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關鍵詞:機械傳動;傳動系統;機械制造
中圖分類號:TH132 文獻標識碼:A 文章編號:1009-2374(2014)08-0004-02
1 機械傳動技術的發展歷史
1.1 機械的主要傳動方式介紹
機械的主要傳動方式包括:機械傳動、流體傳動、電傳動。目前,電磁軸承、電磁傳動等非接觸式傳動也逐漸出現,將傳動技術的范疇拓寬。但具備了機械傳動系統必須的要件的“機械傳動”仍是最主要的傳動形式,如恒功率輸出、速度影響、效率等都很好。
1.2 機械傳動技術的特性
高效、高速、多功能、精密是機械逐漸達到的范圍,那么就必然要求傳動機的功能和性能也達到一個高端和精準的層面。在某種程度上,傳動技術對機械的工作性能、壽命、能源的消耗、振動的噪聲等影響很大。機械傳動的形式包括齒輪傳動、帶鏈傳動、摩擦傳動等。
在最近幾年,機械傳動技術得到了長足發展,其作為組成機械設備的重要部分之一,與機械誕生及其進步、更換有著緊密的聯系,它有助于推動生產力的更新換代,有助于解決一系列的生產難題。在我國早期,指南車有著類似于齒輪傳動的裝置,美國在20世紀中期將指南車模型進行展覽。戰國到西漢期間,機械傳動的重要標志就是齒輪已經誕生,指南車的發明早于宋代,中國古代科技史學家王振鐸認為,三國時期的馬鈞發明了指南車。
據相關文字記載,表明了機械傳動裝置大約3000年的歷史。在羅馬時代,人類文明逐漸進步,谷物碾磨的木制齒輪是在水力驅動下運作的,傳動隨之出現在人們的視野。瑞典人在谷物磨中率先采用了傳動技術史上稱得上是突破斜齒輪傳動,斜齒輪是由石頭制成的,在材料上稍為原始。
14世紀,由于時鐘較為精細,傳動齒輪逐漸精密、小巧,人們開始研究金屬齒輪,以減小尺寸。
18世紀初,蒸汽機進入使用,相續在礦井排水、鐵路機車、加工制造等領域。蒸汽機本質上是機械的動力系統,它的發展對于傳動系統提出更高的要求,高標準、高質量的金屬齒輪傳動在之后得到應用。
19世紀末期,電動機和內燃機出現。
20世紀初期,擺線、漸開線齒形的齒輪傳動先后出現。40年代左右,漸開線和非漸開線齒輪傳動的齒形計算方法、齒輪刀具、被加工齒輪、相互嚙合的齒輪之間關系及齒形計算方法、空間三維齒形及其嚙合計算方法,逐漸發展開來。20世紀50年代,初步形成了齒輪傳動的表面接觸和輪齒彎曲強度,以及動載荷的傳動設計方法。20世紀60年代,宇航技術的發展要求機械傳動更加精確。90年代,人們開發了被廣泛用于冶金、船舶、電廠等關鍵設備及故障診斷的齒輪傳動系統的狀態監控。這一開發是基于傳動系統動力學研究,并在故障診斷與失效預報兩個方面也開發了相關的診斷系統。
2 機械傳動技術的相關研究
2.1 機械傳動的信息化與智能化
信息化和智能化作為現代社會科學發展的重要特征,涉及生產和生活的多方面,機械傳動領域也如此。根據原動力系統的效率特征和執行系統的功能,結合了機械傳動技術與計算機控制技術,實現了信息化和智能化,通過計算機控制技術,精確實現動力傳動功率和速比的實時控制,使原動力系統、傳動系統和執行系統趨于融合,這一研究也成為機械裝備實現自動化和智能化的重要基礎。
在科研人員的研究下,傳動系統的信息化與智能化和機械裝備的信息化與智能化,已獲得了重大進步,在汽車、工程機械和軍工機械生產領域被廣泛使用。在結合了信息、計算機和控制技術與機械傳動技術的基礎下,出現機械傳動的信息化與智能化,使動力傳動功率和速比的實時控制出現,在車輛中廣泛應用,包括機械自動變速傳動、液力機械自動變速傳動和無級自動變速傳動三種形式。
2.1.1 液力機械自動變速傳動。由液力變矩器和行星齒輪傳動構成的液力機械自動變速傳動(AT),液力變速器不僅僅可增加扭矩、吸收沖擊振動,也可在較小的范圍內將無級變速變為現實。機械自動變速傳動采用液力變矩器,使得車輛起步換檔平穩、舒適。
2.1.2 無級自動變速傳動。實現“發動機一變速器一道路負載”的最佳匹配和汽車動力傳動系統的最佳燃油經濟性和動力性,就是無級自動變速傳動(CVT),即帶式無級自動變速傳動和牽引式無級自動變速傳動。
20世紀90年代末期,和日產汽車公司與日本山一油有限公司合作,率先研究并成功開發了牽引式無級自動變速傳動,將裝車運行實現。由于無級自動變速傳動的承載能力較大,被廣泛用于大排量的汽車、工程機械和重型裝甲車輛,作為未來日本和歐美等發達國家及部分地區的研究重點。
2.2 械傳動裝置的高性能、低成本、小型輕量化
從傳動原理和結構出發,采用高強度的新材料,噴丸、冷擠壓、表面涂層和表面復合處理,均可提高傳動系統的承載能力和使用壽命,減小傳動系統的體積和
重量。
顯示在誘導傳動部件微點蝕的表面微缺陷和裂紋擴展和熱處理交變應力,微點蝕的影響下和裂紋擴展;嚙合傳動副分析負載條件下,負載分配和牙齒評價之間的關系壓力,牙齒牙齒表面改性和負載分布和應力強度,傳動部件,如每一個的實力,如壽命設計,是提高承載能力和使用壽命,減少了重量和所需要的傳輸容量研究的傳輸系統主題。
現代機械工程的發展對于機械傳動系統的要求也越來越高,比如,宇宙空間的真空高、重力微、溫差大,海洋環境下的海水腐蝕,強磁場或強強電場等特殊環境下的機械,就需要與該環境相適應的傳動系統。
3 傳動系統新材料的突破
20世紀50年代,在蘇聯成功發射人造地球衛星之后,先進材料對高科技的發展影響很大。在機械傳動技術領域,性能特點鮮明且獨特,如梯度、納料、陶瓷、高分子聚合物、智能、表面涂層,以及自修復材料等,機械傳動技術的發展和性能被這些獨特的性能推進發展。作為多學科交叉與結合的結晶——材料科學,與工程技術是密不可分的,并且在全世界的排名中也位居前列。
4 提升機械傳動的適應性
真空高,重力微,高溫,腐蝕性海水的海洋環境,以及強磁場或強電場作用下的空間特機械環境,我們需要適應傳輸系統的環境。
此外,微型傳動系統作為微機械中重要的研究方向。微型傳動系統與普通機械傳動的工作原理和性能特征受到尺度效應的影響,存在一定的差異,當傳輸系統的微米或納米級的小尺寸,這將是一個很大的新的科學問題。表面積的傳輸副成分增大,表面力學,表面物理效應,摩擦學,傳輸和不同規模的常規熱傳導體積比,我們需要加大研究力度。
5 結語
進入二十一世紀以來,科學技術的發展,包括信息和控制、新材料、能源和環保以及先進的制造技術,已逐得到創新和發展,科學在這些領域的技術進步的一個重要領域,以促進科學和技術的發展的機械傳動。在很大程度上機械傳動技術的發展與突破影響著機械傳動的發展與振興,對機械傳動的研究必將更加深入。
參考文獻
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[4] 張啟先,張玉茹.我國機械學研究的新進展與展望
關鍵詞:機械傳動;科學技術;發展歷史。
一、機械傳動系統研究的重要性
在機械系統中工作機、原動機和傳動機是其三大基本組成部分,機械系統的原動機為機械系統的運動提供了基本的動力,工作機是機械的具體功能執行系統,機械功能的種類有很多,這就使得工作機的結構形式和運動方式存在一定的差異。原動機的運動具有單一性和簡單性特征,工作機的運動具有多樣性和復雜性特征,二者之間存在矛盾,因此,在機械系統工作的過程中需要使用傳動機將原動機的運動和動力大小、方向進行轉換,將其傳遞給工作機,使得工作機能夠正常運轉。在機械系統中的原動機運動和動力輸出無法滿足工作機的工作要求時,就必須將傳動機應用到其中。隨著科技的快速發展,機械系統開始朝著高速、高效、精密、多功能的方向發展,因此,人們的生產生活中對傳動機的功能要求越來越高,機械系統的工作性能、能源消耗和振動噪聲大多取決與機械傳動系統的性能,因此對機械傳動系統進行細致的研究是十分必要的。
二、機械傳動科學技術的發展歷史
機械傳動是機械系統的重要組成部分,在機械誕生的同時就已經出現了機械傳動。早在中國古代,指南車這種早期的機械就安裝有累死齒輪傳動的裝置。14世紀,時鐘的發明促進了齒輪傳動的發展,人們開始研究金屬齒輪傳動,并在排水裝置中采用大型機械傳動系統,將風力機械傳動裝置用于工廠生產中,推動了制造業的迅速發展。18世紀初最早的蒸汽機誕生了,被運用到礦井排水、鐵路機車和加工機械中,這就意味著機械傳動的需求在極大程度上得到提升,此時,以水能為動力的機械傳動系統在紡織和冶金工業中得到廣泛應用。19世紀末,電動機和內燃機誕生,這些原動機的產生促進了機械傳動的發展,并使機械傳動在船舶、制造廠、發電站和鐵路機車中得到廣泛應用,但是交通和工業的發展對機械傳動的需求也逐漸提升,實現機械傳動的可靠性成為機械工業發展的主要目標。20世紀初期,擺線齒形和漸開線齒形的齒輪傳動誕生了,這些齒輪傳動在船舶、鐵路機車中得到應用,且對齒形機械傳動的精度要求越來越高,齒輪傳動設計開始受到重視和關注。20世紀40年代,漸開線和非漸開線齒輪傳動的齒形計算方法得以問世,多采用幾何學分析方法對其進行計算。20世紀50年代,在大量機械傳動試驗研究的基礎上,齒輪傳動設計更加精細,齒輪傳動設計要充分考慮齒輪表面的接觸強度、彎曲強度和荷載,并將其應用到汽輪發電機傳動系統的設計中,有效提高其承載能力。20世紀60年代,機械傳動被應用到宇航技術發展中,火箭推注系統對機械傳動裝置的要求很高,要求其具有體積小但、承載能力大的有點,從宇航飛船安全性角度出發,對宇航機械裝置的可靠性要求也更高,細致研究宇航飛船中的機械傳動裝置和傳動裝置材料性能,才能確保機械傳動裝置在宇航技術中應用良好。20世紀70年代,機械傳動研究中的空間嚙合理論研究成為研究的熱點,這些研究成果被應用到新型傳動裝置的開發中,這在極大程度上推動了機械傳動的科學發展步伐。在不同工作條件下,使用齒輪油等添加劑能有效提高機械傳動的使用性能,并延長其使用壽命。20世紀80年代,空間嚙合理論的研究已經取得了相當可觀的成果,空間嚙合理論的研究已經達到了很高的水平,空間嚙合齒輪受載接觸分析方法誕生出來,在應力分析中得到廣泛應用。此時,航空、船舶工業中的機械傳動振動噪聲問題成為人們關注的重點,在機械傳動設計的過程中以減振降噪為主要目的,航空、船舶機械齒輪傳動材料質量的控制更加嚴格,成本低、重量輕且性能良好的非金屬材料被運用到齒輪傳動系統生產中。20世紀90年代,以齒輪傳動和帶傳動為主的力學機械傳動成為業界研究的熱點,研究的主要目的是減振降噪,對多種類型的齒輪傳動系統進行拓展研究。
