科学与科学课堂中的哲学.docx

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1、科学与科学课堂中的哲学在教授科学的同时我们也在教授哲学，传递的信息或清楚或含蓄地表达着有关认识论、本体论、伦理学、合情推理、论证和其他一些哲学主题，包括宗教和美学。通过哪种方式能够使哲学在科学教育中的呈现方式更加清楚，这部分内容将在本章得到检验。本章将论证：通过更加清楚地阐述哲学，促进良好的科学教育目标的实现一学生能更好地理解这个学科并且更精通科学推理。同时，本章将传达科学更普遍的文化维度和认识论维度。这种做法能够延伸至历史、数学、地理、经济学和学校大多数学科的教学中一它们都具有哲学维度，最好以一种深入的、明确的方式参与其中。科学与哲学科学教育与哲学的分离导致了科学教育的扭曲。从古希腊至今，科

2、学与哲学一直相互交织在一起：科学、形而上学、逻辑学和认识论一直都是不可分割的。大多数伟大的科学家同时又是哲学家，如德谟克利特(DemOCritus)、亚里士多德(AriStoHe)、哥白尼(Copernicus)伽利略(GaliIeo)、笛卡尔(DeSCartes)、牛顿(NeWtOn)、莱布尼茨(Leibnitz)波义耳(Boyle)、法拉第(Faraday)、达尔文(DarWin)、马赫(MaCh)、爱因斯坦(EinStein)、普朗克(PIanCk)、海森堡(Heisenberg)、薛定月(SChrGdinger)等。20世纪初，德国神学家阿道夫冯哈纳克(AdOIfvonHamack)评

3、论道：“人们抱怨我们这一代没有哲学家，这相当不公平，现今的哲学家被划在另一个学科中，他们的名字是普朗克和爱因斯坦“(SCheibe2000,p.31)o尽管存在革命、范式变化、商业化和许多其他因素，当代科学，尤其是当代学校科学仍是伽利略和牛顿新科学的延续，并推进同一系列的哲学问题，科学和哲学继续齐头并进Io彼得伯格曼(PeterBergmann)也表达了这一观点，他说自己从爱因斯坦那里学到“理论物理学家是穿着工人服装的哲学家(Bergmannl949,p.v,quotedinShimony1983,p.209)2o基于尼尔斯玻尔(NieISBohr)的工作，一位评论者这样16道：“对于玻尔来说

4、，新理论(量子论)不仅是一门绝妙的物理学,而且是一座哲学宝库，它以新的形式包含了他在少年时期所向往的思想O”(Petersen1985.300)19世纪和20世纪大多数重要的物理学家都曾撰写过关于哲学著作，涉及科学与哲学之间重叠的部分3。许多不太知名的物理学家也写过这类书，来梳理他们的科学工作与假定和暗示的本体论、认识论以及伦理学之间的关系*。不只物理学家，许多化学家和生物学家也对这方面的研究做出了贡献5。当然，并不是说所有这些优秀的科学家都有出色的哲学著作，或都从他们的科学经验中得出了合理的结论一有的人做到了，而有的人并没有6;重点并不在于这些科学家是否有合理的哲学理论，而是他们都以哲学的方

5、式去思考；他们都反思自己的学科和活动，并看到这种反思建立在或大或小的哲学问题之上。这个事实证明好的哲学离不开科学?,也证明哲学同样离不开好的科学教育。牛津哲学家和历史学家科林伍德(R.G.Collingwood)(1889-1943)在其标志性著作自然的观念中描述了科学和哲学相互依赖的历史，并评论道：“对自然事实的详细研究通常被称为自然科学，或简称科学；对原理，无论是关于自然科学的原理，还是关于其他任何思想或行为学科原理的反思通常被称为哲学但两者密切相关，没有哲学作为开端，自然科学不能长久前行；哲学作用于科学，通过科学，哲学得以发展，科学家基于他们对所从事学科原理的新意识，为哲学的未来提供了新

6、的稳固性和一致性。”(Collingwood1945,p.2)他接着写道:“因此，把自然科学交给被称为科学家的一类人，而把哲学交给被称为哲学家的另一类人，这种分配并不令人满意。不会反思工作原理的人就不能获得对工作成熟的看法。从来没有像哲学家那样思考科学的科学家永远只能是二流的、模仿的科学工人。”(Collingwood1945,p.2)科林伍德所说的这个要求优秀的科学实践必须“反思原理”，同样也适用于优秀的科学教学实践。通识教育正好能够促进这种更深入的反思，并能够帮助人们理解所教学科(数学、历史、经济学、神学，也包括科学)的基本概念、定律或者方法论的含义。形而上学问题从科学主题中自然地显现出来

