《科学通史》优秀作业展示｜自由的学问在自由的时代与自由的人相遇

优秀作业展示

科学的起源

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第一讲

图片拍摄的是位于Samos的Pythagorio Harbour上的毕达哥拉斯雕像（The Statue of Pythagoras）。这座雕像展现了毕达哥拉斯对于数学的贡献，表达了希腊人民对先圣的崇敬。

1. 图片中的元素：

a) 首先是基座部分，面对着我们的是“Pythagoras of Samos（萨摩岛的毕达哥拉斯）| 580–496π.Χ.”；在基座右侧也是有文字篆刻其上。

b) 其次是雕像主体部分。毕达哥拉斯站在刻满花纹的底座上，左手手拿直角三角尺，右手上指，头顺着手指方向仰望；毕达哥拉斯，毕达哥拉斯脚下的底座和右侧的斜边构成了直角三角形。另外，斜边是三角形柱，底座是四边形台，都印满花纹。

c) 最后是其他细节的观察。毕达哥拉斯手指向的直角三角形顶点并不是全然的“点”，而是由两支三角形柱交叉形成的支点。没有找到确切的说法表明其寓意，推测是由于雕像本身重心平衡的需要延长顶点的斜边，形成交汇的态势。

2. 元素分析：

a) 雕像整体的直角三角形结构。这是参考毕达哥拉斯定理（a2 + b2 = c2）给出的结构。致敬了毕达哥拉斯对于几何学最重要的贡献。毕达哥拉斯同时还是哲学家和音乐理论学家，为什么独独致敬其几何学之贡献？因为几何学为希腊理性精神之代表，充分展现科学自我展开、演绎推理的自由精神。

b) 手拿直角三角形尺、手指向上指。直角三角形尺依然是致敬毕达哥拉斯定理，毕达哥拉斯手指向上延展，指向直角顶点，是寓意“指向几何学正确的道路/为后人指明方向”的含义。三角形元素如此丰富，可能也是毕达哥拉斯坚信“一切真理都可以用比例、平方及直角三角形去反映和证实”的一种体现。

c) 柱子篆刻的花纹。这些花纹实际上是一些符号，都是暗指一些归功于毕达哥拉斯的科学和哲学理论。

整体来看，雕像象征着毕达哥拉斯一生对于几何学最光辉的贡献：毕达哥拉斯定理。

希腊自然哲学

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第二讲

这幅画作是13世纪中期法国书籍《圣经的道德教谕》的一幅插图，描绘了上帝创造世界的景象，也称为“缔造者圣父上帝”。画中的上帝被描绘成建筑师的模样，使用圆规创造圆形的宇宙的洪水与土地、太阳与月亮、地球与星辰。上帝光着脚，一只手托着画，一只手进行绘图，象征着上帝正在分别调动自己的智慧和力量进行宇宙的创作。

这幅画的创作显然是受到了柏拉图的哲学思想的影响。柏拉图在《蒂迈欧篇》中认为世界是被创造的，希望万物完整、有秩序、有理性，因此他为世间万物规划了最完美的形态，即“理念”，然后按照“理念”创造了世界。这同样也解释了圆规的使用：真正的几何对象（完美的圆、直线等）在现实中不存在，所以更接近理念世界；而上帝在创世时就遵循着一定的几何规律。

这幅图也是一件“罗马式”风格的绘画作品。中世纪被称为“黑暗时代”，原因在于古代希腊、罗马的书籍、文字、知识都在战乱中失传了，而有限的读书与识字的权力又掌握在教会和修士的手里。普通公众根本无法通过文字获得知识的引导，教会为了使他们没有障碍地接受基督教教义的训诫，通过图画传递其思想。

希腊化科学的鼎盛与衰落

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第三讲

经过搜索，图中的画来自《哲学珍宝》（Margarita philosophica），它是一部16世纪的著作，包含了中世纪晚期的各类知识，被认为是最古老的印刷百科全书之一，于1503年首次出版，作者是Gregor Reisch。

图中的画是百科全书（一共12章）第7章天文学的首页，画中左侧的人物是托勒密。托勒密是古希腊天文学的代表人物，是“地心说”的集大成者。画中他正在用某仪器仔细观察天空中的月亮与星星，在他身后是天文女神，伸出右手食指，给予他指导。

