邵鋒星 管笛

摘要“思想實驗”是對前所未有的實驗或潛在可能的實驗進行預想，在腦海里進行理想化抽象和分析，并用假想的實驗推理出結論。全課以觀察實驗為基礎，以科學方法為指導，以任務驅動催化學生想象，以科學論證催生思辨，關注學生的思維參與和發(fā)展，促進學生對科學概念的深層次理解和建構。

關鍵詞 “思想實驗” 《沉浮與什么因素有關》 案例研究

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.05.038

Case Study of“Thought Experiment”Based on Deep Learning

——Take the lesson "what factors are related to ups and downs" as an example

SHAO Fengxing， GUAN Di

（Jingyuan Primary School of Qiantang New District， Hangzhou， Zhejiang 310018）

Abstract： "Thought experiment" is to foresee the unprecedented experiment or potential experiment， to carry out idealized abstraction and analysis in the mind， and to infer conclusions from the hypothetical experiment. The whole course is based on observation experiment， guided by scientific method， driven by task， catalyzing stu？ dents’ imagination， expediting speculation by scientific argumentation， paying attention to students’ thinking par？ ticipation and development， and promoting students’ deep understanding and construction of scientific concepts.

Keywords： thought experiment； "what factors are related to ups and downs"； case study

“思想實驗”的緣起與意義

1.刨根問底，何為“思想實驗”

“思想實驗”是指使用想象力進行的實驗，所做的都是在現(xiàn)實中無法做到（或現(xiàn)實還不能做到）的實驗?！八枷雽嶒灐辈皇钦鎸嵉牟僮鲗嶒?，不是有形的實驗，不借助任何實際的實驗對象和器材，而是對前所未有的實驗或潛在可能的實驗進行預想，在腦海里進行理想化抽象和分析，并用假想的實驗推理出結論?！八枷雽嶒灐笔且环N理性的思維活動，是一種相對獨立的科學研究方法。

2.探尋究竟，為何“思想實驗”

實驗是科學研究的基本方法，也是人們獲取自然規(guī)律的途徑。然而，一切現(xiàn)實的實驗都會受到主、客觀的條件制約：主觀上的感官模糊和實驗操作的不精準，以及客觀上受到實驗儀器、實驗對象、環(huán)境條件的限制，使實驗達不到理想狀態(tài)，從而無法達到預期的實驗目的。為了克服、超越現(xiàn)實實驗的各種限制，科學家常常利用“思想實驗”在自己的認知活動中探尋究竟、解決問題。

3.追溯歷史，如何“思想實驗”

歷史上許多偉大的科學家都是進行“思想實驗”的哲人，他們在做“思想實驗”時，在頭腦中演繹出一套理想化的儀器設備和實驗對象，并利用它們進行理想化的實驗操作，然后運用想象、計算、畫圖、推理、論證等方法對這種理想化對象進行感知和描述，最終發(fā)現(xiàn)和獲取科學事實與自然規(guī)律。這些偉大的“思想實驗”，無不需求想象力、邏輯推理和計算等能力。

加工、理解、建構——“思想實驗”解析

“思想實驗”的過程不是對知識的簡單套用，也不是被動式的接受，而是通過認知沖突引發(fā)主動積極的認知轉變，關注思維的參與和發(fā)展，實現(xiàn)學生獨立而專注的深度學習。深度學習與簡單的刺激反應不同，學生在不斷反思、調整中主動建構知識，通過深度思考真正理解學習內容，并能在不同情境中利用所學知識解決新問題。

1.重整認知，深度加工知識信息

在激活原有認知的基礎上，利用感知、方法、情境等方式深度加工知識信息，建立新認知和原認知之間的聯(lián)系，并整合、重建認知結構。

（1）豐富感知，給予方法指導

科學探究的起點是學生的前概念，“思想實驗”亦是如此。開展“思想實驗”前，通過回憶、做實驗等方式喚起學生的已有認知。引入觀察實驗：模擬制作懸浮狀態(tài)的潛水艇。在動手實驗中，學生深刻感受到增加一點點質量，瓶子就會下沉；減少一點點質量，瓶子就會上浮。行為感知為之后的“思想實驗”提供了強有力的證據(jù)。

