摘要 通过对思想实验作用的历史证明，对教育改革需要思想实验的原因以及如何对学生进行思想实验训练的阐述，试图说明在培养创新型人才的教育教学中需要探究性实验，也需要验证性实验，但是更加需要思想实验。
关键词 思想实验；创新思维；思维训练
中图分类号：G424.31 文献标识码：A 文章编号：1671-489X(2011)18-0003-07
Thought Experiment and Innovation//Ai Lun1, Xing Qiao2
Abstract The role of the history of thought experiment proves education reform is in need and explains how thought experiments should be conducted on the causes，indicating that training creative talent to explore the educational teaching and verify the experiment are both required, but what is particularly necessary is thought experiments.
Key words thought experiment; innovative thinking; thinking training
Author’s address
1 Capital Normal University, Beijing, China 100048
2 China Educational Technology and Equipment, Beijing, China 100081
不久前，笔者曾在本刊登出的《探究性与验证性辨析：改变实验教学视点》一文中提出“提倡探究性实验，反对唯验证性实验”的观点。本文则进一步提出在实验教学中使用“思想实验”的概念，并将通过对什么是思想实验、为什么需要思想实验、怎样使学生学会思想实验等3个方面的阐述，试图说明在以培养创新型人才为总体目标的教育教学中需要探究性实验，也需要验证性实验，但是更加需要思想实验。
1 什么是思想实验
思想实验并非一个新概念，只是在教学上，尤其是在实验教学方面不经常提及，也不使用，所以使得人们对它比较生疏。以下将从思想实验的概念出发，并通过实例对其进行解释和说明。
1.1 思想实验的概念
思想实验是人类按照科学研究的实验过程在头脑中进行的逻辑思维活动，是自然科学家和哲学家经常使用的一种十分有效的研究方法。历史上比较著名的思想实验有伽利略的重力实验、爱因斯坦追逐光线的实验、薛定谔之猫的实验等，这些思想实验在科学技术的发展中起着至关重要的作用。大量史实证明，在科学技术发展的一些关键性时刻，都是科学家通过思想实验的方法得到突破性进展。例如：继文艺复兴之后发展起来的西方自然科学，由伽利略通过思想实验而得出的物体运动规律在日后经典物理学体系的建立中起到奠基的作用；在化学家发现大量化学元素而不能找到一般性规律的时候，门捷列夫通过思想实验建立的元素周期表为人们发现更多的元素指明方向；而当经典物理学遇到困境时，爱因斯坦用思想实验建立起来的相对论理论为物理学的发展开拓出新的路径。
1.2 典型的思想实验
在诸多的思想实验案例中，最具有代表性的应属伽利略的重力试验。古希腊哲学家、思想家、政治家和科学家亚里士多德（公元前384～前322年）一生至少撰写170部著作，其中流传下来的有47部，代表作有《工具论》《物理学》《形而上学》《伦理学》《政治学》等。这个伟人留下的一个遗憾是他在研究物理学时宣布：自由下落的物体，其下落速度与该物体的重量成正比[1]。这一错误结论一直被人们毫无怀疑地接受，而且延续1 900多年。直到1590年，才被意大利科学家伽利略用思想实验的方法将它推翻，并得出正确的结论。
