淺談“思想實(shí)驗(yàn)”與生物教學(xué)的結(jié)合

陳秀全 吳光華

生物學(xué)的概念、原理和規(guī)律都是由實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)和論證的，所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常重要。而對(duì)于中學(xué)教材中有很多的生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)，教師上課時(shí)只能根據(jù)其理論性知識(shí)進(jìn)行講解，但是學(xué)生無(wú)法形成具體的物化實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，因此在生物教學(xué)中很有必要增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以提高學(xué)生的探究能力，而要具體來(lái)做如細(xì)胞核移植、細(xì)胞融合等生物科技實(shí)驗(yàn)，那是不可能的，因此新的實(shí)驗(yàn)思想——思想實(shí)驗(yàn)就發(fā)揮了其作用。針對(duì)思想實(shí)驗(yàn)，筆者查閱了相關(guān)資料，進(jìn)行了系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)，并在教學(xué)過(guò)程中，把“思想實(shí)驗(yàn)”與生物教學(xué)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行了嘗試，發(fā)現(xiàn)效果頗佳，能在一定程度上彌補(bǔ)只有理論無(wú)法實(shí)驗(yàn)的生物技術(shù)實(shí)踐知識(shí)的講授。

1 “思想實(shí)驗(yàn)”的內(nèi)涵

“思想實(shí)驗(yàn)”一詞最早由奧地利科學(xué)家恩斯特·馬赫提出：除有形實(shí)驗(yàn)（physica1 experiments）外，還有在較高理智水平上使用的其他實(shí)驗(yàn)，即“思想實(shí)驗(yàn)”?！八枷雽?shí)驗(yàn)”是有別于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的一種探索性的理性思維活動(dòng)。其具體內(nèi)容是使用想像力去進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，所做的都是在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法做到（或現(xiàn)實(shí)未做到）的實(shí)驗(yàn)。生物學(xué)是一門重視實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)，“思想實(shí)驗(yàn)”是提高科學(xué)認(rèn)識(shí)的一種最基本的方法之一。為了克服、超越物化實(shí)驗(yàn)的各種限制，科學(xué)家在自己的認(rèn)知活動(dòng)中常常利用思想實(shí)驗(yàn)來(lái)解決問(wèn)題。

沃森和克里克提出的DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型是“思想實(shí)驗(yàn)”的典范之一。沃森和克里克當(dāng)時(shí)受到威爾金斯、富蘭克林和鮑林等研究結(jié)果的啟發(fā)，他們用“思想實(shí)驗(yàn)”的方法，假想DNA是三螺旋或是雙螺旋，假想磷酸、脫氧核糖、堿基擺放在不同位置，然后與X射線下的晶體衍射圖相對(duì)比，以推導(dǎo)和思辨的方式解決了堿基化學(xué)鍵的匹配和DNA鏈的纏繞問(wèn)題，最終提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。提醒人們對(duì)生命科學(xué)的研究，不僅要忠實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)室里的客觀現(xiàn)象，更要在主觀的“思想實(shí)驗(yàn)”室里創(chuàng)造性地開(kāi)展探索。此外，細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型的提出、酶作用的各種學(xué)說(shuō)、達(dá)爾文進(jìn)化論中的許多觀點(diǎn)的提出等，都是基于“思想實(shí)驗(yàn)”。因此，在生物教學(xué)中采用“思想實(shí)驗(yàn)”教學(xué)很有必要。

2 “思想實(shí)驗(yàn)”在生物教學(xué)中的嘗試

生物教材中有大量知識(shí)蘊(yùn)含有實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)室里不是沒(méi)有先進(jìn)的設(shè)備，就是沒(méi)有必備的藥品，因此這些生物科技知識(shí)的實(shí)驗(yàn)不能在實(shí)驗(yàn)室中完成操作，筆者運(yùn)用“思想實(shí)驗(yàn)”與生物知識(shí)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行教學(xué)，較好地彌補(bǔ)了空洞的理論教學(xué)，在設(shè)計(jì)“思想實(shí)驗(yàn)”時(shí)與探究性學(xué)習(xí)相結(jié)合，在一定程度上起到培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力的作用。例析如下。

2.1 “細(xì)胞核功能”思想實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐

“細(xì)胞核功能”一節(jié)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)教學(xué)沒(méi)法進(jìn)行，可以通過(guò)“思想實(shí)驗(yàn)”來(lái)完成，具體操作如圖1所示。

通過(guò)這樣的資料分析，就把我們不能用實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，很簡(jiǎn)單很清晰地在學(xué)生大腦留下深刻的印象。