7、。历史研究描绘了科学和形而上学的相互依赖关系。伽利略学派/亚里士多德学派关于第一因的争论、伽利略学派/开普勒学派关于潮汐运动理论的争论、牛顿学派/笛卡尔学派关于超距作用的争论、牛顿学派/贝克莱学派关于绝对时空是否存在的争论、牛顿学派/惠更斯一菲涅尔学派关于光的微粒学说的争论、达尔文学派/佩里学派关于自然设计和自然选择的争论、马赫/普朗克关于原子论的解释的争论以及爱因斯坦/哥本哈根学派关于量子论确定的解释的争论，这些都突显了形而上学问题。形而上学在科学中普遍存在8。如上所述，伽利略是科学家一哲学家的典范。他在许多领域中都曾做出重要的哲学贡献：在本体论方面，他区分了第一性和第二性；在认识论方面，他

8、批判权威作为知识主张的仲裁者，并提出感觉证据与数学推理的从属关系；在方法论上，他发展了数学一实验方法；在形而上学方面，他批判了亚里士多德的因果范畴，并拒绝把目的论作为解释性的原理。尽管伽利略在哲学上有重要贡献，并且对17世纪几乎所有的哲学家以及后来的哲学家如康德(Kant)和胡塞尔(HUSSeH)都有公认的影响，但不幸的是，在大多数哲学史中很少出现伽利略，大部分科学教科书也忽视了他的哲学影响和贡献。科学总是在同时代哲学观念的环境下发展，这是预料中的事情。科学家通过可用的语言和概念工具进行思考、写作和交谈。通常，那些形成观点的人自身也被特定的知识环境所塑造，他们的观点受到这些环境的制约。牛顿说他

9、之所以比别人看得远，是因为他站在巨人的肩膀上没有哥白尼、开普勒和伽利略(更不用说欧几里得的几何学),就没有统一的地面力学和天体力学理论。科学家对世界的理解和探索方法是由自身的教育和环境形成的，而环境中到处弥漫着同时期的哲学思想。从客观主义的观点来看，这些主张表明这样一个事实：科学是个人创造和发展的概念、定义、方法论、结果、工具与专业组织构成的系统，但它又先于个人，个人首先完成科学的学习，然后在科学中工作。由于科学包含哲学假说，因此，哲学对科学家的工作有巨大影响9。一些流行的、畅销的科学著作促进了科学与哲学之间的联系。这些作品或多或少地表达着这样的基本思想：科学与其他学科(哲学、心理学、神学、数

10、学)以及更普遍的文化世界观之间存在相互影响的关系。当下，这些书的广泛影响可以与两次世界大战期间亚瑟埃丁顿(ArthurEddiIlgtOn,18821944)的物质世界的性质(1928/1978)、伯纳尔(J.D.Bemal,19011971)的科学的社会功能(1939)和詹姆斯琼斯(JameSJeanS,18771946)的物理学和哲学(1943/1981)的影响相提并论。这些书对人们的思想和观点产生了巨大影响，且这种影响范围远远超出了学术界。琼斯在书的序言中写道：“简略地说明一下此书的目的，它将讨论以往认为无趣的物理学与哲学之间的领域，由于近来理论物理学的发展，该领域突然变得有趣和重要这种

11、新兴趣远远超越了物理学和哲学的技术问题，进而扩展到与人类生活密切相关的问题上。”(Jeans1943/1981,p.i)科学课堂中的哲学：惯性定律科学教师不必“从外界把哲学带入课堂”，哲学本身就存在于课堂之中。从最基础的层面来讲，任何教材或科学讨论都将包括“定律”、“理论、键、僻、脚、凝、献、蹴、晒、媲、5*WT、时可、笠可、堀r、利美和瞳球语。如果师生放慢科学课的节奏，问问这些术语是什么意思以及它们的正确使用条件是什么，哲学便由此开始了。关于以上所有这些概念，应该鼓励师生提出哲学家经常提出的标准问题：”是什么意思?”，“你如何知道的？”等问题。当讨论诸如波义耳定律、道尔顿模型或达尔文理论时，

12、这种引导性的哲学分析可以促进学生更好地理解所涉及的不同的经验问题和概念问题。它通常也可以促进批判性思维和反思性思维。而这类哲学分析的复杂程度可以根据课堂情况进行调整。这些分析和逻辑问题以及思维习惯在学前阶段就可以引入，正如马修李普曼(MatthewLipman)和儿童哲学计划证明的那样，它们能够随着孩子的成熟得以藕10。科学课程的每个主题，从比较明确的主题，如进化论、遗传学、宇宙学、核能、光合作用、原子理论、大陆漂移说，到不太明确的一般性主题，如牛顿定律、氧化反应和单摆运动，都是进行丰富的历史与哲学探究的机会。所有这些科学主题，都能使学生了解基本的哲学观念和过程证据、假设验证、解释和理论依赖性

