馬文奎 胡利明 樂(lè) 麗

(廣東省深圳市福景外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 深圳 518034)

在科學(xué)研究過(guò)程中，有一種無(wú)形實(shí)驗(yàn)——“思想實(shí)驗(yàn)”(thought experiment)，有的學(xué)者稱之為思維實(shí)驗(yàn)。奧地利科學(xué)家恩斯特·馬赫在《論思想實(shí)驗(yàn)》中首次將思想實(shí)驗(yàn)作為一種科學(xué)方法論提出[1]。思想實(shí)驗(yàn)是借助于已有的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和理論，進(jìn)行邏輯思維，得出未知的探索性結(jié)論的高智能思維活動(dòng)。

思想實(shí)驗(yàn)作為一種科學(xué)方法論，無(wú)論在社會(huì)科學(xué)還是自然科學(xué)的發(fā)展中都具有重要的作用。高中學(xué)生的抽象思維能力已經(jīng)發(fā)展到了一定水平，在高中學(xué)生中開(kāi)展思想實(shí)驗(yàn)是符合學(xué)生的心理發(fā)展規(guī)律的。尤其是一些不能進(jìn)行實(shí)際操作的探究實(shí)驗(yàn)，或者實(shí)證實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)學(xué)習(xí)，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的思想實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

1 加拿大高中教材中思想實(shí)驗(yàn)應(yīng)用舉例

加拿大麥格勞希爾瑞爾森公司(McGraw-Hill Ryerson)出版的10年級(jí)高中生物學(xué)教材Inquiry Into Biology[2]中，單獨(dú)開(kāi)設(shè)了思想實(shí)驗(yàn)欄目。在這一本教材中，單列出來(lái)的思想實(shí)驗(yàn)欄目就有52個(gè)?，F(xiàn)列舉該教材中具有代表性的思想實(shí)驗(yàn)并作簡(jiǎn)要分析。

1.1 應(yīng)用舉例1：“超級(jí)細(xì)菌”進(jìn)化 金黃色釀膿鏈球菌(Staphylococcusaureus)能引起兒童耳部感染和病人傷口致命性感染。與其他微生物一樣，金黃色釀膿鏈球菌繁殖較快，它們以每20 min分裂一次的頻率進(jìn)行無(wú)性繁殖。在10 h后，一個(gè)細(xì)菌可產(chǎn)生10億個(gè)以上的后代。

由于這種令人震驚的繁殖速度，種群中的有利變異會(huì)以很快的頻率增加。細(xì)菌個(gè)體的快速克隆，能抵抗環(huán)境條件的變化(如存在抗生素的環(huán)境)，從而增加科學(xué)家開(kāi)發(fā)有療效的抗生素的難度。

1.1.1 步驟 具體如下：

(1) 閱讀表1中的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，金黃色釀膿鏈球菌對(duì)某一特定的抗生素產(chǎn)生抗性是在什么時(shí)間？

(2) 用不同顏色的紙牌模擬一個(gè)金黃色葡萄球菌種群是怎樣演變得對(duì)抗生素有抗性。(提示： 用某種顏色的紙牌代表對(duì)抗生素有抗性的細(xì)菌)

1.1.2 分析 具體如下：

(1) 解釋以下情況怎樣引起病人體內(nèi)的金黃色葡萄球菌的抗生素抗性。一個(gè)病人使用紅霉素治療傷口感染。然而一周后，傷口看上去已經(jīng)好了，病人停止服用抗生素。

表1 金黃色葡萄球菌抗生素抗性的歷史發(fā)展

(2) 和合作學(xué)生一起，選擇下列一個(gè)問(wèn)題研究。準(zhǔn)備書面的、口頭的或者多媒體形式的發(fā)言，分享你的成果： ①濫用抗生素是如何引起細(xì)菌抗生素抗性的？②為什么一些農(nóng)業(yè)活動(dòng)有助于某些細(xì)菌種類的抗生素抗性，并且是如何引起人類致病菌的抗性的？

1.1.3 思考 該思想實(shí)驗(yàn)的技能目標(biāo)有兩個(gè)： 第一是分析數(shù)據(jù)和應(yīng)用概念模型說(shuō)明金黃色釀膿鏈球菌種群中的抗藥性是怎樣產(chǎn)生的；第二是收集和記錄關(guān)于細(xì)菌中的抗藥性產(chǎn)生的信息。

這是一個(gè)深入社會(huì)的涉及STS教育的思想實(shí)驗(yàn)。當(dāng)學(xué)習(xí)了有關(guān)生物進(jìn)化理論的知識(shí)后，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)一些社會(huì)問(wèn)題進(jìn)行分析。這里提供了兩個(gè)社會(huì)中存在的真實(shí)場(chǎng)景： 一個(gè)是醫(yī)藥領(lǐng)域抗生素的使用；另一個(gè)是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域農(nóng)藥的使用。通過(guò)合作學(xué)習(xí)的方式，準(zhǔn)備書面或者口頭的材料，用生物進(jìn)化理論來(lái)解釋細(xì)菌或者害蟲抗藥性產(chǎn)生的原因。

