虚拟实验何以用于教授思想实验——基于科学思想史与认知具身观点的理论分析.pdf
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1、面对百年未有之大变局,举国上下对科技创新给予前所未有之关注,科学教育必将迎来新的春天。“实验”的概念无论在科学实践还是在哲学思考中都占据着重要地位,因此也被赋予了在科学课堂中促进学生思维发展的厚望。理解科学实验是学习科学的基础。科学实验分为两种基本类型:物质实验和思想实验。物质实验是在现实世界中展开的,而思想实验则是在头脑中展开。二者对科学进步具有同等重要的作用,因此在科学教育中也必然具有同样重要的地位。但长期以来,科学教育对物质实验的重视远大于对思想实验的重视。其中很重要的原因在于,物质实验很容易在科学课堂中呈现,而思想实验则不然。随着虚拟仿真和计算建模技术的快速发展,虚拟实验也快速崛起,这
2、为其在科学课堂中教授思想实验提供了新的可能。一、科学研究进程中思想实验和物质实验的历史分野与认识论溯源1.思想实验和物质实验在科学研究进程中的历史分野自哥白尼革命以来,科学逐渐形成了以实验发现和数学建模为主要方法的研究范式。在这一过程中,技术发明起到了重要作用,促使思想实验和物质实验不断分化。1543 年,哥白尼(NicolausCopernicus)在临终前发表了天球运行论,揭开了近代科学革命的序幕。哥白尼的日心说更多是靠哲学思辨和数学方法,而非通过仔细观察和实验提出的。“地球围绕太阳转动”的观点更多是出于数学方面构建的便利性,而非物质世界的实然(罗伯特S.韦斯特曼,2020)。科学之父伽利
3、略(GalileoGalilei)善于把技术工具用于科学研究。他设计了虚拟实验何以用于教授思想实验基于科学思想史与认知具身观点的理论分析郑旭东张金胜摘要:物质实验在现实世界中展开,思想实验则在头脑中展开,二者共同构成了科学实验的两种基本类型,其历史分野背后展现的是经验论和唯理论这两种不同的认识论立场,以及由此导致的两者之间对立与统一的辩证关系。基于认知的具身观点,思想实验可分为描述或想象意象世界、模拟操作意象、根据想象的现象形成结论三个相互联系的认知过程,它是具身直觉系统中感性与知性的统一。以计算建模和虚拟仿真技术为基础的虚拟实验的快速崛起,有助于构建一种“人机”融合的具身系统,并将其中的意象
4、、心理模拟和想象结果外化为感知觉信号,其最大优势不是模拟物质实验,而是教授思想实验。作为一种具身直觉工具,虚拟实验被用于教授思想实验时,应采取实验场景生活化、实验材料意象化、参数控制自主化、操作体验具身化、实验结果直观化等策略,以提升应用效果。关键词:虚拟实验;思想实验;具身认知;认知机制;设计原则中图分类号:G434 文献标识码:A文章编号:1009-5195(2024)01-0029-10 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2024.01.004基金项目:华中师范大学国家教师发展协同创新实验基地建设研究项目“面向人工智能教育的教师研训模式构建”(CCNUTEI 202
5、1-15);华中师范大学国家教师发展协同创新实验基地建设研究项目“人工智能教学学术共同体构建与实践”(CCNUTEI 2022-04)。作者简介:郑旭东,博士,教授,博士生导师,华中师范大学国家智能社会治理实验基地(教育)(湖北武汉430079);张金胜,硕士研究生,华中师范大学人工智能教育学部(湖北武汉430079)。郑旭东,张金胜虚拟实验何以用于教授思想实验现代远程教育研究,2024,36(1)理论经纬.29当时最高倍数的望远镜,从而发现了符合日心说的证据尽管在这之前,他就因崇尚日心说理论上的简洁与数学上的和谐而支持它(伊拉卡托斯,1978),由此开创了使用实验对自然进行研究的科学新道路。