对托勒密手中的仪器作进一步探究，观察到它近似于一个四分之一圆（90度），推测可能是四分仪/象限仪。四分仪是一种古老的测量工具，可用于测量地球上某地的纬度，也可以测量高度或深度，与“地心说”呼应。另一个有值得探究的点是该画作的时间。历史上16世纪40年代，哥白尼提出了著名的日心说，但当时一直未被主流科学所接受，直到17世纪伽利略使用望远镜观测到了木星的卫星等天文现象，“地心说”体系才开始瓦解；本图来自于的著作于1503年首次出版，这个时间节点正处在“地心说”兴盛的时代。

通过对该百科全书的进一步了解发现，它在文艺复兴时期广为传播，从1503年到1600年至少经历了十二个版本，体现了托勒密的“地心说”的天文观对这一时期历史文化的深远影响。

中世纪科学

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第四讲

图片内容：该图中所展示的机器是欧洲最古老的机械塔钟，现存于英国南部威尔特郡索尔兹伯里的天主教堂——索尔兹伯里大教堂。该钟于 1386年制造，又在1790年被拆除，此后一直处于废弃状态，直至1928年被重新发现并在1956 年被修复得以重现光彩。

机器结构：该钟主要结构是一套以棘轮、棘爪等零件组成的齿轮系统，并以重物为动力来实现运转。其工作原理大致可以概括为：（1）重物的平衡摆来回摆动，根据摆动周期控制棘轮每六分钟转动一小格；（2）当棘轮转动一圈即一小时后，控制重物的机构将会松弛，重物下落对钟进行敲击，同时带动最左侧不等间距齿轮运动；（3）不等间距齿轮组配合运动决定了重物敲击的次数，实现几点敲几下钟的功能；（4）当敲击过程完成后，重物停在底部，通过滚筒的把手可以重新提起重物为敲击提供能量。如此循环往复来实现计时的功能。

机器意义：机械塔钟的存在说明了早在十四世纪，英国就掌握了较为成熟的机械技术和科学经验，不但可以铸造出较为精密复杂的齿轮，还可以利用机械部件来构造出具有特定功能的机械结构。这既体现出技术的成熟又展现出科学知识的应用，是从纯人力向机械使用过渡的一个重要表现，让我们更能理解之后工业革命率先在英国发生的原因。当然，机械塔钟制造的目的之初还是为了提醒信众时间，加强教会的权威和全能上帝的形象，其结构还十分庞大和笨重，计时误差较大。之后钟表在工业革命时间不断改良完善，并适应资本主义生产关系的需求诞生了所谓的“时间纪律”，彻底改变了封建农耕社会人们的生活规律。

中世纪的经院科学

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第五讲

图片出处：该图片所展示的作品有两个版本，一幅是黑白的，另一幅是彩色油画。其标题是《在牛津大学默顿学院天文台的罗吉尔·培根》，由画家Ernest Board创作。

图片内容：图片整体内容与标题相应，描绘了罗吉尔·培根在牛津默顿学院的天文台上观测星象的情景。图中主体主要包含三个部分，分别是窗外的星空，屋内观察星空的罗吉尔·培根和桌上的浑天仪。

图片细节：

(1) 图中罗吉尔·培根观察星空所用的装置由一大一小两个放大镜构成，是后来天文望远镜的雏形，小镜作为目镜靠近人，大镜作为物镜朝向天空。通过合理调节两个镜片间的距离可以实现将远处空中的星体放大并呈现在人眼前。这一处细节说明当时中世纪欧洲不仅在光学理论研究方面取得了重要的进展，同时在镜片的磨制、抛光等技术水平上也有了一定程度的提高，已经可以根据几何光学原理来制作一些简陋的设备并应用于天文学观测；

(2) 罗吉尔·培根身着修士袍，膝上横放着一条十字架链子，表明了他基督教信徒的身份。他身前放了画板和笔，身后放了浑天仪，便于他记录并比对所观察到的星空区域。这些细节突出了他在天文学方面的成就，同时严谨的观测和实验也显示了他作为近代实验科学的先驱的历史地位。

