HPS视角下的科学图像研究
石 诚
(南京理工大学 马克思主义学院，江苏 南京 210094)
摘 要: 科学图像与科学实验、仪器一样具有独立的生命。随着科学图像在科学实践中的作用日益显现，科学史、STS，尤其是科学哲学需要对科学图像展开研究。当下，科学史和STS已经明确将科学图像作为研究主题，科学哲学在认识论和实验实践层面对科学图像的研究也在积极推进。科学图像的哲学研究的深入推进，有待于从认识论、本体论和科学哲学基本问题等角度进一步展开。
关键词: 科学图像；科学哲学；科学史；STS
米歇尔(William J. Thomas Mitchell)继罗蒂的“语言转向”之后，提出人文社会科学的“图像转向”(pictorial turn)。从手绘和雕版插图到计算机制图、数字成像和医学影像(CT、PET和MRI等)，科学图像在科学技术的历史发展，科学知识的制造、发表和应用，科学传播和社会生活中扮演着日益重要的角色。科学图像是对科学的静态和动态二维视觉表象。静态二维视觉表象包含插图、手绘、版画、图表、图形、照片、制图和数字成像等。动态二维视觉表象包含录像、电视和电影视频等动态影像。近来，国内学界逐步关注图像(含科学图像)，国外科学史和STS已经将科学图像作为研究主题，科学哲学也逐步关注科学图像。广义的科学图像指的是博物学和数理实验科学图像，科学哲学领域更多关注的是狭义的静态数理实验科学图像。
一、科学图像有自己独立的生命
以“visuali*”和 “imaging”作为标题检索词，分析Web of science 和Engineering Village 两大文献检索平台中，与科学图像相关的文献分布情况，发现在SCIE和EI中收录的相关论文呈指数级的增长。科学计量学的分析表明，科学图像及其相关研究在科学技术和工程中的重要性日益显示。
产品配置管理能够使企业的各个部门在产品整个生命周期内共享同一产品配置，集中管理产品数据资源及使用权限、数据有效性，保证各部门材料清单一致性，提供不同类型的配置信息，避免了查询产品资料时间长，产品配置信息不准确，设计和制造的材料清单不一致，工程更改造成产品配置信息混乱等问题。
哈金(Ian Hacking)和盖里森(Peter Galison)指出，科学实验和科学仪器有自己独立的生命。科学图像也有自己独立的生命。从1901年伦琴因X射线的发现而获得首届诺贝尔物理学奖以来，X射线成像科学和技术在很多领域(尤其是医学领域)得到了广泛的使用。百年来科学图像的成像和可视化科技手段不断取得突破。新的世纪，成像科学和技术屡次受到诺贝尔奖的青睐。
科学图像的影响和发展，渗透到科学研究的宇观、微观和宏观领域。丘成桐先生在《大宇之形》中指出，望远镜、显微镜和其他仪器会把不可见之物转为可见的科学图像呈现在我们眼前。望远镜孜孜不倦地对宇宙图像进行深度的探索，显微镜、粒子加速器以及各种显影仪器持续显现了人类原先无法触及的世界。[1]1-2现今大多数科学图像是借助于科学仪器设备(尤其是电子计算机)，并利用科学成像和可视化科技获得的，如美国激光干涉引力波天文台(LIGO)的两台孪生引力波探测器，记录下的引力波波形图。科学图像表征的对象范围，大到哈勃“极超深场”(XDF)呈现的132亿光年外的宇宙图景，小到欧洲大型强子对撞机(LHC)呈现的希格斯玻色子的轨迹图。
二、国内学界对于图像(含科学图像)的研究
柯瓦雷在对伽利略天文学案例的描述中穿插了几何图形，但是因其对伽利略的柏拉图式解读，他认为科学插图相较天文学思想理论而言无足轻重。库恩继承了柯瓦雷传统，明确表示过“科学插图顶多也只是科学活动的一个副产品”[5]404。潘诺夫斯基、阿恩海姆和贡布里希等艺术史家十分重视对图像学与视觉表象的研究，尤其是潘诺夫斯基1956年在ISIS上发表的《作为艺术评论家的伽利略》[6]，开创了艺术史与科学史结合的典范。
传统假肢矫形器制作技术是一种典型的手工制作技术，制作过程包括取模、修模、成型加工等步骤，3D打印通过三维扫描仪获得肢体或残肢的数据，再通过相关软件进行设计修改，最后通过设备打印。两种制作方法比较见表1。