伽利略设想将一重一轻两个物体用一段绳子连在一起，让它们同时自由下落。根据亚里士多德的理论，由于重物下落速度快而轻物下落速度慢，所以两物之间的绳子将被拉紧，于是重物向下拉轻物而使轻物速度加快，轻物向上拉重物而使重物速度减慢。这样就使得两个物体的共同速度介于两物单独下落时各自具有的速度之间，即应该比重物单独下落时的速度慢，而比轻物单独下落时的速度快。但是，当绳子张紧时，相当于将两个物体捆绑在一起，总重量应大于原重物，根据亚里士多德的理论，其下落速度应该比重物单独下落的速度还要快才对。两个结论前后矛盾，所以只能认为自由落体的下落速度与物体的重量无关，即重物与轻物的下落速度相同。历史上伽利略得出这个正确的物理定律完全是通过思想实验实现的，他并没有爬到比萨斜塔上去做坠物实验，也没有必要爬到比萨斜塔上去做这个实验[2]。
伽利略做的另一个非常经典的思想实验是关于惯性定律的。在他之前，人们根据直觉一直认为力是产生物体运动的原因（亚里士多德就是这样认为的），一个小车推它就运动，不推就静止。伽利略利用头脑中的那个理想光滑斜面和小球的运动（中学物理课本中称为“理想实验”）得出结论：力不是产生物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因。这个结论如果使用真实实验去验证，在地球上的任何地方也不能够实现。伽利略的这个科学结论对日后牛顿的经典物理学体系的建立起着决定性作用，牛顿第一定律（惯性定律）和第二定律（f=ma）都是在此基础上建立起来的（1666年）。因此牛顿也承认：“如果说我能看得更远一些，那是因为我站在巨人的肩膀上。”虽然有人认为这是牛顿在与胡克论战时说的讥笑对方个子矮小的话，但笔者宁愿相信他所说的巨人就是伽利略。
伽利略的伟大使得现代科学家爱因斯坦赞到：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。……伽利略这个正确的结论隔了一代以后由牛顿把它写成惯性定律。……伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它，这就是伽利略的发现的重大意义。”（摘自A.爱因斯坦，L.英费尔德普：《物理学的进化》）
1.3 善于运用思想实验是创新型人才所具有的特质
思想实验的最大特点是运用缜密的逻辑思维和推理，这正是西方哲学和自然科学发展的基础和动力。在科学技术发展的历史中，有大量创新型的人才推动了它的前进，而这些人才都非常善于运用思想实验。所以，善于运用思想实验应该是创新型人才所共同具有的特殊品质。人们已经清楚地认识到这样一个逻辑关系：中国崛起需要有先进的科学技术，科学技术的发展要求有大量创新型的人才，创新型人才的培养依赖于教育教学的改革，而现行的教育教学就将培养创新型人才当作改革的总体目标。创新型人才的培养需要推行素质教育，素质教育就是“德育为先、能力为重”和“以人为本”的教育。笔者认为，在各种能力的培养和教育中，思想实验的能力应该加以重视，甚至应该放在各种能力的首位。目前人们开始关注学校中实验教学的改革，开始大力提倡探究性实验教学。笔者认为有必要重申：我们需要探究性实验，也需要验证性实验，但同时需要重视思想实验的训练。
2 为什么需要思想实验
