運用物理思想實驗培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)

王小頌

所謂思想實驗是一種按照實驗程序設計的并在思維中進行的特殊論證方法。它既不同于真實實驗，也有別于形式邏輯的推理。是按照假想的實驗手段和步驟，進行思維推理，得出合乎邏輯的結(jié)果。在物理學發(fā)展的歷史過程中伽利略、愛因斯坦等許多科學大師都曾經(jīng)借助思想實驗延伸其理論的觸角。

科學素養(yǎng)概念的形成與發(fā)展經(jīng)歷了長期的演進過程，并且隨著科學技術的發(fā)展和變革，概念的含義也將不斷變化。本文采用以下觀點?？茖W素養(yǎng)的基本要素包括：一是科學知識與技能。二是科學方法與能力。三是科學行為與習慣。四是科學精神、態(tài)度與價值觀。

一、利用思想實驗培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)的途徑

思想實驗可以對所研究的過程設想出真實實驗暫時不可能或原則上不可能達到的實驗條件，進行邏輯論證。在這個過程中，不僅包含有豐富的科學知識與技能，體現(xiàn)了物理學研究事物的方式與方法，而且也蘊含著人類認識事物，研究事物時所伴隨的豐富的科學精神和人文精神。這些對于提高學生的科學素養(yǎng)都是具有重要意義的，都是值得挖掘與充分利用的。

1、挖掘科學史中思想實驗提高學生科學素養(yǎng)

伽利略是第一位思想實驗大師，他重視實驗對理論的檢驗作用，但由于外部環(huán)境的惡劣、實驗條件的簡陋以及哲學思想的影響，因此思想實驗是一個常用的方法，并依此獲得許多重要的發(fā)現(xiàn)與結(jié)論。

2、利用物理學方法中的思想實驗提高學生科學素養(yǎng)

如果所設想的條件是完全理想化的，如絕對真空、絕對光滑等，在這種條件下所進行的論證稱為理想實驗法，它是思想實驗的一種重要形式。這一部分在中學的物理教學中涉及的知識很多。如牛頓運動定律等。真正代表近代科學方法論精神的伽利略與牛頓。伽利略最先倡導并實踐了實驗加數(shù)學的方法，但是他所謂的實驗并不是培根意義上的觀察實驗，而是理想化實驗。地球上的任何力學實驗都不能避免摩擦力的影響，但是認識基本的力學規(guī)律，又要從觀念上排除這種摩擦力，這就需要全新的概念體系來支撐將做得實驗，包括設計、實施和解釋實驗結(jié)果，只有這種理想化的實驗才可能與數(shù)學處理相配套。伽利略的研究程序可以分為三個階段：直觀分解、數(shù)學演繹、實驗證明。牛頓在吸收前人經(jīng)驗的基礎上做了進一步完善，牛頓的方法可以稱之為“歸納—演繹”法，并且認為演繹的結(jié)果必須重新訴諸實驗確證。牛頓運動定律就是這些過程的直接結(jié)果。

牛頓運動定律不僅內(nèi)容上說明了自然界的重要定律，他的研究方法、研究思想同樣也具有重要的價值。它是以觀察和實驗中了解到的資料作為出發(fā)點，把自然現(xiàn)象合理簡化并建立起恰當?shù)奈锢砟Ｐ停贿\用思想實驗，即在絕對簡化理想條件下，運用思維中的邏輯演繹推理導出某種科學結(jié)論，再去接受科學實踐的檢驗的過程。

從這個研究的過程本身我們可以發(fā)現(xiàn)其中不僅包括科學知識，而且還涉及一種比較完善的物理學的研究方法，這對后人進行進一步的研究具有重要的借鑒意義。發(fā)現(xiàn)過程本身也暗含了牛頓對于科學的濃厚興趣和科學探究的整個過程。這些都是培養(yǎng)科學素養(yǎng)的重要素材，應該給予充分利用。