三、機械傳動科學技術的研究
21世紀時科技信息高速發展的時代,先進的信息技術、能源技術、環境保護技術、新材料技術和制造技術成為科技發展的重要技術手段,這些科學研究成果和先進的技術手段成為機械傳動科學技術發展的基礎。
1.機械傳動具有信息化和智能化特征
目前,我國的機械傳動呈現出信息化和智能化特征,機械傳動研究中要將先進的計算機信息技術、控制技術和機械傳動技術有效的結合起來,根據機械系統中原動機和工作機效率特征、功能要求的基本特征,使用計算機技術實現機械傳動的智能控制,并對機械傳動功率和速比進行實時控制,實現原動機和工作機的最佳匹配和有效協調,才能使得現代化機械裝備呈現出自動化、信息化和智能化特征,例如,汽車生產中廣泛應用到機械傳動理論,并將機械傳動的信息化和智能化應用在汽車自動變速傳動中。
2.機械傳動動力系統具有節能和環保作用
機械傳動動力系統的節能和環保既包括傳動系統本身的節能環保作用,還包括機械系統中原動機和工作機的節能和環保,在機械傳動系統節能環保設計上,使用無污染的劑能有效避免環境污染,并對以行星傳動為代表的分流傳動進行研究,使用功率流程設計方法實現機械傳動系統的分流傳動功率流的均載和協調。機械傳動系統設計中,充分考慮原動機和工作機的節能和環保作用,根據原動機和工作機的功率和速度對傳動系統進行合理設計,使原動機和工作機實現最佳匹配效果,確保原動機擁有最高效率的同時排放的污染物最少。例如在汽車生產中采用多檔變速和無級變速實現汽車發動機工作的有效調節,將自動離合器和變速器構成的動力裝置結合起來,確保汽車在行駛中達到節能減排的目的。混合動力汽車具有良好的節能環保功能,汽車的混合驅動系統使得汽車的使用性能更佳。
3.材料科學技術與機械傳動的有效結合
21世紀的機械傳動系統將材料科學應用到其中,促進科學技術的發展。隨著新材料的研發,各種新材料在機械傳動中的應用得到促進,在極大程度上實現了機械傳動科學技術的發展和性能提高。梯度材料、高分子聚合物、智能材料等對機械傳動的性能具有十分重要的影響。由表至里呈梯度變化的材料就是梯度材料,由于該類材料由表至里的變化很有規律,因此特別適合用作機械傳動零件。高分子聚合物具有良好的耐磨損和性能,在機械傳動中的應用較廣,塑料齒輪被廣泛應用到辦公設備中,并且在使用的過程中無需任何介質。隨著高分子聚合物復合材料種類的增多,其性能也得到提升。智能材料是通過信息技術來控制的,能有效改變其服役性能,實現機械結構智能可控性的材料。采用智能材料制作機械傳動裝置,能通過智能材料適時控制實現機械傳動系統減振降噪的目的。
總結
通過對機械傳動科學技術的發展歷史和研究的分析可知,機械傳動是機械系統的重要組成部分,機械傳動科學技術的發展和人們的生產生活水平具有十分密切的關系。21世紀是科技信息高速發展的時代,各領域都應用到機械傳動科學技術,將先進的新機技術、能源技術、環保技術和新材料技術應用到機械傳動領域中,才能促進機械傳動科學技術的可持續發展。
參考文獻
[1]顏鴻森.機械裝置的創造性設計[M],北京:機械工業出版社,2002.
關鍵詞 發展 科學技術
中圖分類號:K256.1 文獻標識碼:A
時期,西方科學技術的傳入對當時清政府的社會、政治、經濟發展起了重要作用。本文從科學技術與近代中國社會觀念的進步、新式人才的培養、的發展、近代物質文明的發展等方面進行一定的探討,試圖從科技角度對西學東漸與晚清社會進步關系的上分析與綜合。
1“科學主義”在中國的最初表現
科學主義思想源自啟蒙主義,成于實證主義。17世紀F.培根的名言“知識就是力量”成為后世科學主義者一個常用的口號,其中“知識”被理解為科學。牛頓理論使人看到了科學在闡釋世界方面的理性力量,宗教對自然的闡釋逐漸讓位于科學,使得科學獲得了宗教的部分神性。科學逐漸被認為反映了自然的本質規律,是絕對正確的客觀真理,自然而然地成為最高的判斷標準。
中國的科學技術是20世紀初隨著現代科學的大規模進入而建立起來的。嚴復第一個把西方社會的先進性歸因于“科學”和“民主”,把科學從“術”的地位升為“道”。科學意味著理性、文明、進步和效率,它不僅是一種外在的善,而且具有一種內在的美。因此,科學既是知識合理性的評判標準,又是知識合法性的衡量尺度,惟有進入科學領域,知識才具有合理性并獲得存在的合法性。文學、藝術、宗教等人文知識因為不具備科學的特征而被排斥在外。實際上,科學主義要求科學具有話語霸權,這就意味著科學所體現出來的功利主義與人們對終極價值的追求產生了難以填補的隔閡。
中國文化素來有重形上而輕形下、重道輕器、重理論輕實用的傳統。1840年以來,由于在只講功利不講道義的戰爭中失敗,中國人感到有引進西方科技的必要,可是這種引進完全是出于“中體”層面的,仍然大談倫理名教,甚至說出“外洋以富為富,中國以不貪得為富;外洋以強為強,中國以不好勝為強”的昏話;與之同時,在“西用”層面上,卻大造槍炮,大辦洋務,試圖“師夷長技以制夷”。這種文化內雙重取向之間的沖突越來越明顯,而且互相摯肘,導致了嚴重的內耗。最終倫理名教只剩下了一個空殼,而師夷長技也只學了些皮毛。
2學習西方科學的主要方式
2.1開設學堂,培養外事人才
后,開放口岸成倍增加,外國公使允許駐京,各通商口岸設領事館,外事事務增多,急需翻譯人才。江南制造局、福州船政局和天津機器局等幾個大型局廠,開設有學堂,聘請洋教習傳授知識技能,培養了一批現代化業的管理人才和科技人才。1862 年設立同文館培養了一批翻譯人才。恭親王奕 、李鴻章奏請成立語言文字關培養翻譯人才。1862 年,設立。設有英文館、俄文館、法文館、德文館、日文館,聘請外國人任教習。同時,又增設了天文、算學、物理、化學、醫學、外國史地等課程。
2.2派遣留學生出國學習
在容閎的奔走下,1872-1875 年,選拔 120名留童赴美學習,雖然這批留童由于頑固派的阻撓提前回國,未完成預定的留學計劃。但是,他們中涌現了一批現代著名人物,成為現代化的實用人才,如修筑京張鐵路的詹天佑。 1877 年清政府又派出赴歐留學人員,1881 年派出第二批赴歐留學人員,1885 年派出第三批。19 世紀末培養了一批不同于封建士大夫知識結構的翻譯人才、外交人才、科技人才達千人以上,成為現代化建設的骨干力量。
2.3建立各類新式學校二三十所
這些學校有專門的軍事學校和工藝學校,如上海電報學堂、天津武備學堂、廣東水師學堂、天津軍工學堂等一批專門化的學校。前傳統士子以八股選拔人才,但在西學的沖擊下,學習實用的技藝逐漸受到重視。
3時科學技術的進步意義
(1)培養了現代化企業管理人才和科技人才。如經辦福州船廠的丁日昌,經辦漢陽鐵廠的徐華封,原是江南制造局的局員。福州船政局、江南制造局及天津機器局等幾個大型軍工企業還附設各類學堂,聘請外籍教員講授數學、物理、化學、英文、法文等課程,培養了一批科技、外交、工程人才。同洋匠跟班實習,培養一批掌握現代技術的工人。譯書館翻譯出版的各類書籍史地、社科、軍事工程、科技類推廣西方的先進知識,開闊眼界極為重要。
(2)促進了現代民用工業形成與發展。一方面,軍事企業所需的原料單靠進口成本過高,需要建立民用企業由本國生產滿足需求。另一方面緩解政府資金的不足,這兩點刺激了民用企業的產生。“1872 年設立的上海輪船招商局;1877年設于灤州的開平礦務局;1887年設立的漠河金礦;1882年設立的上海機器織布局;1889年設立的湖北織布官局。
(3)興辦中國第一批現代化軍事企業和民用工業,為中國現代化奠定了物質基礎,使中國跨出了現代化的第一步。如 1866年閩浙總督左宗棠創辦福州船政局,開始聘請法國人為監督,引進國外技術,建造船只,后來自行設計制造,到甲午戰前,完成自主設計制造輪船 19艘。1867年三江通商大臣重厚創辦天津機器局,后由李鴻章接手,自主設計的機器占了很大的比例。此外,各省督撫自籌經費創辦的中小型的軍火工廠從模仿洋槍洋炮到自己生產制造。
參考文獻
[1] 馮桂芬.校廬抗議[M].中州古籍出版社,1998.