使用思想实验是创新精神与创新思维的具体体现，善于运用思想实验是创新型人才所具有的特质。为了能够将思想实验在创新型人才培养上的重要作用阐述清楚，本文拟从中西方文化对比、西方文化对西方科技发展的贡献、日本全盘西化的案例、中国传统文化对现代科技发展的作用等几个方面进行论述。以下叙述的逻辑关系为：西方的文化造就了西方的科学技术；掌握西方科技需要像日本一样同时继承西方的文化；西方科学技术发展到今天遇到了不能解决的问题，从而需要依赖中国传统文化的理解；在不放弃中国传统文化的条件下要彻底掌握西方科技的精髓应该采取新的策略；培养善于思想实验的能力有可能成为有效的策略之一。
2.1 东西方的文化与科技
人们普遍认为，文化具有强烈的民族性，而科学技术不具有民族性。也就是说文化有中西方之分，有中国哲学和西方哲学，有中国艺术和西方艺术，有中国文学和西方文学，但是没有中国科学和西方科学的说法。例如，不能说有中国物理学和西方物理学，也不能说有中国化学和西方化学，等等。笔者认为，现在学习和应用的科学技术其实都是来自西方的，之所以认为科学技术没有民族性是因为对它欣然接受而不加以区分，不像对西方的文化，或基本抵触（如西方宗教），或有选择接受（如西方文学），或仅限于交流（如西方艺术）。
在历史上，中国确实辉煌过，但是西方在14～16世纪的文艺复兴以后，科学技术迅速发展，而1543年（中国明代嘉靖二十二年）被人们认为是近现代科技起步的标志性一年。在这一年里发生两件科学界的大事，一是波兰人尼古拉·哥白尼的《天体运行论》正式出版，为近代物理学发展奠定基础；二是比利时医学家A.维萨里的《人体的结构》出版，从而创立近代人体解剖学。此后西方科学技术日新月异，众多大国纷纷崛起，经济腾飞。想一想现在学习和应用的科学技术，几乎所有定律和概念的名称都沿用西方的名字。其实，正是西方的文化造就了西方的科学技术，西方科技也就是在西方文化发展的基础上发展起来的。
中西方由于文化的不同也造成中西方人心理和思维方式上的巨大差异。北京大学心理学系的侯玉波副教授在国家图书馆举办的“文津讲坛”（2009年）上作了题为“东西方思维差异的理论与实践基础”的报告。报告中讲述了他们从20世纪90年代开始在中西方人心理和思维方式的差异方面作出的研究成果，并介绍通过一个名为“棒框实验”的心理学实验，证明中国人具有典型的场依存型特征，而西方人具有典型的场独立型特征。
在这个著名的心理实验中，被试进入一个全黑的房间，房间里有一个可以改变放置角度的发光方框，被试手中则握着一个发光的短棒，并且要求将短棒保持与地面垂直的状态。奇迹出现了，几乎所有被试中国人手中短棒的方向都与发光方框的倾斜方向有关，他们总要根据方框放置的角度来确定手中短棒的方向——这种依赖参照物来判断和决定事物的心理特征称为场依存型；同时，几乎所有西方人手中的短棒都能够保持与垂直地面，而与方框是否倾斜无关，他们不去关心那个参照物——这种不依赖参照物来判断和决定事物的心理特征就称为场独立型。
在认识事物的思维取向方面，场独立型的西方人认为：如果了解了一个事物的某些局部，就能够了解该事物的全局（称结构主义或建构主义）。所以他们善于对事物做分析型的逻辑推理和判断，近现代的西方科学就是在这样的思维方式下产生和发展起来的。而场依存型的中国人具有完全相反的认识，盲人摸象的故事强调了人们想通过了解大象的局部而掌握整个大象的情况是不可能的，“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。所以中国人善于对事物做总体的综合判断——这种思维方式有可能成为近现代西方式的自然科学产生和发展的阻力，而保留下像中医药这样的中国式的古老科学。美籍华人杨振宁先生于2004年9月3日在人民大会堂举行的“2004文化高峰论坛”上所做题为“《易经》对中华文化的影响”的报告，也反映了这个问题。产生这一现象的原因看来应该是中西方具有不同的文化，其他原因则可能性极小，因为历史的发展结果是必然和偶然的统一，偶然出现的个别历史事件是无法改变必然的历史规律的。
