思想实验_一种适合计算思维的教学方法_王荣良

王荣良 华东师范大学

思想实验：一种适合计算思维的

教学方法

● 认识思想实验

提起实验在科学中所发挥的强有力的作用，伽利略是功不可没的。伽利略凭借他独特的实验设计、高超的实验技巧，成就了一个又一个天才的实验，用实验事实推翻了亚里士多德2000多年的科学统治地位，具有划时代的意义。其中，比萨斜塔的自由落体运动实验，是一个经典的实验，当年伽利略登上比萨斜塔塔顶，将一个重100磅和一个重1磅的铁球同时抛下。在众目睽睽之下，两个铁球出人意料地同时落地，从而证实了亚里士多德关于“物体从高空落下的快慢同物体的重量成正比，重者下落快，轻者下落慢”的断言是错误的。

我们有理由猜测，伽利略在比萨斜塔做自由落体运动实验前，已经知道亚里士多德的观点是错误的。伽利略在1636年的《两种新科学的对话》中写道：如果依照亚里士多德的理论，假设有两块石头，大的重量为8，小的为4，则大的下落速度为8，小的下落速度为4，当两块石头被绑在一起的时候，下落快的会因为慢的而被拖慢。所以整个体系和下落速度在4～8之间。但

两块绑在一起的石头的整体重量为12，下落速度也就应该大于8，这就陷入了一个自相矛盾的境界。所以，物体下落的速度应该不是由其重量决定的。

这也是一个实验过程，只不过与比萨斜塔所做的真实的物质实验相比，这个实验的整个过程是在人脑中完成的，通过推理来推进实验的步骤和过程。这种实验，称为思想实验。事实上，思想实验并不是伽利略时代才开始有的，在各种物质条件和观察设备缺乏的古代，思想实验所起的作用有时比物质实验还要大。随着现代科学理论的完善，思想实验的过程更加严谨了。

在当前的科学实践中，当现有的实验环境不能满足实验自身的要求时，实验者会在其自身的思维领域构建出一个条件似真的理想化世界，这个理想化的世界中包括了理想化的实验仪器、设备、实验环境以及符合要求的理想化的实验对象，在这个虚拟的环境中进行实验的处理以及应用逻辑思维整理和进行实验结果的验证。

因此，思想实验就是运用人脑思维而不是实物观察的实验过程，

从已有且公认的经验事实出发，假设出一个现实中有可能无法实现的似真的环境，并经过一系列的推理推导出最终的结论，用来作为对某一理论的支撑和证明。

在教育教学过程中，有两种情况可以开展思想实验：现有的实验设备不能满足实验实施的需要，或实验的中间过程无法直接观察。前者如物理学的中原子核裂变，后者如程序设计，我们可以知道程序运行前的条件和运行后的结果，但是无法观察程序运行的过程。

● 思想实验的意义与特征近代科学中所倡导的实验注重借助各种科学仪器，人为地改变自然条件，为种种现象的发生创造优越于自然条件的人工条件。但实验条件的改善，并不能否认思想实验的作用。开展思想实验的意义，并不仅仅在于规避实验设备的使用，更重要的是能够超越现有的物质条件，探索真理。

首先，开展思想实验，可以克服物质实验的局限性。在物质实验中，不可避免地会受到整个实验设备的制约，也会受到温度、湿度等实验环境的影响。在这种实验氛围

和背景下，思想实验能够突破客观限制，减少实验花费，缩短实验周期，完成理想实验。

其次，开展思想实验，可以化具体为抽象，在思维领域中对事物的复杂性进行深入改造和纯化。在这样的过程中，无关紧要的环节被简化，无足轻重的条件被排除在整个实验之外，而实验中最为重要的部分可以得到强化并系统地利用与分析，凸显出最为本质、最为客观的规律。同时，思维逻辑可以得到进一步理论化和抽象化。

最后，开展思想实验，可以为旧理论的内在矛盾呈现提供理想情境，验证理论，提出假设，科学预测，同时催生新的科学理论。伽利略就是通过自由落体运动的思想实验，揭示了亚里士多德理论的矛盾所在，并为现代经典物理理论的诞生提供基础与假设。

从上述对思想实验的考察中，我们可以看到，思想实验是按真实实验的格式展开的一种复杂的思维推理活动，这样不必物化就可得到确定的结论。其思想操作包括以下几个层面：其一，对从未进行过的或潜在的可以实现的实验进行预想；其二，为形成理想实验，对真实实验进行理想化的抽象；其三，对现实中不存在、与经验相矛盾的现象进行逻辑、有意义的想象。

思想实验有如下特征：

首先，思想实验具有实验的可操作性。思想实验不是实际进行的实验，是头脑中的实验。之所以称

之为“实验”，是因为这种思维活动

是按照实验的格式展开的，有可操

作性。

其次，思想实验具有严密的逻

辑性。在思想实验进行的过程中，

逻辑推理是它的基本工具，人们

在构思思想实验时，可以根据自己

掌握的经验和知识、当时的科学水

平，就被研究的客体进行充分的联

想，运用其逻辑思维联系有关的概

念并进行推演。

在计算学科中，图灵机的诞生

就是思想实验的一个案例。早在

1935年，图灵就开始构思一台抽象

的机器——理论上完成机械计算的

机器，这种机器是一种想象的、能

计算任何严格可定义的计算过程或

算法的计算机，它按照事先设计好

的指令或步骤把信息从一种形式转

换为另一种形式，用于推理、计算。

图灵定义了“计算”的逻辑基础，

设想有一个可以左右移动的划分成

小方块无限长的纸带、一个读写纸

带的装置以及一个控制器所组成的

机器，规定机器有四种操作：作出

标记、改动标记、把纸向前推动、把

纸向后推。一旦为这台机器制订以

上四种操作的规则以后，图灵机就

可以自动地一次扫描一个方块并且

可以“读”或“写”某些东西，可以

把所写的东西擦掉，可以一次将纸

带向左或向右移动一个方块。当它

达到某一点并完成其任务时，它会

自己停下来。图灵机是一个虚拟的

机器，图灵机理论提出之时，还没

有真实的计算机，但是运用图灵

机就可以模拟机械计算的过程和

细节。图灵机的发明与执行过程是

一个思想实验。图灵机是对计算的

高度抽象，在对计算的基本逻辑进

行定义后，它可以不依赖于物质的

计算机而完成每一个计算状态的演

算，从而提出计算机的基本结构和

工作原理。

● 思想实验的建构方法

科学实验是人们为实现预定目

的，在人工控制条件下，通过干预、

控制科研对象而观察、探索科研对

象有关规律和机制的一种研究方

法。一份实验报告通常会包括以下7

个部分：①实验目的；②实验原理；

③实验环境和仪器设备；④实验步

骤；⑤实验结果；⑥实验结果的分

析；⑦实验结论。这7个部分，反映

了科学实验的三个阶段：实验准备

阶段、实验实施阶段、实验结果处

理阶段。

实验准备阶段涉及实验目的、

实验原理、实验设计、实验环境。实

验目的是明确为什么而进行实验，

是依据研究目标而定的，有的用于

验证，有的是为了探索。实验原理

是理论的逻辑起点，整个实验就是

以此为依据的，若实验结果出现矛

盾之处，理论也会受到质疑。实验

设计是实验正确实施的关键，最能

体现实验设计者的思想和智慧。实

验环境是实验仪器、设备、材料的

准备以及外部环境的要求。实验仪