浅谈“思想实验”与生物教学的结合

陈秀全 吴光华

生物学的概念、原理和规律都是由实验推导和论证的，所以实验教学非常重要。而对于中学教材中有很多的生物技术实验，教师上课时只能根据其理论性知识进行讲解，但是学生无法形成具体的物化实验认识，因此在生物教学中很有必要增加实验教学，以提高学生的探究能力，而要具体来做如细胞核移植、细胞融合等生物科技实验，那是不可能的，因此新的实验思想——思想实验就发挥了其作用。针对思想实验，笔者查阅了相关资料，进行了系统的理论学习，并在教学过程中，把“思想实验”与生物教学结合起来进行了尝试，发现效果颇佳，能在一定程度上弥补只有理论无法实验的生物技术实践知识的讲授。

1 “思想实验”的内涵

“思想实验”一词最早由奥地利科学家恩斯特·马赫提出：除有形实验（physica1 experiments）外，还有在较高理智水平上使用的其他实验，即“思想实验”。“思想实验”是有别于真实实验的一种探索性的理性思维活动。其具体内容是使用想像力去进行的实验，所做的都是在现实中无法做到（或现实未做到）的实验。生物学是一门重视实验的自然科学，“思想实验”是提高科学认识的一种最基本的方法之一。为了克服、超越物化实验的各种限制，科学家在自己的认知活动中常常利用思想实验来解决问题。

沃森和克里克提出的DNA的双螺旋结构模型是“思想实验”的典范之一。沃森和克里克当时受到威尔金斯、富兰克林和鲍林等研究结果的启发，他们用“思想实验”的方法，假想DNA是三螺旋或是双螺旋，假想磷酸、脱氧核糖、碱基摆放在不同位置，然后与X射线下的晶体衍射图相对比，以推导和思辨的方式解决了碱基化学键的匹配和DNA链的缠绕问题，最终提出了DNA双螺旋结构模型。提醒人们对生命科学的研究，不仅要忠实记录实验室里的客观现象，更要在主观的“思想实验”室里创造性地开展探索。此外，细胞膜流动镶嵌模型的提出、酶作用的各种学说、达尔文进化论中的许多观点的提出等，都是基于“思想实验”。因此，在生物教学中采用“思想实验”教学很有必要。

2 “思想实验”在生物教学中的尝试

生物教材中有大量知识蕴含有实验，但是实验室里不是没有先进的设备，就是没有必备的药品，因此这些生物科技知识的实验不能在实验室中完成操作，笔者运用“思想实验”与生物知识结合起来进行教学，较好地弥补了空洞的理论教学，在设计“思想实验”时与探究性学习相结合，在一定程度上起到培养学生的科学探究能力的作用。例析如下。

2.1 “细胞核功能”思想实验的教学实践

“细胞核功能”一节的教学实验现实教学没法进行，可以通过“思想实验”来完成，具体操作如图1所示。

通过这样的资料分析，就把我们不能用实验得出的结论，很简单很清晰地在学生大脑留下深刻的印象。

2.2 植物生长素的发现

植物生长素的发现，教师也可以通过“思想实验”来完成教学，通过演绎经典的实验来引导实验设计的思路和方法（图2）。

这样环环相扣，逐步推进的教学设计，收到很好的教学效果，也让学生体会到科学研究思想的缜密。

“思想实验”是建立在时间空间等条件的限制，无法在实验室完成的基础上，通过实践发现“思想实验”的设计能增进学生的交流合作，并且通过思想探究能让学生建构自己的认知结构，使学生体验到学习的乐趣。

3 “思想实验”教学对学生能力的培养

经过“思想实验”教学的尝试后发现，“思想实验”教学在培养学生能力方面起到比较重要的作用。

3.1 “思想实验”能激发学生的科学思维

高中生正处在思维迅速成熟的时期，高中阶段形成的价值取向和思维习惯直接影响了今后创造能力的发展可能。思想实验能提高学生的科学思维水平。科学思维是形象思维和抽象思维、聚合思维和发散思维、创造性思维和再造性思维、天马行空的无意想象和受主体意识支配的有意想象之间的最佳结合。

3.1.1 “思想实验”的实施能培养学生的创造性思维

沃森和克里克则从鲍林、威尔金斯、富兰克林等人的研究结果中寻找到了确立DNA双螺旋结构的灵感。达尔文更是冒天下之大不韪，提出了自然选择学说。科学大师的“思想实验”，是人类最闪亮的智慧火花。因此，通过对科学史上经典“思想实验”的学习研究，可以帮助学生培养创造性思维的各项品质，在思想上锐意进取，富于变革。

