●王 飞

思想实验：提升学生核心素养的重要途径

●王 飞

思想实验不仅在科学理论和科技发明过程中起着非常重要的作用，而且由于其具有培养学生质疑能力和批判精神，以及探索创新能力等重要功能而在提升学生的核心素养方面起着非常重要的作用，是促进学生核心素养深度发展的一种重要的途径和手段。为增强思想实验在学生核心素养发展方面的作用，应该遵循发现问题、提出工作假说，建立思想实验场景，进行逻辑推理、得出结论三个环节，以充分发挥其效力。

思想实验；核心素养；科学精神；探究性学习

思想实验是在思想中进行的实验，是指科学认识主体“运用创造性思维，在思想中用主观设计的实验对象代替现实的客体，并对之进行操作、观察和分析，以期获得某种规律性认识的过程。”[1]思想实验作为一种独特的科学研究方法，在自然科学发展史中曾经起到过非常重要的作用。例如，早在自然科学的萌芽时期，阿基米德就在研究面积和体积时运用过思想实验。文艺复兴后，思想实验更是成为广大科学家发明新理论的重要工具，伽利略利用思想实验推翻了亚里士多德“重物体比轻物体下落速度快”的断言，从而开启了伽利略—牛顿经典物理学的黄金期。20世纪初期经典物理学的矛盾日益凸显，最终实现了从经典物理学向相对论和量子力学的转变，在这个转变过程中思想实验发挥了举足轻重的作用，比如，爱因斯坦的狭义相对论就来自于其著名的“爱因斯坦光线”思想实验。在该思想实验中，他设想自己能够以光速跟随光线运动，通过严密的思维和丰富想象得出了对于这个以光速奔跑的观察者而言，所有物理定律和一个相对地球静止的观察者观察到的一样的结论。此外，“理想电梯”、“理想火车”、“麦克斯韦妖”、“薛定谔猫”以及沃森和克里克的DNA双螺旋结构模型等思想实验在科学发展史中都具有举足轻重的重要作用。

思想实验最显著的特征是运用缜密的逻辑思维和推理，在头脑中实现现实中无法实现或需要较高成本才能达到的结果。2014年3月教育部印发了《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》，明确提出研究和制定学生发展核心素养体系的任务。核心素养是学生应该具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，它是一系列知识、能力和态度的集合，是学校课程改革的根本目的和总体方向。[2]2016年9月13日，中国学生发展核心素养研究成果发布会在北京师范大学举行，公布了历时三年的研究成果，明确指出核心素养包括六大组成部分，分别是人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当和实践创新。[3]思想实验因其在学生科学探究、创造性思维等方面的独特而重要的价值，成为提升学生核心素养的重要途径。在学生学习中运用思想实验可以提高学生的创造性思维能力，为学生在学习、生活和未来工作中开展创新性劳动奠定基础。

一、思想实验在提升学生核心素养中的作用

思想实验对学生核心素养的提升作用主要体现在其有助于促进学生的质疑和批判精神，有利于培养学生的探索和创新的能力以及加强学生实践本性和理性思维本性的统一等方面。

（一）思想实验有利于培养学生的质疑和批判精神

科学发现始于问题，问题则源于质疑。质疑是创造性思维的开端，批判是科学进步的根本手段。引导学生开展思想实验可以激励学生在日常学习过程中，认真观察，并通过缜密的思维，对已学过的知识产生质疑，提出批判，进而修正旧理论。施瓦布将探究划分为固定性探究（stable inquiry）和流动性探究（fluid in-quiry）两种。固定性探究是指从别处获得原理或原则，并将其运用到具体问题的解决中，而不对其所依据的原理或原则进行质疑和批判；流动性探究的目的在于检验这些原理或原则，并最终修正或替代这些原理或原则。[4]尽管固定性探究在解决具体问题过程中具有很重要的作用，但是由于它不对其所依据的原理或原则进行质疑和批判，就无法促进现有原理或原则的进步，也就无法从根本上促进科学的进步。流动性探究则是从根本上对现有的原理或原则进行质疑和批判，进而改进现有原理或原则，使之更加科学。所以，相对于固定性探究而言，流动性探究更加根本和重要，也是培养创新型人才的根本所在。思想实验的意义并不在于对现有理论的证实或运用，而是看到了现有理论的缺陷和内在矛盾，在现有实验条件无法满足的情况下，通过精心设置，改进现有理论。所以，思想实验通过培养学生的质疑和批判精神，促进学生的流动性探究，是提升学生核心素养的重要途径之一。

