引入思想實驗 指導(dǎo)科學(xué)探究

【摘" "要】思想實驗兼具“思維”和“實驗”雙重屬性。在科學(xué)探究中，可以通過思想實驗的想象性引入模擬實驗條件、過程性引入仿真實驗進程、判斷性引入推導(dǎo)實驗結(jié)論，克服現(xiàn)實環(huán)境下物化條件的制約，完成物化實驗暫時無法實現(xiàn)的科學(xué)探究，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和理性認識能力，探究無法通過直接感知所能發(fā)現(xiàn)的事物本質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】思想實驗；物化實驗；推導(dǎo)

實驗是近現(xiàn)代科學(xué)探究的主要形式?？茖W(xué)實驗除了借助感官和儀器進行觀察、操作的物化實驗，還有在頭腦中進行的思想實驗。思想實驗是指通過實驗者的想象，在思維層面創(chuàng)設(shè)虛擬的實驗環(huán)境并整合特定的實驗資源，以已有的科學(xué)事實和實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，對實驗進行抽象的模擬與仿真，運用嚴密的邏輯，推理、預(yù)測科學(xué)現(xiàn)象并推導(dǎo)科學(xué)事實。思想實驗?zāi)軌蚩朔锘瘲l件的制約，使研究者通過內(nèi)在的心理表征克服現(xiàn)實環(huán)境的束縛，在思維中對事物進行信息加工和處理，從而揭示客觀事物的本質(zhì)屬性。

在小學(xué)科學(xué)課程實施探究性學(xué)習(xí)的過程中，教師通常注重引導(dǎo)學(xué)生通過觀察、動手操作等方式獲取感官經(jīng)驗，再對經(jīng)驗材料進行歸納推理，以此來發(fā)現(xiàn)和認識客觀規(guī)律。這樣的探究方式依賴于學(xué)習(xí)者的感性知覺，容易把感官經(jīng)驗當(dāng)作一切知識的來源，從而忽視了學(xué)習(xí)者思維的能動性和創(chuàng)造性，使科學(xué)探究局限于邏輯實證主義倡導(dǎo)的科學(xué)觀和研究范式，科學(xué)實踐也受限于現(xiàn)有的物質(zhì)條件。因此，教師在指導(dǎo)學(xué)生進行探究時可以引入一定的思想實驗，突破物化實驗的局限，使科學(xué)探究成為經(jīng)驗實證和思想實驗互融的高階認知活動。

一、思想實驗的想象性引入，模擬實驗條件

愛因斯坦曾言，想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。在科學(xué)史上，伽利略通過完全排除了摩擦力的斜面實驗提出了“慣性”概念，愛因斯坦基于超光速的追光實驗建構(gòu)了狹義相對論，他們都是運用想象在邏輯上滿足了探究所需的各種條件，從而實現(xiàn)了科學(xué)領(lǐng)域上的重大創(chuàng)新和突破?？梢?，思想實驗開辟了新的探究維度，使研究者可以從抽象化的角度進行思考，并利用想象力主動探索未知領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)新的問題解決方法。

小學(xué)科學(xué)中的探究實驗一般都是驗證性實驗，通過傳統(tǒng)的模式化探究流程就能得出教材預(yù)設(shè)的科學(xué)結(jié)論。但隨著探究內(nèi)容逐漸向微觀領(lǐng)域深入和向宏觀領(lǐng)域拓展，現(xiàn)實環(huán)境已不具備科學(xué)探究的物質(zhì)條件，很多探究活動也因此無法開展。此時，學(xué)生憑借原來的感官知覺已無法獲取有價值的實驗信息，亦無法理解和體會相應(yīng)的探究結(jié)論。對此，教師可以引導(dǎo)學(xué)生在頭腦中模擬想象各種實驗條件，以假想的狀態(tài)作為實驗的起點，開展在真實環(huán)境下無法實施的探究。

