思想實驗對科學思維培養初探

摘 要：運用思想實驗開展深度學習，使學生應用已學知識模擬解決未知問題，積極主動參與學習，適應學習主體者的身份，在課堂中實現知識的“上浮”，實現“真學習”。以“基因指導蛋白質合成”為例，探討如何利用思想實驗的模式進行課堂設計，促進深度學習，培養科學思維核心素養。

關鍵詞：科學思維 ;思想實驗;深度學習

1.思想實驗的概念

“思想實驗 ”一詞最早由奧地利科學家恩斯特. 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論這樣一種推理方法，其前提和結論之間的聯系是必然的，一個演繹推理只要前提真實，并且推理形式正確，那么其結論就必然真實。[2]

2.思想實驗的課例設計：

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? ? ? ? 老師或同學評價

思想實驗的課堂設計是在創設真實的情景，以任務為導向，利用已學知識去解決現實問題，并通過原理應用推演可行性，從而解決問題，并引導學生解釋概念，并逐漸發展其科學思維的過程。[3]

科學實驗課堂設計操作及案例，以“新冠病毒防治狂想曲”高三專題復習課為例：

背景：學生經歷新冠疫情，對病毒興趣大增，對如何防止疫情各國科學家一直努力研發當中，我們可否利用我們已學知識嘗試來一場思想實驗，對新冠病毒進行宣戰。

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

學生應用已學知識進行判斷：病毒不行，由于病毒沒有細胞壁無法通過此方式進行治療。病毒結構只有蛋白質外殼及遺傳物質（DNA或RNA）結構簡單攻擊病毒的抓手會比較少。

老師繼續引導：那目前我們防治手段集中在哪些方面？

學生討論：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：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。

學生討論：可以從病毒接觸細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胞膜接受此信息。細胞膜便能夠拒絕病毒進入細胞，病毒入侵便能夠不那么容易。

老師評價并引導：目前斯坦福大學團隊也在嘗試利用此途徑進行，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皿的環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必修二基因指導蛋白質合成的過程嘗試思考呢？

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

老師引導：大家記得RNA復制的基本條件嗎？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復制所需的RNA聚合酶下做文章，從而抑制RNA復制，目前已有藥物像瑞德西韋。還有其他想法嗎？

學生討論：我們可以從翻譯著手，蛋白質的多樣性體現在其氨基酸的種類、數目和排列順序，還有蛋白質的空間結構。如果能夠破壞其空間結構，便能夠使其病毒失活。

教師評價并引導：翻譯出來的多肽鏈沒有后期加工，蛋白質的功能無法呈現，如果我們指導病毒合成的蛋白質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？

學生討論：由于生物的轉錄翻譯有其通用性，我們研發藥物也有可能對正常的表達有影響。

老師引導：除了必修二的知識，必修三對同學們大膽研發思路又有何想法？

學生談論：疫苗還是最有效的手段，利用滅火病毒刺激個體，使個體能夠產生主動免疫。此外還可以利用已患病人身體產生病毒抗體，進行被動免疫等。

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

3.思想實驗課堂的意義：

3.1激發學生的科學思維 “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，借助對客 觀現象和過程之間的內在邏輯關系的分析，對科學理 論進行證明與反駁。學生利用已學知識嘗試大膽推理，可以加深學生對概念的理解和應用。

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

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

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

參考文獻：

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

[2] 周建武.科學推理——邏輯與科學思維方法.化學工業出版社，2018.

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

[4]陶明鳳，謝虎成.U型模式：深度學習導向下概念教學的有效路徑[J].中學生物教學，2019（17）：12-15.

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