6、但在伽利略时代,思想实验和物质实验往往是混杂在一起的。牛 顿(Isaac Newton)在 伽 利 略、开 普 勒(Johannes Kepler)等人的基础上建立了完整的经典力学体系,建构起美轮美奂的科学大厦,完成了从哥白尼开始的近代科学革命。牛顿的工作受到了康德(Immanuel Kant)和拉普拉斯(Pierre-SimonLaplace)的推崇。他们分别从哲学和科学层面推广和发展了牛顿的主要方法将数学推理和物质实验相结合。自此,将数学方法与物质实验相结合成为科学界普遍效仿和推崇的基本方法。在对牛顿的追随中,大部分科学家忽略了牛顿同样擅长思想实验方法。后来拉普拉斯在科学界逐步占据了主导地
7、位,由此人类掌控、拷问自然成为理所当然的科学方法。自此物质实验走向前台,思想实验退居幕后,并最终与物质实验分道扬镳。19世纪被称为“科学世纪”,也是物质实验取得巨大成功的世纪。借助物质实验和数学方法,科学界相继确立了能量守恒定律、统一的电磁理论、原子分子理论、元素周期律、生物进化论等基本理论。严格地说,这一时期的物理学基本上是一门实验科学(彼得 伽里森,2017)。在19世纪行将结束之际,迈克尔逊(Albert Abraham Michelson)认为科学理论和原则已经“牢固确立”,剩下的工作就是更加严格和精确地遵循这些原则,因此他推崇精密测量和实验,并认为“物理学未来的真理要在小数点后六位寻
8、找”(Millikan,1939)。然而,正是迈克尔逊和莫雷(Edward Morey)的光速测量实验给科学界带来了“令人不安的乌云”。十几年后,相对论和量子力学迅速发展起来,永久改变了人们对时间、空间、质量和能量等基本概念的理解。当越来越多与经典时空观和基本物理理论相悖的实验结果出现时,连最伟大的科学巨匠也陷入思想的混乱,他们不得不陷入“观测结果的迷阵并作战术性进攻”(杨振宁等,1991)。随着研究对象向宏观和微观两个方向发展,物理学进入了量子力学和相对论的时代。这时物质实验不能直接获得要观测的结果,观测的仅是理论上有关系的可观测物理量。更重要的是,被局限的物质实验仅仅提供了数据结果,如何理
9、解它则需要理论。“观察渗透着理论”这一最基本的科学方法论原则在 20 世纪最终为科学哲学家汉森(NorwoodRussell Hanson)所明确揭示(曾国屏等,2005)。在既有逻辑体系无法解释实验现象时,科学家不得不使用一些大胆的、模糊不清的想法,借助数量繁多而精彩的思想实验打开突破口。例如,爱因斯坦追光实验、薛定谔的猫等就属于经典的思想实验。正是在这一时期,专业的理论物理学家开始出现,思想实验在科学界受到了前所未有的重视。20世纪30年代以后,大科学的崛起让科学家再不能仅通过朴素的逻辑对实验现象进行解释,也几乎不可能有人同时是经验丰富的实验者和卓有洞见的理论家。理论科学家和实验科学家渐次
10、形成两个不同阵营,理论方法(包括思想实验等方法)和实验方法之间的关系变得更加复杂并充满张力。科学哲学家布朗(James Robert Brown)把思想实验划分为三种类型破坏性的、建设性的和柏拉图式的(Brown,2011)。其中,破坏性的思想实验的目的在于毁灭一种理论,或至少提出这种理论存在的严重问题。“薛定谔的猫”就属于一个典型的破坏性的思想实验。建设性的思想实验则是在想象中建立某种实验现象,这种实验现象可以作为某种理论成立相当确凿的证据。“麦克斯韦妖”就是一个典型的建设性的思想实验。布朗把兼具破坏性和建设性的思想实验称为柏拉图式的思想实验。它是先验的,既不基于任何新的经验证据,也不仅仅是