13、等。思考一下惯性定律及相关的力学概念。该定律是经典物理学的基石，每个学习科学的学生都会在学校学到。某典型的教科书中是这样表述的：“除非有外力改变当前的运动状态，否则任何物体都将保持静止或匀速直线运动状态。”(Booth&Nicol1931/1962,p.24)惯性定律与经验相悖，不难猜测学生会很难或者根本不相信它，即使学生相信它，也仅是出于考试和计算的目的。根据日常教学经验，所有物理教师都有这种预期。正如一位德国学生所说：“物理学不是关于这个世界的“(SCheCker1992,p.75),很多学生都能得出此类结论。使用气动工作台或在冰面上滑动冰球，或使用伽利略斜面都可以“证明”牛顿第一定律。在

14、纯技术科学教育中，学生牢记该定律，并使用相关公式F=ma来解答问题。技巧方面只需要学生准确记忆和掌握数量技巧.“X牛顿的力作用于质量为Y千克的物体，将产生多大的加速度？”但它无法实现通识教育的目标。如果要学生相信那些与经验相反的陈述，甚至是恒伪的定律，应当给予他们一些更加合理的解释。最终这些合理的解释可以使学生有充分的理由相信牛顿学说，这其中就需要一些科学史和科学哲学。在惯性这个常规主题中，进行少量的哲学反思和历史研究，就能够展现出全新的科学教育前景。中世纪的自然哲学家既掌握亚里士多德物理学，又掌握来源于日常经验的常识信念。事实上，亚里士多德物理学或胡妙就是对猷砥?严觥述T滔代士缝学派的学提到

15、：“史里士多德从每个人应当开始的地方开始，即从来自日常平凡经脸的已知东西开始亚里士多德的思想始于常识，但没有终结于此，它朝着更远的方向延伸。围绕常识他又补充了一些极不常见的、非凡的领悟和见解。”（Adler1978,pp.xi,xiii）这些理解使亚里士多德的著名论断“所有运动的物体都是由其他物体推动的”获得中世纪的认可，阿奎那和经院哲学家将其解读为“任何物体的运动都是外力作用的结果（动力因）”。反过来说，该原理就是：如果动力因停止作用，那么运动也就停止了。该原理来自日常经验、常识和亚里士多德物理学。克拉格特（CIagett）将亚里士多德深信的观点概述如下:“对亚里士多德而言，运动是一个过程，

16、是由运动源（或动力因）不断作用和运动的物体组成的。运动源（或动力因）是一种力，在运动过程中直接接触运动物体一这种力在自然运动中是内在的，在非自然（强迫）运动中是外加的。”（Clagett1959,p.425）考虑到世间万物是运动的这一事实，该原理要求亚里士多德假设一个第一推动者。阿奎那和经院哲学家接受了这个说法，然后继续论证第一推动者的存在，并认为第一推动者就是上帝20中世纪的冲力理论是对亚里士多德物理学的一个详尽阐述：推动者给予被推动者某种“东西”（冲力），当推动者不再作用时，这种冲力使得被推动者保持运动（关于抛物体的经典案例）。一些人，如达马恰（daMarChia）认为这种冲力会自然衰减，

17、因此抛物体的运动最终会停止。另一些人，如比里当（BUridaiI）认为：这些被转移的能量只有在完成了它的使命后才会消逝，由于推动空气的过程也是做功的过程，因此抛物体最终也将停止运动。两种理论都和下述现象相符：当石头从手中抛出去时，它只能运动一段距离，然后落到地面I,。伽利略做了一个思想实验：他思考如果把比里当的理论应用于不做功的情形，抛物体一旦被施以冲力(即近代所说的力)，那么它将永远运动下去。然而，对伽利略而言，这个抛物体将沿着地球轮廓进行运动。他通过实验重复了这一情形：让球从一个斜面滚下，然后沿另一个斜面向上滚动，当第二个斜面逐渐降低到水平时，球将沿着它运动得越来越远。他猜测，如果有最光滑

18、的斜面和最光滑的球，那么，当第二个斜面达到水平时，球将永远保持运动。这是他关于圆周惯性理论的设想。伽利略完全不知道物体能沿着直线离开地球进入无限太空，同其他人一样，他在物理和观念方面都仅局限于地球。只有牛顿在观念上做出了巨大飞跃，充分说明抛物体可以离开地球并且进入无限太空。他的观念“从封闭世界扩展到无限宇宙”，这是亚历山大柯瓦雷(AIeXandreKoyr6)(18921964)在论述该主题时采用的富有表现力的标题(Koyre1957)o牛顿观念的飞跃是现代力学的基础。惯性定律整整两千年的发展史，充分向人们展示了科学事业的结构和机制，包括理论产生和理论选择的过程L通过研究这些论证的历史可以促使