综上所述，笔者认为西方的文化造就西方人的心理特征、思维方式，这样的思维方式下产生近现代的西方自然科学，而现代的社会科学也是在这样的自然科学基础上产生和发展起来的。20世纪50～60年代，英国科学史学家约瑟夫•尼德汉姆通过研究发现这样一个现象：中国人比西方人早1 500年认识到场、远程作用力等概念，但是以这些概念为基础的近现代科学却是在西方建立的。于是约瑟夫提出耐人寻味的问题：为什么工业化没有在近代中国实现？这个现象被心理学家称为“约瑟夫之谜”或“尼德汉姆难题”。
同样得到人们关注的还有一个诺贝尔奖得主的问题。有人统计，自1901年开始颁发诺贝尔奖到2009年，世界上曾获过奖的国家和地区共有50多个。其中诺贝尔奖得主最多的国家是美国（313人），其次依次是英国（104人）、德国（80人）、法国（51人）、瑞典（29人）等。日本排在第9位，有该奖项得主14人，而中国大陆地区的诺贝尔奖得主数量为0。
这些现象与中西方文化差异是有必然联系的，笔者认为正是西方的文化促成西方近代科学的产生，而西方近代科学的发展推动西方工业化的实现。就是说，达·芬奇的文化创新造就了伽利略和牛顿的科学发现，而牛顿和莱布尼兹的科学创新又促进了瓦特的技术发明。
2.2 学习西方科学技术的典型
日本堪称学习近现代西方自然科学技术的典型和最成功的国度。英国伟大的史学家和科幻小说家韦尔斯在他的《世界史纲》一书中这样描述日本这个国家：“不管日本人的起源是什么，但他们的文明、书法和文学艺术传统无疑是从中国人那里得来的。……在全部人类历史上从没有一个国家像日本当时那样的大踏步前进过。1866年，它还是一个中世纪的民族，是一幅极端浪漫的封建制度的古怪的漫画；1899年，它已是一个完全西方化了的民族，同最先进的欧洲列强立于同等水平上，并且比俄国还先进得多。”日本历史上经历两次重大的社会和文化变革，一次是公元646年的大化改新，就是韦尔斯前段话描写的内容；另一次则是公元1868年的明治维新，就是韦尔斯后段话描写的情况。大化改新是全面学习和效仿中国唐代的“唐化”过程，而明治维新则是全面学习和效仿西方的“西化”过程。日本民族的全盘唐化使得他们具有中国古代的建筑和服饰等特点，而且使用中国的汉字；日本民族的全盘西化则提出“脱亚入欧”的口号和目标，彻底引进西方的科学技术和文化。
之所以说“在全部人类历史上从没有一个国家像日本当时那样的大踏步前进过”的话，是因为在全部人类历史上从没有一个国家像日本当时那样从文化开始全面彻底地去学习效仿别人。据说，日本在明治维新初期也曾派考察团到中国上海进行实地考察，当他们看到租界的西方人与中国人在精神、工作、生活等方面的巨大差别时，他们断然决定不再学习中国而转向学习西方，正是对西方工业生产和经济发展的考察，让日本感到“始惊，次醉，终狂”，开始全盘西化的过程[3]。
2.3 中国传统文化的优势
中世纪，日本与中国、印度等亚洲国家一样都是闭关锁国的国度，中国（1840年鸦片战争）和印度（1600年英国东印度公司建立）比日本（1853年黑船事件）较早地被西方列强敲开大门，但是由于中国和印度这两个古老的东方文明古国有着自己几千年的文化，根深蒂固的文化精神使它们没有被完全西方化。尤其是中国，自古有这样的传统：当一个外来民族征服它的国土时，对其人民的文化却总也无法进行改造，反而是被这种汉文化所同化，实施对汉文化的学习、继承、发扬、光大，蒙古人建立的元朝和满人建立的清朝都是这样的一个过程。中国这种固守自己传统文化的特点有利有弊，它绝不会像日本一样“脱亚入欧”地全盘西化，因此也就有可能不会更加深层次地学习和掌握西方科学技术的精髓。但是，中国的传统文化却在“后现代”科学技术的发展中起着积极的作用。
