基于深度學(xué)習(xí)的“思想實(shí)驗(yàn)”案例研究

邵鋒星 管笛

摘要“思想實(shí)驗(yàn)”是對(duì)前所未有的實(shí)驗(yàn)或潛在可能的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)想，在腦海里進(jìn)行理想化抽象和分析，并用假想的實(shí)驗(yàn)推理出結(jié)論。全課以觀察實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以科學(xué)方法為指導(dǎo)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)催化學(xué)生想象，以科學(xué)論證催生思辨，關(guān)注學(xué)生的思維參與和發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的深層次理解和建構(gòu)。

關(guān)鍵詞 “思想實(shí)驗(yàn)” 《沉浮與什么因素有關(guān)》 案例研究

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.05.038

Case Study of“Thought Experiment”Based on Deep Learning

——Take the lesson "what factors are related to ups and downs" as an example

SHAO Fengxing， GUAN Di

（Jingyuan Primary School of Qiantang New District， Hangzhou， Zhejiang 310018）

Abstract： "Thought experiment" is to foresee the unprecedented experiment or potential experiment， to carry out idealized abstraction and analysis in the mind， and to infer conclusions from the hypothetical experiment. The whole course is based on observation experiment， guided by scientific method， driven by task， catalyzing stu？ dents’ imagination， expediting speculation by scientific argumentation， paying attention to students’ thinking par？ ticipation and development， and promoting students’ deep understanding and construction of scientific concepts.

Keywords： thought experiment； "what factors are related to ups and downs"； case study

“思想實(shí)驗(yàn)”的緣起與意義

1.刨根問底，何為“思想實(shí)驗(yàn)”

“思想實(shí)驗(yàn)”是指使用想象力進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，所做的都是在現(xiàn)實(shí)中無法做到（或現(xiàn)實(shí)還不能做到）的實(shí)驗(yàn)。“思想實(shí)驗(yàn)”不是真實(shí)的操作實(shí)驗(yàn)，不是有形的實(shí)驗(yàn)，不借助任何實(shí)際的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和器材，而是對(duì)前所未有的實(shí)驗(yàn)或潛在可能的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)想，在腦海里進(jìn)行理想化抽象和分析，并用假想的實(shí)驗(yàn)推理出結(jié)論?！八枷雽?shí)驗(yàn)”是一種理性的思維活動(dòng)，是一種相對(duì)獨(dú)立的科學(xué)研究方法。

2.探尋究竟，為何“思想實(shí)驗(yàn)”

實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的基本方法，也是人們獲取自然規(guī)律的途徑。然而，一切現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)都會(huì)受到主、客觀的條件制約：主觀上的感官模糊和實(shí)驗(yàn)操作的不精準(zhǔn)，以及客觀上受到實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、環(huán)境條件的限制，使實(shí)驗(yàn)達(dá)不到理想狀態(tài)，從而無法達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。為了克服、超越現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的各種限制，科學(xué)家常常利用“思想實(shí)驗(yàn)”在自己的認(rèn)知活動(dòng)中探尋究竟、解決問題。

3.追溯歷史，如何“思想實(shí)驗(yàn)”

歷史上許多偉大的科學(xué)家都是進(jìn)行“思想實(shí)驗(yàn)”的哲人，他們?cè)谧觥八枷雽?shí)驗(yàn)”時(shí)，在頭腦中演繹出一套理想化的儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并利用它們進(jìn)行理想化的實(shí)驗(yàn)操作，然后運(yùn)用想象、計(jì)算、畫圖、推理、論證等方法對(duì)這種理想化對(duì)象進(jìn)行感知和描述，最終發(fā)現(xiàn)和獲取科學(xué)事實(shí)與自然規(guī)律。這些偉大的“思想實(shí)驗(yàn)”，無不需求想象力、邏輯推理和計(jì)算等能力。

加工、理解、建構(gòu)——“思想實(shí)驗(yàn)”解析

“思想實(shí)驗(yàn)”的過程不是對(duì)知識(shí)的簡(jiǎn)單套用，也不是被動(dòng)式的接受，而是通過認(rèn)知沖突引發(fā)主動(dòng)積極的認(rèn)知轉(zhuǎn)變，關(guān)注思維的參與和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)學(xué)生獨(dú)立而專注的深度學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)與簡(jiǎn)單的刺激反應(yīng)不同，學(xué)生在不斷反思、調(diào)整中主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，通過深度思考真正理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，并能在不同情境中利用所學(xué)知識(shí)解決新問題。

