思想实验在科普教育中的应用——以天宫课堂“太空抛物”实验为例

“飞天梦永不失重，科学梦张力无限”。在天宫课堂第二课，“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富再次为广大青少年带来了一堂精彩的太空科普课，激发了青少年探索航天、探索科学的热情，达到了科普教育的新高度。相比第一课，本次课程内容增加了更高阶、更专业的科学知识，在展示神奇的物理现象之外，还拓展到了更为严肃和实际的科学研究。值得注意的是“太空抛物”实验中的一个简单的平抛动作，不仅印证了牛顿第一定律这样的科学原理，同时也验证了思想实验在启迪思考、指导实践方面发挥的重要作用。
人类社会从最初的原始蛮荒到如今的高度文明，离不开对世界的好奇探索和对真理的不懈追求。不论是思维力量，还是客观实践，都是人类拓展认知、发现规律并且预测未来的重要工具。思想实验是科学思维的一个重要组成部分，人们掌握了思想实验，就可以在逻辑力量的支配下探索未知的世界。
思想实验，又称为理想实验或思维上的实验，它指的是用一定的思维法则在头脑中进行问题研究的思维方式和研究方法。这一方法很早就应用于科学和哲学当中，最早将思想实验确定为科学思维方式之一的人是奥地利物理学家、心理学家、哲学家恩斯特·马赫（Ernst Mach，1838—1916），他认为“除了物质实验外，还有其他的在更高之力水平上广泛使用的方法，即思想实验。”还将思想实验的运作过程分为了几个阶段，即人们普遍先进行思想实验，然后再进行物质实验，最后用思想实验加以反思，二者之间并不是并列的关系，也非同时进行。马赫讨论的思想实验主要是物理学和数学领域内的。
历史上有许多著名的思想实验，不仅造就了伟大的科学家和科学理论，也有力推动了科学技术的发展。单就物理学的发展进程中，伽利略通过理想斜面对接实验帮助人们认识了力与运动的关系；在狭义相对论当中，大家熟悉的“同时性的相对性”是爱因斯坦通过一个理想火车实验实现的；在广义相对论中，爱因斯坦用理想升降机提出了强等效原理；在量子力学当中，海森堡测不准原理，也是通过单电子衍射这样的思想实验提出的。此外，广为流传的物理学“四大神兽”——薛定谔的猫、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、芝诺的乌龟，也都是经典的思想实验。
与物质实验不同的是，物质实验是一种实践活动，而思想实验是一种思维活动。凡是物质实验都可以通过物化的环境把它呈现出来，但思想实验是在头脑中所进行的实验。思想实验离不开人们的想象与幻想，但它并不是胡思乱想，它有两个前提作为保障：一是思想实验有一定的逻辑法则作为支撑，而这些逻辑法则是人们在生活当中已经建立起来并被认可的；二是思想实验有事实作为基础，是在提取了主要因素、忽略了次要因素之后建立起的一个实验过程。
在天宫课堂“太空抛物”实验中，冰墩墩被抛出后沿直线飞了出去，与我们在地面上抛出一个物体，物体会沿抛物线的轨迹掉落的现象截然不同。这种平抛运动在生活中十分常见，但它对于运动学的研究非常重要。
假设我们在地球表面的一座高山上做平抛实验，把物体抛出它将落向地面，如果将物体抛出的速度变大，它将落向更远的地方，而如果抛出的速度足够大，它就有可能不落回地面而成为环绕地球的一颗卫星。这个最早的想法是由科学家牛顿提出的，叫做牛顿的高山大炮实验。但在实际情况中，物体会受到空气阻力等因素的影响，不可能绕着地球做完美的圆周运动，所以这个实验是一种思想实验。
按照力与运动的关系，如果带入地球表面的重力加速度的数值和地球半径的数值，可以计算出这个足够大到环绕地球的速度大约是8 000 m/s，也就是第一宇宙速度。它是发射卫星的最小发射速度，也是在轨运行的所有卫星当中最大的环绕速度，我们在轨的空间站运行速度也接近于此。可以说，如果我们不了解牛顿高山大炮这样的思想实验，也就无法发射人造卫星和空间站了，而在轨运行的空间站也证明了思想实验的正确性。