1.2 應(yīng)用舉例2： 分析遺傳系譜圖 具體內(nèi)容如下：

1.2.1 步驟 你已經(jīng)學(xué)習(xí)了單基因遺傳特征的系譜圖。遺傳系譜圖也可用于研究復(fù)等位基因的遺傳特征。下面的遺傳系譜圖(圖1)中，不同血型由字母A、 B、 AB和O表示。檢查遺傳系譜圖，然后回答下列問(wèn)題。

圖1 遺傳系譜圖

1.2.2 分析 具體如下：

(1) 個(gè)體Ⅰ4和個(gè)體Ⅰ6都沒(méi)有驗(yàn)過(guò)血，他們的血型是什么？寫出盡可能多的個(gè)體的基因型。哪些基因型不能確定？解釋理由。

(2) 個(gè)體Ⅲ3和血型為AB的男子結(jié)婚，并且他們有四個(gè)孩子，這些孩子中會(huì)有O型血嗎？解釋理由。

(3) 個(gè)體Ⅱ1和Ⅱ2有了第二個(gè)孩子，當(dāng)你看了這個(gè)孩子的驗(yàn)血結(jié)果后，你知道父母的基因型都為ⅠAi，這個(gè)孩子是什么血型？

(4) 使用這里的遺傳系譜的例子，描述人類遺傳分析應(yīng)用方面的缺陷。這些缺陷以什么方式影響遺傳學(xué)研究？

(5) 血液驗(yàn)型常用作父系遺傳疑難問(wèn)題的輔助解決途徑，驗(yàn)血能確定一個(gè)男人是某個(gè)孩子的父親嗎？解釋理由。

1.2.3 思考 這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)技能目標(biāo)是繪制和解釋人類遺傳系譜圖，根據(jù)所學(xué)的遺傳規(guī)律方面的知識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的邏輯思維能力，解決一些社會(huì)問(wèn)題。

在具體的知識(shí)方面，控制ABO血型系統(tǒng)的復(fù)等位基因遺傳，同樣是符合孟德?tīng)栠z傳定律的。國(guó)內(nèi)的人教版高中生物學(xué)教材里沒(méi)有涉及這方面的知識(shí)，但是在課后的習(xí)題、生物競(jìng)賽中有這方面的專題訓(xùn)練。其實(shí)，這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于國(guó)內(nèi)一些教輔材料中的一個(gè)習(xí)題訓(xùn)練，運(yùn)用遺傳學(xué)的基本規(guī)律進(jìn)行遺傳系譜的分析。但是，在問(wèn)題分析中比國(guó)內(nèi)的習(xí)題訓(xùn)練多了“需要陳述的問(wèn)題”。而且這些問(wèn)題是與社會(huì)實(shí)踐和科技發(fā)展有關(guān)的問(wèn)題，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任方面的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有促進(jìn)作用。

1.3 應(yīng)用舉例3： 毛發(fā)的同源性 哺乳動(dòng)物是唯一擁有毛發(fā)的動(dòng)物。各種哺乳動(dòng)物之間，毛發(fā)有長(zhǎng)度、密度、質(zhì)地和顏色的差異。然而，毛發(fā)的基本結(jié)構(gòu)是相同的。每根毛發(fā)都有中央髓質(zhì)，被致密的皮質(zhì)包圍；皮質(zhì)中含有大量的色素顆粒，使毛發(fā)表現(xiàn)出特有的顏色(圖2)。皮質(zhì)被角質(zhì)層覆蓋。角質(zhì)層具有種屬的特異性。因此，哺乳動(dòng)物毛發(fā)有一個(gè)共同的起源，也具有不同的功能。在這次活動(dòng)中，將調(diào)查哺乳動(dòng)物毛發(fā)功能的多樣性。

圖2 毛發(fā)的橫切面

1.3.1 步驟 具體如下：

(1) 3～4位學(xué)生形成小組合作。

(2) 每位學(xué)生從下列表單中選擇不同類型的哺乳動(dòng)物毛發(fā)： ①豪豬短而結(jié)實(shí)的毛發(fā)；②海獺致密的下層毛發(fā)；③貓的觸須(腮須)；④獅子的鬃毛；⑤長(zhǎng)毛象的長(zhǎng)而厚的毛發(fā)；⑥犀牛的角(由致密的壓縮的毛發(fā)形成)；⑦穿山甲的“甲”(由毛發(fā)演變而來(lái))；⑧麝牛柔軟蓬松的麝牛毛(皮毛)。

