思想實驗：提升學生核心素養的重要途徑

●王 飛

思想實驗：提升學生核心素養的重要途徑

●王 飛

思想實驗不僅在科學理論和科技發明過程中起著非常重要的作用，而且由于其具有培養學生質疑能力和批判精神，以及探索創新能力等重要功能而在提升學生的核心素養方面起著非常重要的作用，是促進學生核心素養深度發展的一種重要的途徑和手段。為增強思想實驗在學生核心素養發展方面的作用，應該遵循發現問題、提出工作假說，建立思想實驗場景，進行邏輯推理、得出結論三個環節，以充分發揮其效力。

思想實驗；核心素養；科學精神；探究性學習

思想實驗是在思想中進行的實驗，是指科學認識主體“運用創造性思維，在思想中用主觀設計的實驗對象代替現實的客體，并對之進行操作、觀察和分析，以期獲得某種規律性認識的過程?！盵1]思想實驗作為一種獨特的科學研究方法，在自然科學發展史中曾經起到過非常重要的作用。例如，早在自然科學的萌芽時期，阿基米德就在研究面積和體積時運用過思想實驗。文藝復興后，思想實驗更是成為廣大科學家發明新理論的重要工具，伽利略利用思想實驗推翻了亞里士多德“重物體比輕物體下落速度快”的斷言，從而開啟了伽利略—牛頓經典物理學的黃金期。20世紀初期經典物理學的矛盾日益凸顯，最終實現了從經典物理學向相對論和量子力學的轉變，在這個轉變過程中思想實驗發揮了舉足輕重的作用，比如，愛因斯坦的狹義相對論就來自于其著名的“愛因斯坦光線”思想實驗。在該思想實驗中，他設想自己能夠以光速跟隨光線運動，通過嚴密的思維和豐富想象得出了對于這個以光速奔跑的觀察者而言，所有物理定律和一個相對地球靜止的觀察者觀察到的一樣的結論。此外，“理想電梯”、“理想火車”、“麥克斯韋妖”、“薛定諤貓”以及沃森和克里克的DNA雙螺旋結構模型等思想實驗在科學發展史中都具有舉足輕重的重要作用。

思想實驗最顯著的特征是運用縝密的邏輯思維和推理，在頭腦中實現現實中無法實現或需要較高成本才能達到的結果。2014年3月教育部印發了《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》，明確提出研究和制定學生發展核心素養體系的任務。核心素養是學生應該具備的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，它是一系列知識、能力和態度的集合，是學校課程改革的根本目的和總體方向。[2]2016年9月13日，中國學生發展核心素養研究成果發布會在北京師范大學舉行，公布了歷時三年的研究成果，明確指出核心素養包括六大組成部分，分別是人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當和實踐創新。[3]思想實驗因其在學生科學探究、創造性思維等方面的獨特而重要的價值，成為提升學生核心素養的重要途徑。在學生學習中運用思想實驗可以提高學生的創造性思維能力，為學生在學習、生活和未來工作中開展創新性勞動奠定基礎。

一、思想實驗在提升學生核心素養中的作用

思想實驗對學生核心素養的提升作用主要體現在其有助于促進學生的質疑和批判精神，有利于培養學生的探索和創新的能力以及加強學生實踐本性和理性思維本性的統一等方面。

（一）思想實驗有利于培養學生的質疑和批判精神

科學發現始于問題，問題則源于質疑。質疑是創造性思維的開端，批判是科學進步的根本手段。引導學生開展思想實驗可以激勵學生在日常學習過程中，認真觀察，并通過縝密的思維，對已學過的知識產生質疑，提出批判，進而修正舊理論。施瓦布將探究劃分為固定性探究（stable inquiry）和流動性探究（fluid in-quiry）兩種。固定性探究是指從別處獲得原理或原則，并將其運用到具體問題的解決中，而不對其所依據的原理或原則進行質疑和批判；流動性探究的目的在于檢驗這些原理或原則，并最終修正或替代這些原理或原則。[4]盡管固定性探究在解決具體問題過程中具有很重要的作用，但是由于它不對其所依據的原理或原則進行質疑和批判，就無法促進現有原理或原則的進步，也就無法從根本上促進科學的進步。流動性探究則是從根本上對現有的原理或原則進行質疑和批判，進而改進現有原理或原則，使之更加科學。所以，相對于固定性探究而言，流動性探究更加根本和重要，也是培養創新型人才的根本所在。思想實驗的意義并不在于對現有理論的證實或運用，而是看到了現有理論的缺陷和內在矛盾，在現有實驗條件無法滿足的情況下，通過精心設置，改進現有理論。所以，思想實驗通過培養學生的質疑和批判精神，促進學生的流動性探究，是提升學生核心素養的重要途徑之一。