11、从旧数据中逻辑地推导出来,因此得到的理论要好于先前的理论。伽利略的自由落体实验就是其典型。和物质实验相比,思想实验的优越性主要体现在三个方面:一是洞察力的提升。与从思想实验中获得的洞察力相比,物质实验不会带来洞察力的提升。二是可负担性。执行一个物质实验花费的成本太高,且执行起来很不方便,而思想实验只用动动脑子就可以了,成本很低,执行起来也很方便。三是可执行性。很多物质实验因条件所限无法实际执行,而思想实验因仅限于心理操作而都可执行。2.在认识论溯源中把握思想实验和物质实验的对立统一尽管思想实验在科学史上屡放异彩,但有学者认为,思想实验是过去科学技术条件下的产物,由于处理大量非线性关系数据的需求
12、日益增长和计算郑旭东,张金胜虚拟实验何以用于教授思想实验现代远程教育研究,2024,36(1)理论经纬.30郑旭东,张金胜虚拟实验何以用于教授思想实验现代远程教育研究,2024,36(1)理论经纬机模拟技术的不断发展,思想实验已远离科学实践(Frappier et al.,2013)。事实上,这是错误的。有必要从认识论的高度出发对思想实验追根溯源。唯有如此,方能正本清源,澄清各种错误认识。事实上,在思想实验于科学发展进程中起起伏伏的历史命运背后潜藏着两种截然不同的认识论传统。在科学哲学领域,以诺顿(John D.Norton)为代表的经验论派别和以布朗为代表的先验论派别就思想实验的本质展开了旷
13、日持久的争论,推动着人们对思想实验的认识不断深化。一般认为,奥地利物理学家和哲学家马赫(Ernst Mach)最先提出了“思想实验”一词。他认为思想实验的基础是我们长期经验和遗传的直觉(或本能)。思想实验虽然是在心灵中完成的实验,但离不开最基本的感官体验。因此,马赫认为不存在所谓的先验的认识方法,他使用“本能”(Instinct)来描述思想实验的认知资源(恩斯特 马赫,2007)。诺顿更进一步,认为思想实验与物质实验不存在明显界限,他甚至认为思想实验可以被还原为一组经验化的论据推理过程(Norton,2004)。这种观点尽管揭示了思想实验的经验源头,但却忽视了思想实验的思想特征,且抹煞了物质实
14、验和思想实验之间的区别。布朗则从柏拉图主义出发,认为思想实验是认识先验知识的工具。在布朗看来,思想实验不依赖具体感官经验,却产生了对世界的新认识(Brown,2011)。这种观点揭示了思想实验的独特性,但却没有看到思想实验的经验基础。上述争论的焦点看似仅与思想实验有关,但实质上涉及的是思想实验和物质实验之间的关系。这一争论可以被总结为以下两个相互关联的问题:第一,思想实验没有新的感官经验输入,它是如何得出可用于解释客观世界的规律的?难道是仅凭臆想吗?第二,物质实验只是得到了世界的感官经验,它又是如何形成指导思维世界的法则的?这种法则的真理性是如何得到保证的?经验与理性之间的对立与统一这一古老的
15、认识论问题再次浮出水面。历史上,培根(Francis Bacon)曾对技术控制和科学研究的关系提出了经验论的观点。他认为技术控制越好,对自然的理解也就越强。在培根眼中,实验不仅仅是观察,而是利用人类掌握的技术对自然进行约束和审问,改变自然物原始的条件和状态,使其变得不自然。人们正是通过“拷问”自然获得对自然的理解。随着科学革命和技术的发展,人类“拷问”自然的能力也随之增强。尽管实验方法的经验论解释得到了广泛认可,但却忽视了数学和逻辑的重要性,因此亦难以解释具体的自然现象是如何上升到抽象的科学理论的。与培根不同,唯理论的先驱笛卡尔(Ren Descartes)则强调人的逻辑和理性对世界的支配地位