图片意义：这副油画不仅向我们展示了罗吉尔·培根作为基督教徒、光学家、天文学家的丰富形象，同时也帮助我们印证了罗吉尔·培根的一些理念，比如他怀疑演绎推理法，推崇实验经验，是一名典型的经验主义者。作为教徒和科学家两重身份的统一体，他认为科学知识有利于诠释圣经，天文学有利于制定宗教历法。

哥白尼革命

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第六讲

该图片展示的是伽利略绘制的月球表面图手稿，该图由其于1609年11月用自制的能放大30倍的望远镜观测月球得出，被收录在1610年出版的《星空使者》一书中。2007年，这幅图片手稿连带书中另外4幅手绘图被柏林洪堡大学美术史研究中心的赫斯特·布雷德坎普教授和帕多瓦大学伽利略科学史研究中心的主席威廉姆·希尔共同鉴别出来，在沉寂近400年后终于得以面世。

伽利略在手稿中画有六个月球影像，因在不同时间位置接受不同太阳光的照射而呈现出圆缺变化，即月相。根据日月黄经角（太阳和月亮在黄道上的射影的角距离）的大小，古人对月亮变化规律的不同形态进行了命名。从手稿图片来看，其中4幅的月亮呈现出镰刀形，大致出现在每月的农历初四到初七，接近峨眉月向上弦月的月相变化阶段；另外2幅则是明显的下弦月，出现在农历每月的二十二、二十三号，此时太阳、地球和月球之间的相对位置再次变成直角，这时观测到的月球的东半边便亮呈半圆形。

在伽利略的绘图中，可以清晰地看到，月亮表面覆盖着赭石色和亮棕色的阴影，月球表面的环形坑和河流也清晰可辨。这再一次否定了完美宇宙论，上帝创造的东西并非都是完美的，月亮也并非像亚里士多德描述的那样洁白无瑕，而是和地球一样凹凸不平、坑坑洼洼。这一发现不但影响了后世对月亮的艺术创作，也为月球地质学的发展开辟了新路。

虽然伽利略并不是第一个用望远镜观测月球的人，却是第一个用望远镜研究月球并试图用画笔记录下月面特征的人。实际上，《星空使者》这本书中还汇集了伽利略对木星的卫星、金星位相的变化、土星光环、太阳黑子等一系列重大天文现象的观测结果，彻底撼动了地心说，更是触及到教义中所传播的种种信条，最后直接导致了他被教会终身监禁。正因为此，才会让我们震撼于这一手绘图的细致精妙之外，更被其作者永不放弃的科学求索精神深深折服。

新物理学的诞生

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第七讲

此图为英国18世纪著名浪漫主义诗人、画家威廉·布莱克（William Blake, 1757–1827）的作品《牛顿》，初稿作于1795年，后修改再版于1805年。该作品是布莱克1795–1805年间的十二幅大彩印画之一，同时也属于其圣经统治者尼布甲尼撒系列图像。布莱克的中后期版画作品以其宗教与神秘色彩著称，同时其画作中人物神态与体格往往也生动逼真。1995年，意大利裔英国雕塑家爱德华多·包洛奇（Eduardo Paolozzi, 1924–2005）根据该画作于大英图书馆旁广场创作同名大型铜质雕像。

在布莱克《牛顿》中，牛顿以赤身裸体、肌肉发达的希腊人形象出现，正坐在海底的一墩覆盖藻类、呈现出红褐色腐蚀状的岩石上，身旁游过神秘而智慧的乌贼，肩头滑下白色的长袍，表现其科学传统由来已久，当然也暗含着其作为学者正在逐渐打破曾经的神话，以科学解构神学，甚至由此创造新神的历史形象。牛顿专注地使用圆规在明亮的卷轴上进行测量与作图。该圆规与布莱克的另一作品集The Ancient of Days封面图中的圆规相似。画中明暗对比强烈，仿佛在表示牛顿代表的近代科学与传统神学与对自然认识之间的巨大张力。

然而有趣的是，布莱克作为神学体验的亲历者与拥护者，对近代科学革命与启蒙运动中的重要人物均持抗拒态度。布莱克曾经明确地表示“艺术是生命之树，科学是死亡之树。”布莱克本人甚至将牛顿、培根与洛克列入其构想地狱的三位一体名单。牛顿等人在科学、哲学上的革新，使得神学的正当性与合理性受到前所未有的怀疑，这令布莱克感到不满。

