思想實驗對科學(xué)思維培養(yǎng)初探

摘 要：運用思想實驗開展深度學(xué)習(xí)，使學(xué)生應(yīng)用已學(xué)知識模擬解決未知問題，積極主動參與學(xué)習(xí)，適應(yīng)學(xué)習(xí)主體者的身份，在課堂中實現(xiàn)知識的“上浮”，實現(xiàn)“真學(xué)習(xí)”。以“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成”為例，探討如何利用思想實驗的模式進行課堂設(shè)計，促進深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)科學(xué)思維核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維 ;思想實驗;深度學(xué)習(xí)

1.思想實驗的概念

“思想實驗 ”一詞最早由奧地利科學(xué)家恩斯特. 馬赫提出：除有形實驗 （physical experim ents）外 ，還有在較高理智水平上使用的其他實驗 ，即“思想實驗 ”（ thought experim ents） 。[1]“思想實驗 ”是有別于真實實驗的一種探索性的理性思維活動。他其實也是演繹推理的科學(xué)思維過程，演繹推理是指一般性的知識的前提推出一個特殊性的知識的結(jié)論這樣一種推理方法，其前提和結(jié)論之間的聯(lián)系是必然的，一個演繹推理只要前提真實，并且推理形式正確，那么其結(jié)論就必然真實。[2]

2.思想實驗的課例設(shè)計：

2.1思想實驗在生物課堂上的操作流程：

情景引入說明? ? ? ? 理論知識引用推理? ? ? ? 老師或同學(xué)評價

思想實驗的課堂設(shè)計是在創(chuàng)設(shè)真實的情景，以任務(wù)為導(dǎo)向，利用已學(xué)知識去解決現(xiàn)實問題，并通過原理應(yīng)用推演可行性，從而解決問題，并引導(dǎo)學(xué)生解釋概念，并逐漸發(fā)展其科學(xué)思維的過程。[3]

科學(xué)實驗課堂設(shè)計操作及案例，以“新冠病毒防治狂想曲”高三專題復(fù)習(xí)課為例：

背景：學(xué)生經(jīng)歷新冠疫情，對病毒興趣大增，對如何防止疫情各國科學(xué)家一直努力研發(fā)當(dāng)中，我們可否利用我們已學(xué)知識嘗試來一場思想實驗，對新冠病毒進行宣戰(zhàn)。

老師嘗試從反例開始：目前人類對付細(xì)菌的有效方法——采取廣譜抗生素，如阿莫西林，環(huán)丙沙星，抗生素對細(xì)菌的作用機制有很多，其中有破壞形成細(xì)菌細(xì)胞壁的形成，從而抑制細(xì)菌。我們能用同樣方法治療新冠病毒嗎？

學(xué)生應(yīng)用已學(xué)知識進行判斷：病毒不行，由于病毒沒有細(xì)胞壁無法通過此方式進行治療。病毒結(jié)構(gòu)只有蛋白質(zhì)外殼及遺傳物質(zhì)（DNA或RNA）結(jié)構(gòu)簡單攻擊病毒的抓手會比較少。

老師繼續(xù)引導(dǎo)：那目前我們防治手段集中在哪些方面？

學(xué)生討論：疫苗，疫苗（通過滅活病毒）喚醒人體特異性免疫，有效防治病毒。

老師引導(dǎo)：除了病毒我們還有沒有其他途徑可以防治，大家嘗試回憶必修一與病毒入侵的第一步思考。

學(xué)生討論：可以從病毒接觸細(xì)胞膜的過程看有沒有方法抑制。如果我們能夠有效傳遞信息并讓細(xì)胞膜接受此信息。細(xì)胞膜便能夠拒絕病毒進入細(xì)胞，病毒入侵便能夠不那么容易。

老師評價并引導(dǎo)：目前斯坦福大學(xué)團隊也在嘗試?yán)么送緩竭M行，他們正在研究抑制病毒入侵的機制，目前已有兩種藥物在實驗室培養(yǎng)皿的環(huán)境下能同時對登革熱和寨卡病毒同時有效。除此我們可否通過所學(xué)必修二基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過程嘗試思考呢？