關鍵詞:電氣工程技術;電氣學科;發展史
中圖分類號:F407文獻標識碼: A
一、電氣工程技術的發展史
電氣工程(Electrical Engineering)是現代科技領域核心學科之一,傳統的電氣工程定義為用于創造產生電氣與電子系統的有關學科的總和。21世紀的電氣工程概念已經遠遠超出這一范疇,如今電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關的工程行為。電氣工程的發展程度直接體現了國家的科技進步水平,因此,電氣工程的教育和科研在發達國家大學中始終占據重要地位。
1.電磁學理論的建立及通訊技術的發展
大自然中的雷電使人類對電有了最早、最樸素的認識,天然磁石吸鐵是人類對磁現象的最早觀察,然而,人類對電磁現象的研究始于16世紀的英國,1663年德國科學家蓋利克發明了摩擦起電的儀器,1729年英國科學家發現電荷可以通過金屬傳導等等,這是人類對電的早期實驗,之后又出現了一系列具有里程碑意義的發現與發明。
(1)庫侖定律。1785年法國物理學家庫侖通過扭秤測量靜電力和磁力總結出:兩個電荷之間的作用力與它們間距離的平方成反比,與它們所帶電荷量的乘積成正比,這就是著名的庫侖定律。這一發現的歷史意義在于它標志著人類對電磁現象的研究從定性階段進入了定量階段。
(2)“伏打電池”。1799年意大利物理學家伏特經過反復實驗發現把任何潮濕物體放到兩個不同金屬之間都會產生電流,一年后伏特發明了世界上第一個電池,自此人類對電的研究由靜電擴大到了動電,開辟了電學研究的新領域。
(3)奧斯特發現電流的磁效應和安培右手定則。1820年奧斯特偶然發現通電鉑絲周圍的小磁針發生輕微晃動,之后他經過反復實驗證實了這一發現。其后安培進行了更深入的研究,提出了右手定則,發現了電流方向與磁針轉動方向之間的關系。安培還通過實驗發現了兩個通電導體和兩個通電線圈之間相互作用的規律,從而奠定了電動力學的基礎。
(4)法拉第發現電磁感應。英國科學家法拉第是第一個成功完成磁生電實驗的人,并歸納出產生感應電流的五種情況:一是變化著的電流;二是變化著的磁場;三是運動的穩定電流;四是運動的磁場;五是在磁場中運動的電線。法拉第把這一現象叫做“電磁感應”。電磁感應的發現使生產電成為可能,至今,發電機、電動機、變壓器都是運用電磁感應原理工作的。
(5)麥克斯韋建立電磁場理論。英國數學家、物理學家麥克斯韋總結了前人的一系列成果,用數學方程式表示電磁場,建立了完整的電磁理論體系,揭示了光、電、磁本質上的統一,并預言了電磁波的存在。1873年他出版的電磁場理論經典著作《電磁學通論》是里程碑式的自然科學理論巨著。
任何科學發明與發現都是許許多多的科學家不懈努力的成果,德國物理學家歐姆、高斯、赫茲,美國物理學家亨利,俄國物理學家楞次等等都為電磁理論的形成作出過貢獻,本文不在一一類舉。
電磁理論的建立為無線電通信揭示的發展奠定了基礎,19世紀通信技術取得了突破性成果,先后發明了有線電報、有線電話和無線通信。
2.電工技術的初期發展
人類社會發展歷程中經歷了三次工業革命,對人類的進步起到了巨大的作用。第一次工業革命從18世紀中葉到19世紀中葉,以瓦特發明的蒸汽機為標志,以機械化為特征,中心在英國;第二次工業革命從19世紀后半期到20世紀中葉,以工業生產電氣化為主要標志,其成果是電力、鋼鐵、化工“三大技術”與汽車、飛機和無線電通信“三大文明”,其中心在美國和德國;第三次工業革命從20世紀中葉到21世紀初,以社會生產、生活信息化為特點,又叫新技術革命。第二次工業革命就是從電工技術初創和應用開始的。
(1)直流發電機的誕生。1831年英國企業家研制出了史上第一臺發電機――蒸汽動力永磁發電機;1832年法國科學家匹克斯發明了世界上第一臺直流發動機;1866年西門子發明了自激式勵磁直流發電機;1870年格拉姆發明了實用自激直流發電機,結構可靠,電流穩定,輸出功率大,被各國廣泛采用作為照明燈電源。
(2)遠距離輸電和電力工業技術體系的初步建立。1875年法國巴黎火車站建成世界上最早的一座火力發電廠。愛迪生不僅發明了燈泡,他還在1882年建立了美國第一家直流發電廠,裝有6臺直流發電機,通過電纜輸送照明用電,不過當時的最大輸送距離只有1.6km。之后愛迪生還建立了一座水電站,形成了電力工業體系的雛形。
(3)交流發電機電荷電動機的誕生。1876~1878年俄國人亞布洛切科夫成功試驗了單相交流輸電技術。1885年,英國工程師菲爾安基設計的第一座交流單相發電站建成。同年,美國人威斯汀豪率領的團隊完成了交流發電、供電系統,并創建了交流配電網。1883年,美籍電氣工程師特斯拉發明了世界上第一臺感應電動機,5年后他又發明了兩相異步電動機和交流電傳輸系統。1888年,俄國工程師德布羅夫斯基和德爾伏發明了三相交流制。1891年,德國安裝了世界上第一臺三相交流發電機,并建成了第一條三相交流輸電線路。自此,三相異步電動機得到了廣泛應用,電能逐步取代了蒸汽成為動力源,電力工業得到了迅速發展。
3.電工理論的建立
(1)電路理論的建立。關于電路的早期研究有:1778年伏特提出了電容的概念,給出了導體上儲存電荷的計算方法Q=CU;1826年歐姆發表了歐姆定律;1831年法拉第提出了電磁感應定律;1832年亨利提出了磁通量計算公式。
1845年德國物理學家基爾霍夫提出了關于任意電路中電流、電壓關系的基本定律:電流定律(任意時刻電路中任何一個節點的各條支路電流的代數和為零);電壓定律(任何時刻電路中任意一個閉合回路的各元件電壓的代數和為零)。這兩個定律發展了歐姆定律,奠定了電路系統分析的基礎。
1853年英國物理學家湯姆遜推導出了電路震蕩方程,并得出了萊頓瓶發電過程中電流在反復震蕩且不斷衰減的結論,并計算出震蕩頻率與R、L、C參數之間的關系,奠定了動態電路分析的基礎。1855年,湯姆遜還建立了長距離電纜的等效電路模型。
1893年美籍電氣學家施泰因梅茨提出了計算交流電路的方法――“相量法”,其實用、易懂,至今在分析正弦交流電路時依然沿用此法。
其間,赫爾姆霍茲提出的等效發電機原理、基爾霍夫建立的長距離架空線路參數電路模型、亥維賽德找出的求解電路暫態過程運算法、傅立葉用數學方法建立的熱傳導定律等等都對電工理論的豐富和完善起到了重要作用。
(2)電網絡理論的建立。通信技術的興起推動了電網絡理論的發展。1924年,福斯特給出了電感和電容二端網絡的電抗定理,建立了由給定頻率特性設計電路的電網絡理論。
1945年美國科學家伯德總結出了分析線性電路和控制系統的頻域分析方法。1953年梅森創建了采用信號流圖分析復雜回饋系統的方法,并被廣泛應用。20世界50年代美國科學家達默制成了第一批集成電路,從此電路理論中增加了對含源器件的電路分析和綜合。20世紀70年代在L.O.Chua等科學家的努力下,器件建模理論逐漸日趨完善。20世紀中期計算機的出現使電網絡的計算機輔助分析和設計成為電路理論研究中的基本手段。
4.新技術革命對電氣工程技術的推動
20世紀中葉開始的第三次技術革命又稱為新技術革命,以核能、宇航和電子計算機這三大技術為主要標志。這個時期的主要理論是信息論、系統論和控制論,這三大理論的創立為通信工程技術和現代科學技術的研究提供了全新的科學方法。
(1)計算機的升級換代對電氣工程技術的推動。自19世紀第一臺計算機問世以來,經過幾十年的發展,計算機給人類社會帶來了翻天覆地的變化,人類社會從此走進了信息時代。1952年出世的第一代計算機使用的是真空電子管,不僅體積巨大,而且耗電量驚人。1959年~1963年生產的第二代計算機用晶體管替代了真空電子管,大大提高了運算速度,減少了耗電量,減小了體積,運用在了軍事和科研領域。1964年~1970年生產的第三代計算機用集成電路替代了晶體管,不僅極大地提高了運算速度而且降低了成本,計算機開始進入到了普及階段。1971年至今生產的第四代計算機使用了超大規模集成電路,實現了計算機網絡化,計算機普及到了個人。計算機的升級換代推動了控制技術的發展,形成了計算機管理生產系統,提高了生產效率和產品質量。
(2)電子信息技術的發展。電子信息技術是計算機技術和電信技術相結合而形成的技術手段。20世紀通信技術得到了迅猛發展,人類社會生活也由此發生了巨大變革,人類從此進入信息時代。
1920年人們發現電離層對無線電短波有反射作用。1935年人們發現了雷達并廣泛應用于軍事和民用通信領域。1964年美國發射了第一顆地球同步靜止軌道通信衛星,突破了大氣層對無線電波的屏蔽,實現了宇宙范圍的無線電通信。20世紀70年代計算機網絡系統的建立使人們開始通過互聯網獲取信息。20世紀80年代以后尋呼機和移動電話逐步得到廣泛使用,現今信息服務業已成為世界上發展最快的新興行業之一。
電氣工程技術發展史再次印證了這樣兩個真理:一是任何理論的創立和技術的進步都要靠眾多科學家甚至一代代人的不懈努力而實現,特別是在學科相互融合交叉的今天。二是科學技術的每一次重大突破都會導致生產力的跨越式發展和人類社會的巨大進步,科技是第一生產力,創新是社會發展的推動力。
五、電氣學科的形成與發展