1.重整認(rèn)知，深度加工知識(shí)信息

在激活原有認(rèn)知的基礎(chǔ)上，利用感知、方法、情境等方式深度加工知識(shí)信息，建立新認(rèn)知和原認(rèn)知之間的聯(lián)系，并整合、重建認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

（1）豐富感知，給予方法指導(dǎo)

科學(xué)探究的起點(diǎn)是學(xué)生的前概念，“思想實(shí)驗(yàn)”亦是如此。開展“思想實(shí)驗(yàn)”前，通過回憶、做實(shí)驗(yàn)等方式喚起學(xué)生的已有認(rèn)知。引入觀察實(shí)驗(yàn)：模擬制作懸浮狀態(tài)的潛水艇。在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生深刻感受到增加一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量，瓶子就會(huì)下沉；減少一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量，瓶子就會(huì)上浮。行為感知為之后的“思想實(shí)驗(yàn)”提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。

除了喚醒已有認(rèn)知，學(xué)習(xí)支架還須包括對(duì)學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)。學(xué)生計(jì)算“懸浮潛水艇”每立方厘米的質(zhì)量，為后續(xù)的“思想實(shí)驗(yàn)”提供了一定的方法指導(dǎo)。展示愛因斯坦、伽利略運(yùn)用想象、圖畫、數(shù)學(xué)計(jì)算等方法在頭腦中進(jìn)行科學(xué)推理，也滲透著對(duì)科學(xué)方法的指導(dǎo)。從觀察到計(jì)算，從定性到定量，從感性到理性，學(xué)習(xí)進(jìn)程不斷推進(jìn)并深入。

（2）相關(guān)遷移，衍生科學(xué)思辨

學(xué)生交流“思想實(shí)驗(yàn)”幾種不同的思考路徑和方法，如何梳理這些，幫助學(xué)生認(rèn)知影響物體沉浮的因素呢？繼續(xù)深入探尋，遷移到相關(guān)的科學(xué)本質(zhì)，再一次經(jīng)歷科學(xué)思辨。出示1立方厘米水的質(zhì)量是1克，學(xué)生似乎想到了什么，回憶觀察實(shí)驗(yàn)水中懸浮狀態(tài)的瓶子質(zhì)量和體積比也是1，學(xué)生終于明白影響物體在水中沉浮的因素。將原有認(rèn)知和新情境建立起了聯(lián)系，將觀察實(shí)驗(yàn)中的發(fā)現(xiàn)遷移到“思想實(shí)驗(yàn)”情境中。已知“懸浮的潛水艇”1立方厘米的質(zhì)量是1克，要判斷體積變化后的瓶子的沉浮變化，也就是要探尋變化后的瓶子1立方厘米的質(zhì)量是大于1克還是小于1克？暗指通過比較物體和水的密度，判斷物體在水中的沉浮。學(xué)生借助觀察實(shí)驗(yàn)中的大、中、小三個(gè)瓶子，想象瓶子變大、變小，進(jìn)行抽象思維分析，引發(fā)思辨。

（3）解決問題，觸發(fā)內(nèi)在轉(zhuǎn)變

將生活現(xiàn)象與科學(xué)本質(zhì)相關(guān)聯(lián)，在解決問題中觸發(fā)內(nèi)在思維的轉(zhuǎn)變，利于學(xué)生終身學(xué)習(xí)。提供常見物體1立方厘米的質(zhì)量，學(xué)生比較水與其他物體單位體積的質(zhì)量，就能分析出它們?cè)谒械某粮顩r；面對(duì)不了解的物體，也能通過其單位體積的質(zhì)量，進(jìn)而判斷這個(gè)物體在水中的沉浮狀況；甚至可以通過了解不同物體1立方厘米的質(zhì)量，進(jìn)而判斷物體在不同液體中的沉浮狀況。授之以魚，不如授之以漁，方法的習(xí)得有助于提高學(xué)生解決問題的能力。