国内科技史界对于科学图像(尤其是天文学图像)的研究早于科技哲学界。中国古代天文学的图像史研究包括：中国社会科学院考古研究所1980年编著的《中国古代天文文物图集》，陈美东1996年主编的《中国古星图》和潘鼐2009出版的《中国古天文图录》。近来刘兵与其博士生宋金榜和董丽丽开展了对科学视觉表象的编史学研究，刘兵前期编译的《大美译丛》和《艺术与科学》也涉及科学的视觉表象。
国内科学传播领域对于科学图像日益重视。1993年《科学对社会的影响》期刊翻译了“摄影术与科学”的系列论文。近来关于科学图像的科普读物不断翻译出版，如《视觉之旅：神奇的化学元素1、2》等。刘华杰倡导的博物学研究尤其关注动植物的视觉表象，其编著的系列著作中包含大量博物画和照片；王国燕关注科学可视化的传播学研究。一批科学家也从科学与艺术文化的角度向公众传播科学图像的艺术之美。中科大的“美丽化学”网站(http://beautifulchemistry.net)受到公众的热烈追捧。
国内科技哲学类杂志收录与科学图像直接相关的论文比较零散，《医学与哲学》杂志收录了数篇关于医学图像和影像技术的历史演化和哲学反思的论文。现象学技术哲学已经将图像作为主题：陈凡和曹继东、段伟文、韩连庆等关注伊德的“视觉主义”和“图像解释学”研究，杨庆峰进行图像技术进步的体验构成问题研究，陶建文进行图像和身体的视觉主义研究。科技哲学涉及科学图像的研究还包括：成素梅和钟海琴对玻耳兹曼的图像论研究；任定成和其研究生蔡荣海对“科学图”与两类科学划界的研究；吴国盛和田松将埃舍尔画作与科学相结合的哲学分析；刘则渊、陈超美团队和潜伟对于科学可视化和科学图形的计量学研究；吴彤、刘高岑和魏屹东对科学表象的科学实践哲学和认知哲学研究等。但是相较科技哲学对科学理论、模型、实验和仪器的研究，对科学图像的研究体现分散性和非自发性。可以发现，国内的图像哲学和视觉哲学研究，科学图像的科学史和科学传播研究逐步展开，技术哲学已经对图像进行现象学研究，科学哲学有待将科学图像明确纳入自身研究领域。
三、科学史对科学图像的研究
科学史真正对科学图像尤其是科学插图产生兴趣，源于鲁德维克(Martin J. S. Rudwick)关于地质学视觉语言的开创性工作。[7] 鲁德维克指出19世纪初，地质学家已经将截面图作为基本工具，用以表达更为复杂的、具有地球史因果与时间内涵的结构形态。其实达高涅(Francois Dagognet)[8]的科学插图史研究早于鲁德维克，但是因为以法语发表并不为大家熟知。技术史领域对插图的研究可以追溯到弗格森(Eugene S. Ferguson)[9]的工作。18世纪的科学插图实现了由木刻图版到金属雕版的转变。就科学插图家的绘图方法而言，18世纪在最早的木刻图版与今天的印刷技术的差距之间架起了桥梁。[10]507 现今科学插图史的研究受到了科学史家和艺术史家的共同关注，科学插图涉及传统的博物学，如动物学、植物学、矿物学、地质学、解剖学以及天文学和显微学等众多领域。在对于不同学科的科学插图史研究的基础上，福特(Brian J. Ford)[11]和罗宾汉(Harry Robin)[12]等致力于科学插图通史的研究。
国内哲学界已经从西方哲学、美学、逻辑学、经济哲学视角聚焦图像研究。尚杰关注从“语言哲学”到“视觉哲学”的转变，首倡图像哲学或影像哲学的理论建构工作；倪梁康、高秉江进行胡塞尔“图像意识”的现象学研究；王才勇进行西方19世纪中叶开始的视觉现代性的美学考察；曹晖从形式本体到意义语境对西方视觉形式进行美学研究；杜国平进行图形推理的种类、形式和规律的研究；刘新文在欧拉图、文恩图和存在图考察基础上展开图式逻辑研究；段钢关注图像的经济哲学研究，从认识论、价值论、经济范畴、经济伦理等角度对图像商品进行解读。
权威的8卷本《剑桥科学史》收录有18世纪科学插图、20世纪物理学的意象和表象等以科学图像为主题的章节。《科学史读者指南》[2]等科学史词典和手册中均收录“视觉表象”(visual representation)条目。科学史界在1997年召开“科学和视觉图像(从1500年到1800年)”国际会议，并于2003年出版了论文集《现代科学早期阶段中图像之力量》。[3]1999年召开“天文学中视觉表象的作用”的国际会议并于2000年出版同名论文集。[4] 《爱西斯》(ISIS)杂志2006年第1期推出《聚焦：科学和视觉文化》(Focus: Science and Visual Culture)的专栏，《科学史与科学哲学研究》(Studies in History and Philosophy of Science Part A ) 杂志在2007年第2期也推出《科学史中的对象、文本和图像》(Objects, texts and images in the history of science)的专刊。从早期的科学插图史到广义的科学视觉文化史，科学图像已经成为科学史关注的主题。
