王小頌

所謂思想實驗是一種按照實驗程序設(shè)計的并在思維中進(jìn)行的特殊論證方法。它既不同于真實實驗，也有別于形式邏輯的推理。是按照假想的實驗手段和步驟，進(jìn)行思維推理，得出合乎邏輯的結(jié)果。在物理學(xué)發(fā)展的歷史過程中伽利略、愛因斯坦等許多科學(xué)大師都曾經(jīng)借助思想實驗延伸其理論的觸角。

科學(xué)素養(yǎng)概念的形成與發(fā)展經(jīng)歷了長期的演進(jìn)過程，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和變革，概念的含義也將不斷變化。本文采用以下觀點?？茖W(xué)素養(yǎng)的基本要素包括：一是科學(xué)知識與技能。二是科學(xué)方法與能力。三是科學(xué)行為與習(xí)慣。四是科學(xué)精神、態(tài)度與價值觀。

一、利用思想實驗培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的途徑

思想實驗可以對所研究的過程設(shè)想出真實實驗暫時不可能或原則上不可能達(dá)到的實驗條件，進(jìn)行邏輯論證。在這個過程中，不僅包含有豐富的科學(xué)知識與技能，體現(xiàn)了物理學(xué)研究事物的方式與方法，而且也蘊含著人類認(rèn)識事物，研究事物時所伴隨的豐富的科學(xué)精神和人文精神。這些對于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)都是具有重要意義的，都是值得挖掘與充分利用的。

1、挖掘科學(xué)史中思想實驗提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

伽利略是第一位思想實驗大師，他重視實驗對理論的檢驗作用，但由于外部環(huán)境的惡劣、實驗條件的簡陋以及哲學(xué)思想的影響，因此思想實驗是一個常用的方法，并依此獲得許多重要的發(fā)現(xiàn)與結(jié)論。

2、利用物理學(xué)方法中的思想實驗提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

如果所設(shè)想的條件是完全理想化的，如絕對真空、絕對光滑等，在這種條件下所進(jìn)行的論證稱為理想實驗法，它是思想實驗的一種重要形式。這一部分在中學(xué)的物理教學(xué)中涉及的知識很多。如牛頓運動定律等。真正代表近代科學(xué)方法論精神的伽利略與牛頓。伽利略最先倡導(dǎo)并實踐了實驗加數(shù)學(xué)的方法，但是他所謂的實驗并不是培根意義上的觀察實驗，而是理想化實驗。地球上的任何力學(xué)實驗都不能避免摩擦力的影響，但是認(rèn)識基本的力學(xué)規(guī)律，又要從觀念上排除這種摩擦力，這就需要全新的概念體系來支撐將做得實驗，包括設(shè)計、實施和解釋實驗結(jié)果，只有這種理想化的實驗才可能與數(shù)學(xué)處理相配套。伽利略的研究程序可以分為三個階段：直觀分解、數(shù)學(xué)演繹、實驗證明。牛頓在吸收前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步完善，牛頓的方法可以稱之為“歸納—演繹”法，并且認(rèn)為演繹的結(jié)果必須重新訴諸實驗確證。牛頓運動定律就是這些過程的直接結(jié)果。

牛頓運動定律不僅內(nèi)容上說明了自然界的重要定律，他的研究方法、研究思想同樣也具有重要的價值。它是以觀察和實驗中了解到的資料作為出發(fā)點，把自然現(xiàn)象合理簡化并建立起恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ停贿\用思想實驗，即在絕對簡化理想條件下，運用思維中的邏輯演繹推理導(dǎo)出某種科學(xué)結(jié)論，再去接受科學(xué)實踐的檢驗的過程。

從這個研究的過程本身我們可以發(fā)現(xiàn)其中不僅包括科學(xué)知識，而且還涉及一種比較完善的物理學(xué)的研究方法，這對后人進(jìn)行進(jìn)一步的研究具有重要的借鑒意義。發(fā)現(xiàn)過程本身也暗含了牛頓對于科學(xué)的濃厚興趣和科學(xué)探究的整個過程。這些都是培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的重要素材，應(yīng)該給予充分利用。

3、利用現(xiàn)代物理學(xué)研究中的思想實驗部分提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

