引入思想实验 指导科学探究

【摘" "要】思想实验兼具“思维”和“实验”双重属性。在科学探究中，可以通过思想实验的想象性引入模拟实验条件、过程性引入仿真实验进程、判断性引入推导实验结论，克服现实环境下物化条件的制约，完成物化实验暂时无法实现的科学探究，从而培养学生的科学思维和理性认识能力，探究无法通过直接感知所能发现的事物本质。

【关键词】思想实验；物化实验；推导

实验是近现代科学探究的主要形式。科学实验除了借助感官和仪器进行观察、操作的物化实验，还有在头脑中进行的思想实验。思想实验是指通过实验者的想象，在思维层面创设虚拟的实验环境并整合特定的实验资源，以已有的科学事实和实践经验为基础，对实验进行抽象的模拟与仿真，运用严密的逻辑，推理、预测科学现象并推导科学事实。思想实验能够克服物化条件的制约，使研究者通过内在的心理表征克服现实环境的束缚，在思维中对事物进行信息加工和处理，从而揭示客观事物的本质属性。

在小学科学课程实施探究性学习的过程中，教师通常注重引导学生通过观察、动手操作等方式获取感官经验，再对经验材料进行归纳推理，以此来发现和认识客观规律。这样的探究方式依赖于学习者的感性知觉，容易把感官经验当作一切知识的来源，从而忽视了学习者思维的能动性和创造性，使科学探究局限于逻辑实证主义倡导的科学观和研究范式，科学实践也受限于现有的物质条件。因此，教师在指导学生进行探究时可以引入一定的思想实验，突破物化实验的局限，使科学探究成为经验实证和思想实验互融的高阶认知活动。

一、思想实验的想象性引入，模拟实验条件

爱因斯坦曾言，想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。在科学史上，伽利略通过完全排除了摩擦力的斜面实验提出了“惯性”概念，爱因斯坦基于超光速的追光实验建构了狭义相对论，他们都是运用想象在逻辑上满足了探究所需的各种条件，从而实现了科学领域上的重大创新和突破。可见，思想实验开辟了新的探究维度，使研究者可以从抽象化的角度进行思考，并利用想象力主动探索未知领域，发现新的问题解决方法。

小学科学中的探究实验一般都是验证性实验，通过传统的模式化探究流程就能得出教材预设的科学结论。但随着探究内容逐渐向微观领域深入和向宏观领域拓展，现实环境已不具备科学探究的物质条件，很多探究活动也因此无法开展。此时，学生凭借原来的感官知觉已无法获取有价值的实验信息，亦无法理解和体会相应的探究结论。对此，教师可以引导学生在头脑中模拟想象各种实验条件，以假想的状态作为实验的起点，开展在真实环境下无法实施的探究。

苏教版《科学》六年级上册《冲出地球》一课呈现了人类为飞天之旅所做的各种尝试，并安排学生利用生活中的物品体验地球引力，探索物体下落的奥秘。然而，学生对这一现象的理解水平仅停留在“地球有引力”这一浅显的、众所周知的事实的陈述上，不能将其与月球绕地球公转的现象建立联系。事实上，它们之间的关联并不直观，学生无法通过直接观察和实验发现这两种貌似相悖的自然现象背后其实是同一种力在起作用，更无法知晓克服地球引力的具体过程。这时，教师可以引入“牛顿炮”这一思想实验，帮助学生协调原有认知和新认知之间的关系。在“牛顿炮”的思想实验中，教师引导学生假设地球是标准的球形，想象在一座高山上有一门威力可以无限增强的大炮。若这门大炮发射一枚炮弹，排除飞行过程中的空气阻力等影响实验效果的非主要因素，炮弹飞行一段弧度后就会落到地面，这很明显是地球引力在起作用。但随着炮弹飞出速度的增加，其飞行的弧长会不断延伸，落地的距离也会越来越远。如果炮弹速度足够，炮弹的弧形飞行轨迹就会无限趋近于地球表面的弧度，最后炮弹会绕地飞行永远掉不下来。这个飞行速度就是7.9 km/s，即宇宙第一速度，也是当下宇宙飞行器脱离地球引力的最小速度。在上述思想实验的基础上，再用直观的“旋转水桶”来模拟演示月球绕地飞行的现象，帮助学生理解地球引力所起的作用和脱离地球引力所需要的条件。这既达成了思想实验和真实的物化实验的配合与互补，为后一课《探索宇宙》做好认知和实践的准备，也使学生认识到思想实验作为科学探究与实践的价值。

二、思想实验的过程性引入，仿真实验进程

物理学家马赫提出，思想实验先于物质实验，且为物质实验必须具备的前提条件。思想实验是按真实实验的模式展开的一种复杂的思维推理活动，是实验者在头脑中对物化实验进行的科学计划和安排，与物化实验所要经历的程序相同。在物化实验真正实施之前，每一个实验者都会先在头脑中对实验过程进行抽象推理和仿真操作，推演完整的实验进程并预测实验结果，设想实验步骤并完善实验细节，从而形成物化实验的基本程序和实施进程。