2.2 植物生長(zhǎng)素的發(fā)現(xiàn)

植物生長(zhǎng)素的發(fā)現(xiàn)，教師也可以通過(guò)“思想實(shí)驗(yàn)”來(lái)完成教學(xué)，通過(guò)演繹經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)來(lái)引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路和方法（圖2）。

這樣環(huán)環(huán)相扣，逐步推進(jìn)的教學(xué)設(shè)計(jì)，收到很好的教學(xué)效果，也讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)研究思想的縝密。

“思想實(shí)驗(yàn)”是建立在時(shí)間空間等條件的限制，無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室完成的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)“思想實(shí)驗(yàn)”的設(shè)計(jì)能增進(jìn)學(xué)生的交流合作，并且通過(guò)思想探究能讓學(xué)生建構(gòu)自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，使學(xué)生體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。

3 “思想實(shí)驗(yàn)”教學(xué)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)

經(jīng)過(guò)“思想實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的嘗試后發(fā)現(xiàn)，“思想實(shí)驗(yàn)”教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生能力方面起到比較重要的作用。

3.1 “思想實(shí)驗(yàn)”能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維

高中生正處在思維迅速成熟的時(shí)期，高中階段形成的價(jià)值取向和思維習(xí)慣直接影響了今后創(chuàng)造能力的發(fā)展可能。思想實(shí)驗(yàn)?zāi)芴岣邔W(xué)生的科學(xué)思維水平?？茖W(xué)思維是形象思維和抽象思維、聚合思維和發(fā)散思維、創(chuàng)造性思維和再造性思維、天馬行空的無(wú)意想象和受主體意識(shí)支配的有意想象之間的最佳結(jié)合。

3.1.1 “思想實(shí)驗(yàn)”的實(shí)施能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維

沃森和克里克則從鮑林、威爾金斯、富蘭克林等人的研究結(jié)果中尋找到了確立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的靈感。達(dá)爾文更是冒天下之大不韙，提出了自然選擇學(xué)說(shuō)。科學(xué)大師的“思想實(shí)驗(yàn)”，是人類最閃亮的智慧火花。因此，通過(guò)對(duì)科學(xué)史上經(jīng)典“思想實(shí)驗(yàn)”的學(xué)習(xí)研究，可以幫助學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的各項(xiàng)品質(zhì)，在思想上銳意進(jìn)取，富于變革。

3.1.2 “思想實(shí)驗(yàn)”的實(shí)施能培養(yǎng)學(xué)生的全面發(fā)展思維能力

通過(guò)對(duì)“思想實(shí)驗(yàn)”思維特征的考察發(fā)現(xiàn)，“思想實(shí)驗(yàn)”是一種理性的思維活動(dòng)，其推理過(guò)程以邏輯法則為根據(jù)，借助對(duì)客觀現(xiàn)象和過(guò)程之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系的分析，對(duì)科學(xué)理論進(jìn)行證明與反駁。“思想實(shí)驗(yàn)”利用結(jié)論性知識(shí)、概念、原理作為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行操作時(shí)，抽象思維占主要部分；在發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題的“思想實(shí)驗(yàn)”中，形式邏輯和辯證邏輯并重；科學(xué)家更是不斷反思自己的思維過(guò)程是否存在錯(cuò)誤和漏洞。因此，對(duì)于正處在發(fā)展思維關(guān)鍵時(shí)期的高中學(xué)生來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期科學(xué)的“思想實(shí)驗(yàn)”訓(xùn)練，有助于系統(tǒng)全面地發(fā)展學(xué)生的思維能力。

3.2 “思想實(shí)驗(yàn)”的實(shí)施能促進(jìn)探究性學(xué)習(xí)

從目的來(lái)看，探究性學(xué)習(xí)是學(xué)生以類似或模擬科學(xué)探究的方式進(jìn)行的一種學(xué)習(xí)。它不是科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究，而是在思想、內(nèi)容、過(guò)程和方法等方面與科學(xué)探究存在相似性，或者說(shuō)探究性學(xué)習(xí)模擬了科學(xué)探究活動(dòng)，因此，教育領(lǐng)域的探究性學(xué)習(xí)是以學(xué)科知識(shí)為背景，通過(guò)學(xué)生主動(dòng)的有意義的構(gòu)建知識(shí)體系，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力的目的。