除了喚醒已有認知，學習支架還須包括對學習方法的指導。學生計算“懸浮潛水艇”每立方厘米的質量，為后續(xù)的“思想實驗”提供了一定的方法指導。展示愛因斯坦、伽利略運用想象、圖畫、數(shù)學計算等方法在頭腦中進行科學推理，也滲透著對科學方法的指導。從觀察到計算，從定性到定量，從感性到理性，學習進程不斷推進并深入。

（2）相關遷移，衍生科學思辨

學生交流“思想實驗”幾種不同的思考路徑和方法，如何梳理這些，幫助學生認知影響物體沉浮的因素呢？繼續(xù)深入探尋，遷移到相關的科學本質，再一次經(jīng)歷科學思辨。出示1立方厘米水的質量是1克，學生似乎想到了什么，回憶觀察實驗水中懸浮狀態(tài)的瓶子質量和體積比也是1，學生終于明白影響物體在水中沉浮的因素。將原有認知和新情境建立起了聯(lián)系，將觀察實驗中的發(fā)現(xiàn)遷移到“思想實驗”情境中。已知“懸浮的潛水艇”1立方厘米的質量是1克，要判斷體積變化后的瓶子的沉浮變化，也就是要探尋變化后的瓶子1立方厘米的質量是大于1克還是小于1克？暗指通過比較物體和水的密度，判斷物體在水中的沉浮。學生借助觀察實驗中的大、中、小三個瓶子，想象瓶子變大、變小，進行抽象思維分析，引發(fā)思辨。

（3）解決問題，觸發(fā)內在轉變

將生活現(xiàn)象與科學本質相關聯(lián)，在解決問題中觸發(fā)內在思維的轉變，利于學生終身學習。提供常見物體1立方厘米的質量，學生比較水與其他物體單位體積的質量，就能分析出它們在水中的沉浮狀況；面對不了解的物體，也能通過其單位體積的質量，進而判斷這個物體在水中的沉浮狀況；甚至可以通過了解不同物體1立方厘米的質量，進而判斷物體在不同液體中的沉浮狀況。授之以魚，不如授之以漁，方法的習得有助于提高學生解決問題的能力。

2.推理論證，深度理解內在含義

愛因斯坦曾說過，真理在你的心智中，不在你的眼睛里。課堂上看到學生學會了，就是真的學會了嗎？我們更應該關注學生的思維、心智有沒有得到發(fā)展，發(fā)展到什么程度？有沒有真正理解科學概念，對概念的理解到了什么程度呢？“思想實驗”關注思辨過程，注重對科學核心概念的深度理解。對于小學高年段學生來說，自我意識越來越強，具備了運用綜合技能、抽象概括、推理論證、反思思辨和用證據(jù)支持自己觀念的學習能力，愿意嘗試獨立完成探究活動。這為“思想實驗”中的深度理解復雜概念提供了客觀條件?！八枷雽嶒灐敝校瑢W生借助計算、畫圖、比較、分析、邏輯推理等方式，對假想出來的實驗對象進行實驗操作，形成個人的深層次理解。

（1）數(shù)學計算

數(shù)學計算是學生最容易想到的方法。因為在之前的觀察實驗中，學生用計算的方法得出懸浮狀態(tài)下瓶子單位體積的質量。通過“思想實驗”計算出中瓶子在體積“擴大”和“縮小”之后單位體積的質量，就能判斷出是沉還是浮。計算發(fā)現(xiàn)懸浮的中瓶子保持質量不變，如果體積縮小到與小瓶子一樣大，1立方厘米的質量明顯大于1克；如果體積擴大到與大瓶子一樣大，1立方厘米的質量明顯小于1克，由此推斷沉浮狀況。