新課程強(qiáng)調(diào)科學(xué)與社會，技術(shù)的聯(lián)系，必須看到，現(xiàn)代科技已經(jīng)逐漸滲透到了我們生活的方方面面，因此需要學(xué)生對于現(xiàn)代物理學(xué)有些初步的認(rèn)識。如中學(xué)物理課本加入了關(guān)于愛因斯坦的相對論和一些量子力學(xué)的簡單介紹。但是現(xiàn)代物理學(xué)的研究，無論在微觀還是宏觀上越來越多地進(jìn)入了不能完全直接靠實驗證實或證偽的領(lǐng)域。相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，其中都包含有豐富思想實驗的部分。

使學(xué)生能了解科學(xué)與技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，初步認(rèn)識科學(xué)推動技術(shù)進(jìn)步、技術(shù)又促進(jìn)科學(xué)發(fā)展的相互關(guān)系，初步認(rèn)識社會需求是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動力等科學(xué)、技術(shù)與社會的關(guān)系。同時能使學(xué)生增長見識，激起學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)科學(xué)精神。這也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一個重要方面。

二、進(jìn)行思想實驗教學(xué)時的注意事項

1、處理好思想實驗與真實實驗的關(guān)系

思想實驗是一種理性的思維活動。但不是脫離實際的主觀臆想，而是以實踐為基礎(chǔ)，按照實驗的格式操作展開，對實際過程做出更深入一層的抽象分析，其推理過程是以一定的邏輯法則為根據(jù)的。而這些邏輯法則，都是從長期的社會實踐中總結(jié)出來且為實踐所證實了的。

思想實驗和真實實驗又是緊密聯(lián)系和互補(bǔ)的?？茖W(xué)中的理論、規(guī)律是從大量實驗事實中總結(jié)概括出來的，科學(xué)中的假設(shè)、爭論也有賴于真實實驗的驗證。

有時兩者往往密不可分地穿插在一起，真實實驗為思想實驗提供經(jīng)驗材料，思想實驗對經(jīng)驗材料進(jìn)行理性加工，并為真實實驗提供理論指導(dǎo)。從伽利略發(fā)現(xiàn)落體定律和慣性定律的活動中，可以明顯地看到這一點。

2、不能忽略物理學(xué)史中被證實為錯誤的思想實驗

在科學(xué)研究中，通過再多的科學(xué)實驗都不能完全證實一個理論，這是歸納法的本質(zhì)所決定的，但是一個否定例證就足以證偽一個理論。在物理學(xué)的思想實驗中，有的已被否定，但不能因此就貶低它的作用，那些被證偽的思想實驗往往是一個新理論產(chǎn)生的重要基石，如伽利略在給出著名的“落體佯謬”的最初說法時，他所說的是同樣材料而不同大小的物體，并非指所有的物體，其前提是錯誤的，結(jié)論也是有局限性的，但是他的過程本身是非常有意義的，為他后來得出普遍的結(jié)論提供了重要的基礎(chǔ)。這些過程都是需要進(jìn)一步挖掘的，這樣才能讓學(xué)生明白科學(xué)研究的真實過程，對于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是具有豐富的教育意義的。

3、思想實驗是一種相對獨立的科學(xué)方法

在科學(xué)研究中，思想實驗?zāi)軌虺蔀橐环N不替代的科學(xué)方法，是由于思想實驗以其科學(xué)思維的嚴(yán)密性、精確性補(bǔ)充了真實實驗的不足。比如，驗證廣義相對論的某些實驗條件，或者某些條件在任何時代都不能被滿足，比如，驗證牛頓第一定律所需要的無摩擦力的平面。但是，這些條件在邏輯上是可以實現(xiàn)的，這樣，人們可以避開實際的技術(shù)困難。在思維中把這些條件制作出來，或者對現(xiàn)在條件進(jìn)行理想化抽象，在想象中實現(xiàn)這些條件。進(jìn)而在頭腦中殿開類似于真實實驗的“仿真”過程，推斷被研究事物的內(nèi)部規(guī)律。

必須看到，思想實驗中包含有豐富的思想內(nèi)涵，有利于進(jìn)行積極的科學(xué)文化教育，而且思想實驗作為一種科學(xué)方法將在更廣闊的領(lǐng)域中應(yīng)用。