中国的传统文化对学习和掌握近代和现代的西方科技不利，却推动着“后现代”科技的发展。西方科学之路的特点在于力图将复杂问题简单化，例如：对复杂的物体运动过程，牛顿用简单的动力学定律表达式f=ma（力=质量×加速度）来描述；对复杂的物质世界，爱因斯坦用简单的质能关系式E=mc2（能量=质量×光速的平方）来描述；对复杂的宇宙塌缩，霍金认为黑洞的存在是对其验证[4]，而黑洞现象则可用简单的黑洞公式S=(Akc3)/(4hG)[黑洞的熵=（黑洞事件视界面积×波尔兹曼常数×光速的3次方）/（4×普朗克常量×牛顿万有引力常数）]来描述。对太阳系的认识，也经历了逐渐走向简单化的过程。按照运动的相对性观点，人们可以将研究太阳系行星运动规律的坐标原点放在任何位置。但是如果放在地球上，即以地球为中心，则描述各个星体运行轨迹的方程将十分复杂；如果将坐标原点放在月球上将更加复杂。哥白尼将坐标原点放到太阳上，即太阳中心论，得到的运动轨迹方程变得十分简单，于是他成功了。对于复杂的社会问题，西方人也是采取这样的方式，用简单的数学描述，从而产生社会科学，如社会学、法学、经济学、管理学等。
随着社会的发展，复杂性（Complexity）问题和复杂系统问题不断涌现，这些问题迫使人们一改以前将复杂问题简单化的思维范式，而复杂性范式逐渐兴起。关于复杂性的研究目前已经扩展到这些领域：应用数学、数字分析、近似理论、代数方程系统、微分方程、最优化、控制理论、决策理论、实验设计、分布计算、景象和图象理解、信息理论、预测和估算、地球物理学、统计学、经济学等。强调简单性的科学正在遇到越来越大的挑战，简单性思维方式暴露出越来越大的局限性[5]。因为近代和现代科学是建立在简单性思维范式基础上的，所以本文中暂且称复杂性科学为“后现代”科学。研究复杂系统成为复杂性科学的主要问题，而复杂系统具有整体性、非线性、自组织、混沌等特点，其中整体性的表现是非常突出的[6]。人们在研究复杂系统时采取的思维方式不再是西方的分析性、简单性范式，而开始使用东方的整体性、复杂性范式。这就像中西医对待人体的态度：西医建筑在解剖学基础上，认为人体是由各个可分解的部分组成；中医则认为人体是一个不可分割的整体，是一个小宇宙。中国传统文化对于认识和研究复杂系统具有绝对优势，使得越来越多的西方学者开始关注和学习中国的传统文化，老子的思想方法被人们重新加以重视，世界各地纷纷建立孔子学院。“后现代”科学的发展表明，不仅不能放弃中国的传统文化，还应该将其发扬光大。
2.4 思想实验能力的必要性
作为中国的教育，如何既不放弃中国传统文化，又要掌握在西方文化基础上建立起来的西方科技的精髓，培养出创新型人才来，这是一个值得认真思考的问题，应该采取一种可行的策略解决这个矛盾。中国的有识之士不少，方法一定也很多，但笔者认为有意识地培养学生善于思想实验的能力有可能成为最有效的策略之一。
人们认识理解事物的方式有逻辑的也有非逻辑的，西方人善于采用严格逻辑式的思维方式分析和处理问题。亚里士多德在公元前4世纪就首创了逻辑学，提出形式逻辑的三段论。他的逻辑学2 000多年来一直是构成欧洲哲学统一性的基础，也就成为西方文化的基础。被称为“现代哲学之父”的笛卡尔在他的《方法论》一书中（该书被王太庆译为《谈谈方法》），将推理过程中运用的逻辑思维表现得淋漓尽致[7]。他用清晰的逻辑推理过程证明著名的哲学论断“我思故我在”，而他在自然科学方面的贡献也不容小觑，时至今日人们在数学上使用的直角坐标系还被称为笛卡尔坐标系。
