自伽利略以来，实验成为近代物理学最基本的特征之一。晚清汉译西方物理学著作中介绍了一些物理实验，但是大多数学校还没有重视物理实验，所以有学者认为1918年以前“我国大学物理课只有讲堂讲授而无实验课”。一些教会学校讲实证、重实验，建立了较好的实验室，对于近代科学实验在中国的传播起到了引领作用。狄考文(Calvin Wilson Mateer，1836—1908)在山东创办的登州文会馆就是这样一所学校。鉴于目前未见到有相关研究，本文对该校的物理实验情况初步介绍。
一、登州文会馆的物理教育
登州文会馆是最早强调讲授西方自然科学知识的教会学校，它是美国传教士狄考文1864年创办的蒙养学堂基础上发展而来的，并于1884年被其赞助者美国长老会确认为大学，英文名称“Tengchow College”，成为“中国第一所基督教大学”。登州文会馆当时的规模并不大，但招生、授课模式、学生管理等都很有特色。早期将文理、中西甚至工科和医科统统融为一炉，学生毕业后各有所长。
文会馆一直特别注重物理学科，正斋第三年和第四年学习两年物理学，其中第三年学习水学、气学、声学、热学、磁学，第四年学习光学和电学。文会馆在建校初期将丁韪良编写的《格物入门》作为学校物理教科书。狄考文还自己编译过《理化试验》、《电学全书》、《电气镀金》等书籍，但是他本人对这些教材并不是十分满意，没有出版。
1882年，赫士（Watson McMillan Hayes，1857—1944）夫妇受美国北长老会派遣来到文会馆。赫士自幼聪颖好学，受过正规的大学教育，学习了拉丁文、希腊文、是非学（逻辑学）以及理化诸科。来华不久就掌握了汉语，并用于教学和传教。赫士先后编译出版了《声学揭要》、《光学揭要》和《热学揭要》，并多次再版。至此，文会馆的物理学教育得到进一步完善和发展，与物理教科书相配套的物理实验和实验仪器也得到了很大发展。
二、文会馆实验室的三个发展阶段
登州文会馆很早就建起了自己的理化实验室，在近半个世纪的时间里，登州文会馆物理实验室的发展大体经历了初创阶段、规范化阶段、标准化阶段三个发展阶段。
1864年至1882年是初创阶段，代表人物是狄考文。这一时期校舍简陋，生源困难。狄考文白手起家，通过自己仿制、购买、别人捐赠等方法逐渐添置仪器，创建了文会馆物理实验室。狄考文1874 年2月的日记记述那一年工作时说：“实际上我的全部时间都用在了教学、实验和制作仪器上。”此时的文会馆经济拮据，无力购买先进的实验仪器，大部分实验仪器是由狄考文自己制作，实验室建设还处于初级阶段。
1882年至1901年是实验仪器的规范化阶段，代表人物是赫士。1882年赫士来华，带来一架较大口径的望远镜及一些仪器设备，建起了天文台，并配备与其相适应的实验仪器设备，学校物理实验室初具规模。1897年，狄考文在给美国杰斐逊学院同学的一封信中也说：“我们现在拥有与美国普通大学一样好的仪器设备，比我们毕业时的杰斐逊学院的两倍还多”。后来被认为是齐鲁大学四大设备的实验室、电机房、天文台、印刷厂在登州文会馆时期已经形成了。
1901年至1917年是物理实验室的标准化阶段，代表人物是路思义（Henry Winters Luce，1868-1941）。1897年，路思义受美国北长老会派遣来到登州文会馆并负责学校的物理教学工作，直到他1906年回国述职为止。