按我國高等教育學科劃分,電氣信息學科類屬工學門類(門類編號08),其下設五個一級學科:電氣工程(一級學科編號0808)、電子科學與技術(0809)、信息與通信工程(0810)、控制科學與工程(0811)和計算機科學與技術(0812)。這五個學科有著相同的學科基礎,都是研究電磁現象及其應用的基礎學科與技術工程的綜合,電能的突出優點在于:它既是易于傳輸的工業動力,又是非常可靠的信息載體。電子科學與技術、信息與通信工程和計算機科學與技術都是從電類專業派生出來的弱電學科,在19世紀末電工科學技術已形成了電力與電信兩大分支。
我國電氣工程一級學科下設五個二級學科:電機與電器(二級學科編號080801)、電力系統及其自動化(080802)、高電壓與絕緣技術(080803)、電力電子與電力傳動(080804)、電工理論與新技術(080805),電氣工程包含的專業基礎理論有電路原理、模擬電子、數字電子、微機原理與接口技術、單片機原理、自動控制原理、電磁理論、MATLAB仿真等。專業理論有電力系統及其暫態分析、電力電子、電機學、高電壓與絕緣、電力拖動、輸配電、工廠企業供電、電力市場等。
19世紀末歐美大學先后設立了電氣工程(Electrical Engineering)專業,100多年來,其名稱雖然沒變,但內涵已隨著科技的飛速發展有了非常大的變化。過去歐美的電氣工程專業是以電力工程為主,現在電子技術和計算機已成為該專業的核心,美國一些著名高校甚至已不開設電力工程研究方向。有些大學把計算機技術從電氣工程系分離了出去,單獨成立了計算機科學系。
我國的電氣工程始于1908年上海南洋公學的電機電工學科,就是上海交大的前身,距今也有100多年的歷史了。1917年該校的電機??圃O立了電訊門,即我國最早的無線電專業,如今的電子信息及計算機專業群都是由此發展演化而來的。1932年,清華大學設置了電機系。建國后,我國建立了一大批以工科為主的多科性大學,其中大多設立了電機工程系。1977年以后,大部分高校的“電機工程系”陸續更名為“電氣工程系”,近幾年來,部分高校又把“電氣工程系”發展成為“電氣工程學院”。我國的電氣工程雖然與國外名稱相同,但內涵有很大區別,我國大學一般都是強弱電分開,即電氣類與電信類分設在不同的學院。
100多年以來,電氣工程學科已發展成為覆蓋多門類交叉學科、應用領域廣闊的完善的學科,形成了強弱電結合、軟硬件結合、機電結合的學科特點。
六.國外發達國家電氣工程學科的發展呈現以下趨勢:
(1)在學科中融入大量信息技術知識。在全球信息化的當今,信息技術以指數速度進步,它曾對電氣工程學科的發展起到了巨大的推動作用,還將為電氣工程領域的技術創新提供工具與技術支持,對電氣學科的發展產生了決定性作用。國外發達國家的著名大學(如耶魯大學、麻省理工學院等)大都把電氣工程、通信工程、計算機工程放在同一學院,以利于在電氣工程學科中融入大量的信息技術知識。
(2)與其他學科不斷交叉融合,拓展了研究領域,大量的研究都是在跨學科領域開展的。
(3)與企業聯系密切,科技成果轉換能力強,引領產業技術更新。
七.電氣技術的發展趨勢
與電氣工程學科相關的產業主要有電力工業、電氣裝備制造業以及幾乎所有使用電力的行業,電氣技術的發展與應用也主要集中在這些行業。
1.可再生能源技術
1995年全球可再生能源僅占一次能源的18%,預測到2050年可再生能源要占一次能源的22%,21世紀,光伏技術、風電技術、生物質發電技術等得到了快速發展。下面著重介紹人類的未來能源――氫能??茖W家們一直致力于研究把氫能作為人類未來的能源,氫能有其他能源無與倫比的優勢:
(1)清潔。其反應后的生成物為水和氮化氫,對環境沒有污染。
(2)儲量豐富。地球上的海水所含的氫用來發電就夠人類用數億年。
(3)熱值高。單位重量的發熱量叫熱值,氫的熱值是汽油的3倍,煤炭的4倍?,F在世界上很多國家正在斥巨資研究這一能源,但目前還處在實驗室階段,距工業應用還有一段距離。
2.輸電信技術
超導技術在電氣工程中的廣泛應用已成為發展趨勢。
(1)超導儲能系統。將電能轉換為電磁能,利用超導線圈儲存起來。超導儲能系統是除電池儲能系統之外的又一儲能系統,其使用將提高電網的安全性。
(2)超導故障限流器。利用超導體超導與正常狀態的轉變特性,快速限制電力系統故障短路電流,保障電網安全。
(3)超導大容量電纜。可大大降低輸電過程中的電耗,提高能源效率。
論文關鍵詞:電氣工程技術;電氣學科;發展史
一、電氣工程技術的發展史
電氣工程(Electrical Engineering)是現代科技領域核心學科之一,傳統的電氣工程定義為用于創造產生電氣與電子系統的有關學科的總和。21世紀的電氣工程概念已經遠遠超出這一范疇,如今電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關的工程行為。電氣工程的發展程度直接體現了國家的科技進步水平,因此,電氣工程的教育和科研在發達國家大學中始終占據重要地位。
1.電磁學理論的建立及通訊技術的發展
大自然中的雷電使人類對電有了最早、最樸素的認識,天然磁石吸鐵是人類對磁現象的最早觀察,然而,人類對電磁現象的研究始于16世紀的英國,1663年德國科學家蓋利克發明了摩擦起電的儀器,1729年英國科學家發現電荷可以通過金屬傳導等等,這是人類對電的早期實驗,之后又出現了一系列具有里程碑意義的發現與發明。
(1)庫侖定律。1785年法國物理學家庫侖通過扭秤測量靜電力和磁力總結出:兩個電荷之間的作用力與它們間距離的平方成反比,與它們所帶電荷量的乘積成正比,這就是著名的庫侖定律。這一發現的歷史意義在于它標志著人類對電磁現象的研究從定性階段進入了定量階段。
(2)“伏打電池”。1799年意大利物理學家伏特經過反復實驗發現把任何潮濕物體放到兩個不同金屬之間都會產生電流,一年后伏特發明了世界上第一個電池,自此人類對電的研究由靜電擴大到了動電,開辟了電學研究的新領域。
(3)奧斯特發現電流的磁效應和安培右手定則。1820年奧斯特偶然發現通電鉑絲周圍的小磁針發生輕微晃動,之后他經過反復實驗證實了這一發現。其后安培進行了更深入的研究,提出了右手定則,發現了電流方向與磁針轉動方向之間的關系。安培還通過實驗發現了兩個通電導體和兩個通電線圈之間相互作用的規律,從而奠定了電動力學的基礎。
(4)法拉第發現電磁感應。英國科學家法拉第是第一個成功完成磁生電實驗的人,并歸納出產生感應電流的五種情況:一是變化著的電流;二是變化著的磁場;三是運動的穩定電流;四是運動的磁場;五是在磁場中運動的電線。法拉第把這一現象叫做“電磁感應”。電磁感應的發現使生產電成為可能,至今,發電機、電動機、變壓器都是運用電磁感應原理工作的。
(5)麥克斯韋建立電磁場理論。英國數學家、物理學家麥克斯韋總結了前人的一系列成果,用數學方程式表示電磁場,建立了完整的電磁理論體系,揭示了光、電、磁本質上的統一,并預言了電磁波的存在。1873年他出版的電磁場理論經典著作《電磁學通論》是里程碑式的自然科學理論巨著。
任何科學發明與發現都是許許多多的科學家不懈努力的成果,德國物理學家歐姆、高斯、赫茲,美國物理學家亨利,俄國物理學家楞次等等都為電磁理論的形成作出過貢獻,本文不在一一類舉。
電磁理論的建立為無線電通信揭示的發展奠定了基礎,19世紀通信技術取得了突破性成果,先后發明了有線電報、有線電話和無線通信。
2.電工技術的初期發展
人類社會發展歷程中經歷了三次工業革命,對人類的進步起到了巨大的作用。第一次工業革命從18世紀中葉到19世紀中葉,以瓦特發明的蒸汽機為標志,以機械化為特征,中心在英國;第二次工業革命從19世紀后半期到20世紀中葉,以工業生產電氣化為主要標志,其成果是電力、鋼鐵、化工“三大技術”與汽車、飛機和無線電通信“三大文明”,其中心在美國和德國;第三次工業革命從20世紀中葉到21世紀初,以社會生產、生活信息化為特點,又叫新技術革命。第二次工業革命就是從電工技術初創和應用開始的。
(1)直流發電機的誕生。1831年英國企業家研制出了史上第一臺發電機——蒸汽動力永磁發電機;1832年法國科學家匹克斯發明了世界上第一臺直流發動機;1866年西門子發明了自激式勵磁直流發電機;1870年格拉姆發明了實用自激直流發電機,結構可靠,電流穩定,輸出功率大,被各國廣泛采用作為照明燈電源。
(2)遠距離輸電和電力工業技術體系的初步建立。1875年法國巴黎火車站建成世界上最早的一座火力發電廠。愛迪生不僅發明了燈泡,他還在1882年建立了美國第一家直流發電廠,裝有6臺直流發電機,通過電纜輸送照明用電,不過當時的最大輸送距離只有1.6km。之后愛迪生還建立了一座水電站,形成了電力工業體系的雛形。
(3)交流發電機電荷電動機的誕生。1876~1878年俄國人亞布洛切科夫成功試驗了單相交流輸電技術。1885年,英國工程師菲爾安基設計的第一座交流單相發電站建成。同年,美國人威斯汀豪率領的團隊完成了交流發電、供電系統,并創建了交流配電網。1883年,美籍電氣工程師特斯拉發明了世界上第一臺感應電動機,5年后他又發明了兩相異步電動機和交流電傳輸系統。1888年,俄國工程師德布羅夫斯基和德爾伏發明了三相交流制。1891年,德國安裝了世界上第一臺三相交流發電機,并建成了第一條三相交流輸電線路。自此,三相異步電動機得到了廣泛應用,電能逐步取代了蒸汽成為動力源,電力工業得到了迅速發展。