（2）畫圖分析

畫圖也是小學生慣用的展示思維路徑的方法。學生通過畫圖對比懸浮狀態(tài)的小瓶子，發(fā)現(xiàn)中瓶子的質量不變，體積縮小到與小瓶子一樣大時，質量明顯大于懸浮狀態(tài)下小瓶子的質量，則判定它會下沉。如果中瓶子的質量不變，體積擴大到與大瓶子一樣時，它就比懸浮狀態(tài)的大瓶子要輕，則判定它會上浮。

（3）邏輯推理

學生推理懸浮狀態(tài)下的“潛水艇”質量和體積在數(shù)值上應該是非常相近的，現(xiàn)在中瓶子質量不變，體積縮小到小瓶子一樣大。那質量的數(shù)值明顯大于體積的數(shù)值，所以一定會下沉。中瓶子體積擴大到與大瓶子一樣大，質量的數(shù)值明顯小于體積的數(shù)值，所以一定會上浮。

雖然瓶子不可能真的像金箍棒那樣隨意變化大小，但是學生通過想象瓶子變大變小，運用科學的方法、理性的思維分析判斷沉浮變化，深度思考過程中促成對物質密度核心概念的理解。

3.發(fā)展思維，深度建構復雜概念

科學不光需要腳踏實地，同樣也需要天馬行空的想象，“思想實驗”很好地體現(xiàn)了這一點。兒童天性具有豐富的想象力，兒童的創(chuàng)新大多源于想象。巧妙地創(chuàng)設思想實驗情境，以準確的任務驅動兒童想象，讓想象是有依據(jù)的創(chuàng)想而非臆想。在想象的基礎上，建構思維的框架，擴大空間、豐富方法、充實內涵。

（1）多維度地思考，感受獨立思考的含義

科學課堂的推理論證往往是針對一個大家都觀察到的事實，或是一致同意的現(xiàn)象，圍繞著“是真的嗎”“會怎么樣”進行單維度的思考，缺少對“如果怎樣，會怎樣”這樣雙維度的立體思考。在“思想實驗”中提供了這樣的思考機會，給予學生大膽想象以及獨立思考的空間，凸顯學生就是學習的主體。

（2）多元的方法，感悟綜合學習的含義

“思想實驗”的展開是通過想象、計算、畫圖、分析、判斷、推理、概括等思維方法，融合了多種學習技能，培養(yǎng)解決問題的能力，是有挑戰(zhàn)的深度學習。小學科學課堂對數(shù)學的運用局限在對數(shù)據(jù)記錄和分析，缺乏對計算運用、數(shù)學建模等能力的鍛煉。我們應該嘗試多方位的學科融合教學，讓學生運用多種思維方法進行綜合性的學習。

（3）嘗試“跳一跳摘桃子”，感知抽象思維的含義

皮亞杰認知發(fā)展理論提出，小學階段的兒童處于具體運算階段，已經(jīng)發(fā)展出思維的完整性、邏輯性的體系，但這個階段的兒童的思維仍然需要具體事物的支持，還不能進行抽象邏輯思維。而對于初中階段的孩子會處于形式運算階段，不受具體內容的局限性，能夠通過假設進行推理并解決問題。高年段學生正處于從學齡初期到學齡中期的過渡階段，我們應把握這兩個階段學生的心理特征，借助“思想實驗”，嘗試讓學生通過假設進行推理，鍛煉抽象的邏輯思維能力。

《沉浮與什么因素有關》課例描述

“沉和浮”單元的教學，指向“密度”這一核心概念，但是因為小學生還沒有建立物質的概念，即便個別學生能提出“密度”，也無法讓每一個學生真正理解?！冻粮∨c什么因素有關》一課，讓學生觀察體積相同、質量不同和質量相同、體積不同的圓柱體在水中的沉浮狀況，認識物體的體積相同時，重的容易沉，輕的容易?。毁|量相同時，體積大的容易浮，體積小的容易沉。這樣的學習過程沒有基于學生前概念反思，沒有引發(fā)學生的認知沖突，也不能促進學生深度的思考并形成個人的理解。

