虛擬實(shí)驗(yàn)何以用于教授思想實(shí)驗(yàn)

摘要：物質(zhì)實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)世界中展開，思想實(shí)驗(yàn)則在頭腦中展開，二者共同構(gòu)成了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的兩種基本類型，其歷史分野背后展現(xiàn)的是經(jīng)驗(yàn)論和唯理論這兩種不同的認(rèn)識(shí)論立場，以及由此導(dǎo)致的兩者之間對(duì)立與統(tǒng)一的辯證關(guān)系。基于認(rèn)知的具身觀點(diǎn)，思想實(shí)驗(yàn)可分為描述或想象意象世界、模擬操作意象、根據(jù)想象的現(xiàn)象形成結(jié)論三個(gè)相互聯(lián)系的認(rèn)知過程，它是具身直覺系統(tǒng)中感性與知性的統(tǒng)一。以計(jì)算建模和虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬實(shí)驗(yàn)的快速崛起，有助于構(gòu)建一種“人—機(jī)”融合的具身系統(tǒng)，并將其中的意象、心理模擬和想象結(jié)果外化為感知覺信號(hào)，其最大優(yōu)勢不是模擬物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，而是教授思想實(shí)驗(yàn)。作為一種具身直覺工具，虛擬實(shí)驗(yàn)被用于教授思想實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)采取實(shí)驗(yàn)場景生活化、實(shí)驗(yàn)材料意象化、參數(shù)控制自主化、操作體驗(yàn)具身化、實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀化等策略，以提升應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；思想實(shí)驗(yàn)；具身認(rèn)知；認(rèn)知機(jī)制；設(shè)計(jì)原則

中圖分類號(hào)：G434" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1009-5195（2024）01-0029-10" doi10.3969/j.issn.1009-5195.2024.01.004

基金項(xiàng)目：華中師范大學(xué)國家教師發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)研究項(xiàng)目“面向人工智能教育的教師研訓(xùn)模式構(gòu)建”（CCNUTEI 2021-15）；華中師范大學(xué)國家教師發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)研究項(xiàng)目“人工智能＋教學(xué)學(xué)術(shù)共同體構(gòu)建與實(shí)踐”（CCNUTEI 2022-04）。

作者簡介：鄭旭東，博士，教授，博士生導(dǎo)師，華中師范大學(xué)國家智能社會(huì)治理實(shí)驗(yàn)基地（教育）（湖北武漢 430079）；張金勝，碩士研究生，華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部（湖北武漢 430079）。

面對(duì)百年未有之大變局，舉國上下對(duì)科技創(chuàng)新給予前所未有之關(guān)注，科學(xué)教育必將迎來新的春天。“實(shí)驗(yàn)”的概念無論在科學(xué)實(shí)踐還是在哲學(xué)思考中都占據(jù)著重要地位，因此也被賦予了在科學(xué)課堂中促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展的厚望。理解科學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)科學(xué)的基礎(chǔ)。科學(xué)實(shí)驗(yàn)分為兩種基本類型：物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和思想實(shí)驗(yàn)。物質(zhì)實(shí)驗(yàn)是在現(xiàn)實(shí)世界中展開的，而思想實(shí)驗(yàn)則是在頭腦中展開。二者對(duì)科學(xué)進(jìn)步具有同等重要的作用，因此在科學(xué)教育中也必然具有同樣重要的地位。但長期以來，科學(xué)教育對(duì)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的重視遠(yuǎn)大于對(duì)思想實(shí)驗(yàn)的重視。其中很重要的原因在于，物質(zhì)實(shí)驗(yàn)很容易在科學(xué)課堂中呈現(xiàn)，而思想實(shí)驗(yàn)則不然。隨著虛擬仿真和計(jì)算建模技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)也快速崛起，這為其在科學(xué)課堂中教授思想實(shí)驗(yàn)提供了新的可能。

一、科學(xué)研究進(jìn)程中思想實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的 歷史分野與認(rèn)識(shí)論溯源

1.思想實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究進(jìn)程中的歷史分野

自哥白尼革命以來，科學(xué)逐漸形成了以實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和數(shù)學(xué)建模為主要方法的研究范式。在這一過程中，技術(shù)發(fā)明起到了重要作用，促使思想實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)不斷分化。1543年，哥白尼（Nicolaus Copernicus）在臨終前發(fā)表了《天球運(yùn)行論》，揭開了近代科學(xué)革命的序幕。哥白尼的日心說更多是靠哲學(xué)思辨和數(shù)學(xué)方法，而非通過仔細(xì)觀察和實(shí)驗(yàn)提出的。“地球圍繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)”的觀點(diǎn)更多是出于數(shù)學(xué)方面構(gòu)建的便利性，而非物質(zhì)世界的實(shí)然（羅伯特·S.韋斯特曼，2020）。科學(xué)之父伽利略（Galileo Galilei）善于把技術(shù)工具用于科學(xué)研究。他設(shè)計(jì)了當(dāng)時(shí)最高倍數(shù)的望遠(yuǎn)鏡，從而發(fā)現(xiàn)了符合日心說的證據(jù)——盡管在這之前，他就因崇尚日心說理論上的簡潔與數(shù)學(xué)上的和諧而支持它（伊·拉卡托斯，1978），由此開創(chuàng)了使用實(shí)驗(yàn)對(duì)自然進(jìn)行研究的科學(xué)新道路。但在伽利略時(shí)代，思想實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)往往是混雜在一起的。

