实验教学相关能力分析（2）——创造能力类

艾 伦

实验教学相关能力分析（2）
——创造能力类

艾 伦

重点分析了中小学实验教学相关能力中的创造能力类，其中涉及知识迁移能力、设计能力、方法创造能力以及思想实验能力。这4种能力是创新能力这一复合型能力的主干与中坚。

实验教学；知识迁移能力；设计能力；方法创造能力；思想实验能力

前文讨论了中小学实验教学相关能力中的认知能力类，其中包括了4种简单型能力：观察能力、分析能力、综合能力以及逻辑思维能力。本文则开始讨论创造能力类的4种简单型能力，它们是知识迁移能力、设计能力、方法创造能力以及思想实验能力。创造能力类是指创造新事物的一般性能力。事物是复杂的，但是创造新事物总有一些相同而且必要的方式方法、思维规律，能够掌握这些方法与规律可以通过培养相关的简单型能力实现。创新能力是复合型能力，是由诸多简单型能力有机构成，而创造能力类是其中主干性的，是中坚的部分。

一、知识迁移能力分析

将一个领域里的知识应用到另一个领域中而使其发挥新的作用，这显然是一种创造性的发挥，这种能力应该属于创造能力类。

1.知识迁移

知识迁移（Knowledge transfer）就是将一个领域里的知识应用到另一个领域中，或者根据知识的相似性使两个不同领域的事物建立起相关关系，从而发现一些特殊规律。这是我们将要探讨的知识迁移问题的本质属性。

关于知识迁移的定义广泛地出现在各种心理学和教育心理学著作中，如：“知识的迁移指人们在一种情境中所获得的知识，可以影响到随后学习的另一种知识或另一种情境中技能的学习及运用。”［1］知识迁移就是“一种学习对另一种学习的影响。”［2］知识迁移是“已获得的知识、动作技能、情感和态度等对新的学习的影响过程。”［3］这些定义存在的一个共同问题是将“知识迁移”与“学习迁移”两者混淆了。“知识”是名词，“学习”是动词，知识迁移是指不同领域知识本身的转换，而学习迁移（Learning transfer）则应该是指对于知识的不同学习方法之间的转换。我们在这里强调知识迁移而非提及学习迁移，是因为学习方法迁移属于方法创造问题，那将在下面的方法创造能力问题中进行讨论。

2.知识迁移率

“迁移率”原本是一个电子学概念，它反映带电粒子在电场作用下的漂移速率。我们在这里借用这个词汇描述知识迁移的远近，迁移率低表示知识的近迁移，迁移率高则表示知识的远迁移。

一些高级动物也能够学习知识，但是它们的知识迁移率则很低，一个黑猩猩的实验能够很好地说明这个问题。实验者点燃一堆篝火，再用旁边的一桶水将火浇灭，黑猩猩看到人的动作后也模仿人的样子提起另一只桶水将另一堆篝火浇灭，它学到了这个知识而且非常高兴。现在，实验者将篝火在一条河边上点燃，旁边放上一只空水桶，这次黑猩猩拿起空水桶去浇篝火而没有成功，它很是着急，但却不知道去旁边的河里取水，因为它对不同场景下的知识没有迁移能力。人不同于黑猩猩，他们知道灭火的两个基本要素：隔绝氧气和降低温度，于是他们可以去河里取水灭火，可以利用河边的沙子灭火，甚至可以将水桶直接扣在火堆上灭火。人类的知识迁移率要远高于黑猩猩。

知识迁移率高的另一个表现是善于将两个不同领域的事物建立起相关关系，这类问题的一个典型例子是“星巴克分店指数”。星巴克是美国一家连锁咖啡公司，“星巴克分店指数”是由美国《商业周刊》专栏作家丹尼尔·葛洛斯提出的理论。该理论认为一个国家星巴克连锁分店愈多，则它受金融危机伤害的程度愈高，理论在经济学上起到了一定的作用。［4］“蝴蝶效应”理论也是这方面的一个实例。对两个看来风马牛不相及的事物进行相关性分析，建立起相关关系或发现因果关系，这些都是大数据时代解决复杂系统问题的特征，是知识迁移率高的具体体现。