我們從物體沉與浮的核心概念出發(fā)，立足于學生科學思維的參與與發(fā)展，讓學生經(jīng)歷一場“思想實驗”的深度學習之旅，將看似高深莫測的“思想實驗”平和又不平靜地帶進了小學科學課堂。課例描述如下：

1.喚醒導入

圖片展示潛水艇的三種狀態(tài)：浮在水面、懸浮在水中、沉在水底。提問：影響潛水艇的沉浮因素是什么？學生討論后小結：潛水艇通過增加或減少水的質量，改變沉浮狀態(tài)。

2.觀察實驗

用大、中、小三個瓶子模擬制作潛水艇，并測出它們接近懸浮狀態(tài)時的質量。學生利用水杯、滴管等工具增加或減少瓶子中的水，使瓶子處于接近懸浮狀態(tài)，并測出處于懸浮狀態(tài)的三個瓶子的質量。匯總數(shù)據(jù)時，學生發(fā)現(xiàn)每組的數(shù)據(jù)都十分接近。教師事先讓學生測出了三種瓶子的體積，接著，請學生分別計算三個懸浮瓶子每立方厘米的質量。學生通過計算得知，它們每立方厘米的質量都約為1克，也就是說三個“懸浮狀態(tài)的潛水艇”雖然大小、質量都不一樣，但是1立方厘米質量都是1克。

3.思想實驗

緊接著，教師介紹牛頓、愛因斯坦等科學家遇到?jīng)]有辦法實現(xiàn)的實驗時，會在頭腦中進行“思想實驗”。將科學史、科學家故事引入課堂，使課堂更具人文氣息，展現(xiàn)了科學的發(fā)展歷程，激發(fā)了學生的學習動機。怎樣像科學家一樣做一次“思想實驗”？學生心中滿是疑惑，躍躍欲試。隨即出示任務：（1）懸浮的中瓶子保持質量不變，體積縮小到與小瓶子一樣大，沉浮狀況會發(fā)生什么變化？（2）懸浮的中瓶子保持質量不變，體積擴大到與大瓶子一樣大，沉浮狀況會發(fā)生什么變化？學生進行“思想實驗”。

4.交流研討

方法1：當中瓶子縮小到小瓶子一樣時，質量還是82.8克，體積變成44.8立方厘米。而體積是44.8立方厘米的小瓶子只有在質量約為44.8克的時候是懸浮的。所以縮小后的瓶子質量遠遠大于懸浮時的質量，瓶子一定會下沉。當中瓶子擴大到和大瓶子一樣時，質量還是82.8克，體積變成203.5立方厘米。而體積是203.5立方厘米的大瓶子只有在質量約為203.5克的時候是懸浮的。所以擴大后的瓶子質量遠遠小于懸浮時的質量，瓶子一定會上浮。學生在黑板上一邊畫圖，一邊展示“思想實驗”的推理過程。

方法2：當中瓶子縮小到小瓶子一樣時，瓶子的質量除以體積為82.8/44.8>1。通過前面的觀察實驗，發(fā)現(xiàn)瓶子處于懸浮狀態(tài)時，瓶子的質量除以體積為1，所以瓶子一定會下沉。當中瓶子擴大到和大瓶子一樣時，瓶子的質量除以體積為82.8/203.5<1，所以瓶子一定會上浮。學生在黑板上一邊列算式，一邊展示“思想實驗”的推理過程。

5.拓展提升

教師告訴學生，1立方厘米水的質量是1克，學生終于明白為什么物體在1立方厘米質量為1克時，會處于懸浮狀態(tài)。繼續(xù)提供其他物體1立方厘米的質量，學生可以用科學原理解釋為什么冰會浮在水面上、鐵會沉在水底等。學生的科學思維層層推進，指向物質密度這個核心概念。

全課立足兒童立場，以觀察實驗為基礎，以科學方法為指導，以任務驅動催化兒童想象，以科學論證催生思辨，關注學生的思維參與和發(fā)展，促進學生對科學概念的深層次理解和建構。