心理学家皮亚杰认为，儿童的认知发展需要逐渐摆脱具体事物的束缚或对可感知事物的依赖，由具象的物质操作向抽象的思维运算发展。在实验探究的过程中，教师需要组织学生先对实验方案进行设计与构思，预设实验过程的各种可能性并准备好合理的解释，然后在思维中把前后相继的每个实验环节转化为同时出现的一组表象性整体，通过正向推演和逆向推演的相互作用对实验予以调整和改进，并分析实验细节是否严密且符合科学逻辑，让预设的实验过程在头脑中不断循环迭代和优化。

以苏教版《科学》四年级下册《动物的繁殖》一课为例，在探究受精蛋内的胚胎如何供氧呼吸这一环节时，学生提出鸡蛋壳内有气室，在蛋壳壁上可能存在气孔，在20多天的孵化期内，外界的空气可以从气孔源源不断地进入蛋内供给胚胎呼吸。此时，如何证明蛋壳壁上有气孔成为这一教学环节的探究主题。在设计探究活动时，教师没有盲目放手让学生直接“探索”，而是先组织学生思考和讨论各种研究方案，在头脑中建构各种探究模型，思考多种可能性之间的因果关系，再从优选择验证气孔存在的方案。经过小组内的“头脑风暴”和方案遴选，师生一致认为，可以先准备一个鸡蛋，在蛋壳顶端钻个小孔后排除内部物质，使之成为空蛋壳，然后用注射器在空蛋壳内注入少量水，再把打气筒上的气针伸入空蛋壳内，用打气筒往蛋壳内持续注入空气以增加内部气压。当气压达到一定阈值时，蛋壳内的水便会在压力作用下从气孔中溢出来，此时蛋壳外壁上应该会分布一层肉眼即可观察到的小水珠，从而证明气孔的存在。这一探究过程中的每个实验环节，学生都在头脑中往复推演和仿真，从而为后续的实际操作做好充分的心理准备。学生也由此养成了先思后行的理性探究习惯。

三、思想实验的判断性引入，推导实验结论

思想实验作为一种思维型科学探究的方法，可以确定某种思维对象是否存在，或研究对象是否具有某种科学属性，因此还是科学发现的一种必要手段。教师通过引导学生投入积极的思维活动，完成数据分析、建构科学解释等一系列逻辑上相关联的思维探索，可以避免科学探究教学仍旧简单地聚焦于科学事实的识记和实验操作技能的训练，先验地产生物化实验暂时无法得出的结果，探究无法通过直接感知所能发现的事物本质。

建构主义学习理论认为，科学不仅是经验主义所谓被人类经验所确定的那类知识，还包含人类通过各种思维形式或逻辑推理获得的其他知识。在科学探究中，教师可利用思想实验，引导学生以普遍接受的科学事实为前提，借助一定的逻辑规则，充分发挥思维的能动性，运用逻辑推理预判事物的发展趋势和现实状态，对研究对象进行理性分析并做出相应的判断，在思维中进一步证实或证伪原有的概念图式，从而推导出相应的探究结论，得到暂时无法通过物化实验获得的事实。

苏教版《科学》六年级上册《寻找遗传与变异的秘密》一课需要探究子代在父代遗传过程中染色体的数量情况。染色体是基因的载体。在一般情况下，人体细胞核中的染色体数量为23对。那两种生殖细胞结合后形成的受精卵内的染色体数量是否会叠加变成46对？学生先基于人体细胞核中原有23对染色体进行推导：如果细胞核内染色体数量叠加的情况成立，那么人类经过亿万年的进化，所孕育后代的染色体数量将会是一个天文数字。这种情况在逻辑上根本不成立，因此生殖细胞中染色体的数量不可能是23对。再进行逆向推理，发现两种生殖细胞中应该都只有一半的染色体（23条），各自一半的染色体结合成受精卵后又会组合成完整的23对染色体，这样才能保证人体细胞核内的染色体始终是稳定的23对，进一步推导出自己体内的每一对染色体都有一半来自父亲，一半来自母亲。通过这样推导发现新知的过程，学生不仅能体会到生命科学的奇妙，还能认识到思维型科学探究对建构新认知的作用，从而体会到思维探索与动手操作都是科学探究和实践的重要方法。

思想实验兼具“思维”和“实验”双重属性，是科学探究者的主观能动性和客观实在性的高度融合。正如爱因斯坦所说：“知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。”思想实验作为一种“理智的发明”，并不是脱离现实的主观臆想，而是在原有物质环境和实践的基础上，通过在思维层面模拟理想化的实验条件，抽象和仿真实验进程，逻辑推导实验结论，从而弥补现实条件下实证科学在物质、技术方面的不足。不过，思想实验得出的结论还只是想象中的内容，需要在条件具备时通过观察、实验等方式直接或间接地予以检验和确认。在科学探究中引入思想实验，能够培养学生的理性认识能力，拓展科学探究的途径，引发学生对科学探究产生新的理解，是指导师生进行科学探究和科学实践的重要方式。

参考文献：

［1］范翔，王洪亮.物理学中十个著名的思想实验［J］.中学物理教学参考，2013，42（9）：51-53.

［2］高瞻.论思维实验［D］.武汉：华中师范大学，2006.

［3］李会山.狭义相对论教学中的思维实验［J］.青海大学学报（自然科学版），2005（3）：80-82.

［4］舒炜光.思想实验的妙用：对爱因斯坦相对论科学方法的探讨（之三）［J］.社会科学辑刊，1980（3）：40-42.