1901年，路思义等人开始筹建文会馆新校区。1904年，文会馆迁往潍县，在新校址建成了康伟楼，并与青州的广德学院合并成立广文大学。教学仪器设备“移至广文学堂，藏于康伟楼中，”实验室管理也更加规范。1907年，路思义回到广文大学，带回了近三万美元的募款，学校又添购和研制了大量先进的教学仪器和设备，学生可以两三个人一组同时进行实验。
狄考文为了制作、准备教学实验仪器，还花费 1000美元建起了一个相当完善的制作所。“我自己出资雇用了一名工人，我已对这名工人进行了训练，他能够做大部分普通工作。”这名工人是曾就读于文会馆的丁立璜，他事实上起到了实验员的作用。1901年，丁立璜被袁世凯聘到济南之后，这项职务由葛世泽接任。之后，制造所逐渐扩大规模，1911年，冯纯修广文大学毕业留校做教习并兼任理化制作所总工程师，直到1917年学校搬迁到济南，制作所和实验仪器留给了文华中学。
三、登州文会馆物理实验室的实验仪器
1913年，广文学校印刷的由王元德和刘玉峰编写的《文会馆志》，记录了文会馆的300多种实验仪器，分为十大类，包括：水学器、气学器、蒸气器、声学器、力学器、热学器、磁学器、光学器、电学器三类（干电器、湿电器、副电器）和天文器。现将有关情况介绍与说明如下（对与现代名称一样或明显可知是什么仪器的不予介绍）：
1、水学器类是研究流体力学的实验仪器，包括静流体力学（静水学）和动流体力学（动水学）仪器设备。水学实验室是文会馆最早建立的实验室之一。列举了35种仪器设备：喷水狗、压水管、压水球、间流泉、无轮水磨、平常水磨、水力上托架、喷水马、提水管、毛孔片、压力筒、奶轻重表、水跃力筒、银淡养轻重表、大水斗、轻重表、毛孔管、压柜、同体水称、巴玛压柜、压力六面球表、搅水龙、密率表、过水瓶、鬼瓶、救火水龙、湍大勒杯、水锤、酒精、虹吸、葫芦瓶、铜浮表、玻浮表、汽船水轮、试水涨球、光铁射水器。
其中的密率表是其它物质相对于水的密度比率的一张教学用挂图，酒精也只是教学用物品，并不能算实验仪器，间流泉是一种关于气体压强的气学器，被误认为水学器，因此水学器中的实验仪器应该是32种。其中的巴玛压柜和水称在西方应用非常广泛，在实验仪器中也属较精密的仪器。水学器中还有一种称为救火水龙的消防车，是一种用汽机做动力的消防设备，在蒸气器中还有水龙汽机，这种当时最为先进的消防车，也只在上海的租界和香港才有，然而谁又能想到在偏远的山东登州文会馆的学校实验室里竟已完备了。
2、气学器类是有关气体压强研究的实验仪器。包括21种：吸空球、吸重盘、轻气球、气稀盘、马路水银管、大抽气机、空盒风雨表、积气泉、吸重鞟、气稀瓶、天气球、天气积火筒、水鬼、吸空水银斗、积气筒、空中称、积气瓶、吸气管、哥路第恩球、水银吸气管、间流泉。
其中轻气球指的是热气球（热气球是法国人蒙特哥菲尔两兄弟于1783年11月21日发明的），但文会馆实验室并没有放飞热气球的相关记录资料，可能是这种热气球比较小，并不是载人的那种大型热气球。风雨表是气学器中的代表性实验仪器，然而实验室中有比较少见的空盒风雨表，却并没有提及最为常见且更为精确的水银风雨表，依据当时的实验要求看，离开了水银风雨表研究大气压问题，几乎是不可能的。《文会馆志》说的“兹撮其要列左”，并不仅是一句谦虚的话，书中有关实验仪器的记录并不全面。
3、蒸气器类是文会馆实验室中研究蒸汽机动力的实验设备，包括18种实验仪器：火轮锤、升降锅、舂矿机、摆动汽机、扭力蒸锅、暗轮、瓦德汽机剖面、鼠力机、汽机锯、火轮车、水龙汽机、汽机五种、横机、轮车汽机剖面。
