思想实验对科学思维培养初探

摘 要：运用思想实验开展深度学习，使学生应用已学知识模拟解决未知问题，积极主动参与学习，适应学习主体者的身份，在课堂中实现知识的“上浮”，实现“真学习”。以“基因指导蛋白质合成”为例，探讨如何利用思想實验的模式进行课堂设计，促进深度学习，培养科学思维核心素养。

关键词：科学思维 ;思想实验;深度学习

1.思想实验的概念

“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 （physical experim ents）外 ，还有在较高理智水平上使用的其他实验 ，即“思想实验 ”（ thought experim ents） 。[1]“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。他其实也是演绎推理的科学思维过程，演绎推理是指一般性的知识的前提推出一个特殊性的知识的结论这样一种推理方法，其前提和结论之间的联系是必然的，一个演绎推理只要前提真实，并且推理形式正确，那么其结论就必然真实。[2]

2.思想实验的课例设计：

2.1思想实验在生物课堂上的操作流程：

情景引入说明        理论知识引用推理        老师或同学评价

思想实验的课堂设计是在创设真实的情景，以任务为导向，利用已学知识去解决现实问题，并通过原理应用推演可行性，从而解决问题，并引导学生解释概念，并逐渐发展其科学思维的过程。[3]

科学实验课堂设计操作及案例，以“新冠病毒防治狂想曲”高三专题复习课为例：

背景：学生经历新冠疫情，对病毒兴趣大增，对如何防止疫情各国科学家一直努力研发当中，我们可否利用我们已学知识尝试来一场思想实验，对新冠病毒进行宣战。

老师尝试从反例开始：目前人类对付细菌的有效方法——采取广谱抗生素，如阿莫西林，环丙沙星，抗生素对细菌的作用机制有很多，其中有破坏形成细菌细胞壁的形成，从而抑制细菌。我们能用同样方法治疗新冠病毒吗？

学生应用已学知识进行判断：病毒不行，由于病毒没有细胞壁无法通过此方式进行治疗。病毒结构只有蛋白质外壳及遗传物质（DNA或RNA）结构简单攻击病毒的抓手会比较少。

老师继续引导：那目前我们防治手段集中在哪些方面？

学生讨论：疫苗，疫苗（通过灭活病毒）唤醒人体特异性免疫，有效防治病毒。

老师引导：除了病毒我们还有没有其他途径可以防治，大家尝试回忆必修一与病毒入侵的第一步思考。

学生讨论：可以从病毒接触细胞膜的过程看有没有方法抑制。如果我们能够有效传递信息并让细胞膜接受此信息。细胞膜便能够拒绝病毒进入细胞，病毒入侵便能够不那么容易。

老师评价并引导：目前斯坦福大学团队也在尝试利用此途径进行，他们正在研究抑制病毒入侵的机制，目前已有两种药物在实验室培养皿的环境下能同时对登革热和寨卡病毒同时有效。除此我们可否通过所学必修二基因指导蛋白质合成的过程尝试思考呢？

学生讨论：新冠病毒为RNA病毒，我们可以尝试从使RNA复制失效的角度着手此外还可以从翻译合成蛋白质的过程。（如图一）

老师引导：大家记得RNA复制的基本条件吗？模板链、能量、原料、酶，而其中酶的专一性是一个很好的突破口，我们可以利用RNA复制所需的RNA聚合酶下做文章，从而抑制RNA复制，目前已有药物像瑞德西韦。还有其他想法吗？

学生讨论：我们可以从翻译着手，蛋白质的多样性体现在其氨基酸的种类、数目和排列顺序，还有蛋白质的空间结构。如果能够破坏其空间结构，便能够使其病毒失活。

教师评价并引导：翻译出来的多肽链没有后期加工，蛋白质的功能无法呈现，如果我们指导病毒合成的蛋白质加工所需要酶是什么并抑制其作用，便能够有效起作用。目前，DaVid  Ho 这朝着这个方向在研究。这些都是很好的思路，但大家有没想过此过程的弊端？

学生讨论：由于生物的转录翻译有其通用性，我们研发药物也有可能对正常的表达有影响。

老师引导：除了必修二的知识，必修三对同学们大胆研发思路又有何想法？

学生谈论：疫苗还是最有效的手段，利用灭火病毒刺激个体，使个体能够产生主动免疫。此外还可以利用已患病人身体产生病毒抗体，进行被动免疫等。

学生在老师引导下进行思想实验推理，把已学知识应用到实际问题上，并尝试解决问题。这种思考会让学生记忆更牢固深刻。

3.思想实验课堂的意义：

3.1激发学生的科学思维 “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。学生利用已学知识尝试大胆推理，可以加深学生对概念的理解和应用。

3.2利用思想实验课堂教学也是学生深度学习的上浮过程[4]，使学科素养在课堂教学中落到实处。学生通过表述，让所学知识融会贯通，并在反馈的过程让同学和老师进行评价和更正更好掌握所学知识。

3.3“思想实验 ”是实施探究性学习的有效形式  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 ， 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。

希望通过思想实验课堂的探索，为培养学生科学思维，活学活用提供一种全新的思路，为新课表中提到培养学生生物素养提供一个参考。

参考文献：

[1]陶忠华. 思想实验在生物学教学中的应用[J]. 生物学教学， 2007， 032（009）：44-45.

[2] 周建武.科学推理——逻辑与科学思维方法.化学工业出版社，2018.

[3]曹冬林. 高中生物学教学中思想实验的探究[J]. 生物学教学， 2015， 000（006）：43-44.

[4]陶明凤，谢虎成.U型模式：深度学习导向下概念教学的有效路径[J].中学生物教学，2019（17）：12-15.

作者简介：欧阳昭（1982-），男，汉族，籍贯：广东广州，职务：高中生物教师;职称：一级教师，学历：本科，单位：广东实验中学附属天河学校，研究方向：植物组织培养。