对于所有收看天宫课堂的青少年来说，这无疑是一次既生动又深刻的科普教育实践。在学习物理这样的基础学科时，学生通常是以课堂和书本为主，生活中的科学现象、课外的科普活动也是非常好的实践和补充，观察、动手、思考缺一不可。但一些仅存在于理想环境或理想条件下的理论和思想实验，对它们的理解也只能存在于头脑的假设当中。当这些理论从想象变成了现实，学生“眼见为实”的直观感受，能够更好地激发他们学习物理、探索科学的热情，引发他们积极主动地思考，对于学生掌握知识、认识科学、提升科学素养至关重要。
科普教育的意义不仅在于普及科学知识、倡导科学方法、传播科学思想、弘扬科学精神，更强调培育学生的科学探索精神和科学探究能力。习近平总书记指出：“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。没有全民科学素质普遍提高，就难以建立起宏大的高素质创新大军，难以实现科技成果快速转化。”提升科学素质，对于公民树立科学的世界观和方法论，对于增强科技自主创新能力和创新文化软实力、推动国际科技创新中心建设具有十分重要的意义。
学校的科学教育是科普教育的基本途径和主要渠道，科技馆、图书馆、博物馆等基础设施通过展览、讲座、培训、互动体验等方式提供了科普教育平台，除广播、电视外，网络新媒体已然成为了重要的科普传播手段。随着科学技术的飞速发展，信息数据的爆发增长，以及传播渠道的多样变化，公众尤其是青少年对科普教育的需求不断增多，要求也不断提高。
《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》中明确提出了“青少年科学素质提升行动”，要“激发青少年好奇心和想象力，增强科学兴趣、创新意识和创新能力，培育一大批具备科学家潜质的青少年群体。”“提升基础教育阶段的科学教育水平……倡导启发式、探究式、开放式教学，保护学生好奇心，激发求知欲和想象力”，助力“双减”政策落地实施。
为更好落实青少年科学素质提升目标，将思想实验应用于科普教育实践是十分必要的。如何将抽象的思想实验转化为直观、可理解的知识，从而达到启发青少年的目的，天宫课堂已经作出了优秀的示范。但在日常的科普教育中，很难创造出空间站那样独特的环境和条件，这就需要结合实际，从几个不同的维度寻找方法。
对学生而言，要结合课本知识加强延伸阅读。学生在学习科学知识时，对知识的掌握从无到有，与科学家对某一问题的思考过程具有相似性。因此，在掌握课本知识的基础上，加强相关思想实验的延伸阅读，不论是著作、论文还是影像，都能够帮助学生更好地理解当下的科学知识，学习科学家发现问题、分析问题、解决问题的科学方法，从成功有效的思想实验中汲取经验和能量，感受求真、探索、创新的科学精神。
对教师而言，要设计实验进行启发式教学。物理学史有许多经典的思想实验，对于物理理论有深远的影响，对物理学科的学习至关重要。将这些思想实验梳理总结，提炼核心知识点，分解为几个实验阶段，融入日常教学中，引导学生理解思想实验，进而理解相关物理理论。在学生对思想实验有一定理解的基础上，教师还可以设计可行的实验方案，用实验器材或计算机软件进行模拟和验证，指导学生动手实践，用最直观的感受启发学生思考，培养他们的科学思维和辩证思维。
对科普工作者而言，要创新科普活动的内容和形式。以科技馆为代表的科普场馆，是开展科普教育的重要阵地。一些经典的物理学思想实验如牛顿分光实验、傅科摆，已经成为经久不衰、广受欢迎的展品，而在讲座、培训、比赛、主题日等科普活动中，思想实验的应用屈指可数。作为科学知识的一部分，思想实验有着可观的内容价值。科普工作者要充分挖掘其科学性、故事性、教育性，有针对性地开展以思想实验为核心内容的科普活动，让公众尤其是青少年在寓教于乐中了解思想实验对于科学发展的重要性。作为一种思维方式和研究方法，思想实验有着实际的指导价值。科普工作者在策划各类科普活动时，借鉴经典思想实验的过程和经验，有助于更加有逻辑、多角度、创造性地考虑问题，进而丰富和创新科普活动形式，充分发挥科普教育的职能。
纵观人类科学发展史，思想实验的意义不言而喻。在科普教育领域，思想实验的应用也必将对提升全民科学素质大有裨益。天宫课堂的成功经验启示我们，科学并不是高高在上，思想实验也不是遥不可及。要充分挖掘思想实验的内涵与外延，善于运用这种科学思维方式做好科普教育工作，推动全社会的科普教育事业向前发展。—— END ——

来源：《中国科技教育》第11期观察栏目，作者：李嘉欣／中国科学技术馆