总而言之，布莱克作为科学革命坚定而忠诚的反对派，以其细腻壮观的艺术笔触，巧妙地刻画了牛顿的形象，在牛顿形象的传播上具有独特的贡献。

科学革命之实验传统

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第八讲

本图是德比的约瑟夫·怀特（Joseph Wright of Derby）在1768年所作的《真空泵中的鸟的实验》（An Experiment on a Bird in the Air Pump）。现藏于英国国家美术馆，在我校科学史系的系厅里也有一幅。

图中的实验发生在一个大户人家当中，时间是夜晚。一个从事演示实验的行商正在向一家人展现一只鹦鹉在抽空了空气的玻璃容器当中生理现象。围坐在实验四周的家庭观众对实验现象各有各的反应，右侧的两位女孩不无忧惧，不忍直视，左侧的男孩兴致勃勃；成年人有的在计时，有的陷入沉思，还有的在对不无忧惧的小女孩热情地做着讲解；最左侧的年轻情侣专注于彼此。桌上的光源来自泡着骷髅头的水缸之后。实验者则望向画幅外，并用一只手控制着容器的阀门，控制着容器中的鹦鹉的生死命运。

图中的实验是波义耳用空气泵做的早期实验之一，这类实验包括将燃烧的蜡烛或各类活物放在容器中再用空气泵抽真空，随后观察容器中的现象，是一种非常好的演示实验，可以被他人所见证，加强实验的社会说服力。在波义耳的年代，真空泵尚且是一种新颖而昂贵的实验器具。某种程度上，它是第一种能够专门制备不同的自然现象（相对于望远镜显微镜等单纯的观测仪器），且公开（相对于炼金术仪器）的实验仪器。

到了本画被绘出之时，真空泵已然不是一种只有波义耳这种财力雄厚的贵族才能购置得起的实验装置，而能够随着流动从事演示实验表演的人进入（有钱的）百姓家中。这幅画作呈现了一种18世纪中晚期的科学或自然哲学通过演示实验的形式走向公众的面貌。

图中使用的空气泵样式非常接近霍克斯比改良后的双筒气泵，而这种气泵设计在1768年也不算是一种新颖的结构了。可见，此类实验和相应的实验装置作为一种能够直观展现新的实验科学的力量的演示实验有相当强的生命力。

此外，这一实验是一类全新的科学实验传统的代表，其通过新的仪器，制备自然环境之中原本没有的现象，是培根科学的代表。

科学革命之自然志传统

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第九讲

图为油画《洪堡与邦普兰在热带丛林中考察》（1856），由澳大利亚画家Eduard Ender（1822–1883）所作。

画中有两位主要人物：左边坐在椅子上目视前方的是冯·洪堡，只见他右臂靠在摆满仪器的桌角，左臂搭在大腿上，手与大腿之间还夹着一张图纸，整个人成思考状，可能是在思考刚刚遇到的新发现或者问题；右边的人物是邦普兰，他一手搭在桌上高高堆积的书本上，一手谨慎地拿着一件仪器，头微侧转向洪堡，像是在请教疑惑，又像是在汇报数据。不难猜测，邦普兰是洪堡的助手。

整幅图的背景是在委内瑞拉境内奥里诺科河流域，背后是高耸入云的雪山和一些典型的热带植物，两人所在的帐篷简易搭建在杂草重生的阴暗潮湿的空地上，仅有一束阳光从上面射下来。虽然环境很简陋，但是两人的科学研究仪器却很丰富齐全，由图可见桌上和地面上摆满了测量仪器和植物标本。

由上述观察可知：亚历山大·冯·洪堡认为观察在科学中占核心地位，重视观察和记录的科学这种强调观察、记录、积累数据的方法，对后来的科学研究有重大影响。除此之外，冯·洪堡还在考察调研中尝试将地球视为一个系统的象征。他绘制过《自然之画》，在画中他定义了植被的区域分布与海拔、温度、湿度的关系，而且还将这些分布与世界上的其他山脉进行对比，试图了解生物和非生物领域之间的全球性联系。除此之外，他还首次使用绘制等温线等用于定量描述地理特征的数学表示工具，为之后的地理地质研究奠定了基础。