3.電工理論的建立
(1)電路理論的建立。關于電路的早期研究有:1778年伏特提出了電容的概念,給出了導體上儲存電荷的計算方法Q=CU;1826年歐姆發表了歐姆定律;1831年法拉第提出了電磁感應定律;1832年亨利提出了磁通量計算公式。
1845年德國物理學家基爾霍夫提出了關于任意電路中電流、電壓關系的基本定律:電流定律(任意時刻電路中任何一個節點的各條支路電流的代數和為零);電壓定律(任何時刻電路中任意一個閉合回路的各元件電壓的代數和為零)。這兩個定律發展了歐姆定律,奠定了電路系統分析的基礎。
1853年英國物理學家湯姆遜推導出了電路震蕩方程,并得出了萊頓瓶發電過程中電流在反復震蕩且不斷衰減的結論,并計算出震蕩頻率與R、L、C參數之間的關系,奠定了動態電路分析的基礎。1855年,湯姆遜還建立了長距離電纜的等效電路模型。
1893年美籍電氣學家施泰因梅茨提出了計算交流電路的方法——“相量法”,其實用、易懂,至今在分析正弦交流電路時依然沿用此法。
其間,赫爾姆霍茲提出的等效發電機原理、基爾霍夫建立的長距離架空線路參數電路模型、亥維賽德找出的求解電路暫態過程運算法、傅立葉用數學方法建立的熱傳導定律等等都對電工理論的豐富和完善起到了重要作用。
(2)電網絡理論的建立。通信技術的興起推動了電網絡理論的發展。1924年,福斯特給出了電感和電容二端網絡的電抗定理,建立了由給定頻率特性設計電路的電網絡理論。
1945年美國科學家伯德總結出了分析線性電路和控制系統的頻域分析方法。1953年梅森創建了采用信號流圖分析復雜回饋系統的方法,并被廣泛應用。20世界50年代美國科學家達默制成了第一批集成電路,從此電路理論中增加了對含源器件的電路分析和綜合。20世紀70年代在L.O.Chua等科學家的努力下,器件建模理論逐漸日趨完善。20世紀中期計算機的出現使電網絡的計算機輔助分析和設計成為電路理論研究中的基本手段。
4.新技術革命對電氣工程技術的推動
20世紀中葉開始的第三次技術革命又稱為新技術革命,以核能、宇航和電子計算機這三大技術為主要標志。這個時期的主要理論是信息論、系統論和控制論,這三大理論的創立為通信工程技術和現代科學技術的研究提供了全新的科學方法。
(1)計算機的升級換代對電氣工程技術的推動。自19世紀第一臺計算機問世以來,經過幾十年的發展,計算機給人類社會帶來了翻天覆地的變化,人類社會從此走進了信息時代。1952年出世的第一代計算機使用的是真空電子管,不僅體積巨大,而且耗電量驚人。1959年~1963年生產的第二代計算機用晶體管替代了真空電子管,大大提高了運算速度,減少了耗電量,減小了體積,運用在了軍事和科研領域。1964年~1970年生產的第三代計算機用集成電路替代了晶體管,不僅極大地提高了運算速度而且降低了成本,計算機開始進入到了普及階段。1971年至今生產的第四代計算機使用了超大規模集成電路,實現了計算機網絡化,計算機普及到了個人。計算機的升級換代推動了控制技術的發展,形成了計算機管理生產系統,提高了生產效率和產品質量。
(2)電子信息技術的發展。電子信息技術是計算機技術和電信技術相結合而形成的技術手段。20世紀通信技術得到了迅猛發展,人類社會生活也由此發生了巨大變革,人類從此進入信息時代。
1920年人們發現電離層對無線電短波有反射作用。1935年人們發現了雷達并廣泛應用于軍事和民用通信領域。1964年美國發射了第一顆地球同步靜止軌道通信衛星,突破了大氣層對無線電波的屏蔽,實現了宇宙范圍的無線電通信。20世紀70年代計算機網絡系統的建立使人們開始通過互聯網獲取信息。20世紀80年代以后尋呼機和移動電話逐步得到廣泛使用,現今信息服務業已成為世界上發展最快的新興行業之一。
電氣工程技術發展史再次印證了這樣兩個真理:一是任何理論的創立和技術的進步都要靠眾多科學家甚至一代代人的不懈努力而實現,特別是在學科相互融合交叉的今天。二是科學技術的每一次重大突破都會導致生產力的跨越式發展和人類社會的巨大進步,科技是第一生產力,創新是社會發展的推動力。
二、電氣學科的形成與發展
按我國高等教育學科劃分,電氣信息學科類屬工學門類(門類編號08),其下設五個一級學科:電氣工程(一級學科編號0808)、電子科學與技術(0809)、信息與通信工程(0810)、控制科學與工程(0811)和計算機科學與技術(0812)。這五個學科有著相同的學科基礎,都是研究電磁現象及其應用的基礎學科與技術工程的綜合,電能的突出優點在于:它既是易于傳輸的工業動力,又是非??煽康男畔⑤d體。電子科學與技術、信息與通信工程和計算機科學與技術都是從電類專業派生出來的弱電學科,在19世紀末電工科學技術已形成了電力與電信兩大分支。
我國電氣工程一級學科下設五個二級學科:電機與電器(二級學科編號080801)、電力系統及其自動化(080802)、高電壓與絕緣技術(080803)、電力電子與電力傳動(080804)、電工理論與新技術(080805),電氣工程包含的專業基礎理論有電路原理、模擬電子、數字電子、微機原理與接口技術、單片機原理、自動控制原理、電磁理論、MATLAB仿真等。專業理論有電力系統及其暫態分析、電力電子、電機學、高電壓與絕緣、電力拖動、輸配電、工廠企業供電、電力市場等。
19世紀末歐美大學先后設立了電氣工程(Electrical Engineering)專業,100多年來,其名稱雖然沒變,但內涵已隨著科技的飛速發展有了非常大的變化。過去歐美的電氣工程專業是以電力工程為主,現在電子技術和計算機已成為該專業的核心,美國一些著名高校甚至已不開設電力工程研究方向。有些大學把計算機技術從電氣工程系分離了出去,單獨成立了計算機科學系。
我國的電氣工程始于1908年上海南洋公學的電機電工學科,就是上海交大的前身,距今也有100多年的歷史了。1917年該校的電機專科設立了電訊門,即我國最早的無線電專業,如今的電子信息及計算機專業群都是由此發展演化而來的。1932年,清華大學設置了電機系。建國后,我國建立了一大批以工科為主的多科性大學,其中大多設立了電機工程系。1977年以后,大部分高校的“電機工程系”陸續更名為“電氣工程系”,近幾年來,部分高校又把“電氣工程系”發展成為“電氣工程學院”。我國的電氣工程雖然與國外名稱相同,但內涵有很大區別,我國大學一般都是強弱電分開,即電氣類與電信類分設在不同的學院。
100多年以來,電氣工程學科已發展成為覆蓋多門類交叉學科、應用領域廣闊的完善的學科,形成了強弱電結合、軟硬件結合、機電結合的學科特點。
國外發達國家電氣工程學科的發展呈現以下趨勢:
(1)在學科中融入大量信息技術知識。在全球信息化的當今,信息技術以指數速度進步,它曾對電氣工程學科的發展起到了巨大的推動作用,還將為電氣工程領域的技術創新提供工具與技術支持,對電氣學科的發展產生了決定性作用。國外發達國家的著名大學(如耶魯大學、麻省理工學院等)大都把電氣工程、通信工程、計算機工程放在同一學院,以利于在電氣工程學科中融入大量的信息技術知識。
(2)與其他學科不斷交叉融合,拓展了研究領域,大量的研究都是在跨學科領域開展的。
(3)與企業聯系密切,科技成果轉換能力強,引領產業技術更新。
三、電氣技術的發展趨勢
與電氣工程學科相關的產業主要有電力工業、電氣裝備制造業以及幾乎所有使用電力的行業,電氣技術的發展與應用也主要集中在這些行業。
1.可再生能源技術
1995年全球可再生能源僅占一次能源的18%,預測到2050年可再生能源要占一次能源的22%,21世紀,光伏技術、風電技術、生物質發電技術等得到了快速發展。下面著重介紹人類的未來能源——氫能??茖W家們一直致力于研究把氫能作為人類未來的能源,氫能有其他能源無與倫比的優勢:
(1)清潔。其反應后的生成物為水和氮化氫,對環境沒有污染。
(2)儲量豐富。地球上的海水所含的氫用來發電就夠人類用數億年。
(3)熱值高。單位重量的發熱量叫熱值,氫的熱值是汽油的3倍,煤炭的4倍。現在世界上很多國家正在斥巨資研究這一能源,但目前還處在實驗室階段,距工業應用還有一段距離。
2.輸電信技術
超導技術在電氣工程中的廣泛應用已成為發展趨勢。
(1)超導儲能系統。將電能轉換為電磁能,利用超導線圈儲存起來。超導儲能系統是除電池儲能系統之外的又一儲能系統,其使用將提高電網的安全性。
(2)超導故障限流器。利用超導體超導與正常狀態的轉變特性,快速限制電力系統故障短路電流,保障電網安全。
(3)超導大容量電纜??纱蟠蠼档洼旊娺^程中的電耗,提高能源效率。
靈活交流輸電技術(FACTS)。用大功率電子器實現對電力系統電壓、參數、功率、相位角等的實時調節控制,以實現電力系統的安全穩定性和輸電過程中的能耗。
關鍵詞:地理條件 市場規模 技術進步 科學發展 經濟興起
李約瑟博士(Joseph Needham,1900—1995年)是英國人,中國科學技術史專家,宏篇巨著《中國科學技術史》撰寫者。1943年,李約瑟任英國文化委員會駐華代表和英國駐華大使館科學參贊,在華工作的三年多期間,萌發了撰寫《中國科技史》的想法,提出了為什么中國古代科學技術處于世界領先地位而到近代卻落后了的問題。這一問題后來被稱為“李約瑟難題”。