（二）思想實驗有利于培養學生的探索和創新能力

雖然思想實驗是在頭腦中進行的想象實驗，但是這種思維活動完全是按照現實實驗的嚴格要求和規范展開的，所以，在科學領域一直受到高度重視，享有與真實實驗相等的地位，其思維成果與真實的科學實驗一樣具有高度的創造性。正如哈里所言“所謂思想實驗是在想象中操作模型時形成的”[5]。盡管思想實驗不是實際進行的實驗，但是這并不意味著它缺乏實踐基礎，更不意味著思想實驗缺乏科學性和可靠性。實際上，思想實驗是以實踐為基礎的，實驗者以在現實實驗情境中和自然界中實驗和觀察到的事物的現象、運動、性質、特征等為依據，并遵循嚴密的邏輯推理，經過思維抽象和類比抽取出研究對象的本質特征，深入分析和模擬的產物。所以，思想實驗是從客觀事物和現象中總結出來并為實踐所驗證的邏輯法則推演而來的。[6]因此，思想實驗的主要過程和結果是以邏輯推理的形式來表達的，是實物實驗的深化發展和廣延展開，是一種排除干擾因素，使所研究的問題在人為控制條件下純化的認識活動。在實現的實驗室實驗中，由于種種條件的限制，很多實驗是無法真正實現的。有些實驗雖然可以實現，但卻需要花費大量的人力和物力。而思想實驗則可以消除種種限制，排除掉現實中無法控制的種種限制因素，使實驗進程理想化。并且思想實驗還可以使邏輯方法與直覺、靈感、想象等非常規思維方法相結合，能充分調動和發揮人們理論思維的作用，具有極大的創造性和科學的預見性。探究性學習是學生以類似或模擬科學探究的方式進行的一種學習活動，學生在掌握知識的同時，通過自主的探究活動和體驗得出新結論、解決新問題及對事物的真偽作出判斷的一種學習方式。[7]正是思想實驗具有幾乎不受時空等客觀條件的限制，并且能夠充分調動學生的創造性思維活動，所以思想實驗是實施探究性學習，提高學生核心素養的有效而節省資源的重要方式。

（三）思想實驗是實踐本性和理性思維本性的統一

思想實驗既不同于實驗室實驗，也不同于純粹的邏輯分析，它既具有實踐本性又具有理性思維活動的特征。思想實驗的實踐本性是其與一般邏輯推理的最本質區別，其目的在于得到具有創新性的新理論，而不是簡單地以澄清思維混亂或揭示邏輯矛盾為目的。思想實驗是一種想象中的實驗活動，正是因為其所具有的假想性使之超越了真實實驗的局限，也可以超越社會條件和技術的限制，完成真實實驗中無法企及或者需要花費過高成本的實驗。盡管思想實驗中想象和推測能力非常重要，但是這種想象和推測是要受到嚴密的邏輯思維和推理制約的。在思想實驗開展的整個環節中，邏輯一直起著主導作用，避免想象和推測不會是漫無邊際和依據不足的胡思亂想。所以，正是因為思想實驗是實踐本性和理性思維本性的統一，才保證了其既有真實實驗的精確性，又具有超越真實實驗的限制，激勵人們把研究的方向轉向新的領域，去認識世界更深刻的本質。探究性學習是動手的實踐活動與動腦的理性體驗相輔相成的過程，學生在參與探究時，既要對其所面對的問題情境有非常詳實和全面的了解，也要善于從中找到問題，并掌握依據現有研究和對問題及情境的深入剖析提出科學的假設，運用判斷推理和邏輯思維，考慮各種可能的解釋。[8]所以，通過思想實驗促進學生探索創新能力的過程本身就是探究性學習的過程，也是提升學生核心素養的重要手段。