(3) 觀察所選擇的毛發(fā)結(jié)構(gòu)，研究動(dòng)物的生活方式和習(xí)性可以解釋毛發(fā)的特定功能。

1.3.2 分析 具體如下：

(1) 根據(jù)所收集的信息和對(duì)自然選擇的理解，解釋下面問(wèn)題： ①毛發(fā)的結(jié)構(gòu)是怎樣與動(dòng)物周圍的非生物條件相聯(lián)系的？②寫出一個(gè)假設(shè)，描述共同的哺乳動(dòng)物祖先的毛發(fā)的基本結(jié)構(gòu)怎樣產(chǎn)生多樣性。

(2) 以書面的或者口頭的報(bào)告形式、電腦展示或其他易于分享的形式，在小組中向其他學(xué)生介紹你的發(fā)現(xiàn)。

(3) 寫一篇短文，描述小組成員所研究的毛發(fā)的一個(gè)相似點(diǎn)和一個(gè)不同點(diǎn)。

1.3.3 思考 這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)技能目標(biāo)是對(duì)毛發(fā)結(jié)構(gòu)變異的適應(yīng)性意義進(jìn)行假設(shè)；分析利用電子研究技術(shù)所顯示的毛發(fā)的結(jié)構(gòu)，形成與毛發(fā)有關(guān)的同源器官的概念，確定模型和概念之間的聯(lián)系。在這個(gè)活動(dòng)中，通過(guò)分析和類比等批判性思維方式，使“同源器官”這個(gè)概念得到建構(gòu)，對(duì)“生物的多樣性和適應(yīng)性是生物進(jìn)化的結(jié)果”這個(gè)生物學(xué)大概念有更深入的理解。

2 思想實(shí)驗(yàn)的教育意義

在思想實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作過(guò)程中，高中學(xué)生的演繹推理能力、空間的想象能力和思維發(fā)散性等抽象思維能力會(huì)得到進(jìn)一步的訓(xùn)練和提高。思想實(shí)驗(yàn)的教育意義在于以下幾個(gè)方面：

2.1 打破時(shí)空限制，節(jié)約資源 思想實(shí)驗(yàn)不需要昂貴的實(shí)驗(yàn)室設(shè)施和一些實(shí)驗(yàn)儀器，還能打破時(shí)空限制，隨時(shí)隨地進(jìn)行。有時(shí)只要一張紙和一支筆就可以進(jìn)行，甚至外在的設(shè)施都不要，只要用腦進(jìn)行思維即可。在課堂上，教師可設(shè)置虛擬的符合實(shí)際的問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生思考，推知可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。尤其是在教學(xué)設(shè)施簡(jiǎn)陋的農(nóng)村學(xué)校，思想實(shí)驗(yàn)有廣闊的用武之地。

2.2 提高學(xué)生的抽象思維能力 高中階段形成的價(jià)值取向和思維習(xí)慣直接影響了今后創(chuàng)造能力的發(fā)展可能，思想實(shí)驗(yàn)?zāi)芴岣邔W(xué)生的科學(xué)思維水平[3]。抽象思維是科學(xué)思維的重要組成部分。某個(gè)思想實(shí)驗(yàn)涉及到思維能力可能是一種或幾種： 有的培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力，有的培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力，有的培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力，有的培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)能力。在教學(xué)過(guò)程中，有目的地設(shè)置一系列思想實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生各種抽象思維能力的發(fā)展。

2.3 構(gòu)建完整的知識(shí)理論體系 建構(gòu)主義教學(xué)觀認(rèn)為新的知識(shí)必須納入到原有的知識(shí)體系中，形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，重構(gòu)知識(shí)新框架體系，這樣學(xué)到的新知識(shí)才能真正理解和應(yīng)用，這樣的學(xué)習(xí)才是有效的、有意義的學(xué)習(xí)。而進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)時(shí)，運(yùn)用已有的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和理論進(jìn)行一系列的思維活動(dòng)，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，自然而然獲得了新知識(shí)，并且新知識(shí)和已有的經(jīng)驗(yàn)或者知識(shí)形成了內(nèi)在的本質(zhì)的聯(lián)系，是原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的新增長(zhǎng)點(diǎn)。

2.4 培養(yǎng)創(chuàng)新性思維和創(chuàng)新精神 思想實(shí)驗(yàn)在構(gòu)建一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)情境時(shí)，需要充分發(fā)揮個(gè)人的想象能力、創(chuàng)新思維。在進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)時(shí)，必然要涉及到邏輯思維： 第一階段觀察現(xiàn)象提出問(wèn)題、第二階段作出假設(shè)和第三階段設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)都可歸結(jié)于思想實(shí)驗(yàn)的范疇。而最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、得出結(jié)論，以及表達(dá)和交流也離不開(kāi)邏輯思維。不同的學(xué)生可能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)原理不同，所用的材料不同，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟不同等。這些多樣化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)就是創(chuàng)新思維的體現(xiàn)。在評(píng)價(jià)中，所需批判性思維和質(zhì)疑精神也是創(chuàng)新能力的表現(xiàn)。