李約瑟把問題的答案歸結為兩點:一是中國官僚封建制度對科學技術發展的阻礙,二是中國地理環境造成了這種情況。下面我們先介紹李約瑟的研究,并嘗試對“李約瑟難題”給予解答。
一、“李約瑟難題”和李約瑟本人的解答
李約瑟說:“西方人似乎通常認為中國是一個純粹的農業與藝術文明,其實不然。中國人對世界科學技術也做出了重大貢獻。他們在全世界首先發明了磁性指南針、炸藥、造紙術和印刷術,以及接種牛痘。他們是世界上最先認識到營養缺乏癥的國家,最先發明冶煉鑄鐵的國家。在他們的傳統藥物中,在今天仍有幾種具有巨大的價值和用處?!?/p>
李約瑟認為:中國人是有能力發展出世界一流的科學技術的。中國古代科學技術是世界領先的,但是近代卻落后了。他認為近代中國科學技術落后的根本原因有兩點:
第一,在中國,大統一以后的封建制度是一種“官僚封建制度”,束縛了中國科學技術的發展。在西方,從腓尼基人和希臘人早期的城邦(statecity)到現代城市,如安特衛普和里昂,西方的歷史根本離不開城市國家。而在中國和印度,根本沒有什么東西可以與之對應。與西方的城市國家即“城邦”或自由城市相比,中國古代的城市,主要是農業地區的中心,這些城市沒有與礦山或航行活動相聯系;沒有選舉的市長和高級市政官、市議員,其官員都由中央政府任命,也只對朝廷負責。這是中國文明與歐洲文明的根本不同。 古代中國在實現首次統一(可能指的是秦的統一)后,不是實行商業資本主義,而是實行“官僚封建制度”,官僚思想深刻地滲透到整個中國人的復雜思想中,甚至在民間傳說中,也充滿了這種思想。在西方,科學技術的興起與商業階級的興起相聯系。但在中國,商業階級從未獲得歐洲商人所獲得的那種權利。中國有許多短語,如“重農輕商”等,表明了在那些年代的官僚政府的指導性政策。在中國,反對科技發展的阻力太大。而在歐洲,科技的發展卻能沖破這些阻力,取得現在的成就。
第二,中國所處的地理環境決定了上述情況的發生。 李約瑟問:“為什么在中國真正的封建主義并不存在?”他認為,答案可能與極其重要的水利網有關。歐洲沒有季風氣候,也沒有中國那些特別的河流與山脈,因此歐洲人不需要建造巨大的水利網。而中國人從很早的時候起就得去修建水利網,而且必須從整體治理,才能解決水患問題。水利網超出了任何一個封建領主的領地,所以就必須建立大一統的官僚封建國家。李約瑟從氣候、雨量、地理、經濟和社會環境等因素分析了中國文明不同于歐洲文明的原因,最后得出結論:“如果中國人有歐美的具體環境,而不是處于一個廣大的、北面被沙漠切斷,西面是寒冷的雪山,南面是叢林,東面是寬廣的海洋的這樣一個地區,那情況將會完全不同。我將大膽斷言,情況將完全改變。那將是中國人,而不是歐洲人發明科學技術和資本主義。歷史上偉大人物的名字將是中國人的名字,而不是伽利略、牛頓和哈維等人的名字?!崩罴s瑟甚至說,如果那樣,將是歐洲人學習中國的象形文字,以便學習科學技術,而不是中國人學習西方的按字母順序排列的語言。
對中國古代科學技術的高度評價,使李約瑟贏得了大部分中國人的敬重。許多中國人認為,李約瑟把中國古代輝煌的文明重新發掘了出來。他提出的“李約瑟問難題”,也吸引了中國學者的廣泛注意。但是絕大多數學者對李約瑟的解答并不滿意(如果滿意,也就沒有所謂“李約瑟難題”了),仍然有許多人致力于這一問題的研究。不過直至現在,中國學者的解答并不比李約瑟本人的答案有多大進展。在筆者看來,在解答問題之前,首先要弄清需要解答的問題“是什么”,只有正確地提出了問題,才能準確地解答問題。
二、李約瑟問題的準確表述
李約瑟并沒有把所謂的“李約瑟難題”表述清楚。
有人把這一問題表述為,“古代中國科學技術一直處于世界領先地位,為什么沒有發展出近代科學?”
另有人把這一問題表述為,“為什么近代科學產生于西歐而不是中國、印度等文明古國?”
還有人把這一問題表述為,“為什么古代中國應用技術發達,但卻沒有創立出理論科學?”
這幾種表述看起來似乎差別不大,但它們的側重點顯著不同,這就導致不同的探測方向。第一種表述首先確認“古代中國科學技術一直處于世界領先地位”,只是對中國沒有象西歐一樣“發展出近代科學”感到奇怪。按照這一表述,既然中國科學技術前期發達而近代落后,那么我們就應當在近代中國的特殊情況中尋找落后的原因。第二種表述的前提大不相同,它認識到,不只是中國沒有發展出近代科學,甚至比中國更早進入文明社會的印度、埃及、巴比倫等文明古國(所在的地域),也都沒有產生近代科學。既然文明古國都沒有產生近代科學,那就說明文明古國陷于落后狀態具有普遍性,西歐后來居上產生了近代科學,說明西歐科學技術的發展具有特殊性。如果要尋找近代科學產生的原因,那就必須研究西歐的特殊情況。第三種表述看到,古代中國令人矚目的成就主要在“應用技術”方面,而在理論科學的歸納和創新上卻幾乎沒有什么成就,例如邏輯上的三段論推理和探求因果關系四法等簡單的理論成果都沒有歸納出來。這一看法區分了“應用技術”和“理論科學”,引導人們探討中國何以缺乏理論歸納成果的問題。
歷史事實是,中國和其它文明古國都出現了許多簡單的應用技術(但無法比較誰處于領先地位),近代生產技術的重大突破(例如蒸汽機)出現在西歐,近論科學也在西歐建立和發展起來,是西歐的經濟成就和社會發展都遠遠走在了世界的前列。對于這些現象,人們頭腦中的問題可以歸結為:
1、文明古國為什么只出現一些簡單的應用技術?
2、生產技術的重大突破何以出現在西歐?
3、理論科學何以都被歐洲人總結歸納出來?
闡明這些現象產生的原因,也就解答了所謂的“李約瑟難題”。
三、文明古國為什么只出現了簡單的應用技術?
根據“經濟人行為原理”,利益追求是人類行為的永恒動機,發明創造活動也是如此,只有那些預期收益顯然高于預期成本的發明項目,才會有人花費時間和精力去進行研制。人類發明計時鐘的過程可以很好地說明這一原理。
15世紀時,為確定遠洋航行中輪船在海洋中的位置需要測算經度,而測算經度需要精確的計時鐘。為發明計時鐘,西班牙、荷蘭、英國都宣布給予巨額懸賞。但直到18世紀,英國的哈里森幾乎耗費了半生精力才完成計時鐘的研制,獲得了這筆賞金。現在看來,即使哈里森未研制成功而突然患病死亡,計時鐘也會被其他人發明出來,因為高額賞金是刺激人們進行研制的基本動力。如果沒有賞金,發明人因成果被人仿制,所獲收益就會大大低于他所付出的代價,所以就不會去進行這種研制。仿制別人的發明成果具有一種“白搭車”的利益。受“白搭車”利益的刺激,人們都想等待別人發明出來之后直接進行仿制,所以社會只可能出現一些像魯班發明鋸子那樣的幾乎不需要什么成本的簡單的或偶然性的發明創造。
高額賞金是刺激發明創造的好辦法。但政府懸賞的只能是重大而又緊迫的項目,事事都靠政府懸賞是不現實的,于是對發明創造活動給予經常性刺激的專利制度被人類發明出來了。假如沒有賞金和專利制度的保護,許多發明創造項目的預期收益是遠遠低于預期成本的,因而根本不會有人去進行研制。由于古代中國沒有形成保護發明者利益的制度,所以出現的發明創造大都具有簡單和偶然的性質。
四、技術突破受制于市場
不過,西歐一系列技術突破出現時,專利制度還沒有形成,所以技術突破并不是專利制度刺激的結果。美國經濟學家道格拉斯·諾思(1993年諾貝爾經濟學獎獲得者)在《西方世界的興起》一書中闡明,西歐生產技術的突破來自生產中精細的分工,分工來自生產規模擴大,而生產規模擴大則是人們利用市場興起所造成的盈利機會的結果。
中世紀前期的西歐,大部分地區還是人口稀少的廣袤的荒野。中心地區人口的自然增長導致邊遠地區的開墾。西歐小范圍內氣候差異大,新區之間以及新老地區之間生產了不同的產品,引起對交換的需求,于是在地區內和地區間首先形成了小范圍的商品交換市場;廣泛的水陸運輸運費低廉,糧食、木材、羊毛、咸魚、酒類等基本產品(低值笨重貨物)也能夠承受遠距離的運輸費用,逐漸形成了輻射范圍廣闊的大市場。市場擴大刺激了制造業的發展。靠近市場地區信息靈通,人們根據市場需求及時調整生產,逐步形成了專業化的生產中心。制造業的專業化刺激了生產中的分工。羊毛織品是當時西歐主要的制造品,其制造過程可以分解為許多細小的工序,精細的分工使人們只需要重復簡單的操作,簡單的操作“將人們天生的發明欲集中在 有限的一些難題上”,促使人們考慮用機械代替手工,用自然力(水力和風力)代替人力和畜力。發明那些從事簡單操作的機械,研制成本大大降低,而創新收益則因產品具有廣闊的銷路而十分可觀,吸引不少人進行研制,于是西歐出現了一系列技術突破。這樣,輻射范圍廣闊的市場既通過生產中精細的分工間接降低了技術創新的成本,又因大量銷售產品而直接提高了創新收益。沒有市場發展帶來的技術創新收益的提高,是不可能出現生產技術突破的。
五、中國商品市場對生產技術的制約
長期以來,中國市場一直沒有發展到帶動生產規模擴大的程度,因而并沒有引起精細的分工,制造業還必須進行復雜的手工操作。直接研制和發明那些進行復雜操作的機械裝置難度很大,發明成功的可能性很小,加上沒有利用市場獲利的前景,預期收益顯然大大低于預期成本,所以根本不會有人去從事研制,于是生產技術就陷于停滯狀態。可見,中國生產技術長期未出現突破,根本原因就在于市場長期不發展。
喜歡追根究底的讀者會問,中國市場為何長期不發展呢?