其中的“汽机五种”包含了瓦特改进蒸汽机之前的五种类型：希罗汽机、高氏汽机、吴氏汽机、塞氏汽机和牛氏汽机。该实验室还有火轮车模型，1879年5月至1881年1月，狄考文夫妇第一次回美国度假，在这一次休假中，他在鲍德温机车工厂（Baldwin Locomotive Works）经特别允准，待了一段时间研究机车构造，目的是要制作一个模型在休假结束后带回中国。另有蒸汽船所用的暗轮，也即螺旋桨。文会馆实验室既有暗轮又有明轮，水学器中提到的汽船水轮即是明轮，华蘅芳设计建造的中国第一艘蒸汽机轮船——黄鹄号使用的就是明轮。
4、声学器类共有18种，大多为比较常见的实验仪器：赛轮、独弦琴、声光镜、定音义(仪)、声纹搿、无声铃义(仪)、空盒定音义(仪)、打琴、口琴、声光筒、无声铃、印音轮、碍声管、声浪玻片、声浪玻管、大助声筒、大声浪机、声浪铜片。
无声铃仪和定音仪仍然被现代中学物理实验中广泛应用，定音仪现在称为音叉。印音轮则是早期研究录音原理的设备。路思义1907年从美国募款归来，还带回来一架留声机和一叠“古典和流行兼具”的唱片。
5、力学器类是关于力学实验的仪器设备，包括：杠杆架、双尖劈、天平、离中弧、玛瑙臼、不倒翁、高升轮、跃力架、翻车人、离中机、离中杯、立方铁玛（码）、欹器、称架、传力球、离中车、摔力杯、法国法玛（砝码）、斜塔、重心板、稳行球、斜面车、滑车架、中国法玛（砝码）、奇动轮、重心杆、跃力框、钢舂、互转架、蓄力球、旋转机、离毗力球、立方铅玛（码）、英国法玛（砝码）、地球形圆、各式滑车。
力学器的确切种类并不是很明确，需要进一步考证，以滑车（滑轮）为例，只提到了滑车架和各式滑车，至于究竟有多少种滑车，并没有详细说明，但从文会馆早期物理教材《格物入门》的力学卷看，“各式滑车”不少于四种，分别是死滑车（定滑轮）、活滑车（动滑轮）、滑车相连（滑轮组）、有凹槽的滑车组（应用型滑轮组）。迦诺的《初等物理学》第14版也有相近的说明，所以力学器应该不少于39种。力学器还很重视包括了测量物体质量的仪器，不仅有精密度极高的天平，仅砝码就有五种。
6、热学器类有26种：射热筒、零玻滴、引熟圜、吹火、引热囊、雪盐冰球、铁球架、铂锅、涨力义(仪)、热声筒、涨力表、较准寒暑表、传热表、银锅、磨力管、开花炮、涨力灯、散热铜壶、自记寒暑表、四质涨力圜、散热泥壶、磨热管夹板、双球寒暑表、热学金类条、试涨力铁球与圜、傅兰林胍表球。
其中涨力表和传热表是表征物质受热膨胀系数和传热能力的挂图，不应属于实验仪器之列，所以热学器应为24种。热学器中研究物体受热膨胀的仪器有四种：涨力仪、涨力灯、四质涨力圜和试涨力铁球与圜。寒暑表（温度计）也有三种：较准寒暑表、自记寒暑表和双球寒暑表。
7、光学器类至少有62种：极光镜、映画镜、双凸镜、隔光帘、折光池、旋转机画、手转机画、凸镜、显微镜、平行镜、照面镜、棱光窗、光表探、新万花筒、显微镜画、凹镜、活角镜、绘画镜、间色镜、三棱瓶、竖电池、直角三棱、极光镜表、光表、万花筒、钝角镜、牛顿镜、肥皂圈、折光表、爱斯兰石、比路斯得、光原、活画轮、奇妙灯、轻养灯、差角表、凑巧画、显微镜槽、量直角镜、光窗、尖锥镜、铂绒灯、分影镜一、分影镜二、返光镜、三棱玻璃、返光凹镜、胍镜、存光板、七色轮、留光管、黑方镜、双凹镜、返光凸镜、直角三棱、千里镜、双远镜、然根光诸器、试流质折光器、大直角返光镜。