（二）思想实验有利于培养学生的探索和创新能力

虽然思想实验是在头脑中进行的想象实验，但是这种思维活动完全是按照现实实验的严格要求和规范展开的，所以，在科学领域一直受到高度重视，享有与真实实验相等的地位，其思维成果与真实的科学实验一样具有高度的创造性。正如哈里所言“所谓思想实验是在想象中操作模型时形成的”[5]。尽管思想实验不是实际进行的实验，但是这并不意味着它缺乏实践基础，更不意味着思想实验缺乏科学性和可靠性。实际上，思想实验是以实践为基础的，实验者以在现实实验情境中和自然界中实验和观察到的事物的现象、运动、性质、特征等为依据，并遵循严密的逻辑推理，经过思维抽象和类比抽取出研究对象的本质特征，深入分析和模拟的产物。所以，思想实验是从客观事物和现象中总结出来并为实践所验证的逻辑法则推演而来的。[6]因此，思想实验的主要过程和结果是以逻辑推理的形式来表达的，是实物实验的深化发展和广延展开，是一种排除干扰因素，使所研究的问题在人为控制条件下纯化的认识活动。在实现的实验室实验中，由于种种条件的限制，很多实验是无法真正实现的。有些实验虽然可以实现，但却需要花费大量的人力和物力。而思想实验则可以消除种种限制，排除掉现实中无法控制的种种限制因素，使实验进程理想化。并且思想实验还可以使逻辑方法与直觉、灵感、想象等非常规思维方法相结合，能充分调动和发挥人们理论思维的作用，具有极大的创造性和科学的预见性。探究性学习是学生以类似或模拟科学探究的方式进行的一种学习活动，学生在掌握知识的同时，通过自主的探究活动和体验得出新结论、解决新问题及对事物的真伪作出判断的一种学习方式。[7]正是思想实验具有几乎不受时空等客观条件的限制，并且能够充分调动学生的创造性思维活动，所以思想实验是实施探究性学习，提高学生核心素养的有效而节省资源的重要方式。

（三）思想实验是实践本性和理性思维本性的统一

思想实验既不同于实验室实验，也不同于纯粹的逻辑分析，它既具有实践本性又具有理性思维活动的特征。思想实验的实践本性是其与一般逻辑推理的最本质区别，其目的在于得到具有创新性的新理论，而不是简单地以澄清思维混乱或揭示逻辑矛盾为目的。思想实验是一种想象中的实验活动，正是因为其所具有的假想性使之超越了真实实验的局限，也可以超越社会条件和技术的限制，完成真实实验中无法企及或者需要花费过高成本的实验。尽管思想实验中想象和推测能力非常重要，但是这种想象和推测是要受到严密的逻辑思维和推理制约的。在思想实验开展的整个环节中，逻辑一直起着主导作用，避免想象和推测不会是漫无边际和依据不足的胡思乱想。所以，正是因为思想实验是实践本性和理性思维本性的统一，才保证了其既有真实实验的精确性，又具有超越真实实验的限制，激励人们把研究的方向转向新的领域，去认识世界更深刻的本质。探究性学习是动手的实践活动与动脑的理性体验相辅相成的过程，学生在参与探究时，既要对其所面对的问题情境有非常详实和全面的了解，也要善于从中找到问题，并掌握依据现有研究和对问题及情境的深入剖析提出科学的假设，运用判断推理和逻辑思维，考虑各种可能的解释。[8]所以，通过思想实验促进学生探索创新能力的过程本身就是探究性学习的过程，也是提升学生核心素养的重要手段。