老年人日常生活能力主要包括3个方面，即基本日常生活能力、功能性日常生活能力和高级日常生活能力。其中基本日常生活能力是老年人满足基本生活需要所必备的能力，主要包括穿脱衣、进食、行走、洗漱、沐浴、上厕所等方面，自理能力是健康的一个重要标志[6]。如果老年人不能独立完成或者依赖别人辅助也不能完成这些日常活动，就说明老年人完全失去自理能力，需要补偿服务。养老机构应该将老年人的健康保健和康复训练作为维持和提高老年人基本日常生活能力的重要方面。老年人只有拥有基本日常生活能力，才有可能具备服药、购物和乘坐交通工具等功能性日常生活能力，以及娱乐、参与社会活动等高级日常生活能力。
为了深入分析利用本维护模型进行17次不完全预防性维修中该设备的故障率变化情况，对混合故障率各调整因子开展研究。图7和图8分别为其役龄回退因子αi和故障率递增因子bi随预修周期数i的变化曲线。其中：
近来科学史出现了将图像、思想、仪器等共同纳入研究框架的趋势，以呈现科学的视觉维度、物质维度和文本维度的有机结合。代表性的工作是达斯顿(Lorraine Daston)和盖里森(Peter Galison)对科学图像史和客观性概念思想史的整合研究。“科学的客观性有其历史。客观性并非一直清楚地显示出科学的特征，客观性并不等同于真理和确定性。”[13]17通过考察大约18世纪早期到20世纪中期欧洲和北美科学图集的图像制造，客观性演化和生成的历史以认知美德(epistemic virtue)的形式得以呈现出来。客观性的演进可以归纳为三种认知美德：自然真理(truth-to-nature)、机械客观性(mechanical objectivity)和受训判断(trained judgment)。三种认知美德大体分别对应手工绘图时代、照相摄影时代和数字模拟时代。认知美德在特定的历史语境中出现和进化，但是在新的条件下认知美德并不必然会消逝。[13]113
四、STS对科学图像的研究
STS中的实验室研究将科学图像的修辞作用凸显出来。“实验室所采用的是对象的图像，或者是它们的视觉、听觉或者电子等效果，或者是它们的某些成分、精华或‘纯化’了的形态。”[18]112拉图尔和伍尔加的《实验室生活》将仪器设备视为铭写装置，将科学图像视为实验室产生的铭文。“铭写”的概念借用于德里达以界定比书写更基本的操作。铭文“表示任何通过仪器得到的可见的图形、曲线或痕迹等等，它们可用于在文本里充当最后的证据”[19]169。实验室成员就像一个正忙于编码、做标记、读与写的奇怪部落，他们将物质转化为数字或图表等书面文档的形式。《实验室生活》引入巴什拉的现象技术的概念以表达观察者对实验室的理解特别偏重于书面文档和铭写装置。不同的铭文之间互动可以形成转移链：→工具→标记→图→表格→曲线→观察语句1→理论→观察语句2→理论语句3→等等。[18]40
1988年《人文研究》(Huamn Studies )杂志在第2—3期推出了《科学中表象实践的社会取向》的专刊。1990年林奇和伍尔加在上述专刊论文的基础上，补充了两篇新的论文，出版了STS研究科学表象的经典论文集《科学实践中的表象》。该论文集从社会建构论、符号学、话语分析和人类学等不同路径研究科学表象的语境性，重点突出了图表、图形、照片、制图和影像等视觉表象在科学实践活动中的社会价值和作用。在论文集中，许多学者对于不同表象形式展开大量经验案例研究。例如，阿曼(Klaus Amann)和塞蒂纳(Karin D. Knorr Cetina)通过区分“数据”和“证据”，考察如何对分子生物学实验室制造的视觉证据进行“视觉归纳”(optical induction)。“几乎所有出版的图像都是被小心谨慎地编辑过的蒙太奇剪辑，这些图像与其他图像的片段聚集在一起。”[20]160数据逐步以令人信服的证据的形式得以固化。林奇指出生命科学中的样本材料转换为数字化的图像经历了四个步骤：过滤、统一、升级和定义。过滤是指图表相对于照片，只展现了一组有限的可视化特性；统一是指对图表可以作出统一性判断；升级是指明确和清晰地标示出研究实体的边界；定义是指通过图表对实体进行编码和分类。经过上述四个步骤，实体的照片变成了数字化的图像即图表。实验的定量数据被转化为视觉数据，数据的复杂性降低的同时，数据的可视性得到提高。[21]209-210总之，该论文集指出科学图像有助于将无序的经验世界和有序的自然世界关联起来，以证据形式呈现的科学图像有助于掩饰知识的地方性和语境性。