燃根光（伦琴射线）诸器至少有三种：虚无筒、燃根光发生器2种。光学器的数量仅次于文会馆实验室中的电学器，一些精密度很高的仪器如显微镜、千里镜（望远镜）、双远镜（双筒望远镜）等应有尽有，还有研究偏振光的极光镜，以及当时研究X光的燃根光诸器，都是当时学校物理实验室中最为先进的实验仪器。目录中两次提到双凸镜，其中一个应为双凹镜，应属于记录时出现的笔误。
8、天文器类包括6种仪器和4张实验室挂图：远镜(径十寸)、天球、天文指表、章动轮、章动表、经纬仪、纪限仪、行星绕日表、恒星表。
文会馆非常重视天文学的研究，很早就建立起用于观测的天文台。1879 年，狄考文从美国带回了一架口径 25 厘米的反射式望远镜，实验室中的远镜（径十寸）应该就是这架望远镜。天文器材和天文观测设备还有当时的国内很先进的章动轮以及章动表。经纬仪和纪限仪也属于光学仪器。
9、磁学器类列举了15种：磁铁、磁称、磁鱼、指南针、水上磁针、量地罗镜、磁末小盘、磁转电流、侧针、钢屑、铁末、地磁环、磁感电流、磁针、航海罗镜。
其中铁末、钢屑是实验材料，不应列入实验仪器之中，所以磁学器有13种仪器。其中的磁转电流和磁感电流都是指的是产生这两种电流的设备仪器，地磁环是指模拟产生地磁环的仪器。
10、电学实验室是文会馆最大的实验室，具体包括干电、湿电和副电三部分。“电分两种，由干而生者”称为干电，“由湿而生者”称为湿电。
干电部分包括63种仪器：电转、电囊、电铃、电日月、吸驱球、量电瓶、雷盾电瓶、侯氏电机、电炮、电瓶、电网、电酒杯、电跌船、电火蛇、电跃水杯、葛利电机架、铀杯、电准、电毛、金页表、电飞毛、虚无筒、正弦电表、做水银屑瓶、电球、电星、电砂、电打鹊、电空球、电鸿钟、电舞人架、活雷盾瓶、电蛋、电龙、电台、电蜘蛛、电皮球、电火字、花雷盾瓶、穰球、电穗、文暑德干电机、琥珀、跳舞盘、电秋千、电舞人、电劈物机、北方晓全具、电称、电堆、电灯、电锡盘、放电义(仪)、电尖堆、无极电表、享利放电架、电搬、电盒、电鹅、扭力表、象限表、隔电机、否司电机、范克林电页。
干电仪器主要是电的一些应用，如电动机就提到了五种，电在生活中的应用仪器更是应有尽有。干电部分提到的虚无筒，属于观察伦琴射线的燃根光诸器。
湿电部分包括39种仪器：磁电、荣灯、铂灯、颠倒管、德律风、极里雷、但氏电池、罗环、电轮、里雷、埋革风、火药电气芯子、电报响、力电机、银电链、磁电震人机、电钥、电缆、电表、立电表、家电报、热电表、空铃电盖、傅德电堆、电称、阻箱、电池、原电表、分水杯、热电堆、无极电表、马斯收信机、电扇、电线、电炮、安培表、佛耳表、干电池、正切电表、佛耳达电堆。
仅电表就有5种，电池也有6种，其中的佛耳达电堆就是著名的伏打电堆。而干电仪器中也有电堆、正弦电表和无极电表，说明干电和湿电仪器已没有起初的界限了。干电和湿电部分都提到了无极电表，湿电部分不再计入。
副电部分主要是研究电和磁的相互关系的实验仪器，包括22种仪器：流感磁、磁感流、电磁铃、副电池、地磁感副统环、木头耳、流感流、副电盘、副电机、副电轮、地磁转电流器、代拿木、叟罗那、磁感流玻筒、磁转电流机、电弧灯、棱考夫副螺筒、马掌磁、磁涨表、静副电盘、电流转磁件、射影灯。
流感磁和磁感流分别是电流感应产生磁场和磁场感应产生电场的仪器，还有流感流指的是电流产生感生电流的仪器。将副电这一部分单独列出，可见文会馆对电磁技术的重视。值得一提的是射影灯，本来是属于光学仪器的，在《光学揭要》中也有非常详细的介绍，但之前所说的射影灯是以煤气灯为光源的，而将射影灯归入电器类，则说明其光源也变为电灯了。