3.知识迁移能力

对于学生的创造能力类来说，知识迁移能力是十分重要的，它能够使得学生善于进行发散性思维，敢于设想，而且又可以通过寻求科学的手段对提出的设想进行分析和验证。获取知识的能力是重要的，知识迁移能力是更为重要的，知识迁移能力的高低表现在知识迁移率的高低。通过实验教学注意加强中小学生的知识迁移率，培养知识迁移能力是提高他们创造性的有效措施。

二、设计能力分析

对于技术型创造活动，设计（Design）能力是不可或缺的重要人为因素与条件。

1.分析、综合与设计

在本栏上期关于认知能力类讨论的文章中，我们讨论了分析能力与综合能力，提出分析过程是归纳过程，是从特殊到一般，分析的目的是从已经存在的事物中发现一般性的规律；而综合过程是演绎过程，是从一般到特殊，综合的目的是根据一般性的规律实现一系列原本不存在的事物。相对于分析过程，综合与设计是一样的，都是从一般到特殊的演绎过程，都是要实现原本不存在的事物。但是，综合与设计又有不同，综合是在理论上实现，而且具有理论支持；设计是在综合的基础上，在实际中具体实现那个待得的事物，它需要靠经验完成。为了更加容易理解分析、综合与设计的异同，我们以电路课程为例进行说明。

（1）分析过程。电路分析课程研究的主要内容是先给出一个已知的等待分析的典型电路，通常情况下是给出这个电路的电原理图，这个电路可能是个简单的线性电路，也可能是个复杂的非线性电路。学习者运用已经掌握的定律（如：欧姆定律、基尔霍夫定律等）和电路知识（如：电阻、电容、电感、电子器件的电压电流关系等）建立起反映该电路特点的电路方程（代数方程或微分方程），并求解该方程。这一过程为分析过程。

（2）综合过程。电路综合（或称“网络综合”）课程研究的主要内容是先给出一个电路方程，该方程反映了将要实现的那个电路所应具有的功能。学习者运用已经掌握的理论知识（如：梅森公式［5］等）建立起满足上述方程的电路，同时画出该电路的电原理图。这一过程为综合过程。

（3）设计过程。电路设计的过程是以上述综合出的电路为基础，进一步计算电路参数，并规划出电路板结构或元器件排列以及确定电路连线的布局。这部分工作往往没有太多的理论指导，而是凭经验完成。例如：我们通过电路综合得到了一个积分电路，其中积分时间常数τ =RRC C = 1 秒，于是我们可以选择 R = 1 欧姆的电阻器和 C = 1 法拉的电容器，也可以使 R =110 03欧姆和C =110 0-3法拉，还可以选择 R = 110 06欧姆和 C =110 0-6法拉等，总之有无穷多种组合，此时就需要根据经验决定选择的数值。实际中我们选择R = 2 ×1 10 06欧姆和 C = 0 . 5 × 110 0-6法拉，这是因为这样阻值的电阻器和这样容值的电容器为标准序列产品，市面容易购到、价格较低，而且这样的组合使电路的功耗较小，电路容易实现。这一过程为设计过程中的一部分。

艺术类专业多开设有设计课程，该课程通常包含平面设计、色彩设计、立体设计3个部分，被称为设计艺术的重要基础理论。但是，仔细分析课程内容可以发现，这些理论中没有使用数学表达式进行的精确描述，而只是经验的汇集，它反映了设计过程的特点。