2.推理論證，深度理解內(nèi)在含義

愛因斯坦曾說過，真理在你的心智中，不在你的眼睛里。課堂上看到學(xué)生學(xué)會(huì)了，就是真的學(xué)會(huì)了嗎？我們更應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的思維、心智有沒有得到發(fā)展，發(fā)展到什么程度？有沒有真正理解科學(xué)概念，對(duì)概念的理解到了什么程度呢？“思想實(shí)驗(yàn)”關(guān)注思辨過程，注重對(duì)科學(xué)核心概念的深度理解。對(duì)于小學(xué)高年段學(xué)生來說，自我意識(shí)越來越強(qiáng)，具備了運(yùn)用綜合技能、抽象概括、推理論證、反思思辨和用證據(jù)支持自己觀念的學(xué)習(xí)能力，愿意嘗試獨(dú)立完成探究活動(dòng)。這為“思想實(shí)驗(yàn)”中的深度理解復(fù)雜概念提供了客觀條件。“思想實(shí)驗(yàn)”中，學(xué)生借助計(jì)算、畫圖、比較、分析、邏輯推理等方式，對(duì)假想出來的實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，形成個(gè)人的深層次理解。

（1）數(shù)學(xué)計(jì)算

數(shù)學(xué)計(jì)算是學(xué)生最容易想到的方法。因?yàn)樵谥暗挠^察實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生用計(jì)算的方法得出懸浮狀態(tài)下瓶子單位體積的質(zhì)量。通過“思想實(shí)驗(yàn)”計(jì)算出中瓶子在體積“擴(kuò)大”和“縮小”之后單位體積的質(zhì)量，就能判斷出是沉還是浮。計(jì)算發(fā)現(xiàn)懸浮的中瓶子保持質(zhì)量不變，如果體積縮小到與小瓶子一樣大，1立方厘米的質(zhì)量明顯大于1克；如果體積擴(kuò)大到與大瓶子一樣大，1立方厘米的質(zhì)量明顯小于1克，由此推斷沉浮狀況。

（2）畫圖分析

畫圖也是小學(xué)生慣用的展示思維路徑的方法。學(xué)生通過畫圖對(duì)比懸浮狀態(tài)的小瓶子，發(fā)現(xiàn)中瓶子的質(zhì)量不變，體積縮小到與小瓶子一樣大時(shí)，質(zhì)量明顯大于懸浮狀態(tài)下小瓶子的質(zhì)量，則判定它會(huì)下沉。如果中瓶子的質(zhì)量不變，體積擴(kuò)大到與大瓶子一樣時(shí)，它就比懸浮狀態(tài)的大瓶子要輕，則判定它會(huì)上浮。

（3）邏輯推理

學(xué)生推理懸浮狀態(tài)下的“潛水艇”質(zhì)量和體積在數(shù)值上應(yīng)該是非常相近的，現(xiàn)在中瓶子質(zhì)量不變，體積縮小到小瓶子一樣大。那質(zhì)量的數(shù)值明顯大于體積的數(shù)值，所以一定會(huì)下沉。中瓶子體積擴(kuò)大到與大瓶子一樣大，質(zhì)量的數(shù)值明顯小于體積的數(shù)值，所以一定會(huì)上浮。

雖然瓶子不可能真的像金箍棒那樣隨意變化大小，但是學(xué)生通過想象瓶子變大變小，運(yùn)用科學(xué)的方法、理性的思維分析判斷沉浮變化，深度思考過程中促成對(duì)物質(zhì)密度核心概念的理解。

3.發(fā)展思維，深度建構(gòu)復(fù)雜概念

科學(xué)不光需要腳踏實(shí)地，同樣也需要天馬行空的想象，“思想實(shí)驗(yàn)”很好地體現(xiàn)了這一點(diǎn)。兒童天性具有豐富的想象力，兒童的創(chuàng)新大多源于想象。巧妙地創(chuàng)設(shè)思想實(shí)驗(yàn)情境，以準(zhǔn)確的任務(wù)驅(qū)動(dòng)兒童想象，讓想象是有依據(jù)的創(chuàng)想而非臆想。在想象的基礎(chǔ)上，建構(gòu)思維的框架，擴(kuò)大空間、豐富方法、充實(shí)內(nèi)涵。