二、如何实施思想实验以促进学生的核心素养

虽然思想实验在支持学生的探究性学习，树立正确的科学精神以及提升学生的学习能力等核心素养方面具有非常重要的作用和价值，但是若将其融入日常的教与学的活动过程中，使其真正成为提升学生核心素养的重要方法和手段，就需要对其实施程序进行科学化和规范化。根据思想实验的特点和发挥作用的机理，遵循学生学习过程的规律，思想实验的实施过程大体可以分为发现问题、提出工作假说，建立思想实验场景，进行逻辑推理、得出结论三个环节。

（一）发现问题，提出工作假说

在日常生活中，我们所获得的绝大部分信息主要是通过口耳鼻舌等感觉器官获取的，正是这些感觉器官的存在才保证了我们认识世界的可能性。一位缺乏任何一种感觉器官的人，其对世界的认识都将是片面和不完善的。但是，通过感官获得的仅仅是感性的直接经验，并非一定是真理。科学的思想不是客观世界和事物在头脑中的简单和直接反映，它需要经过大脑严密的逻辑思维才能形成，比如，电子绕原子核的运动，磁场的存在等我们无法通过感官直接感受到其存在及其运动和变化规律，只有经过科学的逻辑推理和缜密的思维才能得出其存在及其运动变化的证据。所以，只有对感官提供给我们的认识采取怀疑的态度，并进行批判性思维，才可能得出正确的结论。在日常生活中，我们的感官使我们错误地认为重的物体理所当然应该比轻的物体下落速度更快。正是因为这种错误感觉的存在才使亚里士多德重物比轻物下落速度快的谬误持续近两千年。

对于一个凭借经验得出的结论，首先应该采取怀疑的态度，并努力发现其是否存在问题，若是它确实有问题，就应该大胆否定该陈述，并建立一个工作假说。另外，对于一个经过缜密的逻辑思维得出的结论，也不应该轻信，应当在实践中对其进行检验。若该陈述存在漏洞或错误，就应该大胆否定该陈述，并建立一个工作假说。诸如牛顿力学，它并非仅仅是从感官获得的信息的简单罗列，而是经过严谨的逻辑思维推理获得的科学陈述，即便如此，也不应该毫无怀疑地将其运用于所有领域，如太空或微观粒子的运动中。正是爱因斯坦、海森堡等人发现了经典力学的谬误，才开启了相对论和量子力学的新时代。

发现问题是进行思想实验的前提条件，也是进行探究性学习的关键。正如爱因斯坦所言，“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性和想象力。”[9]所以，在发现问题、提出工作假说阶段，教师应鼓励学生质疑，帮助学生建立假说，使该阶段顺利进行。

（二）建立思想实验场景

尽管思想实验是在头脑中进行的，并不需要真正的实验仪器和场所，但是仍然需要在头脑中建立一个“逼真”的实验场景。其间的设施和设备都是完全按照真实实验的要求和科学规范设想出来的，它必须是符合实际的，并且随着技术的发展和科技的进步是完全有可能在真实的实验情境中得以进行的。比如，伽利略在反驳亚里士多德重物比轻物下落速度快的思想实验中，他建立的思想实验场景就包括一个重的物体、一个轻的物体、一个可以将二者捆绑在一起的绳索等。在当时，计时设备还并不是很先进的情况下，这个实验尽管可以做，但是却很难做到精确，但是现在这个思想实验已经可以在真实的实验情境中进行。再比如为了驳斥热量不能自动从低温物体传向高温物体的论述，即为了论证自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制，麦克斯韦“开展”了“麦克斯韦妖”思想实验。这实际上是一个有关耗散结构的理想雏形，他设想了一个中间由隔热膜分开的的绝热容器和一个分子数量级的有判断力的小精灵——“麦克斯韦妖”。“麦克斯韦妖”就像一个阀门，它只允许速度高的分子通过小门到达温度高的一侧，这样，借助外力就造成了热量从低温物体传向了高温物体，从而否定了温度只能从高温物体传向低温物体的观点。在“麦克斯韦妖”所需要的实验情境中，隔热的容器比较容易在真实实验情境中得到，但是分子数量级具有判断力的小妖精却很难在真实实验中获得，这恰恰体现了思想实验的优势所在。