2.设计能力

通过上面的对比分析，我们就会更加理解为什么要将分析能力与综合能力归为认知能力类，而将设计能力归为创造能力类。这是因为分析与综合过程对理论知识的依赖是十分强的，同时它们也是对事物正反两方面正确认知的工具。中小学生的设计能力是在日常学习和生活中通过经验积累逐渐建立起来的，在实验教学中注重学生设计能力的提高是培养创造能力、创新能力的重要方法与措施。教学中应该让学生参与实验过程的设计，在实验报告的内容中加入学生对实验过程与方法的修改建议等，这些都是提高学生设计能力的有效途径。当前正处于提倡创新的时代，更需要重视人的设计能力，在科学创新与技术创新（技术发明）中，尤其是技术创新对设计能力有着更高的要求。

三、方法创造能力分析

如果提高学生的设计能力可以让他们更多地参与实验过程和方法的设计，是通过不断地进行实践而实现的目标，提高方法创造（Method creation）能力则是一个理念提升的目标。

1.元方法

与元方法（meta-method）相似的一些常用概念有元数据（meta-data）、元科学（meta-science）、元认知（metacognition）、元标准（meta-standard）等。其中元数据就是描述数据的数据，元科学是研究科学的科学，元认知是对认知科学的认知。元标准是制定标准的标准，所以元方法就应该是创造方法的方法。“元”在英文中为前缀“meta-”，意思是“在…之后”，最早出现在词“meta-physics”（元物理学）中，这个词在中国被称为形而上学，在西方就是哲学的意思。古希腊哲学家亚里士多德的弟子们整理他们老师的著作，排序时将物理学放在了最前面，之后是哲学部分，但是当时因为没有哲学这个名称，所以称哲学为“物理学之后”，即“metaphysics”。又由于哲学是物理学的基础，古典物理学的发展来源于哲学思考，所以古典物理又有自然哲学之称，即元物理学。现在我们常用“元”这个字表示最根本的东西。

提出元方法的概念是希望说明，我们仅仅学会某个领域的研究方法是不够的，应该掌握产生方法的基本规律，这在哲学上则属于方法论的范畴。掌握产生新方法的规律是为了创造新方法，这要求人们能够在思维范式上发生相应改变。同时，方法也能够在不同领域之间进行借鉴，于是就会发生方法迁移。方法创造能力就是指这些方面的能力。

2.方法创造能力

有一个典型的教学策略，人们常用“授之以鱼不若授之以渔”比喻。这句话原意是说直接给人鱼吃，不如供给他捕鱼的工具并教会他捕鱼的方法；在教学中则是说直接教给学生知识，不如提供给他们获取知识的工具和方法。但是，为了能够真正培养学生的方法创造能力，更应该提倡的教学策略是“授之以渔不若由之以渔”。这句话的原意是提供给人捕鱼的工具和方法，不如给他提供一定的条件让他自己找到捕鱼的工具和方法；在教学中就是说提供给学生获取知识的工具和方法，不如提供条件让他们自己发明工具和创造方法，从而获得知识。方法创造能力就是在这样的氛围中逐渐提高的，中小学实验教学要特别关注这方面的教学策略。

四、思想实验能力分析

思想实验（Thought experiment）并非一个新概念，只是在教学上，尤其是在实验教学方面不经常提及，也不使用，所以使得人们对它比较生疏。但思想实验能力确实是创造能力类中最为核心的一种能力，我们必须对它加以充分的重视。

1.思想实验的概念

思想实验是人类按照科学研究的实验过程在头脑中进行的逻辑思维活动，是自然科学家和哲学家们经常使用的一种十分有效的研究方法。历史上比较著名的思想实验有伽利略的重力实验、爱因斯坦追逐光线的实验、薛定锷之猫的实验等，这些思想实验在科学技术的发展中起着至关重要的作用。大量史实证明，在科学技术发展的一些关键性时刻，都是科学家通过思想实验的方法得到突破性进展，例如：继文艺复兴之后发展起来的西方自然科学，由伽利略通过思想实验而得出的物体运动规律在日后经典物理学体系的建立中起到了奠基的作用；在化学家们发现了大量化学元素而不能找到一般性规律的时候，门捷列夫通过思想实验建立的元素周期表为人们发现更多的元素指明了方向；而当经典物理学遇到困境时，爱因斯坦用思想实验建立起来的相对论理论为物理学的发展开拓出新的途径。