3、利用現(xiàn)代物理學研究中的思想實驗部分提高學生科學素養(yǎng)

新課程強調(diào)科學與社會，技術的聯(lián)系，必須看到，現(xiàn)代科技已經(jīng)逐漸滲透到了我們生活的方方面面，因此需要學生對于現(xiàn)代物理學有些初步的認識。如中學物理課本加入了關于愛因斯坦的相對論和一些量子力學的簡單介紹。但是現(xiàn)代物理學的研究，無論在微觀還是宏觀上越來越多地進入了不能完全直接靠實驗證實或證偽的領域。相對論和量子力學是現(xiàn)代物理學的兩大支柱，其中都包含有豐富思想實驗的部分。

使學生能了解科學與技術的區(qū)別與聯(lián)系，初步認識科學推動技術進步、技術又促進科學發(fā)展的相互關系，初步認識社會需求是科學技術發(fā)展的強大動力等科學、技術與社會的關系。同時能使學生增長見識，激起學生的好奇心，培養(yǎng)科學精神。這也是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的一個重要方面。

二、進行思想實驗教學時的注意事項

1、處理好思想實驗與真實實驗的關系

思想實驗是一種理性的思維活動。但不是脫離實際的主觀臆想，而是以實踐為基礎，按照實驗的格式操作展開，對實際過程做出更深入一層的抽象分析，其推理過程是以一定的邏輯法則為根據(jù)的。而這些邏輯法則，都是從長期的社會實踐中總結(jié)出來且為實踐所證實了的。

思想實驗和真實實驗又是緊密聯(lián)系和互補的?？茖W中的理論、規(guī)律是從大量實驗事實中總結(jié)概括出來的，科學中的假設、爭論也有賴于真實實驗的驗證。

有時兩者往往密不可分地穿插在一起，真實實驗為思想實驗提供經(jīng)驗材料，思想實驗對經(jīng)驗材料進行理性加工，并為真實實驗提供理論指導。從伽利略發(fā)現(xiàn)落體定律和慣性定律的活動中，可以明顯地看到這一點。

2、不能忽略物理學史中被證實為錯誤的思想實驗

在科學研究中，通過再多的科學實驗都不能完全證實一個理論，這是歸納法的本質(zhì)所決定的，但是一個否定例證就足以證偽一個理論。在物理學的思想實驗中，有的已被否定，但不能因此就貶低它的作用，那些被證偽的思想實驗往往是一個新理論產(chǎn)生的重要基石，如伽利略在給出著名的“落體佯謬”的最初說法時，他所說的是同樣材料而不同大小的物體，并非指所有的物體，其前提是錯誤的，結(jié)論也是有局限性的，但是他的過程本身是非常有意義的，為他后來得出普遍的結(jié)論提供了重要的基礎。這些過程都是需要進一步挖掘的，這樣才能讓學生明白科學研究的真實過程，對于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)是具有豐富的教育意義的。

3、思想實驗是一種相對獨立的科學方法

在科學研究中，思想實驗能夠成為一種不替代的科學方法，是由于思想實驗以其科學思維的嚴密性、精確性補充了真實實驗的不足。比如，驗證廣義相對論的某些實驗條件，或者某些條件在任何時代都不能被滿足，比如，驗證牛頓第一定律所需要的無摩擦力的平面。但是，這些條件在邏輯上是可以實現(xiàn)的，這樣，人們可以避開實際的技術困難。在思維中把這些條件制作出來，或者對現(xiàn)在條件進行理想化抽象，在想象中實現(xiàn)這些條件。進而在頭腦中殿開類似于真實實驗的“仿真”過程，推斷被研究事物的內(nèi)部規(guī)律。

必須看到，思想實驗中包含有豐富的思想內(nèi)涵，有利于進行積極的科學文化教育，而且思想實驗作為一種科學方法將在更廣闊的領域中應用。