二、如何實施思想實驗以促進學生的核心素養

雖然思想實驗在支持學生的探究性學習，樹立正確的科學精神以及提升學生的學習能力等核心素養方面具有非常重要的作用和價值，但是若將其融入日常的教與學的活動過程中，使其真正成為提升學生核心素養的重要方法和手段，就需要對其實施程序進行科學化和規范化。根據思想實驗的特點和發揮作用的機理，遵循學生學習過程的規律，思想實驗的實施過程大體可以分為發現問題、提出工作假說，建立思想實驗場景，進行邏輯推理、得出結論三個環節。

（一）發現問題，提出工作假說

在日常生活中，我們所獲得的絕大部分信息主要是通過口耳鼻舌等感覺器官獲取的，正是這些感覺器官的存在才保證了我們認識世界的可能性。一位缺乏任何一種感覺器官的人，其對世界的認識都將是片面和不完善的。但是，通過感官獲得的僅僅是感性的直接經驗，并非一定是真理?？茖W的思想不是客觀世界和事物在頭腦中的簡單和直接反映，它需要經過大腦嚴密的邏輯思維才能形成，比如，電子繞原子核的運動，磁場的存在等我們無法通過感官直接感受到其存在及其運動和變化規律，只有經過科學的邏輯推理和縝密的思維才能得出其存在及其運動變化的證據。所以，只有對感官提供給我們的認識采取懷疑的態度，并進行批判性思維，才可能得出正確的結論。在日常生活中，我們的感官使我們錯誤地認為重的物體理所當然應該比輕的物體下落速度更快。正是因為這種錯誤感覺的存在才使亞里士多德重物比輕物下落速度快的謬誤持續近兩千年。

對于一個憑借經驗得出的結論，首先應該采取懷疑的態度，并努力發現其是否存在問題，若是它確實有問題，就應該大膽否定該陳述，并建立一個工作假說。另外，對于一個經過縝密的邏輯思維得出的結論，也不應該輕信，應當在實踐中對其進行檢驗。若該陳述存在漏洞或錯誤，就應該大膽否定該陳述，并建立一個工作假說。諸如牛頓力學，它并非僅僅是從感官獲得的信息的簡單羅列，而是經過嚴謹的邏輯思維推理獲得的科學陳述，即便如此，也不應該毫無懷疑地將其運用于所有領域，如太空或微觀粒子的運動中。正是愛因斯坦、海森堡等人發現了經典力學的謬誤，才開啟了相對論和量子力學的新時代。

發現問題是進行思想實驗的前提條件，也是進行探究性學習的關鍵。正如愛因斯坦所言，“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許僅是一個數學上的或實驗上的技能而已。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創造性和想象力?！盵9]所以，在發現問題、提出工作假說階段，教師應鼓勵學生質疑，幫助學生建立假說，使該階段順利進行。

（二）建立思想實驗場景

盡管思想實驗是在頭腦中進行的，并不需要真正的實驗儀器和場所，但是仍然需要在頭腦中建立一個“逼真”的實驗場景。其間的設施和設備都是完全按照真實實驗的要求和科學規范設想出來的，它必須是符合實際的，并且隨著技術的發展和科技的進步是完全有可能在真實的實驗情境中得以進行的。比如，伽利略在反駁亞里士多德重物比輕物下落速度快的思想實驗中，他建立的思想實驗場景就包括一個重的物體、一個輕的物體、一個可以將二者捆綁在一起的繩索等。在當時，計時設備還并不是很先進的情況下，這個實驗盡管可以做，但是卻很難做到精確，但是現在這個思想實驗已經可以在真實的實驗情境中進行。再比如為了駁斥熱量不能自動從低溫物體傳向高溫物體的論述，即為了論證自然界存在著與熵增加相拮抗的能量控制機制，麥克斯韋“開展”了“麥克斯韋妖”思想實驗。這實際上是一個有關耗散結構的理想雛形，他設想了一個中間由隔熱膜分開的的絕熱容器和一個分子數量級的有判斷力的小精靈——“麥克斯韋妖”?！胞溈怂鬼f妖”就像一個閥門，它只允許速度高的分子通過小門到達溫度高的一側，這樣，借助外力就造成了熱量從低溫物體傳向了高溫物體，從而否定了溫度只能從高溫物體傳向低溫物體的觀點。在“麥克斯韋妖”所需要的實驗情境中，隔熱的容器比較容易在真實實驗情境中得到，但是分子數量級具有判斷力的小妖精卻很難在真實實驗中獲得，這恰恰體現了思想實驗的優勢所在。