STS早期的实验室研究和1990年出版的《科学实践中的表象》[14]涉及科学表象；2007年第三本《科学技术论手册》包含“科学成像与可视化”(Scientific Imaging and Visualization)的篇章[15]297-318；2014年出版《回访科学实践中的表象》[16]对科学表象进行了重审。牛津大学科学、创新与社会学院(InSIS)在2011年主办了“计算机化时代的可视化”会议，并在2014年出版论文集[17]，明确提出“视觉STS”(Visual science and technology studies，简称visual STS 或 VSTS)。视觉表象已经成为STS的核心主题。
《通知》强调，乡村就业创业促进行动要坚持自主就业创业，坚持人才优先培养，坚持特色产业带动，坚持产业融合发展。一是培育主体促进就业创业，二是打造园区促进就业创业，三是发展特色产业促进就业创业，四是推动产业融合促进就业创业。
根据“观察渗透理论”和“证据对理论的不充分决定性”命题，STS认为科学观察的视觉表象即科学图像也是渗透着理论的，作为视觉证据的科学图像也不具有决定性。早期实验室研究和《科学实践中的表象》对于科学图像的解释具有社会建构论的明显痕迹。STS的第三本手册收录“科学成像与可视化的社会研究”(Social Studies of Scientific Imaging and Visualization)一章，科学成像和可视化(简称为SIV)成为STS的主题。受到实践转向影响，SIV研究科学图像制造、解释和使用的认知实践，SIV研究的范围包括并超出科学实验室和共同体。SIV研究的三个核心是作为人造物的科学图像，图像在科学中的作用，图像在实验室之外的使用，以及图像如何与不同形式的知识相互作用。[15]300
无线感知网络分为无线传感器网络节点和网关。无线传感器网络节点主要功能是采集茶园的二氧化碳浓度、空气温湿度、光照强度、土壤湿度等相关环境参数并实时上传至协调器。其硬件结构图如图2所示：
五、科学哲学对科学图像的研究
上世纪末以来，科学哲学界发表了一批科学图像研究的成果。1990年PSA(美国科学哲学协会)年会论文集收录了主题为“生物学：非-命题方面”(Biology: The Non-Propositional Side)的一组文章。《生物学和哲学》(Biology and Philosophy )期刊1991年第2期发表主题为《生物学中的图像表象》(Pictorial representation in biology)的专刊。《综合》(Synthese )杂志在2012年第1期发表了题为《数学中的图像：历史和哲学》(Diagrams in Mathematics: History and Philosophy)的专刊。《科学哲学》(Philosophy of science )和《生物学和哲学》杂志后续不断出现关于科学图像的论文。近来《不列颠科学哲学杂志》(The British Journal for the Philosophy of Science )(1994年第3期，1997年第2期，1999年第3期，2010年第2期和第3期)也相继出现关于科学图像的论文。近来,科学图像成为科学哲学领域书籍、期刊和会议的主题。2006年出版的《科学哲学：百科全书》(The Philosophy of Science ：An Encyclopedia )明确收录了“视觉表象”条目。[22]2012年多伦多大学科技史与科技哲学研究所主编的期刊(Spontaneous Generations :A Journal for the History and Philosophy of Science )出版了《视觉表象和科学》(Visual Representation and Science)的专刊。