16、。他将人的理智的两种操作“直观”与“演绎”作为达到科学知识的两条最确定道路(李猛,2016)。经验只有被理智充分把握,才能避免产生错误。因此,科学方法的关键在于如何充分运用人的心智。这为数学方法和逻辑思辨在科学研究领域中共同有所作为留下了广阔空间。培根的经验主义和笛卡尔的理性主义分别成为物质实验和思想实验的认识论渊薮,并最终造成了物质实验和思想实验的分道扬镳。思想实验没有外界经验的输入,进行的操作是心理模拟,天然带有缺乏直观经验的特征。如果缺乏和否认感性材料,思想实验就会走向独断,这也是唯理论不可避免的历史归宿。物质实验如果囿于单纯的感性经验,只能陷入对知识的怀疑,一如所有经验论者最终都会堕入
17、不可知论的彀中。正如康德指出的那样:“知性不能直观,感官不能思维,只有从它们的互相结合中才能产生出知识”(康德,2017)。只靠经验或只靠理性,都不能全面认识这个世界。著名的休谟难题揭示了:纯粹的经验主义必然会导致怀疑论,最终陷入不可知论。同样,纯粹的理性主义必然会带来独断论的虚妄。事实上,思想实验虽然是在逻辑和心理中模拟的,但其能够认识世界的关键在于结合感性经验;而物质实验虽然只是得到了世界的感官经验,但它认识世界必须依靠理智和逻辑。对于科学而言,思想实验和物质实验看似对立,其实是一个硬币的两面。一方面,思想实验是通过削弱执行元素和细化设计元素而从物质实验演变来的。对于思想实验来说,物质实验
18、中实际执行的那些相当的活动,能够完全发生在头脑里。另一方面,绝大多数物质实验都涉及对计划进行之活动的行为结果的预测,即实验者总是在心理上预测经验事件的结果。这也就意味着在所有的物质实验中,都不可避免地存在着一个思想实验的组件(Gilbert et al.,2000)。“观察渗透着理论”(曾国屏等,2005)。对科学来说,纯粹的物质实验是不存在的。.31二、具身认知视角下思想实验的认知机制1.具身直觉系统中感性与知性的统一思想实验是如何实现感性经验和知性的结合呢?康德以先天综合判断对此作出了先验论解释。但是,把对感性和知性的结合能力归因于先天理性不能真正令人信服地解释思想实验和物质实验之间的关系
19、。马克思(Karl Marx)强调:社会生活在本质上是实践的,人的认识问题必须从实践中才能得到澄清(弗里德里希 恩格斯,2014)。也就是说,人的认识是在制造和使用工具的实践中产生的。正是通过这一过程,感性和知性才被结合在一起。皮亚杰(Jean Piaget)对感性和知性的关系及其结合作了精彩的心理发生学解释。他的发生认识论系统论证了“认识的普遍性与客观性同动作的社会协调密切相关”(李泽厚,2007),极大消除了康德先验论解释具有的神秘主义色彩。科学不仅仅是描述现象,更重要的是解释现象背后的原因,而最有说服力的解释当属因果解释。在皮亚杰看来,因果关系的建立源于肢体运动的协调,人先是基于动作的协
20、调建立物理上的因果关系,随着动作协调的不断完善,这种物理上的因果关系最终形成逻辑上的因果关系。作为逻辑实证主义的精神教父,维特根斯坦(Ludwig Wittgenstein)提出了“确定性”的概念,他认为逻辑命题并不比经验命题更具有优先性,经验命题的确定性是由日常生活本身保证的,反而超越了逻辑命题(Wittgenstein,1969)。如前所述,逻辑实证主义的另一位先驱马赫也提出了“本能直觉”的概念,用以说明思想实验的认知资源是源于日常生活建立的稳定因果体系。在此基础上,乔智睿(Andreas Georgiou)提出思想实验的推理是基于日常直觉的观点。所谓直觉系统,指的是大脑中的准经验世界。这