思想实验恰恰就是利用严格的逻辑关系在头脑中进行一问一答式的推理，从而解决科学技术中的一些问题，于是才有了创新的可能。2006年，杨振宁先生在北京大学与学生对话，当谈到他所获得的诺贝尔奖时不无幽默地说：记者问我怎么做研究，我说我是做理论物理研究的，基本上不在实验室做实验，而是靠思考问题；记者问我在什么时间思考问题，我说我是在早上刷牙的时候思考。人们天天都要刷牙，刷牙时也都在想问题。人们普遍认为，思想是客观事物在头脑中的反映，但是正确的思想、创新的思维只产生在善于做思想实验的头脑中。杨振宁先生在这次对话中还说到自己是一个中国传统文化的捍卫者。他对西方科学技术的掌握，他的成功应该具备许多条件，但善于做思想实验显然为他的成功创造了更多的机会。众多科学与技术研究者成功的创新性成果说明思想实验的重要作用，在培养创新型人才的教育教学活动中，提高学生善于思想实验能力的必要性显而易见。
3 怎样使学生学会思想实验
善于做思想实验是一种能力的表现，能力是隐性知识，与显性知识不一样，单靠读几本书听几节课是不能获得和掌握的。这就像机动车驾驶能力，靠听课和看书永远学不会开车，必须实际操作、亲手驾驶才能掌握要领、获得能力。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中关于教育问题再次明确提出要“德育为先、能力为重”和“育人为本”。能力为重就是要注重提高各种能力，而善于思想实验的能力在众多能力中应该特别加以重视，因为它是创新型人才所具有的特质，而且又是以前教学中所欠缺的。但正是由于人们以前很少关注和重视它在教学中的作用，所以相关的研究和文献并不多见。
北京大学法学院的凌斌在《思想实验及其法学启迪》一文中对思想实验做了深入的研究。他认为思想实验具有3个基本要素：1）工作假说；2）实验场景；3）逻辑推理。下面就按照这样一个要素顺序，对如何在日常教学中让学生进行思想实验训练加以说明。需要特别强调的是，作为隐性知识的思想实验能力是不可能通过看完下面的文本描述就能够掌握的，而必须通过实操来实现。对于“能力本位”课程内容的教学，人们提出过许多针对性的教学策略，如师徒制教学策略、案例式教学策略、反思式教学策略、程序化规范式操作教学策略等，对思想实验的训练方法可以采用这些教学策略。
3.1 提出工作假说
提出工作假说是进行思想实验的第一要素，而怀疑的态度与批判性思维是提出工作假说的前提。人们一直是通过眼耳鼻舌身等感官获取信息的，所以在教学中喜欢强调对人的感官刺激，特别是像多媒体教学这样依赖媒体技术的教学受到人们的推崇。但是，通过感官获得的仅是感性的直接经验，并非一定是真理，亚里士多德的错误就是由于当时的人们受感性经验的蒙蔽而造成的。正确的思想不是客观世界在人头脑中的直接反映，而是人们通过逻辑思维得出的。人的感觉器官不能感知原子的存在，元素周期表的建立是门捷列夫头脑中思想的结果；人的感觉器官也不能感知远程力的存在，万有引力定律是牛顿通过思维得出来的；同样，人的感觉器官不能感知宇宙150亿年前的情况，宇宙大爆炸理论是霍金的思辨结果。“耳听为虚，眼见为实”，人的感觉器官中以视觉感觉到的事物应该是最为真切的。但是，心理学研究发现视觉的错觉种类很多，比如赫尔姆霍茨的形状错觉、赫夫勒和黑林的方向错觉、爱宾浩斯的方向错觉和对比错觉、奥尔比逊的形状错觉、桑德的长度错觉等[8]。视觉造成的错觉尚且如此之多，其他感觉器官给人们对事物的反映其真实性就可想而知了。
建构主义认为人获得知识的过程是“同化”与“顺应”，其中同化就是强调外部事物对人的刺激－反应。但是，能够正确地同化是有条件的，它要求人的思维与外部事物之间必须是“逻辑同构”的，即人主观认知的结构与外部客观事物的结构必须一一对应。同时在认知过程中还要求满足“实践同构”，即认知实践不能出现偏差。单凭人的感觉器官不能够保证同化的逻辑同构与实践同构，所以对感性经验提供给人们的规律性结论常应该采取怀疑的态度和批判性的思维，也只有这样才可能有创新。