在建立思想实验场景阶段，应积极鼓励学生大胆想象，可以不受现有技术条件限制，在头脑中设计出理想的实验仪器和设备，以便完成现有条件下无法完成的实验。但是，这并不意味着思想实验所设想的仪器和设备完全是凭空设想，毫无科学根据的，相反，这些仪器和设备首先是根据检验假说而设计的；其次这些设想的仪器和设备大都在现实情境中有某些原型，只是由于现有技术条件的限制，不能达到理想的精确状态，而无法完全实现。不过，随着技术的进步，这些设想的仪器和设备迟早会在现实实验中得以实现，比如最近英国爱丁堡大学的大卫·雷（David Leigh）和同事就发明了一种功能类似于“麦克斯韦妖”实验中“妖”的“信息棘齿”，它可以控制粒子的运动以使系统偏离热平衡。[10]此外，为了提高学生对理想条件的想象能力，可以在日常学习过程中让学生进行更多的思维训练，给学生提供更多自由想象的机会。

（三）进行逻辑推理，得出结论

建立了思想实验场景，具备了实验所需要的各种理想仪器和设备后，接下来需要做的就是开展思想实验。然而，思想实验与真实实验的过程并非完全相同的，因为开展思想实验的关键是进行逻辑推理，即思想实验的进展，并不像真实实验那样可以现场看到每一步的实验结果，并参照实验结果，进行下一步的实验，而只能是在头脑中进行严密的逻辑推理，以指导实验的进行。比如，在伽利略反驳亚里士多德重物比轻物下落速度快的思想实验中，伽利略假设重物的下落速度为V1，轻物的下落速度为V2，重物和轻物绑在一起时下落的速度为V3，根据亚里士多德的理论，复合物比重物重，它的速度要大于重物，即V3＞V1；但是，由于复合物是由轻物和重物共同组成的，所以复合物必然会因为两物的互相牵扯而使其速度慢于重物，即V3＜V1。这两个结论是互不相容的，因此亚里士多德的理论是错误的。进而可以推测出物体下落的速度与物体的重量无关。

由此可见，逻辑推理是进行思想实验所必备的条件，假如没有严密的逻辑推理能力，思想实验是不可能进行下去的，更不可能得出正确的结论。但是，在现有学校教学情况下，没有专门进行逻辑推理的课程和专门的训练，所以，学生逻辑推理的锻炼应该体现在日常的学习中。教师在讲授“是什么”时，一定要提出“为什么是”以及“如何做”的问题，以培养学生的逻辑推理能力。同样，进行思想实验的过程本身也是培养和锻炼学生的逻辑推理能力的过程，而逻辑推理能力正是探究能力的重要组成部分，所以，通过在日常教学和学习中运用思想实验以提高学生的探究性学习能力，进而提升学生的核心素养是一个非常重要和适宜的途径。

[1]唐青利，王浩.思想实验的特质及其认识论意义[J].四川师范大学学报（社会科学版），1999，（4）：15.

[2]中华人民共和国教育部.关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见[Z].2014.

[3]《中国学生发展核心素养》发布[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.试论科学实验方法的分类[J].西南师范大学学报，1991，（2）：255.

[7]高佩.“探究性学习”的概念、分类及意义[J].现代教育科学，2003，（3）：17.

[8]美国国家研究理事会著，戢守志等译.美国国家科学教育标准[M].北京：科学技术文献出版社，1999：2.

[9]爱因斯坦，英费尔德著，周肇威译.物理学的进化[M].上海：上海科技出版社，1962：66.

[10]吴江滨.“麦克斯韦妖”妖踪初现[J].物理通报，2007，（2）：51.

（责任编辑：金传宝）

王 飞∕山东师范大学教师教育学院讲师，博士，研究方向为科学教育、课程与教学论