2.思想实验典型案例

在诸多的思想实验案例中，最具有代表性的应属伽利略的重力试验。公元前4世纪，古希腊哲学家、思想家、政治家、科学家亚里士多德（公元前384年至公元前322年）在研究物理学时宣布：自由下落的物体，其下落速度与该物体的重量成正比。这一错误结论一直被人们毫无怀疑地接受，而且延续了将近2000年。直到1590年，才被意大利科学家伽利略用思想实验的方法将它推翻，并得出了正确的结论。伽利略的思想实验是这样进行的：设想将一重一轻两个物体用一段绳子捆绑在一起，让它们同时自由下落。根据亚里士多德的理论，由于重物下落速度快而轻物下落速度慢，所以两物之间的绳子将被拉紧，于是重物向下拉轻物而使轻物速度加快，同理轻物向上拉重物而使重物速度减慢，这样就使得两个物体的共同速度介于两物单独下落时各自具有的速度之间，即应该比重物单独下落时的速度慢，而比轻物单独下落时的速度快。但是，当绳子将两个物体捆绑在一起时，它们的总重量应大于原来的重物，根据亚里士多德的理论，其下落速度应该比重物单独下落的速度还要快才对。两个结论前后矛盾，所以只能认为自由落体的下落速度与物体的重量无关，即重物与轻物的下落速度相同。历史上伽利略得出这个正确的物理定律完全是通过思想实验实现的，他并没有必要爬到比萨斜塔上做坠物实验，或者说他在爬到比萨斜塔上去之前已经将这个问题解决了，上去做实验仅仅是验证一下。

3.思想实验能力

善于做思想实验是一种能力的表现，善于思想实验的能力在众多能力中应该特别加以重视，因为它是创新型人才所具有的特质，而且又是我们教育教学中所欠缺的。但正是由于人们以前很少关注和重视它在教育教学中的作用，所以相关的研究和文献也并不多见。北京大学法学院的凌斌在其《思想实验及其法学启迪》一文中对思想实验现象做了深入的研究，并提出思想实验应具有的3个基本要素：工作假说、实验场景、逻辑推理。［6］其中，提出工作假说是进行思想实验的第一要素，而怀疑的态度与批判性思维是提出工作假说的前提。实验场景，就是在人头脑中建立的一个实验环境，其中有完成实验所具备一切设备和条件，但这个环境是虚构的、理想化的，却又是符合实际的，在条件具备时则有可能实现。建立实验场景同样也是一个与经验有关的过程。一个人做过的实际实验较多，则其在这方面积累的经验就越就丰富。进行逻辑推理的过程是在提出工作假说、建立实验场景后最为关键的阶段，能否进行合理缜密的逻辑推理正是培养学生进行思想实验的核心所在。逻辑推理即使用逻辑思维的方法进行推理，逻辑思维能力已经在认知能力类的分析中重点讨论过了。

［1］彭聃龄.普通心理学［M］.北京：北京师范大学出版社，2001.

［2］邵瑞珍.教育心理学［M］.上海：上海教育出版社，1997.

［3］陈琦.当代教育心理学［M］.北京：北京师范大学出版社，1997.

［4］百度百科.星巴克分店指数［EB/OL］.http：// baike.baidu.com/view/2701438.htm.

［5］吴大正.信号与线性系统分析［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2005.

［6］凌斌.思想实验及其法学启迪［J］.法学，2008（1）：31-46.

作者信息

艾伦，教授，本刊特约撰稿人。首都师范大学，100048

Analysis of the Related Ability of Experimental Teaching （2） :Creative Abilities

Ai Lun

This paper mainly analyzes the creative abilities of the experimental teaching of primary and middle school， which involves knowledge transfer ability， design ability， method creation ability and thought experimentability. These 4 abilities are the backbone of the innovation ability.

experiment teaching； knowledge transfer ability； design ability； method creation ability； thought experiment ability