19、世界观和科学论证结出丰硕的果实。例如，在“无法令人信服”的惯性课程之后，通常学生们的典型说法是“牛顿定律没有描述我们的经验世界”；还有一些学生说，“物理学是描述特殊世界的，我不知道我们为什么要学习它。”当然，浪漫主义反对的是牛顿的理想化。对于济慈(Keats)、柯尔律治(COIeridge)和歌德(Goethe)等人而言，牛顿平淡无趣的质点以及新科学没有情感和感觉的机械世界无法捕捉人类丰富的经验世界。20世纪，马库塞(MarcUSe)、胡塞尔、提利奇(TiniCh)和其他人重申了这一主张。然而，我们需要认识以及了解HPS称职的教师会指出的是赫胥黎(AldOUSHuxley)准确观察到的，即：“

20、关于世界的科学描述是不恰当的，原因很简单科学没有坦率地把经验作为一个整体来处理，而是仅仅处理经聆在某些情境中的某些方面。对一个有哲学头脑的科学人而言，这些东西应当理解得相当清楚然而不幸的是，我们的时代包含了太多所谓的只是想想而已的念头。”(Huxley1947,p.28)在完整讲解惯性定律和力的概念的课堂中，除了会出现有趣并且重要的历史之外，还会出现基本的哲学问题：认识论：实际上，在自然中我们从未见过不受力的作用的现象；而实验中也无法产生这种现象。那么,我们所掌握的关于不受力的作用的物体运动的知识，其来源和依据是什么呢？本体论：除了力的表现，我们没有见过或体验过九因此力是独立存在的吗?质量是什

21、么？如何测量区别于重量的质量呢？宇宙论：这种惯性物体在无限太空中会永远运动下去吗?物体是随运动一起产生的吗?如果二者一起产生，运动是自然衰减(冲力理论)，还是仅在做功时才衰减(牛顿学说)?正是这些考虑促使法国博学者亨利庞加莱(HenriPoincare)(1854-1912)提出：“当我们说力是产生运动的原因时，我们实际上在谈论形而上学”(POinCar61905/1952,p.98)。就像所有物理课都会谈到力是产生加速度的原因一样，所有课堂中都存在着形而上学,只是等待教师鼓励认真思考所学知识的学生，以及对自身所教学科包含的历史和哲学知 引起的对哲学基 多优秀的教材中 形而上学方面的 哲学思想

22、的科学识有所了解的老师来揭示。惯性定律在课堂教学过程中本的本体论、认识论和方法论问题的阐述和参与，在许都有所体现。所有这些都为更加细致充分地讨论科学与重大问题奠定了基础，同时也有助于把学生培养成更具从历史的角度对一些基本原理和概念进行认真思考，是透彻理解和牢固掌握任何学科(可能是数学、历史、心理学、文学、神学、经济学，或其他任何学科)的普遍要点。各个学科都有自己的交叉概念和标准来辨别实践和判断好坏，因此每个学科都存在一些哲学问题(认识论、本体论、方法论和伦理学)，也存在与每个学科相关的哲学。因此，学好任何学科都要求在该学科的哲学方面有适当的兴趣和能力，这正是“通过理解来学习”要表达的意思一一这

23、是由马赫(1886/1986)和当代的舍夫勒(1970)提出的一个著名的教育观点、如果严谨的科学家(如本章前面所列出的)认为有必要撰写其所属学科哲学方面的著作，那么毋庸置疑，科学教师和学生将会效仿他们，并从参与相同问题的讨论过程中受益。马赫和舍夫勒的论点后来体现在国际上对学生发出的呼吁，即学生在学习科学时也要了解科学的本质(natureofscience,NOS)o不学习科学哲学，就无法了解NOS,这是马赫和舍夫勒明确表达的论点。科学中的思想实验思想实验是课程探索中一个丰富且富有成效的科学/哲学主题。思想实验在科学史上具有重要作用一一前苏格拉底学者、中世纪学者、伽利略、莱布尼茨、牛顿、卡诺以及

24、上世纪的爱因斯坦、庞加莱、薛定垮、爱丁顿和海森堡都见证了思想实验的作用。如果不借助于思想实验，相对论和量子论都不可能得到发展或概念上的检验：但在科学认识论中，关于思想实验能否独自提出相关理论，存在很大的争议。显然，思想实验把科学与哲学联系起来，有人注意到：哲学史不过是一个长期的思想实验。思想实验表明了科学思维的一个重要维度，也说明了它在课堂中的应用效果极佳。对许多人而言，思想实验开启了全新的科学阵地。其特征之一如下：“思想实脸是探究事物本质的想象力装置。当用变化的方法处理富有想象力的各种设想时常常会产生思想实验。因各种原因，思想实脸应用到经济学、历史、数学、哲学和物理学等诸多领域。大多数情况下