不少人把中國商品經濟長期不發展歸咎于小農傳統觀念的影響、儒家保守思想的禁錮以及歷代統治者的重農抑商政策。其實,小農觀念、儒家思想和抑商政策都產生于社會經濟生活,用它們來解釋市場發展的狀況正好顛倒了其中的因果關系。根據“經濟人行為原理”,中國商品市場長期不發展,也應當是人們在特定資源環境下“合理選擇”的結果。
中國文明本部黃河流域的一個重要特點是等溫線、等降水量線都是東西方向。從現今陜甘交界向東一直走到山東半島大致1500公里范圍內,所經各地的氣溫和降水都相同,所以基本產品相同,沒有交換必要;雖說南北方向氣候差異較大,引起基本產品差異較大,但南北方向沒有天然河道可供通航,陸路運費又太高,南北之間不同的產品無法實現交換。由陸路運輸形成的農產品市場,輻射范圍不超過10公里。農民把產品運到有差異的地區交換自己所需要的產品,比自己直接生產它們花費的代價更高,農民的“合理選擇”只能是調整產品結構來滿足需求,于是社會就長期維持自給自足的小農經濟狀態。在古代中國的自然地理和交通條件下,任何兩地農、林、牧、漁等基本產品(低值笨重貨物)生產成本的差額,都抵償不了兩地之間的運輸費用,所以中國不可能自發形成大規模的基本物品的交易市場。
從經濟上看,能夠承受遠距離運輸費用的商品是有限的。黃金、珠寶等貴重物品當然能夠承受遠距離的運費。除黃金、珠寶等貴重物品外,中國古代市場上交易的物品還有瓷器、絲綢、香料、茶葉等本身價值不高但產地有限的特殊物品,但由于運輸費用很高,它們到達最終消費地時都成了普通百姓消費不起的“奢侈品”,所以對市場發展的刺激作用并不大。在中國,也許只有經銷百姓日常生活所必需的鹽、鐵這兩種商品才有利可圖,但從春秋戰國時代起國家就逐漸壟斷了鹽鐵的經營,對私自經銷鹽鐵者要進行嚴厲制裁。由于經銷基本產品難以致富,所以商人只能依靠行奸弄巧或者販賣違禁物品發財,結果“奸商”和“私販”幾乎成了中國商人的代名詞。在統治者看來,商人對社會的積極作用還抵償不了他們對社會造成的危害(商業稅收不能補償管理費用),所以直到時代,國家仍然采取重農抑商政策。抑商政策當然會對市場發展更為不利。但由于上面已分析的原因,即使沒有抑商政策,中國市場也不可能自發發展起來。
六、技術發明與理論科學
在英語中,“科學”和“技術”完全是兩個概念,技術是指實用技術、應用技術,它能夠直接應用于生產,創造出新的產品或者提高勞動生產率,簡單地說就是能夠直接獲得利益,科學則不同,它是人們認識世界的產物,所以往往稱為“科學發現”,在形式上主要表現為理論的東西??茖W和技術的關系頗為復雜。有的科學發現(理論)容易轉化成應用技術,使人獲得具體利益,例如科法拉第發現并歸納出電磁感應定律,這屬于科學(發現)。當人們利用這一定律制造出發電機和電動機時,科學就轉化為技術,直接應用于生產造福于人類了。有的科學雖然不能直接轉化為技術,但對基本生產活動可以作出指導性貢獻,例如牛頓的力學定律;還有的科學則不容易轉化為應用技術或者根本不能服務生產,例如四色原理的證明、費爾馬定理的證明、哥德巴赫猜想的論證等,它們與應用技術相差很遠,很難把它們應用到生產中創造財富。
歐洲科學興起的歷史表明,理論科學是由技術發展推動的。如果技術發展沒有提出需要給予理論解答的問題,也就根本不會有理論科學的出現。關鍵問題在于,既然理論科學并不直接服務于生產,不能使理論發現和創新者獲得利益,何以會有人去從事理論研究呢?
大多數情況下,基本原理的歸納者都是實踐者,他們需要在實踐中應用理論,這就使他們直接獲得了收益。但復雜、高深的理論卻不能由實踐者發現和提出,往往來自于大學任教的學者或國家的研究機構,因為這些高深、復雜的理論無法直接獲得利益,所以也只能夠由國家資助。
古代中國沒有創造出理論科學,道理可以從兩個方面去理解。從容易轉化為生產技術的理論科學上說,中國市場發展(更正確些說是不發展)的狀況制約了生產規模的擴大和操作中的分工,導致生產技術陷于停滯,根本提不出需要解決的理論問題。從這一方面說,中國人沒有創立理論科學,實在是順理成章的事情。從無法轉化為生產技術的復雜、高深的理論創新來說,它們都建立在對基本原理進行科學歸納的基礎上。中國在理論創新上沒有多大貢獻,是因為沒有人去進行基本原理的歸納;之所以沒有人去進行歸納,是由于長期停滯于自給自足狀態的經濟生活沒有產生出對科學原理進行理論歸納的“需求”。邏輯上的三段論和探求因果關系四法(求同法、求異法、共變法、剩余法)都是如此。中國人也早已使用這些方法進行推理,探求事物的因果關系。之所以沒有人對其進行歸納,是因為這種歸納對當時的中國社會沒有作用——不但終生活動在幾公里范圍內的農民不需要它們,而且統治國家的軍政官僚和文人學者也都不需要它們,所以歸納出來寫成書也沒有人看,寫書人將得不到任何補償,所以沒有人進行歸納就是沒有人去做對人對己都無用的工作。這一歸納工作之所以由英國哲學家穆勒完成,是由于英國經濟生活的發展已經產生出對這些方法進行總結歸納的“需求”,為滿足社會需求而進行的這一歸納工作也能夠使個人獲得實際利益。
可以認為,中國歷史上理論創新成果很少,是因為中國的經濟生活沒有為中國人的創新精神創造出獲利的空間。
七、李約瑟評價
許多中國人以為李約瑟在“科學技術史”學界占有很高地位,其實不然,即使在他的母校英國劍橋大學,他也不具有多高的學術地位。可以認為,中國人推崇李約瑟博士,不是由于他在學術上的造詣,而是由于他對中國人的感情。
作為把中國古代科學技術成就介紹給全世界的“科學技術史專家”,李約瑟博士理所當然地贏得了中國人的愛戴和尊敬。但是他關于“古代中國科學技術一直處于世界領先地位”的論斷,他把“科學”和“技術”混為一談的做法,他關于近代科學技術落后原因的探討,都表明他根本不懂得科學技術發展的原理。
首先,關于中國科學技術領先于世界的說法,完全是李約瑟博士的主觀臆斷。如前所述,一般應用技術的發現和發明具有偶然性,所以根本無法比較誰先進誰落后。從理論科學說,古希臘的歐幾里德早在兩千多年前就創立了平面幾何的公理體系,用邏輯方法推導出幾何學大廈。初學幾何的人往往瞧不起“兩點之間線段最短”這樣的道理,因為這樣的道理不僅童叟皆知,而且連狗都知道(跑近路),所以關鍵問題并不在于知道不知道一些道理,而在于能不能把它用理論科學的形式歸納出來。直至19世紀人們才認識到到,任何科學都必須建立在公理體系的基礎上,人們因而更感到歐幾里德的偉大。古代中國根本不存在理論科學,怎么能夠硬說“古代中國科學技術領先于世界”呢?
李約瑟之所以認為“古代中國科學技術領先于世界”,也許正與他不能把“科學”和“技術”嚴格區分有關。由于古代中國并不存在真正的“科學”(這一說法往往使過分推崇中華文明的人難以接受),所以近代以來的翻譯家就把科學和技術連帶統稱為“科學技術”,導致許多中國人把“科學”和“技術”混同理解,這是可以理解的。但李約瑟博士是英國人,把英語中差別很大的兩個概念混同理解,則是難以原諒的。
其次,李約瑟解答“難題”的方向,與問題本身的提法也自相矛盾,違背了最起碼的邏輯。他提出問題前提是,古代中國科學技術一直走在世界前列,只是在近代(15世紀以后)才落后了。既然古代中國近代科學技術處于世界領先地位,那就不能到形成古代社會的情況中探討原因。但是李約瑟(的回答)卻正好立足于遙遠的古代,他把原因追溯到中國古代的官僚政治,這一制度至遲在公元前221年就已經形成了。他在探討形成官僚政治的原因時,又談到了中國地理環境導致的治理水患的必要,這一探討實際上又追溯到大禹治水時代。就地理環境來說,它從中華民族誕生時起就一直在起作用。既然它們能夠促使中國“古代”科學技術“居于世界領先地位”,那就根本不可能用它們解釋近中國代科學技術的落后。
李約瑟關于中國建立水利網的材料及其分析,最早見于19世紀英國東印度公司向英國政府的報告,這一材料和分析與歷史事實相差很遠。中國文明本部的黃河流域,農業基本上靠天然降雨,從來就沒有修建抗旱水利網。按照材料中治理水患的說法,都是指在洪澇災害發生時組織人力疏通洪水使之流入大海(大禹治水),但黃河泥沙含量大,下游經常淤積改道,直至現在也沒有形成水利網,治理水患與中國統一政權的建立根本沒有關系,用它解釋中國統一政權的建立甚至沒有道理。
最后,李約瑟所談到的中國近代科學技術落后的兩個原因,在邏輯上根本不能并列。按照他的看法,官僚制度的阻礙應是直接原因,而地理條件則是形成官僚制度的原因,所以可以看作是科學技術落后的根本原因。李約瑟把它們并列為兩個原因,邏輯上陷于的混亂。
關鍵詞:教育技術學;歷史研究;發展脈絡
中圖分類號:G434 文獻標志碼:A 文章編號:1673-8454(2016)04-0020-04
一、引言
對歷史的研究通常能幫助我們尋找規律以更好地預知未來,科學研究同樣如此,要把握任何學科的未來,最好途徑就是先了解其歷史。因此學科歷史研究是非常重要的一種學術方法。從某種意義來說,對學科歷史研究和反思的重要性甚至不亞于學科基礎理論的研究,這種反思的深度廣度,對該學科理論體系的形成和發展都是非常重要的。
學科史研究服務于該學科的需要,通常關注本學科領域里主要理論問題的來源、解決情況以及解決方法等。通過研究學科的起源及發展歷程,梳理出學科發展的清晰脈絡,確保該學科的理論體系的自主性和基本價值,是所有學科發展的重要前提,對于教育技術學這一年輕學科來說同樣如此。通過對教育技術/教育技術學發展歷史中重大事件、重要人物以及重要思想體系產生過程的研究,有助于我們深入分析領會教育技術學的學科理論體系的形成及其發展演變過程。這種歷史研究的方法和分析角度對我們梳理教育技術學科,尋找學科自身發展演變規律,準確預測其未來發展趨勢都是非常重要的。
二、科學史主要研究方法對比分析
目前,科學史的研究主要有三種方法,分別是以科學史學科創始人薩頓為代表的實證主義編年史方法,以柯瓦雷為代表的思想史編史方法以及以默頓和貝爾納為代表的社會學方法。