3.1.2 “思想实验”的实施能培养学生的全面发展思维能力

通过对“思想实验”思维特征的考察发现，“思想实验”是一种理性的思维活动，其推理过程以逻辑法则为根据，借助对客观现象和过程之间的内在逻辑关系的分析，对科学理论进行证明与反驳。“思想实验”利用结论性知识、概念、原理作为实验材料，对实验材料进行操作时，抽象思维占主要部分；在发现新问题的“思想实验”中，形式逻辑和辩证逻辑并重；科学家更是不断反思自己的思维过程是否存在错误和漏洞。因此，对于正处在发展思维关键时期的高中学生来说，长期科学的“思想实验”训练，有助于系统全面地发展学生的思维能力。

3.2 “思想实验”的实施能促进探究性学习

从目的来看，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。它不是科学家进行科学探究，而是在思想、内容、过程和方法等方面与科学探究存在相似性，或者说探究性学习模拟了科学探究活动，因此，教育领域的探究性学习是以学科知识为背景，通过学生主动的有意义的构建知识体系，达到培养创造性思维能力的目的。

从学习途径来看，大部分的探究性学习都通过探究性的思维活动获得知识和结论。探究性学习不一定在实验室中进行，因为受到学习时间、实验室条件等多种客观因素的制约。即使在实验室内，如果实验是按部就班的实验操作，也没有多少探究的价值。“思想实验”由于具有较多的创造性思维参与，几乎不受时空等客观实验条件的限制，从内容上看，“思想实验”的材料多具有较强的探究性，比如以科学史为背景的“思想实验”就是科学家经典的探究过程。所以“思想实验”是实施探究性学习的有效而节省资源的方式。

3.3 “思想实验”的实施有助于学生设计实验能力的培养

高中生物教学中的实验有别于科学研究实验，而更具有“思想实验”的特点：

（1） 教学中的实验不以获得准确的数据和科学结论为主要目的，通过实验教学更重要的是培养学生进行科学探究的能力，培养实事求是的科学精神，严谨创新的科学思维，以适应未来社会生活和满足终生学习的需要。所以，生物教学中的实验往往是对科学实验的模仿，体验和学习前人创造性地解决问题的智慧和方法，从中汲取营养。从这一点上看与使用“思想实验”的方式对学生进行思维训练有很多的共同之处。

（2） 心理学中关于技能的学习过程也告诉人们认知阶段（在头脑中形成完整动作的目标表象和目标期望）是动作技能学习的第一阶段。实验教学往往需要学生或师生一起设计实验，确定实验方案，熟悉操作步骤，再在实验室里进行现实的操作。也就是说，“思想实验”是有形实验的先导，“思想实验”和有形实验是紧密相联系的。

（3） 高中生物教学中涉及的复杂生物技术问题以及关于伦理道德讨论的开放性问题的探究不能在实验室中呈现，更适合用“思想实验”来进行。比如“基因工程的操作步骤”就属于复杂的生物技术问题，学生按照已有的知识能力和条件是不能完成的；再如“人工辅助生殖技术（如人工受精、试管婴儿技术）的应用对人类的影响”等内容涉及到伦理道德，更适合用“思想实验”而不是有形实验来进行。

3.4 “思想实验”有助于学生创新精神的培养

“思想实验”的一个重要特征就是具有深刻的创造性。科学家进行“思想实验”为了揭示事物内部的规律性，因此其探索是前无先例的，带有高度的创造性。“思想实验”是一种理性的思维活动。但不是脱离实际的主观臆想，而是以实践为基础，按照实验的格式展开，对实际过程做出更深入一层的抽象分析，其推理过程是以一定的逻辑法则为根据的。

4 展望

“思想实验”是一种特殊形式的实验方式，要发挥丰富的想象力，并且要有很强的逻辑推理，要提出合理的假说、进行合理的分析、准确的判断与恰当的推理。中学教材中的不能操作的实验都可以通过思想探究实验的方法来解决，合理地运用“思想实验”不仅提高了教学效率，关键在于培养了学生的探究精神和创新意识，真正地促使学生可持续发展。

参考文献：

[1] 王荣德.思想实验及其在科学发展中的作用[J].科学研究，2001.19（1）：14-21.

[2] 施忆.高中生物课程标准中的活动与探究[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准[M].北京：人民教育出版社，2003.

[4] 恩斯特.马赫[奥].认识与谬误[M].北京：华夏出版社，2000.