（1）多維度地思考，感受獨(dú)立思考的含義

科學(xué)課堂的推理論證往往是針對(duì)一個(gè)大家都觀察到的事實(shí)，或是一致同意的現(xiàn)象，圍繞著“是真的嗎”“會(huì)怎么樣”進(jìn)行單維度的思考，缺少對(duì)“如果怎樣，會(huì)怎樣”這樣雙維度的立體思考。在“思想實(shí)驗(yàn)”中提供了這樣的思考機(jī)會(huì)，給予學(xué)生大膽想象以及獨(dú)立思考的空間，凸顯學(xué)生就是學(xué)習(xí)的主體。

（2）多元的方法，感悟綜合學(xué)習(xí)的含義

“思想實(shí)驗(yàn)”的展開是通過想象、計(jì)算、畫圖、分析、判斷、推理、概括等思維方法，融合了多種學(xué)習(xí)技能，培養(yǎng)解決問題的能力，是有挑戰(zhàn)的深度學(xué)習(xí)。小學(xué)科學(xué)課堂對(duì)數(shù)學(xué)的運(yùn)用局限在對(duì)數(shù)據(jù)記錄和分析，缺乏對(duì)計(jì)算運(yùn)用、數(shù)學(xué)建模等能力的鍛煉。我們應(yīng)該嘗試多方位的學(xué)科融合教學(xué)，讓學(xué)生運(yùn)用多種思維方法進(jìn)行綜合性的學(xué)習(xí)。

（3）嘗試“跳一跳摘桃子”，感知抽象思維的含義

皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論提出，小學(xué)階段的兒童處于具體運(yùn)算階段，已經(jīng)發(fā)展出思維的完整性、邏輯性的體系，但這個(gè)階段的兒童的思維仍然需要具體事物的支持，還不能進(jìn)行抽象邏輯思維。而對(duì)于初中階段的孩子會(huì)處于形式運(yùn)算階段，不受具體內(nèi)容的局限性，能夠通過假設(shè)進(jìn)行推理并解決問題。高年段學(xué)生正處于從學(xué)齡初期到學(xué)齡中期的過渡階段，我們應(yīng)把握這兩個(gè)階段學(xué)生的心理特征，借助“思想實(shí)驗(yàn)”，嘗試讓學(xué)生通過假設(shè)進(jìn)行推理，鍛煉抽象的邏輯思維能力。

《沉浮與什么因素有關(guān)》課例描述

“沉和浮”單元的教學(xué)，指向“密度”這一核心概念，但是因?yàn)樾W(xué)生還沒有建立物質(zhì)的概念，即便個(gè)別學(xué)生能提出“密度”，也無法讓每一個(gè)學(xué)生真正理解?！冻粮∨c什么因素有關(guān)》一課，讓學(xué)生觀察體積相同、質(zhì)量不同和質(zhì)量相同、體積不同的圓柱體在水中的沉浮狀況，認(rèn)識(shí)物體的體積相同時(shí)，重的容易沉，輕的容易?。毁|(zhì)量相同時(shí)，體積大的容易浮，體積小的容易沉。這樣的學(xué)習(xí)過程沒有基于學(xué)生前概念反思，沒有引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，也不能促進(jìn)學(xué)生深度的思考并形成個(gè)人的理解。

我們從物體沉與浮的核心概念出發(fā)，立足于學(xué)生科學(xué)思維的參與與發(fā)展，讓學(xué)生經(jīng)歷一場(chǎng)“思想實(shí)驗(yàn)”的深度學(xué)習(xí)之旅，將看似高深莫測(cè)的“思想實(shí)驗(yàn)”平和又不平靜地帶進(jìn)了小學(xué)科學(xué)課堂。課例描述如下：

1.喚醒導(dǎo)入

圖片展示潛水艇的三種狀態(tài)：浮在水面、懸浮在水中、沉在水底。提問：影響潛水艇的沉浮因素是什么？學(xué)生討論后小結(jié)：潛水艇通過增加或減少水的質(zhì)量，改變沉浮狀態(tài)。

2.觀察實(shí)驗(yàn)