科学的制度化与职业化

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第十讲

图中所示的画作是俄罗斯画家Ivan Fedorov在1884年所作的Empress Catherine II visiting Mikhail Lomonosov。

在这幅画作中有着两个著名的人物，米哈伊尔·罗蒙诺索夫（Mikhail Lomonosov）和叶卡捷琳娜二世（Empress Catherine II）。其中，米哈伊尔·罗蒙诺索夫是俄罗斯著名的科学家、语言学家、哲学家和诗人，他在科学的许多方向中都有着引人注目的成就。例如在天文学方面，他是第一个通过金星凌日现象来发现金星具有大气层的人。在化学方面，他提出了至今仍旧在广泛应用的”化学反应质量守恒定律”的雏形版本，否定了当时流行的“燃素说“。在物理学方面，他提出了热的本质是微粒的无规运动。基于这些成就，米哈伊尔·罗蒙诺索夫被认为是俄罗斯历史上的第一位世界级科学家，并被誉为俄国科学史上的“彼得大帝”。另一位人物，叶卡捷琳娜二世·阿列克谢耶芙娜是俄罗斯著名的一位沙皇，并且是俄国历史上独一一位被冠以“大帝”之名的女皇。在叶卡捷琳娜二世在位期间，她延续了彼得大帝时期开始的西方化，将启蒙时代的西方进步思想移植到俄罗斯，极大的推动了俄罗斯文学、艺术、教育和科学的发展。

画作中展现了叶卡捷琳娜二世拜访米哈伊尔·罗蒙诺索夫时的场景。画面左侧，身体前倾、正在做讲解的男子便是米哈伊尔·罗蒙诺索夫。而画面中间坐在椅子上认真倾听的人则是叶卡捷琳娜二世，在她身旁站立的两人是她的随从。在画面中我们不仅能看到这些著名人物，在画中的桌上、几人身后的木架上，我们还能够观察到到许多科学仪器。

这幅画作既体现了叶卡捷琳娜对于俄罗斯西化运动，尤其是在科学方面发展的重视；同时也体现了米哈伊尔·罗蒙诺索夫在俄罗斯历史，尤其是科学史中的地位之高。此外，通过描绘俄罗斯沙皇拜访一位科学家的事件，也体现出了在当时的欧洲，科学家开始逐渐被器重的现象。

科学与工业革命

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第十一讲

这幅画名为《科尔布鲁克代尔之夜》（Coalbrookdale by Night），是艺术家菲利普·雅克·德·卢瑟堡（Philippe Jacques de Loutherbourg）于1801年在伦敦所绘油画作品，现由英国科技博物馆群收藏。画中场景展示了什罗普郡马德利戴尔（Madeley, Shropshire）的贝德拉姆熔炉（Bedlam Furnace）的景色，是画家所观察到的工业革命时期一隅景象。灰暗的画面由中部热烈的火焰照亮，火焰带着炸裂爆发的白光在堆积的矿物上燃起，旁边还高耸着焦炉，随之而起的是无尽的浓烟，在火光中呈现出橘黄色彩。浓烟飘散至天空，遮蔽天空中的云，将皎洁的圆月逼至画面的角落，银色月光仍然明亮，却不再为人们所关注与欣赏。火光照亮了来路，几名工人仍在黑夜中工作，驱使着马、带着机械工具，向远方奔去。路的两侧随意放置着大量钢铁管道及大型器械，是冶炼中的重要部件。路的左侧紧邻村舍，每家每户都安装了烟囱，一位妇人正带着一名小孩子从村舍走到路边。路的右侧是工业场所，包括熔炉等。

这幅画展现出了工业革命对普通人生活及工作的重新塑造：工业成为主要产业，大量农民成为工人，冶炼设备、熔炉及厂房占据原本的农业用地或空闲地，人造事物强势取代自然。画家所绘的耀眼火光，一方面展示出工业革命的如火如荼，暗示社会经济的迅速发展；另一方面展示出工业革命对自然的侵略扩张，彰显出人与自然间愈发明显的张力，暗示潜藏在发展愿景后的生存焦虑。工业革命带来了新型动力能源，新型劳动组织形式，改变了人们的劳动观念及生存观念，促进了传统社会向近现代社会的转型。