对于一个凭经验得出的结论，首先应该采取怀疑的态度，如果它确实存有疑点，就要对它进行思想上的批判，并认为它是错误地描述了事物的规律，而正确的结论应该是另外一个样子，即建立一个工作假说。这里存在一个佯谬，在发现别人凭经验得出结论的疑点和建立假说时，恰恰又是在凭借自己的经验。这似乎是一个悖论，但正好说明人在认识事物时的偏差，同化的过程依赖逻辑同构与实践同构。从方法论的角度讲，凭经验得出结论和凭经验建立工作假说都是在采用演绎法，其结果必然具有多样性。但是哪个结论有可能是正确的，则需要通过后面严密的逻辑分析和推理判断。同时，也正是这种演绎的多样性，给人们提供了创新的机会。
在提出工作假说阶段，学生因为较少保守、善于怀疑、勇于批判，所以具有优势；但由于阅历较浅、缺乏经验，对确定疑点和建立假说不利。此时教师应该发挥其在这方面的优势，鼓励学生置疑，帮助建立假设，使得提出工作假说阶段能够顺利进行。
3.2 建立实验场景
实验场景，就是在人头脑中建立的一个实验环境（当然也可以画在图纸上），其中有完成实验所具备的一切设备和条件，但这个环境是虚构的、理想化的，却又是符合实际的，在条件具备时则有可能实现。建立实验场景同样是一个与经验有关的过程。一个人做过的所谓“验证性”实验较多，则其在这方面积累的经验就越丰富，所以决不能小觑验证性实验的作用。爱因斯坦认为，“毫无疑问，我们不是光靠想就了解了自然……思想实验的原料是经验。”[9]经验多了，就能够在头脑中比较容易地建立起一个理想化的实验场景。除了丰富的经验和常识以外，因为虚拟的实验场景还有一些不同于真实实验或真实实验无法达到的条件，所以还必须有一定理想条件的想象力。这个想象能力也正是此阶段对学生进行训练的重点。
建立实验场景是在头脑中从事一个实践活动，它依赖经验但又不能仅凭经验，还有理论思想的作用。对于科技创新，存在思想与实践的顺序关系，其中技术创新过程是创新发明，其顺序必然是先有设计思想然后进行设计实践，或者说基本上都是先有图纸然后施工。而科学创新过程则是创新发现，其顺序可以先实践后思想，也可以先思想后实践，但是后者的成本要远低于前者。这是因为技术发明是个演绎过程，成果具有多样性；科学发现过程是一个归纳过程，成果具有唯一性。归纳过程是要在众多复杂的特殊性事物中找出一般性的规律，在实验室中从事没有正确思想指导的无穷多次改变变量参数的实践，一定不会比先建立正确思想尔后实践的实验具有更多的成功机会。在众多进行同样研究的人们中，诺贝尔奖得主正是因此而抢先得到创新发现，所以成功。
在建立实验场景阶段，为了提高对理想条件的想象能力，可让学生做更多的思维训练，这些训练在平时的实验教学时就能够进行。如在进行一个验证性实验教学前，先让学生思考实验环境应该如何搭建，相互讨论、教师补充，然后才来做真实实验。而探究性实验本身就是对实验过程与实验方法的探究，让学生自主完成探究过程，对建立思想实验场景也是一个很好的训练手段。每个实验进行完后，在学生填写的实验报告书上可以设计一些具有启发性的问题，如：这个实验有哪些缺点？如何对实验进行改造，使其效果更明显或数据更精确？请你设计一个与此实验不同的实验环境，并能达到同样或更好的效果。
3.3 进行逻辑推理
进行逻辑推理的过程是在提出工作假说、建立实验场景后最关键也是最精彩的阶段。能否进行合理缜密的逻辑推理正是培养学生进行思想实验的核心所在。科学技术中的思想实验一般应为“理想型思想实验”（除此之外还有“前事实型”与“后事实型”思想实验）[9]，使用的方法有“构建”法、“例证”法以及“破除”法。构建法是做综合，如爱因斯坦追光线的实验；例证法是做实证，如薛定谔之猫的实验；破除法是做证伪，如伽利略的落体实验。所有这些方法都是在头脑中做自问自答式的一步步逻辑推理，推导过程并非当时就有正确的结论，而是要反复进行、随时思考，就像是杨振宁先生在刷牙时所为。