蘇教版《科學(xué)》六年級上冊《沖出地球》一課呈現(xiàn)了人類為飛天之旅所做的各種嘗試，并安排學(xué)生利用生活中的物品體驗地球引力，探索物體下落的奧秘。然而，學(xué)生對這一現(xiàn)象的理解水平僅停留在“地球有引力”這一淺顯的、眾所周知的事實的陳述上，不能將其與月球繞地球公轉(zhuǎn)的現(xiàn)象建立聯(lián)系。事實上，它們之間的關(guān)聯(lián)并不直觀，學(xué)生無法通過直接觀察和實驗發(fā)現(xiàn)這兩種貌似相悖的自然現(xiàn)象背后其實是同一種力在起作用，更無法知曉克服地球引力的具體過程。這時，教師可以引入“牛頓炮”這一思想實驗，幫助學(xué)生協(xié)調(diào)原有認知和新認知之間的關(guān)系。在“牛頓炮”的思想實驗中，教師引導(dǎo)學(xué)生假設(shè)地球是標準的球形，想象在一座高山上有一門威力可以無限增強的大炮。若這門大炮發(fā)射一枚炮彈，排除飛行過程中的空氣阻力等影響實驗效果的非主要因素，炮彈飛行一段弧度后就會落到地面，這很明顯是地球引力在起作用。但隨著炮彈飛出速度的增加，其飛行的弧長會不斷延伸，落地的距離也會越來越遠。如果炮彈速度足夠，炮彈的弧形飛行軌跡就會無限趨近于地球表面的弧度，最后炮彈會繞地飛行永遠掉不下來。這個飛行速度就是7.9 km/s，即宇宙第一速度，也是當(dāng)下宇宙飛行器脫離地球引力的最小速度。在上述思想實驗的基礎(chǔ)上，再用直觀的“旋轉(zhuǎn)水桶”來模擬演示月球繞地飛行的現(xiàn)象，幫助學(xué)生理解地球引力所起的作用和脫離地球引力所需要的條件。這既達成了思想實驗和真實的物化實驗的配合與互補，為后一課《探索宇宙》做好認知和實踐的準備，也使學(xué)生認識到思想實驗作為科學(xué)探究與實踐的價值。

二、思想實驗的過程性引入，仿真實驗進程

物理學(xué)家馬赫提出，思想實驗先于物質(zhì)實驗，且為物質(zhì)實驗必須具備的前提條件。思想實驗是按真實實驗的模式展開的一種復(fù)雜的思維推理活動，是實驗者在頭腦中對物化實驗進行的科學(xué)計劃和安排，與物化實驗所要經(jīng)歷的程序相同。在物化實驗真正實施之前，每一個實驗者都會先在頭腦中對實驗過程進行抽象推理和仿真操作，推演完整的實驗進程并預(yù)測實驗結(jié)果，設(shè)想實驗步驟并完善實驗細節(jié)，從而形成物化實驗的基本程序和實施進程。

心理學(xué)家皮亞杰認為，兒童的認知發(fā)展需要逐漸擺脫具體事物的束縛或?qū)筛兄挛锏囊蕾嚕删呦蟮奈镔|(zhì)操作向抽象的思維運算發(fā)展。在實驗探究的過程中，教師需要組織學(xué)生先對實驗方案進行設(shè)計與構(gòu)思，預(yù)設(shè)實驗過程的各種可能性并準備好合理的解釋，然后在思維中把前后相繼的每個實驗環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為同時出現(xiàn)的一組表象性整體，通過正向推演和逆向推演的相互作用對實驗予以調(diào)整和改進，并分析實驗細節(jié)是否嚴密且符合科學(xué)邏輯，讓預(yù)設(shè)的實驗過程在頭腦中不斷循環(huán)迭代和優(yōu)化。

以蘇教版《科學(xué)》四年級下冊《動物的繁殖》一課為例，在探究受精蛋內(nèi)的胚胎如何供氧呼吸這一環(huán)節(jié)時，學(xué)生提出雞蛋殼內(nèi)有氣室，在蛋殼壁上可能存在氣孔，在20多天的孵化期內(nèi)，外界的空氣可以從氣孔源源不斷地進入蛋內(nèi)供給胚胎呼吸。此時，如何證明蛋殼壁上有氣孔成為這一教學(xué)環(huán)節(jié)的探究主題。在設(shè)計探究活動時，教師沒有盲目放手讓學(xué)生直接“探索”，而是先組織學(xué)生思考和討論各種研究方案，在頭腦中建構(gòu)各種探究模型，思考多種可能性之間的因果關(guān)系，再從優(yōu)選擇驗證氣孔存在的方案。經(jīng)過小組內(nèi)的“頭腦風(fēng)暴”和方案遴選，師生一致認為，可以先準備一個雞蛋，在蛋殼頂端鉆個小孔后排除內(nèi)部物質(zhì)，使之成為空蛋殼，然后用注射器在空蛋殼內(nèi)注入少量水，再把打氣筒上的氣針伸入空蛋殼內(nèi)，用打氣筒往蛋殼內(nèi)持續(xù)注入空氣以增加內(nèi)部氣壓。當(dāng)氣壓達到一定閾值時，蛋殼內(nèi)的水便會在壓力作用下從氣孔中溢出來，此時蛋殼外壁上應(yīng)該會分布一層肉眼即可觀察到的小水珠，從而證明氣孔的存在。這一探究過程中的每個實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生都在頭腦中往復(fù)推演和仿真，從而為后續(xù)的實際操作做好充分的心理準備。學(xué)生也由此養(yǎng)成了先思后行的理性探究習(xí)慣。