文会馆实验室中至少有仪器种类357种，另有7种实验挂图和一些实验物品，仅电学部分就有124种实验仪器。如此庞大的物理实验室，经历了近半个世纪的发展，有着自己独特的发展脉络和特点。
四、文会馆物理实验室的特点
1、文会馆物理实验室是经过几十年的连续建设，逐步形成的，同时又是不断发展更新的。实验室的建立和发展，是由狄考文、赫士、伯尔根几人共同努力完逐渐完善的。狄考文是按照文会馆最初使用的教科书《格物入门》给实验室分类的。随着赫士将教材改为迦诺物理学，他和伯尔根又发展了热学实验室、声学实验室和光学实验室，但电学实验还是保持原样，分干电、湿电、电报三部分，后来将电报部分改为副电实验室。实验室的不少设备是他们自制的，水学部分仪器的材质还有很多是用竹子的。有的仪器有明显的更新换代的迹象，如前文提到的射影灯，就是由光学器更新为现代意义上的幻灯机的。
2、文会馆物理实验室的仪器完全可以满足学校物理教学的学生实验和演示实验要求。如水学器、气学器和力学器仪器可以做水的压强与浮力实验、大气压的实验、力学的力和物体质量的测量实验以及简单机械实验，蒸气器仪器可以做较复杂的机械传动实验。光学器仪器与教材《光学揭要》相结合，可以做光的反射、折射、透镜成像等一系列实验，甚至还有非常先进的显微镜和专用的显微镜画、较大口径的望远镜，能做较复杂的偏振光实验。声学、热学类仪器有研究声音频率的赛轮、研究录音原理的印音轮，还有研究声热技术的声热筒，是与《声学揭要》和《热学揭要》的教学相配套的。电学实验室测电流、测电压、测电阻等实验用电表一应俱全，电和磁的相互转化实验仪器也很全，甚至还教授全套的电报技术，这些在当时都是非常先进的。
3、文会馆物理实验室还特别注重与教学的紧密结合。学校实验室的根本目的还是服务于教学，文会馆师生在长期的教学实践中，还设计出很多仪器简单，现象明显的实验。如光学实验中的微质漫反射实验。“玻璃杯底衬黑绒”，灯光射入时由于黑色返光很少，所以杯子黑暗“如故”，当杯子内“燃有纸烟”则“较明”，其原因是“微点有返光之能”。这个实验设计的很巧妙，用的实验器材不多，而且释放烟雾前后的明暗对比明显，更便于学生接受和理解。
4、文会馆实验教学寓教于乐，注重培养学生的学习兴趣。狄考文善于将复杂严肃的物理实验“用介于演示和娱乐的方式”展现出来。艾达（狄考文的继室夫人）讲述过狄考文在潍县广文大学教授的一堂物理实验课：我们坐在学院一间遮蔽得很黑的屋子里，注视着长串的火花，弯弯曲曲地穿过五颜六色的光圈，一位半身照亮的高个子（狄考文），长者白胡子，穿一身黑色长袍看上去就像一位老魔法师，唤起了在场的人们的兴致。接下来，他用X光展示了我们每个人双手的骨骼。这样的实验课总是让人记忆深刻。
五、结语
狄考文建立文会馆的目的是培养为教会服务的教牧人员，但客观上却培养了一批优秀的科技人才，虽然人数不多，却影响甚广。1898 年，京师大学堂一次性聘任登州文会馆的12位毕业生担任教习，整个京师大学堂的西学教习，只有一名不是登州文会馆的毕业生。随后，各地方政府争聘文会馆毕业生为教习。截至 1904 年，文会馆毕业生“领有毕业凭照，效力于教界、学界者，以三百数，踪迹所至，遍十六行省。”文会馆取得这样骄人的成绩，主要还是得益于严格的教学管理和先进的教学仪器。
作者：郭建福，科技史博士，滨州学院教师
文章是国家自然科学基金资助项目，发表在中国科学院刊物《自然辩证法通讯》2018年第8期。
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