25、，思想实验通过叙述的方式进行表达，有时也用图表等4某介表达。思想实脸应当区别于关于实验的思考，区别于不受想象力约束的、单纯的实验幻想，区别于任何关于思想的心理学实验，同时也应当区别于T殳的反事实推理，因为它们似乎需要一种实脸元素。”(Brown&Fehige2011,p.1)伽利略恩斯特马赫(18381916)在其力学中关注了科学史上最伟大的思想实验之一，即伽利略关于两种新科学的对话(1638/1954)中第一天的思想实验。该实验旨在反驳亚里士多德的一个论点，即自由落体下落的速度与其重量成正比。在伽利略的书中，亚里士多德学派的辛普利西奥(SimPIieio)曾陈述了一个公认观点：“在同一介质中

26、，不同重量的物体下落速度不同，其下落速度的比值与其重量的比值相同”(Galileo1638/1954,p.60)2。接着是非结论性的讨论,讨论炮弹和枪子从极高处落到地面的时间差异。辛普利西奥和伽利略的代言人萨尔维亚蒂(SalViaKi)继续谈论道：萨尔维亚蒂(以下简称萨)：即使不做进一步的实验，通过简短且令人信服的论证方法也可清晰证明：相同的材料，质量较重的物体并不比质量较轻的物体下落的速度更快(简言之，诸如亚里士多德提到的那些物体)。但是，辛普利西奥，请告诉我，你是否承认每个下落物体都会获得由其本身特点决定的固定速度？如果不施加力或阻力，那么这个速度就不能加快或减慢。辛普利西奥(以下简称辛)

27、：毋庸置疑，在单一媒介中运动的同一物体具有其本身特点决定的固定速度。如果没有增加动量，那么这一速度就不会加快；如果不施加对它产生妨碍的某种阻力，那么这一速度也不会减小。萨：如果我们考虑两个自然速度不同的物体，把它们系到一起，很显然，速度较慢的物体在某种程度上会拖慢速度较快的物体，同样速度较快的物体在某种程度上也会加快速度较慢的物体。你同意我的这个看法吗？辛：肯定同意。萨：然而，如果我的看法正确，那么假设大石头以(比如)8的速度运动，小石头以4的速度运动，当把这两块石头系到一起时，形成的石头整体的运动速度将小于8；但是，这两块石头捆到一起形成的石头整体，其重量大于以速度8运动的那块石头。因此，较

28、重物体的运动速度比较轻物体的运动速度慢，此结果与你的假定相反。由此你看到，从你的假定“较重物体比较轻物体的运动速度更快”中，我推出了相反的结论。辛：我感到迷惑，因为在我看来，把小石头系到大石头上，重量增大了；而我不明白，重量增大了，可速度却没有提高，或者至少不应该减小。伽利略的论证简短凝练，令人信服又无比精妙。波普尔把它描述为：“自然哲学史上最重要的想象实验之一，它是探究宇宙理性思想历史中最简单、最富创造力的论证之一。”(Popper1934/1959,p.442)接着我们再来思考伽利略是如何批判或解决自然运动与受迫运动之间的区别的，这一区别深深植根于亚里士多德物理学中。在这种物理学中，物体趋

29、向“自然”位置的运动是自然运动；物体离开这些位置的运动是受迫运动。行星的自然运动是圆周运动，地面重物的自然运动是朝向地心的运动。伽利略假想了一个实验，在该实验中，从地球一侧通过地心挖一眼井，挖到另一侧。他请亚里士多德派学者想象当石头沿井下落时将发生什么现象。显然，石头将“自然”加速下落到地心，可到达地心时，又会发生什么？它会停止吗？还是继续保持运动并“自然”离开地心？它会以某种方式从自然运动转变为受迫运动吗？这个思想实验旨在探究亚里士多德学派关于自然运动和受迫运动之间本质区别的不足之处2”。当然，这样的实验根本无法真正进行，但这并不妨碍用它来说明旧物理学的概念问题。由于这个思想实验以及其他类似

30、的思想实验，亚历山大柯瓦雷夸张地把“知道如何对待实验的荣耀和功勋”这一评价授予了伽利略(Koyr01968,p.7S)o牛顿牛顿的原理(Newton1729/1934)和光学(Newton1730/1979)是现代科学的基石，为早期现代物理学和化学以及随后的历史、社会科学和其他学科提供了概念典范和方法论典范(BUttSftDavis1970,Cohen1980)o启蒙运动哲学家如约翰洛克、斯宾诺莎、大卫休谟、伏尔泰、达朗贝尔和无数其他人都想要通过扩展他们的假说一实验方法来研究道德、政治、宗教、经文、法律和其他需要脑力活动的学科，期望在这些领域中，严谨的研究者之间能够获得可比较的知识和共识(Hy