三、思想實驗的判斷性引入，推導(dǎo)實驗結(jié)論

思想實驗作為一種思維型科學(xué)探究的方法，可以確定某種思維對象是否存在，或研究對象是否具有某種科學(xué)屬性，因此還是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的一種必要手段。教師通過引導(dǎo)學(xué)生投入積極的思維活動，完成數(shù)據(jù)分析、建構(gòu)科學(xué)解釋等一系列邏輯上相關(guān)聯(lián)的思維探索，可以避免科學(xué)探究教學(xué)仍舊簡單地聚焦于科學(xué)事實的識記和實驗操作技能的訓(xùn)練，先驗地產(chǎn)生物化實驗暫時無法得出的結(jié)果，探究無法通過直接感知所能發(fā)現(xiàn)的事物本質(zhì)。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為，科學(xué)不僅是經(jīng)驗主義所謂被人類經(jīng)驗所確定的那類知識，還包含人類通過各種思維形式或邏輯推理獲得的其他知識。在科學(xué)探究中，教師可利用思想實驗，引導(dǎo)學(xué)生以普遍接受的科學(xué)事實為前提，借助一定的邏輯規(guī)則，充分發(fā)揮思維的能動性，運用邏輯推理預(yù)判事物的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實狀態(tài)，對研究對象進行理性分析并做出相應(yīng)的判斷，在思維中進一步證實或證偽原有的概念圖式，從而推導(dǎo)出相應(yīng)的探究結(jié)論，得到暫時無法通過物化實驗獲得的事實。

蘇教版《科學(xué)》六年級上冊《尋找遺傳與變異的秘密》一課需要探究子代在父代遺傳過程中染色體的數(shù)量情況。染色體是基因的載體。在一般情況下，人體細胞核中的染色體數(shù)量為23對。那兩種生殖細胞結(jié)合后形成的受精卵內(nèi)的染色體數(shù)量是否會疊加變成46對？學(xué)生先基于人體細胞核中原有23對染色體進行推導(dǎo)：如果細胞核內(nèi)染色體數(shù)量疊加的情況成立，那么人類經(jīng)過億萬年的進化，所孕育后代的染色體數(shù)量將會是一個天文數(shù)字。這種情況在邏輯上根本不成立，因此生殖細胞中染色體的數(shù)量不可能是23對。再進行逆向推理，發(fā)現(xiàn)兩種生殖細胞中應(yīng)該都只有一半的染色體（23條），各自一半的染色體結(jié)合成受精卵后又會組合成完整的23對染色體，這樣才能保證人體細胞核內(nèi)的染色體始終是穩(wěn)定的23對，進一步推導(dǎo)出自己體內(nèi)的每一對染色體都有一半來自父親，一半來自母親。通過這樣推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)新知的過程，學(xué)生不僅能體會到生命科學(xué)的奇妙，還能認識到思維型科學(xué)探究對建構(gòu)新認知的作用，從而體會到思維探索與動手操作都是科學(xué)探究和實踐的重要方法。

思想實驗兼具“思維”和“實驗”雙重屬性，是科學(xué)探究者的主觀能動性和客觀實在性的高度融合。正如愛因斯坦所說：“知識不能單從經(jīng)驗中得出，而只能從理智的發(fā)明同觀察到的事實兩者的比較中得出?！彼枷雽嶒炞鳛橐环N“理智的發(fā)明”，并不是脫離現(xiàn)實的主觀臆想，而是在原有物質(zhì)環(huán)境和實踐的基礎(chǔ)上，通過在思維層面模擬理想化的實驗條件，抽象和仿真實驗進程，邏輯推導(dǎo)實驗結(jié)論，從而彌補現(xiàn)實條件下實證科學(xué)在物質(zhì)、技術(shù)方面的不足。不過，思想實驗得出的結(jié)論還只是想象中的內(nèi)容，需要在條件具備時通過觀察、實驗等方式直接或間接地予以檢驗和確認。在科學(xué)探究中引入思想實驗，能夠培養(yǎng)學(xué)生的理性認識能力，拓展科學(xué)探究的途徑，引發(fā)學(xué)生對科學(xué)探究產(chǎn)生新的理解，是指導(dǎo)師生進行科學(xué)探究和科學(xué)實踐的重要方式。

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