以科學史學科的主要創始人喬治?薩頓為代表的實證主義史學觀認為科學是實證知識,而科學史則是實證知識的積累史,其研究方法通常采用以大事年表的方法記錄歷史上出現的所有科學知識和技術知識。由法國科學史家柯瓦雷開創的思想史編史家們則認為:科學本質上是觀念,科學觀念的發展是內在的和自主的,科學史是觀念內在更替的思想史。與編年史研究方法相比,思想史研究方法既能從某個特定學術領域中尋找和選擇能夠代表其不同發展階段的代表性科學事實和關鍵技術,又能深入分析這些科學事實和技術之間的內在關系和演變規律,在科學研究的系統性上面有了一定的進步。以默頓和貝爾納為代表的科學社會史家們則認為:科學本質上是一種社會活動,因而科學史可以而且應該寫成科學與其它社會文化因素的互動史??茖W社會史研究方法的主要特點在于其主張在研究科學發展的同時結合對應時代的社會背景。
實證主義編年史研究有助于人們快速而清晰地了解某一科學領域發展歷程中的關鍵節點和主要脈絡,但對重大科學事件背后隱藏的科學演變規律卻未作過多探究??茖W思想史和科學社會史的研究者們在對科學人物、科學事件和科學成果進行記錄和總結的同時,還試圖通過歷史解釋的方式來尋找其產生的根本原因以及發展規律。在學科史研究過程中,如果想找出蘊含于其中的歷史規律,最好的方法是對上述幾種方法取長補短,結合學科自身特點加以綜合運用,我們在進行教育技術和教育技術學的歷史研究時同樣需要如此。
三、教育技術學歷史研究的主要方法
在充分借鑒了科學史的主要研究方法后,教育技術學歷史研究者們最終形成了關鍵事件編年史研究、范式研究和學術人物思想研究等三種不同方法,由此也分別形成了不同視角下的教育技術/教育技術學發展史。
1. 教育技術學的編年史研究
與其他科學編年史相同,教育技術編年史研究也是對教育技術領域曾經發生的各類事件進行整理,通過分析其對本領域的影響程度來進行選擇,最終形成不同時間點具有代表性的教育技術重大事件列表。
目前已有很多各具特點的教育技術/教育技術學大事年表,如美國佐治亞大學Julie Moore 主講的《教育技術學導論》課程中,學生Saeid Roushanzamir和 Emily Giles 創建并維護了一個教育技術學大事年表(表1),該表的時間段基本上是從1920年代前后一直到2000年前后。針對每個時段里的重要事件都有較詳細的說明和分析,其中列出每個年代出現的重要理論,如20世紀50年代的行為主義理論,20世紀60年代的系統方法,20世紀70年代行為主義理論開始向認知主義理論轉化,20世紀80年代微型計算機的普及所帶來的對教學設計的巨大影響以及績效技術的出現,20世紀90年代建構主義理論的出現等。從這個大事年表中,我們可以通過那些對教育技術學科發展有重大影響的事件來把握教育技術基礎理論的發展歷程。
2. 教育技術學的范式研究
美國科學史家、科學哲學家托馬斯?庫恩在其代表作《科學革命的結構》中首次提出了范式的概念,為當代科學思想研究建立了一個重要討論基礎。范式實際上就是在某個科學領域內,研究者們遵循的相關標準理論、思想觀念以及相應的研究方法的總和,也就是研究者們對于特定對象所使用的各種研究工具和方法構成的體系。
在教育技術學研究領域,以庫恩范式理論為指導來解讀和詮釋教育技術學發展歷史成為一種重要思路。不少學者根據自己的思考,分別提出了不同的教育技術范式體系,其中比較有代表性和影響力的范式體系如賽特勒的教學技術四范式理論,即:媒體范式、傳播與系統范式、行為科學范式、認知科學范式,蒂莫西?克詩曼提出的包括計算機輔助教學(CAI)范式、智能導師系統(ITS)范式、(Logo-as-Latin)范式以及計算機支持的合作學習(CSCL)范式等。運用科學范式理論研究教育技術學既有積極的推動意義也有消極影響,因為范式理論所倡導的多元化既能有助于從不同研究角度推進教育技術學發展,也可能影響教育技術學統一規范的理論體系的形成。
3.教育技術學的學術人物思想研究
學科基礎理論的最終形成通常可以看作該學術領域大師們的理論思想與實踐研究的積累和沉淀。運用思想史研究方法,研讀和分析教育技術學科發展過程中的關鍵學術論著及其包含的觀念和思想,既能從中梳理出引導學科發展方向的線索,研究成果最終也可以構成學科基礎理論體系的基石。
雖然教育技術學的歷史比較短暫,但在其產生和發展過程中,本學科和相關領域內無數學識卓越的大師通過智慧和努力,為學科的誕生與發展壯大提供了寶貴的思想。例如世界上第一部系統的教育學理論巨著――夸美紐斯的《大教學論》,給出了很多教育基本理論的界定,成為教育學及其分支學科教育技術學的理論基石。心理學家桑代克、斯金納將行為反射理論應用于教育心理學;此外,皮亞杰的認知理論,香農的信息理論和拉斯韋爾、施拉姆對信息傳播模式的定義對教育傳播學后續發展的影響。皮亞杰、布魯納、維果斯基、格拉斯菲爾德等人對于建構主義學習理論的體系形成和發展的影響等。這些例子都說明不同歷史階段代表性人物的學術思想對教育技術學科的巨大推動作用。
對教育技術學界重要人物的學術思想史進行追溯與解讀,系統介紹、分析研究和評價大師們的學術思想,是教育技術學基礎理論問題研究以及學科理論體系建設的重要內容,有助于理清教育技術重要理論的發展及沿革規律。
四、不同視角結合的教育技術學發展線索
教育技術學歷史研究的上述三種方法各有優點和不足。例如僅關注教育技術學的歷史事件,往往容易迷失于其中,難以從中發現規律。同樣,如果脫離歷史事件進行范式研究或是學術人物思想研究同樣無法真正把握教育技術學的歷史脈絡,我們必須融匯和綜合運用各種歷史研究方法,結合教育技術歷史研究三種方法的優缺點,分別通過關鍵事件年表、研究主題和范式的演變以及主要學術人物思想演變的過程梳理出多視角下的教育技術歷史發展脈絡。
1.理論與技術視角下教育技術學歷史發展演化線索
各種理論與技術隨時間逐漸引入教育,使得教育技術學研究的主題與研究對象也經歷了不斷的演變,如果以各類技術發展對教育技術學及其研究主題的影響作為分析線索,可以清晰地看出歷史演進線索,如圖1所示。
針對上述教育技術學理論基礎、技術及研究主題的歷史演變,可以借鑒塞特勒范式概念來解讀和綜合研究其發展線索,可以綜合應用媒體范式和傳播與系統范式來研究直觀教學到視聽傳播這條線索,綜合應用行為主義范式和認知科學范式來研究個別化學習演化這條線索,這能夠在一定程度上反映理論基礎與技術進步影響下的教育技術學演進規律。
2.基礎理論與學術思想視角下的教育技術學發展線索
教育技術學發展歷程的關鍵階段,往往都是隨著技術進步的影響及其他相關基礎學科理論的發展,對本學科重要學術人物產生了較大影響,令其深入思考后提出帶有突破性的觀點和理論而推動的。如美國教育技術學發展過程中,以戴爾、芬恩為代表的早期媒體派教學專家的研究工作;二十世紀五十年代傳播學的影響和行為主義心理學發起的程序教學和教學機器運動帶來的從媒體研究向整體教學過程研究的發展,使系統科學研究方法逐漸開始成為教育技術學科重要的理論基礎和研究方法;此后學習心理學發展推動學習科學逐漸成為教育技術學基礎理論,使系統化的教學設計和教學開發成為教育技術學研究的主戰場。相關學術思想和研究成果不斷開拓著教育技術學研究視野,逐步形成和完善了學科研究的理論基礎。因此,不同學術人物之間的學術觀點和研究方法的溝通交流與融合貫通,在一定程度上促進了學科理論體系的不斷充實和完善。
五、多視角結合的教育技術學歷史發展脈絡
結合上面所說的教育技術歷史關鍵事件、研究范式的演變以及學術人物思想的碰撞與交互過程,我們可以嘗試著綜合運用這些方法來梳理出一條清晰而易于理解的教育技術學發展脈絡。例如,可以應用賽特勒四范式結合歷史事件、理論發展及代表學術人物思想影響來梳理出20世紀30年代至目前的教育技術學發展脈絡和演進關系。
從上圖中不難看出,在教育技術的演變過程中,在不同歷史時期,所產生的關鍵事件,能夠帶來教育技術研究視野和角度的變化,對于相應時期的學術人物的學術觀念會帶來很大的影響,由此推動其學術思想的變化和豐富完善,這種多因素的共同影響,在大多數情況下,構成了推動教育技術學科發展的全部動力。
六、結語
教育技術學作為真正意義的學科的出現和發展實際上都與現代教育技術自身的出現和發展息息相關、相輔相承,而教育技術的發展是科學技術的進步與教育實踐的需求相結合的產物。不同階段的教育技術發展都受到社會發展的影響,從不同角度的教育技術學發展史中,都能明顯的看出這一點。
在教育技術與教育技術學的歷史發展進程中,教育技術學的研究對象在不斷發展開拓,從主要注重視覺媒體及其教育應用,到視聽媒體、再到視聽傳播、教育制度,從只關注學校教育本身到關注學校以外的政治、經濟、文化等隱性因素,從注重借鑒發達國家的教育經驗到注重國際教育和發展教育等,教育技術學的研究對象在不斷向縱橫方向深入發展,這種研究的深入也在不斷推動教育技術學的學科體系自身的不斷深入和完善。
在教育技術研究中綜合運用多種研究方法,能夠幫助我們克服單一視角和單一研究方法所帶來的局限性,有助于梳理出更加清晰、完整和易于理解的教育技術學發展脈絡。在研究中應堅持歷史與邏輯的同一原則,既注重對事實的敘述,也注重對事實背后影響因素的邏輯分析,應將教育技術學的發展過程置身于科學、技術以及教育發展的歷史長河中進行考察,在不同歷史時期、不同國家間進行比較研究,同時要結合我國特定歷史時期社會狀況來做研究和分析。
作為比較年輕的學科,現代教育技術誕生和發展還不到一百年,在基礎理論建設上還很不成熟。對于這樣發展迅速的新興交叉學科,對其歷史和理論的總結、研究和反思就顯得更加重要。為解決學科高速發展同時帶來的一系列需要正視和解決的問題,所有教育技術理論工作者需要做的是冷靜總結學科發展歷史,尋找客觀規律,分析和預測變化趨勢,探尋保證本學科可持續性發展的正確道路!
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