31、landetal.2003,Porter2000)。正如让戈林斯基(JanGolinSki)所说：“牛顿为其追随者提供了文化、理论和方法论的资源。他的自然哲学激励科学家奋起直追，激励作家和讲演者进行推广普及。一旦他的自然哲学得到普及，就能传递有关宗教、社会和自然的信息。因此，牛顿作为启蒙运动者成为一个符合多种智力需求的文化符号。”(Yoltonetal.1991,p.369)牛顿的科学和系统不仅依赖“实际的”实验工作(从他的钟摆和棱镜研究中可以看出这一点)，而且还高度依赖思想实验。马赫了解其中一些思想实验，可现代科学教师很少有了解。或许牛顿最有名的思想实验要数他在原理第2卷“世界系统”中提到的

32、“炮弹卫星”猜想。这个猜想成为地面力学和天体力学结合的关键部分，具有划时代的意义，他证明了符合地球上物体下落的定律同样也符合天空中行星和彗星的运动规律。牛顿写道：“如果我们思考抛物体的运动，我们就容易理解，行星能够凭借向心力保持在固定的轨道中运行；对一块被抛出的石头而言，由于其自身重量的作用被迫离开直线路径(如果只有初始抛掷作用，那么石头应沿着直线路径运动)，在空中画出曲线，顺着弯曲的就迹最终落到地面；被抛掷的速度越大，在落到她面之前，它运行得越远。由此我们可以猜想：这样增大速度，以致在落地前，它将画出1、2、5、10、100、1,000英里的弧线，直到它最终超越地球的界限而脱离地球，进入太空

33、。”(Newton1729/1934,p.551)这个思想实验为统一天体力学和地面力学提供了知识基础，但只靠该实验还不够。重要的是，图5.1使大众能够看到卫星物理学，但牛顿仍然需要证明炮弹能够成为“月球”。他利用无处不在的钟摆来完成该证明，而钟摆是“自然哲学的数学原理第一版中用到的唯一的、也是最重要的工具(MeIi2006,p.269)。牛顿用这种摆证明：1秒内，月球落向地球的距离与地球上的物体落向地球表面的距离几乎完全相同(Boulos2006,Matthews2000,pp.188-193)o图51：牛顿的炮弹卫星（出处：Newton1729/1934,p.551）牛顿第二个坡著名的思想实

34、验可能是“水桶实验”，该实验对物理学、哲学和神学都产生了广泛持久的影响。在这个实验中，他用静止的一桶水，然后让它们旋转，来解释水和容器的相对运动，以此来论证绝对空间和力的真实存在（NeWtOnI729/1934,pp.10-11）.牛顿的自然哲学系统和“世界系统”依赖、假定或包含关于绝对空间（以及绝时时间）与真实运动的思想，而不仅仅是相对运动。对他而言，空间是真实存在的，物体间不存在“虚空的”空间。这不同于笛卡尔和莱布尼茨的宇宙学-即宇宙中只存在物体，空间是物体间的关系，所以空间其实并不存在。对笛卡尔和莱布尼茨来说，所有的运动都是相对于另一个物体而言的，哪个物体在运动仅仅取决于人们习惯上指定为

35、“静止”的那个物体。因此，宇宙并没有存在于空间中，空间只是宇宙物体（行星、恒星、彗星、树木、云等）存在的结果。我们没有也不能“看见”宇宙，无法从宇宙“外部”看到宇宙或者说“没有位置来观看宇宙”。因此，这种分歧看起来不易受科学研究的影响；我们似乎不能对宇宙进行实验。然而，牛顿提出一个思想实验来解决这些他感兴趣的问题，他想象在虚空的宇宙中，有一个旋转的桶装满了水（参见图5.2）。通过此思想实验，他认为能够证实绝对空间的存在：“如果用长绳吊住一个容器，该容器通常会转动，旋转至绳扭紧，然后向容器中注满水，使水和容器都保持静止；随即，通过另一个力的突然作用，使容器朝反方向旋转，当绳子解扭时，容器继续转动

36、一段时间，起初水面是平的，与容器开始转动前一样，但此后，由于容器逐渐把运动传递给水，水开始明显旋转起来，一点一点地从中间离开，沿着容器边缘上升，形成凹形（正如我经历的）；转动越快，水升得越高，直到最后水与容器同步旋转，二者相对静止。起初，当水在容器中的相对运动最大时，它没有试图离开旋转轴因此真实的圆周运动还没有开始。但是后来，当水的相对运动减弱时，它开始向着容器边缘上升，这证明它试图离开旋转轴：水试图离开轴表明水真实的圆周运动继续增强，直到达到最大，那时水相对容器静止任何旋转体仅有一种真实的圆周运动，相应的，也仅有一种尝试离开运动轴的力量作为它本身适当且充分的结果天空中的某些组分和行星确实在天