從學(xué)習(xí)途徑來(lái)看，大部分的探究性學(xué)習(xí)都通過(guò)探究性的思維活動(dòng)獲得知識(shí)和結(jié)論。探究性學(xué)習(xí)不一定在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，因?yàn)槭艿綄W(xué)習(xí)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)室條件等多種客觀因素的制約。即使在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，如果實(shí)驗(yàn)是按部就班的實(shí)驗(yàn)操作，也沒(méi)有多少探究的價(jià)值?！八枷雽?shí)驗(yàn)”由于具有較多的創(chuàng)造性思維參與，幾乎不受時(shí)空等客觀實(shí)驗(yàn)條件的限制，從內(nèi)容上看，“思想實(shí)驗(yàn)”的材料多具有較強(qiáng)的探究性，比如以科學(xué)史為背景的“思想實(shí)驗(yàn)”就是科學(xué)家經(jīng)典的探究過(guò)程。所以“思想實(shí)驗(yàn)”是實(shí)施探究性學(xué)習(xí)的有效而節(jié)省資源的方式。

3.3 “思想實(shí)驗(yàn)”的實(shí)施有助于學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)

高中生物教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)有別于科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，而更具有“思想實(shí)驗(yàn)”的特點(diǎn)：

（1） 教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)不以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和科學(xué)結(jié)論為主要目的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更重要的是培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的能力，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)精神，嚴(yán)謹(jǐn)創(chuàng)新的科學(xué)思維，以適應(yīng)未來(lái)社會(huì)生活和滿足終生學(xué)習(xí)的需要。所以，生物教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)往往是對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的模仿，體驗(yàn)和學(xué)習(xí)前人創(chuàng)造性地解決問(wèn)題的智慧和方法，從中汲取營(yíng)養(yǎng)。從這一點(diǎn)上看與使用“思想實(shí)驗(yàn)”的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練有很多的共同之處。

（2） 心理學(xué)中關(guān)于技能的學(xué)習(xí)過(guò)程也告訴人們認(rèn)知階段（在頭腦中形成完整動(dòng)作的目標(biāo)表象和目標(biāo)期望）是動(dòng)作技能學(xué)習(xí)的第一階段。實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往需要學(xué)生或師生一起設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)方案，熟悉操作步驟，再在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行現(xiàn)實(shí)的操作。也就是說(shuō)，“思想實(shí)驗(yàn)”是有形實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)，“思想實(shí)驗(yàn)”和有形實(shí)驗(yàn)是緊密相聯(lián)系的。

（3） 高中生物教學(xué)中涉及的復(fù)雜生物技術(shù)問(wèn)題以及關(guān)于倫理道德討論的開(kāi)放性問(wèn)題的探究不能在實(shí)驗(yàn)室中呈現(xiàn)，更適合用“思想實(shí)驗(yàn)”來(lái)進(jìn)行。比如“基因工程的操作步驟”就屬于復(fù)雜的生物技術(shù)問(wèn)題，學(xué)生按照已有的知識(shí)能力和條件是不能完成的；再如“人工輔助生殖技術(shù)（如人工受精、試管嬰兒技術(shù)）的應(yīng)用對(duì)人類的影響”等內(nèi)容涉及到倫理道德，更適合用“思想實(shí)驗(yàn)”而不是有形實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。

3.4 “思想實(shí)驗(yàn)”有助于學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)

“思想實(shí)驗(yàn)”的一個(gè)重要特征就是具有深刻的創(chuàng)造性?？茖W(xué)家進(jìn)行“思想實(shí)驗(yàn)”為了揭示事物內(nèi)部的規(guī)律性，因此其探索是前無(wú)先例的，帶有高度的創(chuàng)造性?！八枷雽?shí)驗(yàn)”是一種理性的思維活動(dòng)。但不是脫離實(shí)際的主觀臆想，而是以實(shí)踐為基礎(chǔ)，按照實(shí)驗(yàn)的格式展開(kāi)，對(duì)實(shí)際過(guò)程做出更深入一層的抽象分析，其推理過(guò)程是以一定的邏輯法則為根據(jù)的。

4 展望

“思想實(shí)驗(yàn)”是一種特殊形式的實(shí)驗(yàn)方式，要發(fā)揮豐富的想象力，并且要有很強(qiáng)的邏輯推理，要提出合理的假說(shuō)、進(jìn)行合理的分析、準(zhǔn)確的判斷與恰當(dāng)?shù)耐评怼Ｖ袑W(xué)教材中的不能操作的實(shí)驗(yàn)都可以通過(guò)思想探究實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)解決，合理地運(yùn)用“思想實(shí)驗(yàn)”不僅提高了教學(xué)效率，關(guān)鍵在于培養(yǎng)了學(xué)生的探究精神和創(chuàng)新意識(shí)，真正地促使學(xué)生可持續(xù)發(fā)展。

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