用大、中、小三個(gè)瓶子模擬制作潛水艇，并測(cè)出它們接近懸浮狀態(tài)時(shí)的質(zhì)量。學(xué)生利用水杯、滴管等工具增加或減少瓶子中的水，使瓶子處于接近懸浮狀態(tài)，并測(cè)出處于懸浮狀態(tài)的三個(gè)瓶子的質(zhì)量。匯總數(shù)據(jù)時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)每組的數(shù)據(jù)都十分接近。教師事先讓學(xué)生測(cè)出了三種瓶子的體積，接著，請(qǐng)學(xué)生分別計(jì)算三個(gè)懸浮瓶子每立方厘米的質(zhì)量。學(xué)生通過計(jì)算得知，它們每立方厘米的質(zhì)量都約為1克，也就是說三個(gè)“懸浮狀態(tài)的潛水艇”雖然大小、質(zhì)量都不一樣，但是1立方厘米質(zhì)量都是1克。

3.思想實(shí)驗(yàn)

緊接著，教師介紹牛頓、愛因斯坦等科學(xué)家遇到?jīng)]有辦法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)在頭腦中進(jìn)行“思想實(shí)驗(yàn)”。將科學(xué)史、科學(xué)家故事引入課堂，使課堂更具人文氣息，展現(xiàn)了科學(xué)的發(fā)展歷程，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。怎樣像科學(xué)家一樣做一次“思想實(shí)驗(yàn)”？學(xué)生心中滿是疑惑，躍躍欲試。隨即出示任務(wù)：（1）懸浮的中瓶子保持質(zhì)量不變，體積縮小到與小瓶子一樣大，沉浮狀況會(huì)發(fā)生什么變化？（2）懸浮的中瓶子保持質(zhì)量不變，體積擴(kuò)大到與大瓶子一樣大，沉浮狀況會(huì)發(fā)生什么變化？學(xué)生進(jìn)行“思想實(shí)驗(yàn)”。

4.交流研討

方法1：當(dāng)中瓶子縮小到小瓶子一樣時(shí)，質(zhì)量還是82.8克，體積變成44.8立方厘米。而體積是44.8立方厘米的小瓶子只有在質(zhì)量約為44.8克的時(shí)候是懸浮的。所以縮小后的瓶子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于懸浮時(shí)的質(zhì)量，瓶子一定會(huì)下沉。當(dāng)中瓶子擴(kuò)大到和大瓶子一樣時(shí)，質(zhì)量還是82.8克，體積變成203.5立方厘米。而體積是203.5立方厘米的大瓶子只有在質(zhì)量約為203.5克的時(shí)候是懸浮的。所以擴(kuò)大后的瓶子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于懸浮時(shí)的質(zhì)量，瓶子一定會(huì)上浮。學(xué)生在黑板上一邊畫圖，一邊展示“思想實(shí)驗(yàn)”的推理過程。

方法2：當(dāng)中瓶子縮小到小瓶子一樣時(shí)，瓶子的質(zhì)量除以體積為82.8/44.8>1。通過前面的觀察實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瓶子處于懸浮狀態(tài)時(shí)，瓶子的質(zhì)量除以體積為1，所以瓶子一定會(huì)下沉。當(dāng)中瓶子擴(kuò)大到和大瓶子一樣時(shí)，瓶子的質(zhì)量除以體積為82.8/203.5<1，所以瓶子一定會(huì)上浮。學(xué)生在黑板上一邊列算式，一邊展示“思想實(shí)驗(yàn)”的推理過程。

5.拓展提升

教師告訴學(xué)生，1立方厘米水的質(zhì)量是1克，學(xué)生終于明白為什么物體在1立方厘米質(zhì)量為1克時(shí)，會(huì)處于懸浮狀態(tài)。繼續(xù)提供其他物體1立方厘米的質(zhì)量，學(xué)生可以用科學(xué)原理解釋為什么冰會(huì)浮在水面上、鐵會(huì)沉在水底等。學(xué)生的科學(xué)思維層層推進(jìn)，指向物質(zhì)密度這個(gè)核心概念。

全課立足兒童立場(chǎng)，以觀察實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以科學(xué)方法為指導(dǎo)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)催化兒童想象，以科學(xué)論證催生思辨，關(guān)注學(xué)生的思維參與和發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的深層次理解和建構(gòu)。