21、种准经验世界与现实世界基本同构,它的同一性是由社会实践的普遍性保证的。直觉系统在想象系统的行为预测方面起着特殊作用。它能自动判断在思想实验中什么是被允许的,什么是不被允许的,什么是可能的或必要的,它们的法则是由经验决定的(Georgiou,2005)。因此,思想实验的结果可被用于现实世界;反之,物质实验的感性经验可通过直觉系统形成规律。在社会实践中,我们制作和使用的技术工具既是获得感性经验的信使,又是执行意志的仆役,它在加快并扩展了人改造世界能力的同时,也增强了直觉系统的能力。人的直觉系统是一个包含所有类型现实经验的准经验世界,内中包含着各种各样的身体感觉,但经典认知科学常常将其解释为符号系统
22、。今天,认知科学已经发展到了具身认知的新阶段。从认知的具身观点来看,不妨将乔智睿的直觉系统称为具身直觉系统。借助具身直觉系统的概念,能够更加准确地揭示思想实验的认知机制。2.思想实验中认知具身的“三部曲”一个典型的思想实验的流程如下:首先,思想实验都有一个想象的场景。在思想实验中,场景的想象必须符合直觉经验。其次,操作想象场景并思考操作之后的现象,而非仅仅是想象模拟一个场景。最后,思想实验者需要对场景、操作和操作后的现象进行整体分析,得出结论。在这一过程中,具身直觉系统充当了现实世界和思想实验之间的中介,保证了思想实验的有效性。具身直觉系统服务于人对现实世界的日常具身经验进行的心理模拟,这种心
23、理模拟具有一定的稳定性和整体性,足以形成一个模拟世界。因为绝大多数的现实世界经验和各事物之间的关系总是恒常的(如太阳从东方升起、生火就会升温)。具身直觉系统的稳定性和整体性保证了其和现实世界的基本同一性。思想实验的场景构建和动作模拟通过具身直觉系统对现实世界产生意义。拥有具身直觉系统的人在进行思想实验时,其想象的场景(无论它们是否与现实世界一致)和心理模拟操作都是以具身直觉系统为基础的。开展思想实验的第一步是描述或想象一个意象世界。传统认知科学将思想实验描述的场景看作一幅心理图像,调用的是视觉认知资源。但施瓦茨(Daniel L.Schwartz)通过实验证明,心理模拟是有时间跨度的,即运行心
24、理模拟来建立想象情境的过程会随时间推移而动态变化,这需要想象系统中的所有部分都能同时移动(Schwartz et al.,1996)。神经科学的研究表明,调用空间感知和视觉感知的大脑部位不同,这证明思想实验使用的不是视觉能力,而是具身空间能力。想象的意象世界中每个物体并不是某个特定的物体,而是一类物体的意象。如果我们想象一个重物,这个重物既不是特定的一个石头,也不是一个铁球,而是经验过的各种重物之综合 意 象。这 些 综 合 意 象 更 像 是 一 个 模 拟 器(Simulator),包含着我们对某类具有统一属性的事物的多维经验。它并不只具有形状属性,同时也包含郑旭东,张金胜虚拟实验何以用于
25、教授思想实验现代远程教育研究,2024,36(1)理论经纬.32了不可见的属性(如力和密度等概念)。简言之,这些综合意象是包含了多模态经验的模拟器。这些意象的特点很容易让人认为思想实验的材料是理想化的。这只在一定程度上正确,毕竟大部分思想实验的材料仍然和现实一致。这种特点使我们可以将思想实验看作对部分实验条件进行理想化的物质实验(赵煦等,2018),如此便能通过观察实验者对现实世界中实验材料的处理,看出其是否理解了该思想实验。例如,“中文房间”这一思想实验的理想化条件体现在两个方面:一是房间里面的人必须不懂得问的问题,也不明白回答的内容;二是房间里面的人确实拥有一个无限多的“问题回答”表。这两
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