、銀電鏈、磁電震人機、電鑰、電纜、電錶、立電錶、家電報、熱電錶、空鈴電蓋、傅德電堆、電稱、阻箱、電池、原電錶、分水杯、熱電堆、無極電錶、馬斯收信機、電扇、電線、電炮、安培表、佛耳表、乾電池、正切電錶、佛耳達電堆。

僅電錶就有5種，電池也有6種，其中的佛耳達電堆就是著名的伏打電堆。而乾電儀器中也有電堆、正弦電錶和無極電錶，說明乾電和溼電儀器已沒有起初的界限了。乾電和溼電部分都提到了無極電錶，溼電部分不再計入。

副電部分主要是研究電和磁的相互關係的實驗儀器，包括22種儀器：流感磁、磁感流、電磁鈴、副電池、地磁感副統環、木頭耳、流感流、副電盤、副電機、副電輪、地磁轉電流器、代拿木、叟羅那、磁感流玻筒、磁轉電流機、電弧燈、稜考夫副螺筒、馬掌磁、磁漲表、靜副電盤、電流轉磁件、射影燈。

流感磁和磁感流分別是電流感應產生磁場和磁場感應產生電場的儀器，還有流感流指的是電流產生感生電流的儀器。將副電這一部分單獨列出，可見文會館對電磁技術的重視。值得一提的是射影燈，本來是屬於光學儀器的，在《光學揭要》中也有非常詳細的介紹，但之前所說的射影燈是以煤氣燈為光源的，而將射影燈歸入電器類，則說明其光源也變為電燈了。

文會館實驗室中至少有儀器種類357種，另有7種實驗掛圖和一些實驗物品，僅電學部分就有124種實驗儀器。如此龐大的物理實驗室，經歷了近半個世紀的發展，有著自己獨特的發展脈絡和特點。

四、文會館物理實驗室的特點

1、文會館物理實驗室是經過幾十年的連續建設，逐步形成的，同時又是不斷髮展更新的。實驗室的建立和發展，是由狄考文、赫士、伯爾根幾人共同努力完逐漸完善的。狄考文是按照文會館最初使用的教科書《格物入門》給實驗室分類的。隨著赫士將教材改為迦諾物理學，他和伯爾根又發展了熱學實驗室、聲學實驗室和光學實驗室，但電學實驗還是保持原樣，分乾電、溼電、電報三部分，後來將電報部分改為副電實驗室。實驗室的不少裝置是他們自制的，水學部分儀器的材質還有很多是用竹子的。有的儀器有明顯的更新換代的跡象，如前文提到的射影燈，就是由光學器更新為現代意義上的幻燈機的。

2、文會館物理實驗室的儀器完全可以滿足學校物理教學的學生實驗和演示實驗要求。如水學器、氣學器和力學器儀器可以做水的壓強與浮力實驗、大氣壓的實驗、力學的力和物體質量的測量實驗以及簡單機械實驗，蒸氣器儀器可以做較複雜的機械傳動實驗。光學器儀器與教材《光學揭要》相結合，可以做光的反射、折射、透鏡成像等一系列實驗，甚至還有非常先進的顯微鏡和專用的顯微鏡畫、較大口徑的望遠鏡，能做較複雜的偏振光實驗。聲學、熱學類儀器有研究聲音訊率的賽輪、研究錄音原理的印音輪，還有研究聲熱技術的聲熱筒，是與《聲學揭要》和《熱學揭要》的教學相配套的。電學實驗室測電流、測電壓、測電阻等實驗用電錶一應俱全，電和磁的相互轉化實驗儀器也很全，甚至還教授全套的電報技術，這些在當時都是非常先進的。

3、文會館物理實驗室還特別注重與教學的緊密結合。學校實驗室的根本目的還是服務於教學，文會館師生在長期的教學實踐中，還設計出很多儀器簡單，現象明顯的實驗。如光學實驗中的微質漫反射實驗。“玻璃杯底襯黑絨”，燈光射入時由於黑色返光很少，所以杯子黑暗“如故”，當杯子內“燃有紙菸”則“較明”，其原因是“微點有返光之能”。這個實驗設計的很巧妙，用的實驗器材不多，而且釋放煙霧前後的明暗對比明顯，更便於學生接受和理解。

4、文會館實驗教學寓教於樂，注重培養學生的學習興趣。狄考文善於將複雜嚴肅的物理實驗“用介於演示和娛樂的方式”展現出來。艾達（狄考文的繼室夫人）講述過狄考文在濰縣廣文大學教授的一堂物理實驗課：我們坐在學院一間遮蔽得很黑的屋子裡，注視著長串的火花，彎彎曲曲地穿過五顏六色的光圈，一位半身照亮的高個子（狄考文），長者白鬍子，穿一身黑色長袍看上去就像一位老魔法師，喚起了在場的人們的興致。接下來，他用X光展示了我們每個人雙手的骨骼。這樣的實驗課總是讓人記憶深刻。

五、結語

狄考文建立文會館的目的是培養為教會服務的教牧人員，但客觀上卻培養了一批優秀的科技人才，雖然人數不多，卻影響甚廣。1898 年，京師大學堂一次性聘任登州文會館的12位畢業生擔任教習，整個京師大學堂的西學教習，只有一名不是登州文會館的畢業生。隨後，各地方政府爭聘文會館畢業生為教習。截至 1904 年，文會館畢業生“領有畢業憑照，效力於教界、學界者，以三百數，蹤跡所至，遍十六行省。”文會館取得這樣驕人的成績，主要還是得益於嚴格的教學管理和先進的教學儀器。

作者：郭建福，科技史博士，濱州學院教師

文章是國家自然科學基金資助專案，發表在中國科學院刊物《自然辯證法通訊》2018年第8期。