在建立思想實驗場景階段，應積極鼓勵學生大膽想象，可以不受現有技術條件限制，在頭腦中設計出理想的實驗儀器和設備，以便完成現有條件下無法完成的實驗。但是，這并不意味著思想實驗所設想的儀器和設備完全是憑空設想，毫無科學根據的，相反，這些儀器和設備首先是根據檢驗假說而設計的；其次這些設想的儀器和設備大都在現實情境中有某些原型，只是由于現有技術條件的限制，不能達到理想的精確狀態，而無法完全實現。不過，隨著技術的進步，這些設想的儀器和設備遲早會在現實實驗中得以實現，比如最近英國愛丁堡大學的大衛·雷（David Leigh）和同事就發明了一種功能類似于“麥克斯韋妖”實驗中“妖”的“信息棘齒”，它可以控制粒子的運動以使系統偏離熱平衡。[10]此外，為了提高學生對理想條件的想象能力，可以在日常學習過程中讓學生進行更多的思維訓練，給學生提供更多自由想象的機會。

（三）進行邏輯推理，得出結論

建立了思想實驗場景，具備了實驗所需要的各種理想儀器和設備后，接下來需要做的就是開展思想實驗。然而，思想實驗與真實實驗的過程并非完全相同的，因為開展思想實驗的關鍵是進行邏輯推理，即思想實驗的進展，并不像真實實驗那樣可以現場看到每一步的實驗結果，并參照實驗結果，進行下一步的實驗，而只能是在頭腦中進行嚴密的邏輯推理，以指導實驗的進行。比如，在伽利略反駁亞里士多德重物比輕物下落速度快的思想實驗中，伽利略假設重物的下落速度為V1，輕物的下落速度為V2，重物和輕物綁在一起時下落的速度為V3，根據亞里士多德的理論，復合物比重物重，它的速度要大于重物，即V3＞V1；但是，由于復合物是由輕物和重物共同組成的，所以復合物必然會因為兩物的互相牽扯而使其速度慢于重物，即V3＜V1。這兩個結論是互不相容的，因此亞里士多德的理論是錯誤的。進而可以推測出物體下落的速度與物體的重量無關。

由此可見，邏輯推理是進行思想實驗所必備的條件，假如沒有嚴密的邏輯推理能力，思想實驗是不可能進行下去的，更不可能得出正確的結論。但是，在現有學校教學情況下，沒有專門進行邏輯推理的課程和專門的訓練，所以，學生邏輯推理的鍛煉應該體現在日常的學習中。教師在講授“是什么”時，一定要提出“為什么是”以及“如何做”的問題，以培養學生的邏輯推理能力。同樣，進行思想實驗的過程本身也是培養和鍛煉學生的邏輯推理能力的過程，而邏輯推理能力正是探究能力的重要組成部分，所以，通過在日常教學和學習中運用思想實驗以提高學生的探究性學習能力，進而提升學生的核心素養是一個非常重要和適宜的途徑。

[1]唐青利，王浩.思想實驗的特質及其認識論意義[J].四川師范大學學報（社會科學版），1999，（4）：15.

[2]中華人民共和國教育部.關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見[Z].2014.

[3]《中國學生發展核心素養》發布[EB/OL].[2016-9-14].http://edu.people.com.cn/n1/2016/0914/c1053-28714231.html.

[4]Schwab.J.J.， Inquiry，the Science Teacher，and the Educator [J].The School Review，1960，（2）：181.

[5]Harre R.，The Science，their Origin and Method[M].Glasgow，Beackie，1967：145.

[6]余民安.試論科學實驗方法的分類[J].西南師范大學學報，1991，（2）：255.

[7]高佩.“探究性學習”的概念、分類及意義[J].現代教育科學，2003，（3）：17.

[8]美國國家研究理事會著，戢守志等譯.美國國家科學教育標準[M].北京：科學技術文獻出版社，1999：2.

[9]愛因斯坦，英費爾德著，周肇威譯.物理學的進化[M].上海：上?？萍汲霭嫔?，1962：66.

[10]吳江濱.“麥克斯韋妖”妖蹤初現[J].物理通報，2007，（2）：51.

（責任編輯：金傳寶）

王 飛∕山東師范大學教師教育學院講師，博士，研究方向為科學教育、課程與教學論