【摘" "要】思想實驗兼具“思維”和“實驗”雙重屬性。在科學探究中，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、判斷性引入推導實驗結論，克服現實環(huán)境下物化條件的制約，完成物化實驗暫時無法實現的科學探究，從而培養(yǎng)學生的科學思維和理性認識能力，探究無法通過直接感知所能發(fā)現的事物本質。

【關鍵詞】思想實驗；物化實驗；推導

實驗是近現代科學探究的主要形式?？茖W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)設虛擬的實驗環(huán)境并整合特定的實驗資源，以已有的科學事實和實踐經驗為基礎，對實驗進行抽象的模擬與仿真，運用嚴密的邏輯，推理、預測科學現象并推導科學事實。思想實驗能夠克服物化條件的制約，使研究者通過內在的心理表征克服現實環(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屬性。

在小學科學課程實施探究性學習的過程中，教師通常注重引導學生通過觀察、動手操作等方式獲取感官經驗，再對經驗材料進行歸納推理，以此來發(fā)現和認識客觀規(guī)律。這樣的探究方式依賴于學習者的感性知覺，容易把感官經驗當作一切知識的來源，從而忽視了學習者思維的能動性和創(chuàng)造性，使科學探究局限于邏輯實證主義倡導的科學觀和研究范式，科學實踐也受限于現有的物質條件。因此，教師在指導學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，使科學探究成為經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，從而實現了科學領域上的重大創(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域，發(fā)現新的問題解決方法。

小學科學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設的科學結論。但隨著探究內容逐漸向微觀領域深入和向宏觀領域拓展，現實環(huán)境已不具備科學探究的物質條件，很多探究活動也因此無法開展。此時，學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的探究結論。對此，教師可以引導學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》六年級上冊《沖出地球》一課呈現了人類為飛天之旅所做的各種嘗試，并安排學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，學生對這一現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的現象建立聯(lián)系。事實上，它們之間的關聯(lián)并不直觀，學生無法通過直接觀察和實驗發(fā)現這兩種貌似相悖的自然現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，幫助學生協(xié)調原有認知和新認知之間的關系。在“牛頓炮”的思想實驗中，教師引導學生假設地球是標準的球形，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上，再用直觀的“旋轉水桶”來模擬演示月球繞地飛行的現象，幫助學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，也使學生認識到思想實驗作為科學探究與實踐的價值。

二、思想實驗的過程性引入，仿真實驗進程

物理學家馬赫提出，思想實驗先于物質實驗，且為物質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計劃和安排，與物化實驗所要經歷的程序相同。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測實驗結果，設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對可感知事物的依賴，由具象的物質操作向抽象的思維運算發(fā)展。在實驗探究的過程中，教師需要組織學生先對實驗方案進行設計與構思，預設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)轉化為同時出現的一組表象性整體，通過正向推演和逆向推演的相互作用對實驗予以調整和改進，并分析實驗細節(jié)是否嚴密且符合科學邏輯，讓預設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》四年級下冊《動物的繁殖》一課為例，在探究受精蛋內的胚胎如何供氧呼吸這一環(huán)節(jié)時，學生提出雞蛋殼內有氣室，在蛋殼壁上可能存在氣孔，在20多天的孵化期內，外界的空氣可以從氣孔源源不斷地進入蛋內供給胚胎呼吸。此時，如何證明蛋殼壁上有氣孔成為這一教學環(huán)節(jié)的探究主題。在設計探究活動時，教師沒有盲目放手讓學生直接“探索”，而是先組織學生思考和討論各種研究方案，在頭腦中建構各種探究模型，思考多種可能性之間的因果關系，再從優(yōu)選擇驗證氣孔存在的方案。經過小組內的“頭腦風暴”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部物質，使之成為空蛋殼，然后用注射器在空蛋殼內注入少量水，再把打氣筒上的氣針伸入空蛋殼內，用打氣筒往蛋殼內持續(xù)注入空氣以增加內部氣壓。當氣壓達到一定閾值時，蛋殼內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)，學生都在頭腦中往復推演和仿真，從而為后續(xù)的實際操作做好充分的心理準備。學生也由此養(yǎng)成了先思后行的理性探究習慣。

三、思想實驗的判斷性引入，推導實驗結論

思想實驗作為一種思維型科學探究的方法，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屬性，因此還是科學發(fā)現的一種必要手段。教師通過引導學生投入積極的思維活動，完成數據分析、建構科學解釋等一系列邏輯上相關聯(lián)的思維探索，可以避免科學探究教學仍舊簡單地聚焦于科學事實的識記和實驗操作技能的訓練，先驗地產生物化實驗暫時無法得出的結果，探究無法通過直接感知所能發(fā)現的事物本質。

建構主義學習理論認為，科學不僅是經驗主義所謂被人類經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。在科學探究中，教師可利用思想實驗，引導學生以普遍接受的科學事實為前提，借助一定的邏輯規(guī)則，充分發(fā)揮思維的能動性，運用邏輯推理預判事物的發(fā)展趨勢和現實狀態(tài)，對研究對象進行理性分析并做出相應的判斷，在思維中進一步證實或證偽原有的概念圖式，從而推導出相應的探究結論，得到暫時無法通過物化實驗獲得的事實。

蘇教版《科學》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量為23對。那兩種生殖細胞結合后形成的受精卵內的染色體數量是否會疊加變成46對？學生先基于人體細胞核中原有23對染色體進行推導：如果細胞核內染色體數量疊加的情況成立，那么人類經過億萬年的進化，所孕育后代的染色體數量將會是一個天文數字。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量不可能是23對。再進行逆向推理，發(fā)現兩種生殖細胞中應該都只有一半的染色體（23條），各自一半的染色體結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的染色體始終是穩(wěn)定的23對，進一步推導出自己體內的每一對染色體都有一半來自父親，一半來自母親。通過這樣推導發(fā)現新知的過程，學生不僅能體會到生命科學的奇妙，還能認識到思維型科學探究對建構新認知的作用，從而體會到思維探索與動手操作都是科學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”，并不是脫離現實的主觀臆想，而是在原有物質環(huán)境和實踐的基礎上，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，邏輯推導實驗結論，從而彌補現實條件下實證科學在物質、技術方面的不足。不過，思想實驗得出的結論還只是想象中的內容，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。在科學探究中引入思想實驗，能夠培養(yǎng)學生的理性認識能力，拓展科學探究的途徑，引發(fā)學生對科學探究產生新的理解，是指導師生進行科學探究和科學實踐的重要方式。

參考文獻：

［1］范翔，王洪亮.物理學中十個著名的思想實驗［J］.中學物理教學參考，2013，42（9）：51-53.

［2］高瞻.論思維實驗［D］.武漢：華中師范大學，2006.

［3］李會山.狹義相對論教學中的思維實驗［J］.青海大學學報（自然科學版），2005（3）：80-82.

［4］舒煒光.思想實驗的妙用：對愛因斯坦相對論科學方法的探討（之三）［J］.社會科學輯刊，1980（3）：40-42.