學(xué)生討論：新冠病毒為RNA病毒，我們可以嘗試從使RNA復(fù)制失效的角度著手此外還可以從翻譯合成蛋白質(zhì)的過程。（如圖一）

老師引導(dǎo)：大家記得RNA復(fù)制的基本條件嗎？模板鏈、能量、原料、酶，而其中酶的專一性是一個很好的突破口，我們可以利用RNA復(fù)制所需的RNA聚合酶下做文章，從而抑制RNA復(fù)制，目前已有藥物像瑞德西韋。還有其他想法嗎？

學(xué)生討論：我們可以從翻譯著手，蛋白質(zhì)的多樣性體現(xiàn)在其氨基酸的種類、數(shù)目和排列順序，還有蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。如果能夠破壞其空間結(jié)構(gòu)，便能夠使其病毒失活。

教師評價并引導(dǎo)：翻譯出來的多肽鏈沒有后期加工，蛋白質(zhì)的功能無法呈現(xiàn)，如果我們指導(dǎo)病毒合成的蛋白質(zhì)加工所需要酶是什么并抑制其作用，便能夠有效起作用。目前，DaVid? Ho 這朝著這個方向在研究。這些都是很好的思路，但大家有沒想過此過程的弊端？

學(xué)生討論：由于生物的轉(zhuǎn)錄翻譯有其通用性，我們研發(fā)藥物也有可能對正常的表達有影響。

老師引導(dǎo)：除了必修二的知識，必修三對同學(xué)們大膽研發(fā)思路又有何想法？

學(xué)生談?wù)摚阂呙邕€是最有效的手段，利用滅火病毒刺激個體，使個體能夠產(chǎn)生主動免疫。此外還可以利用已患病人身體產(chǎn)生病毒抗體，進行被動免疫等。

學(xué)生在老師引導(dǎo)下進行思想實驗推理，把已學(xué)知識應(yīng)用到實際問題上，并嘗試解決問題。這種思考會讓學(xué)生記憶更牢固深刻。

3.思想實驗課堂的意義：

3.1激發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維 “思想實驗”是一種理性 的思維活動，其推理過程以邏輯法則為根據(jù)，借助對客 觀現(xiàn)象和過程之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系的分析，對科學(xué)理 論進行證明與反駁。學(xué)生利用已學(xué)知識嘗試大膽推理，可以加深學(xué)生對概念的理解和應(yīng)用。

3.2利用思想實驗課堂教學(xué)也是學(xué)生深度學(xué)習(xí)的上浮過程[4]，使學(xué)科素養(yǎng)在課堂教學(xué)中落到實處。學(xué)生通過表述，讓所學(xué)知識融會貫通，并在反饋的過程讓同學(xué)和老師進行評價和更正更好掌握所學(xué)知識。

3.3“思想實驗 ”是實施探究性學(xué)習(xí)的有效形式? 從目的來看 ，探究性學(xué)習(xí)是學(xué)生以類似或模擬科學(xué)探究的方式進行的一種學(xué)習(xí)。它不是科學(xué)家進行科學(xué)探究 ，而是在思想、內(nèi)容、過程和方法等方面與科學(xué)探究存在相似 ， 或者說探究性學(xué)習(xí)模擬了科學(xué)探究活動。因此 ，教育領(lǐng)域的探究性學(xué)習(xí)是以學(xué)科知識為背景 ，通過學(xué)生主動的有意義的構(gòu)建知識體系 ，達到培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力的目的。

希望通過思想實驗課堂的探索，為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，活學(xué)活用提供一種全新的思路，為新課表中提到培養(yǎng)學(xué)生生物素養(yǎng)提供一個參考。

參考文獻：

[1]陶忠華. 思想實驗在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 生物學(xué)教學(xué)， 2007， 032（009）：44-45.

[2] 周建武.科學(xué)推理——邏輯與科學(xué)思維方法.化學(xué)工業(yè)出版社，2018.

[3]曹冬林. 高中生物學(xué)教學(xué)中思想實驗的探究[J]. 生物學(xué)教學(xué)， 2015， 000（006）：43-44.

[4]陶明鳳，謝虎成.U型模式：深度學(xué)習(xí)導(dǎo)向下概念教學(xué)的有效路徑[J].中學(xué)生物教學(xué)，2019（17）：12-15.

作者簡介：歐陽昭（1982-），男，漢族，籍貫：廣東廣州，職務(wù)：高中生物教師;職稱：一級教師，學(xué)歷：本科，單位：廣東實驗中學(xué)附屬天河學(xué)校，研究方向：植物組織培養(yǎng)。