基础教育的教学，甚至普通高校的教学除一些特殊专业外，一般都不开设形式逻辑课程，做逻辑思维训练的机会并不多，凭感觉去做事是中国文化影响的特点。中国古代的孔子和西方古希腊的苏格拉底基本属于同时代的人（公元前5世纪），他们二人都是哲学家与教育家，孔子被称为东方的苏格拉底，而苏格拉底则被称为西方的孔子。但是，通过下面两个典型的实例可以看出，两人的教学模式都是采用对话式和案例式，但思维方式和论证方法是截然不同的，孔子更注重感觉，而苏格拉底更注重逻辑。
先看孔子的例子。《论语》中记载了孔子与学生宰予关于守孝问题的对话（《论语》阳货篇第十七）。学生宰予是个喜欢思辨、批判和逻辑思维的人，对父母去世守孝三年的问题向孔子发问。宰予说：“服丧三年，时间太长了。君子三年不讲究礼仪，礼仪必然败坏；三年不演奏音乐，音乐就会荒废。旧谷吃完，新谷登场，钻燧取火的木头轮过了一遍，有一年的时间就可以了。”孔子说：“才一年的时间，你就吃开了大米饭，穿起了锦缎衣，你心安吗？”宰予说：“我心安。”孔子说：“你心安，你就那样去做吧！君子守丧，吃美味不觉得香甜，听音乐不觉得快乐，住在家里不觉得舒服，所以不那样做。如今你既觉得心安，你就那样去做吧！”宰予出去后，孔子说：“宰予真是不仁啊！小孩生下来，到三岁时才能离开父母的怀抱。服丧三年，这是天下通行的丧礼。难道宰予对他的父母没有三年的爱吗？”
再看苏格拉底的例子[10]。苏格拉底与一位学生讨论道德问题。苏格拉底问这位学生：“为什么要做有道德的人？”学生回答：“做人要忠诚老实，不能欺骗人，这是大家都公认的道德行为。”苏格拉底问：“和敌人交战时，为了战胜敌人，欺骗和迷惑敌人是不是道德的呢？”学生回答：“欺骗敌人可以，欺骗自己人就不道德了。”苏格拉底问：“我军被包围时为了鼓舞士气，欺骗士兵说援军马上到，是不道德的吗？”学生回答：“战争情况是一种特殊的情况，日常生活中不能欺骗。”苏格拉底问：“在日常生活中，儿子生病了，父亲为了让儿子吃药欺骗说这不是药，这种欺骗不道德吗？”学生说：“这种欺骗是符合道德的。”苏格拉底又问：“不骗人是道德的，骗人也是道德的，那么什么才是道德呢？”学生糊涂了。苏格拉底说：“道德在不同的语境中有着不同的含义，不存在任何一成不变的道德概念。”
两个例子都是用对话方式谈论道德问题，孔子用感觉（情感）来论证道德的必要性，而苏格拉底则用逻辑推理来论证道德的存在条件。两位人文巨匠的态度代表着东西方处理问题的方式，一个多于感性，另一个则多于理性。在常态教学中加强理性的逻辑推导是十分重要的，教师在讲授“是什么”时一定要提出或由学生提出“为什么是”的问题，不仅要置疑，还要设疑。实验教学中可不断提出“为什么这样设计实验过程”“为什么这样采集数据”“为什么使用这样的设备”等问题，并让学生进行逻辑上的推理，这些都可以在实验准备阶段和填写实验报告时有意识地进行。培养缜密的逻辑推理能力未必只有开设形式逻辑课程才能实现，基础教育和高等教育阶段的所有课程教学都蕴含着理性思维的内容和方法，只要注重这种思维训练就是了，其实任何一门课程都可以同时是逻辑课程。
一个人所以是中国人而不是外国人，不在于他的血统而主要是他的文化。中国几千年的文化传统在国人身上的作用是根深蒂固的。思想实验是创新型人才的特质，有意识地培养善于思想实验的能力对于中国学生尤为重要，同时也尤为困难。本文只想说明，为培养创新型人才而采取思想实验能力训练是一种可行的策略。
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