2006年美国哲学会太平洋分会召开“科学图像”(Scientific Images: An APA Pacific Division Mini-Conference)主题会议。2010年首届医学成像和哲学国际会议(International Conference on Medical Imaging and Philosophy)召开，并于2012年出版了论文集；2014年召开了第二次医学成像和哲学国际会议。2010年第33届国际维特根斯坦会议的主题是“哲学、科学和艺术中的图像和成像”(Image and Imaging in Philosophy, Science and the Arts)，2011年出版了两卷本的会议论文集。[23] 2015年4月匹兹堡大学科学哲学中心召开“作为科学推理手段的图像”(Diagrams as Vehicles of Scientific Reasoning)的国际会议。
科学哲学对于图像的关注源于认识论传统的科学哲学关注视觉表象，实验实践传统的科学哲学关注实验仪器及其成像。以往科学哲学关注语言表象和数学表象，近来认识论传统的科学哲学开始关注视觉表象。对于科学图像的认识论研究试图建立一种非命题性(non-propositional)的认识论。相关研究大多分布在认知哲学、生物学哲学和医学哲学等领域。纳赛希安(Nancy Nersessian)将麦克斯韦的电磁感应图像描述为“类比模型的视觉表象”[24]；基尔(Ronald Giere)关注的不是心智模型，而是外部模型，他指出模型的视觉表象对于心智的模型化特别有效的原因为，视觉表象的内容可以通过空间的和其他的视觉关系得以传达[25]；布朗(James R. Brown)指出数学图像可以起到证据的认知功能[26]；克莱因指出图像并不能在神经成像中起到证据的功能[27]；佩尼(Laura Perini)基于古德曼开创的《艺术的语言》中的经典研究，对于图像的本体论分类进行了探索[22]864-865。与STS关注图像的内容如何被传达不同，认识论传统的科学哲学家关注的是图像的认知功能。对于科学图像的认识论研究主要将科学图像与科学推理、科学证据、科学表象、科学模型等要素进行认知性关联，试图突破以命题为导向的认识论传统，进而建构图像认识论。图像认识论是对传统认识论的有效延伸，其指出科学图像也承载着科学知识。图像认识论研究分布的领域不断扩展，由认知科学、生物学、医学等领域延伸到数学、物理学、化学、天文学、地质学等领域。
科学实验哲学重新定位了观察的地位，并关注到科学图像的研究。新实验主义认为“观察中立论”和“观察渗透理论”命题都具有片面性，观察不能完全等同于实验，观察和实验也并不只是理论的附庸。新实验主义者阿克曼指出：“没有精确的图像表象和高度专业化的仪器就不可能想象现代科学的发展。”[28]87在科学哲学的“实验实践”转向背景下，实验实在论[29]和历史本体论[30]的研究使得仪器成像进入科学哲学的视域。哈金的实验实在论关注到了显微镜图像对于实验实在论起到的辩护作用。贝尔德(Davis Baird)的科学仪器哲学[31]考察了仪器成像的认知功能。由光学显微镜到声学显微镜，不同的物理系统给出相同的图像，可以相信显微镜成像的真实性。历史本体论认为科学对象(scientific objects)是历史性生成的认知物(epistemic things)，作为科学对象重要组成部分的科学图像具有自身发展和演化的历史。但是科学实验哲学的六大研究主题(实验的物质实现、实验与因果性、科学与技术的关系、理论在实验中的角色、建模与计算机仿真实验、仪器使用的科学和哲学意义以及科学与技术的关系)[32]当中并未包含科学图像。科学实验哲学对于科学图像的研究还是非自发性研究，对科学图像的研究是对实验和仪器研究的副产物。
六、余论：走向科学图像的哲学研究