物理世界图景的变迁

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第十二讲

图片展示的是西班牙超现实主义画家萨尔瓦多·达利（Salvador Dalí, 1904–1989）于1931年创作的布面油画代表作《时间的永恒》（The Persistence of Memory），尺寸24x33cm，现藏于纽约现代艺术博物馆。

画面描绘了一个滨海旷野，因杳无人烟而显得尤为荒凉寂静。远景寸草不生的山崖与前景枯枝共同塑造了悲凉的死亡氛围。画面中最突出的三块柔软变形的钟表如同“被太阳晒化的乳酪”，耷拉在枯枝上、方台边和一只长着长睫毛、紧闭双眼、似鱼似马正趴着睡觉的怪物背上。金属玻璃材质的钟表异常的弯曲变形与前后景棱角分明的方台形成鲜明对比，更令人困惑不解。此外，方台上还有一块尚未变形的橙色钟表，上面密密麻麻满是蚂蚁；其中一块变形的钟表上爬着一只影子呈人形的苍蝇，枯枝上的钟表上的指针与数字则变得模糊，仿佛在与钟表融为一体，直至消失。画面整体风格怪诞神秘，虚幻冷寂，带有超现实主义典型的梦境色彩。

一方面，画面中物体组织与透视的杂乱无章、元素的反常识等清晰体现了弗洛伊德“潜意识”与梦境学说对达利的影响，折射出源自潜意识的对秩序、逻辑的消解与对非理性的表达。另一方面，画作也反映了爱因斯坦1916年提出的广义相对论下新时空观对达利的深刻影响。未变形钟表上象征腐朽与死亡的蚂蚁与人影苍蝇宣告了传统牛顿绝对时空观的终结；而柔软变形的钟表则暗示着近光速时的钟缩效应，时间的弯曲与流动象征着爱因斯坦相对时空观的胜利。由此可见，《记忆的永恒》不仅是达利对超现实主义风格的伟大实践，更深刻蕴含了对同时代物理学图景与宇宙时空观的思想诠释。

生命世界图景的变迁

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第十三讲

图片来源：这张图片的名称为《克洛德·贝尔纳与他的弟子》（Claude Bernard and his pupils），是一幅由法国现实主义画家莱昂·奥古斯丁·勒米特（Leon-Augustin L'hermitte）在1889年创作的布面油画。

图片内容：这幅画主要描绘了1846年生理学家贝尔纳以兔子为对象研究胰液功能的生物解剖实验的场景，画中贝尔纳正向他的弟子们展示并讨论实验结果。这个实验证明了胰腺分泌的胰液在消化中的重要作用，能分解食物中的脂肪为脂肪酸和甘油，还证明了消化过程在小肠中，而非胃里。这个发现具有重要的实验意义和科学价值，贝尔纳因此获得了1848年法国科学院的实验生理学奖。

图片细节：

（1）画面中心的贝尔纳身穿白色围裙，手持解剖工具，刚刚完成对解剖动物的放血；右下角的助手专门负责实验过程的记录；周围是贝尔纳的同行和学生们正关于实验现象的分析和讨论，从大家视线聚焦的方向来看，当时应该是画面左边那位站着的长者正在发表他的观点，大家全神贯注地观察和分析讨论，对实验结果展现出浓厚的兴趣。

（2）从房间中的各种试剂瓶罐和解剖的工作台来看，场景应该是一间专业的解剖室；解剖台上还放着其他的解剖用具以及一台显微镜，可能是想用于对兔子的一些组织进一步进行微观结构的观察。

图片意义：这一画作选取了贝尔纳研究胰液作用的实验场景作为主题，展现出了贝尔纳在实验生理学发展上的突出贡献。贝尔纳认为只有通过实验才能真实建立生命科学，他对解剖实验的重视对后来包括埃米尔在内的许多博物学家都产生了巨大影响。贝尔纳作为生理学家，一方面继承了实验生理学的传统，另一方面通过不断的新发现开启了内分泌领域的真正研究。他的研究推动了近代实验生理学的发展，证明了解剖实验的重要意义与价值，对于揭示生命的内在图景做出了重要贡献。

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