37、空中相对静止，但却真实运动着，因为它们改变了位置（真正静止的物体从不改变位置）。它们与天空一起运动，并作为旋转整体的组成部分试图离开运动轴。”(Newton1729/1934,pp.10-11)图5.2:4的料懿船（幽：BrOWnIIl1991/2010,p.9)在第一种情形（水和桶都静止）和第三种情形（水和桶都运动）中，水相对于桶都是静止的，但第一种情形水面是平的，第三种情形水面是凹的。牛顿主张只有水的真实运动(离心力)能够解释水面形状的差异，水相对于绝对空间在运动。因此，宇宙中物体的运动应当是真实的，而宇宙的运动在空间中也确实是一个整体。这样，运用思想实验，牛顿从观察实际的水桶旋转中得出不

38、可观察的、非经验的宇宙学结论。他的宇宙学思维形象支持了他的动力学与力和加速度的观点：有真实的加速度，就有真实的力：没有真实的(只是表面上的或相对的)加速度，就没有力。这是对惯性定律的预设，也是解释自然定律时偏向惯性坐标系的原因，因为只有在这种坐标系里，定律才是真的。原始实证主义者贝克莱(BerkeIey)主教(16851753)(1721/1965,P.270)和彻底的实证主义者马赫(1893/1974,Pp.277-287)先后否认了牛顿的观点。马赫抛弃了牛顿的绝对时空概念，因为与其说它们是物理学，倒不如说是形而上学。他认为水面变成凹形是因为水相对于遥远的天体在旋转，而不是相对任何绝对空间；

39、如果水和桶是宇宙中仅有的物体，那么,水面在实验中将一直保持水平。我们认用好绝做控的争论对物理学的蟋基a产生了影向但对于牛顿和其同时代的人来说，该争论带有明显的神学意义，它影响了人们如何解释上帝及上帝对物质世界的创造。当上帝造物时，如果没有虚空的空间，那么上帝在何处造物?非物质又是什么?后一个问题最终导向异教的泛神论答案：即上帝自身(Friedman2009)0爱因斯坦最终，爱因斯坦(18791955)追随他的老师马赫否认了牛顿关于水桶实验的阐述。在其1916年出版的有关相对论的著作中，爱因斯坦就牛顿的物理定律仅在惯性坐标系中真实存在这个主张写道：思维方式符合逻辑的人绝不会满意事物的这个条件(E

40、inStein1916/1961,p.71)O接着他乂写道：“我试图在经典力学(或狭义相对论)中寻找一种真实的东西,使其能够解释物体在参照系K和K的不同行为，但毫无所获。牛顿发现了这一缺陷并试图让它变得无效，但是没有成功。然而，马赫清楚地认识到了这种缺陷，因此他主张力学必须奠定在新的基础之上。依靠符合广义相对论原理的物理学，才能消除这种缺陷，因为这种理论的方程适用于每个参照物，不管其运动状态如何。”(Einstein1916/1961,pp.72-73)爱因斯坦认识到物理学是通过大胆猜想及相关思想实验不断进步的。在1951年的自传文章中，他讲述了自己作为一个青年是如何对当时占统治地位的麦克斯韦

41、电磁方程组的物理解释感到不安的。这种情绪和麦克斯韦方程组的力学解释被一个思想实验化解了：爱因斯坦想象自己在光束的前面与其并行奔跑，并回头看光束(参见图5.3)。他说“我应该现察到光束成为静态的空间振荡也磁场。然而，无论是基于经验还是根据麦克斯韦方程组，这种情况似乎都无法发生。(Schilpp1951,p.53)他说：“这个似是而非的论断已经包含了狭义相对论的萌芽2。”接着，他又说：“对我而言，发现这个中心观点需要的批判性推理方式明显地更进一步特别是当我读到马赫的哲学著作时。”(Schilpp1951,p.53)上述内容足以确立思想实验在科学史中的中心地位，正是因为它们具有这种中心地位，它们在科

42、学课堂中也应当占据中心位置。图5.3:爱因斯坦的光束（出处：Brown1991/2010,p.17）科学教学中的思想实验实证主义者马赫把思想实验引入科学教育中。关于思想实验，他提到：“让人们猜测实验的结果这种方法也具有教学价值思想实验不仅对专业研究者有重要作用，对心智发展本身也具有重要作用；运用这种方法，无论是学生还是教师都将受益良多(MaChl905/1976,pp.142-143)。思想实验能帮助教师了解学生对一个学科基本概念的掌握情况。在这里马赫指的是任何学科，包括科学、数学、经济学、历史、神学和政治23马棚勺杂志铮-期都为读者带来需要他们完成的思想娜。例如，他问：一杯水处于平衡状态，当