“科学图像学图像及其潜力在所有的科学领域里都得到发展：从宇宙学到医学，从数学到气象学，从地球动力学到宇宙物理学，从信息学到生物学，从动力学到原子学等。”[33]12 1998年召开了首届“视觉表象和解释”(Visual Representations and Interpretations，简称VRP)大会，出版的同名论文集(2000)的五个主题之一是“科学的视觉维度”(The Visual Dimension of Science)。[34] 2002年召开了VRP第二次国际会议，出版的论文集《视觉表象和解释的多学科路径》(2004)的五个主题之一是“科学中的视觉表象”(Visual Representations in Science)。[35] VRP会议参加者的学科涉及科学史、艺术史、生物学、临床科学、认知科学、计算机科学、设计学、工程学、语言学、数学、哲学、物理学、心理学和社会学等。图像和科学图像已经受到多学科的关注，科学史和STS明确将科学图像作为研究主题，科学史已建构科学图像史研究，STS也提出“视觉STS”(简称visual STS 或 VSTS)研究。科学哲学对于科学图像的研究也在认识论和实验实践两条路径得以展开。科学图像的哲学研究的演进，在学科内部源于图像认识论和实验实践研究的兴起，在学科外部源于科学图像史和VSTS的推动。科学图像可以成为科学史、STS和科学哲学展开跨学科对话和整合的有效平台。科学哲学对于科学图像的研究，需要吸收和回应科学史和STS对于科学图像的解读。科学图像是否承载科学知识，科学图像和科学知识、理论、实验、仪器之间的关系等认识论和本体论问题，科学图像的哲学研究对于科学哲学基本问题的启示和价值等研究，需要科学哲学展开进一步探究。
[参 考 文 献]
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Research on Scientific Images in View of HPS
Shi Cheng
(School of Marxism ,Nanjing University of Science and Technology ,Nanjing 210094,China )
Abstract : Scientific images, like scientific experiments and instruments, have their independent lives. With the increasingly obvious role of scientific images in science practice, history of science and STS, especially philosophy of science needs to study scientific images. Nowadays, history of science and STS have made scientific images the subject of research, and the study of scientific images by philosophy of science from the aspects of epistemology and experiment practice is also actively promoted. The further promotion of the philosophical study of scientific images need to be advanced from the aspects of epistemology, ontology and fundamental questions of philosophy of science.
Key Words : scientific images; philosophy of science; history of science; science and technology studies(STS)
中图分类号: N031
文献标识码: A
文章编号: 1009-4970( 2019) 07-0008-06
收稿日期： 2019-01-10
基金项目： 教育部人文社会科学研究青年基金项目(17YJC720021)
作者简介 ：石诚(1981—)，男，江苏淮安人，博士，副教授，主要研究方向为科学史与科学哲学。
[责任编辑 尚东涛]
标签：科学图像论文; 科学哲学论文; 科学史论文; sts论文; 南京理工大学马克思主义学院论文;