43、一悬挂物落入其中，将发生什么?在另一期,他又问：一只苍蝇在一个带塞瓶子的底部，且处于平衡状态，随后苍蝇飞离该位置，将会发生什么?这些例子是预想型的思想实验，即可以进行实际实验。它们吸引学生的注意，并显示学生对要探究的概念具备怎样的理解。然而，一些思想实验并不是预想型的，而是理想型的，因为没有办法将假定的环境变为现实，如牛顿的炮弹实验、伽利略的球落入穿过地心的井的实验等等。马赫鼓励这种练习，他相信想象力和创造力的练习是沟通人文与科学的另一种方式：“计划者、空中楼阁的建造者、小说家、社会乌托邦和技术乌托邦的创造者都在做思想实验(Mach1896/1976,p.136)。马赫推崇的思想实验在其所处的

44、时代并未获得多少科学教师的支持。19世纪后期，科学教学法中的想象、假说和创造性思维同当代科学教学法一样没有特色。爱因斯坦将思想实验置于现代物理学的中心，在提到关于自己的学校教育时他做出了如下评论：“对我来说，在通过毕业考试后整整一年的时间里，思考任何科学问题都让我觉得厌恶”；“现代教学方法竟然没有完全扼杀我神圣的探究好奇心，在我看来，这简直就是一个奇迹(SehiIPP19Sl,p.l7),这些评论经常被引用。一些教师按照马赫建议的方式把思想实验引入课堂，这些尝试得到了很好的记载和研究。如果教师能够很好地理解思想实验对科学概念转变的重要作用，并能够坚持运用它来促进课堂概念的转变，那么这会很有成效

45、。目前己经有了对这种关系的充分研究?4。很多人都知道南希内尔塞西安(NanCyNerseSSian)的论文，她写道：“思想实脸是科学家改变其概念结构的主要方式。我认为思想实验是一种基于模型的模拟推理，也就是说，思想实验者通过处理思想实脸叙述者所描述的情形中的精神模型来进行推理。”(NersessianJ993,p.292)适用于科学家的也同样适用于儿童学习科学。马赫就此话题提出：思想实验能使教师知道学生对概念的理解情况。在建构主义之前，马赫很好地认识三有效的教学要求教y市熟悉学生对概念的理解程度。在加拿大安大略省，一些学校课程已经把思想实验与科幻小说中的主题联系起来如果仿生人以某种速率加速，他

46、的脚会熔化吗？(Stinner1990)这类“思维物理学”问题使师生能够确定基本概念，如重力、力、压力等含义并思考概念的适用条件。爱泼斯坦(EPStein)的思维物理学(Epstein1979)是采用这种物理学方法的典型教材，其中有许多诸如下面这样的练习： “苏联第一颗人造地球卫星史普尼克一号返回地球时，因为与外层大气摩擦而减速，当它盘旋着不断接近地球时，观察到的速度应该是减小、不变、还是增大？(Epstein1979,p.l57) “一个多世纪前，麦克斯韦(XCMaxwen)计算得到：如果土星环是从一块金属薄板上切割下来的，那么它们的坚固程度不足以承受土星施加给它们的潮汐张力(或引力梯度张力

47、)，这样它们就会被撕裂。但是，假定土星环是从厚铁板而不是从薄铁板上切割下来的，这两种土星环相比，哪种更易撕裂?还是二者一样？(EPStein1979,p.161)这些练习要求学生思考在描述现象时用到的概念的意义，按照马赫思想实验一书的传统，它们就是思想实验。在进行纯粹的计算或经验实验的“方法书”失败的情况下，这些思想实验成功激发了学习者的兴趣。它们支持马赫的主张：“思想实验不仅对专业研究者有重要作用，对心智发展本身也具有重要作用。”范楞查斯(AthanaSioSVelentzas)和赫利亚(KryStaIliaHalkia)在希腊学校进行了一些思想实验的单元教学和研究。在一个课程案例中，他们要

48、求40位16岁的学生完成牛顿的炮弹思想实验，通过这种方式理解引力和卫星的运动(VelentZaSHalkia2013)o范楞查斯和赫利亚鼓舞人心的部分结论如下：“这个研究过程既帮助学生克服了由于日常经验的影响造成他们对物理学定律的理解障碍，又帮助学生改变了关于地球引力场的观念，同时也帮助学生记住了这些思想，还帮助学生在教学介入两周后把这些思想应用于相同知识领域的新的思想实验中。”(Velentzas&Halkia2013,p.2637)计算机为学校思想实验的开展提供了便利，它解决了口常实验室和学生实验中的一个常规问题，即教师必须完成全部的实验设计和计划(HodSOn1988)。时间有限、不熟悉实验设备、安全等问题造成了学生实验经常被简化为教师预先设计的实验。学习操作技巧、发展观察技能、学会专心致志，这些都很重要，但学生却很难学会概念的、创造性的技巧，而这些恰恰是好的科学课的标志25。计算机能够消除提出假说和检验假说的实际障碍，允许学生