牛頓（Isaac Newton）在伽利略、開普勒（Johannes Kepler）等人的基礎(chǔ)上建立了完整的經(jīng)典力學(xué)體系，建構(gòu)起美輪美奐的科學(xué)大廈，完成了從哥白尼開始的近代科學(xué)革命。牛頓的工作受到了康德（Immanuel Kant）和拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）的推崇。他們分別從哲學(xué)和科學(xué)層面推廣和發(fā)展了牛頓的主要方法——將數(shù)學(xué)推理和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。自此，將數(shù)學(xué)方法與物質(zhì)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合成為科學(xué)界普遍效仿和推崇的基本方法。在對(duì)牛頓的追隨中，大部分科學(xué)家忽略了牛頓同樣擅長思想實(shí)驗(yàn)方法。后來拉普拉斯在科學(xué)界逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位，由此人類掌控、拷問自然成為理所當(dāng)然的科學(xué)方法。自此物質(zhì)實(shí)驗(yàn)走向前臺(tái)，思想實(shí)驗(yàn)退居幕后，并最終與物質(zhì)實(shí)驗(yàn)分道揚(yáng)鑣。

19世紀(jì)被稱為“科學(xué)世紀(jì)”，也是物質(zhì)實(shí)驗(yàn)取得巨大成功的世紀(jì)。借助物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)方法，科學(xué)界相繼確立了能量守恒定律、統(tǒng)一的電磁理論、原子—分子理論、元素周期律、生物進(jìn)化論等基本理論。嚴(yán)格地說，這一時(shí)期的物理學(xué)基本上是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)（彼得·伽里森，2017）。在19世紀(jì)行將結(jié)束之際，邁克爾遜（Albert Abraham Michelson）認(rèn)為科學(xué)理論和原則已經(jīng)“牢固確立”，剩下的工作就是更加嚴(yán)格和精確地遵循這些原則，因此他推崇精密測量和實(shí)驗(yàn)，并認(rèn)為“物理學(xué)未來的真理要在小數(shù)點(diǎn)后六位尋找”（Millikan，1939）。然而，正是邁克爾遜和莫雷（Edward Morey）的光速測量實(shí)驗(yàn)給科學(xué)界帶來了“令人不安的烏云”。十幾年后，相對(duì)論和量子力學(xué)迅速發(fā)展起來，永久改變了人們對(duì)時(shí)間、空間、質(zhì)量和能量等基本概念的理解。當(dāng)越來越多與經(jīng)典時(shí)空觀和基本物理理論相悖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)時(shí)，連最偉大的科學(xué)巨匠也陷入思想的混亂，他們不得不陷入“觀測結(jié)果的迷陣并作戰(zhàn)術(shù)性進(jìn)攻”（楊振寧等，1991）。

隨著研究對(duì)象向宏觀和微觀兩個(gè)方向發(fā)展，物理學(xué)進(jìn)入了量子力學(xué)和相對(duì)論的時(shí)代。這時(shí)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)不能直接獲得要觀測的結(jié)果，觀測的僅是理論上有關(guān)系的可觀測物理量。更重要的是，被局限的物質(zhì)實(shí)驗(yàn)僅僅提供了數(shù)據(jù)結(jié)果，如何理解它則需要理論。“觀察滲透著理論”這一最基本的科學(xué)方法論原則在20世紀(jì)最終為科學(xué)哲學(xué)家漢森（Norwood Russell Hanson）所明確揭示（曾國屏等，2005）。在既有邏輯體系無法解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，科學(xué)家不得不使用一些大膽的、模糊不清的想法，借助數(shù)量繁多而精彩的思想實(shí)驗(yàn)打開突破口。例如，愛因斯坦追光實(shí)驗(yàn)、薛定諤的貓等就屬于經(jīng)典的思想實(shí)驗(yàn)。正是在這一時(shí)期，專業(yè)的理論物理學(xué)家開始出現(xiàn)，思想實(shí)驗(yàn)在科學(xué)界受到了前所未有的重視。20世紀(jì)30年代以后，大科學(xué)的崛起讓科學(xué)家再不能僅通過樸素的邏輯對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，也幾乎不可能有人同時(shí)是經(jīng)驗(yàn)豐富的實(shí)驗(yàn)者和卓有洞見的理論家。理論科學(xué)家和實(shí)驗(yàn)科學(xué)家漸次形成兩個(gè)不同陣營，理論方法（包括思想實(shí)驗(yàn)等方法）和實(shí)驗(yàn)方法之間的關(guān)系變得更加復(fù)雜并充滿張力。

科學(xué)哲學(xué)家布朗（James Robert Brown）把思想實(shí)驗(yàn)劃分為三種類型——破壞性的、建設(shè)性的和柏拉圖式的（Brown，2011）。其中，破壞性的思想實(shí)驗(yàn)的目的在于毀滅一種理論，或至少提出這種理論存在的嚴(yán)重問題。“薛定諤的貓”就屬于一個(gè)典型的破壞性的思想實(shí)驗(yàn)。建設(shè)性的思想實(shí)驗(yàn)則是在想象中建立某種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以作為某種理論成立相當(dāng)確鑿的證據(jù)。“麥克斯韋妖”就是一個(gè)典型的建設(shè)性的思想實(shí)驗(yàn)。布朗把兼具破壞性和建設(shè)性的思想實(shí)驗(yàn)稱為柏拉圖式的思想實(shí)驗(yàn)。它是先驗(yàn)的，既不基于任何新的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)，也不僅僅是從舊數(shù)據(jù)中邏輯地推導(dǎo)出來，因此得到的理論要好于先前的理論。伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)就是其典型。和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)相比，思想實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是洞察力的提升。與從思想實(shí)驗(yàn)中獲得的洞察力相比，物質(zhì)實(shí)驗(yàn)不會(huì)帶來洞察力的提升。二是可負(fù)擔(dān)性。執(zhí)行一個(gè)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)花費(fèi)的成本太高，且執(zhí)行起來很不方便，而思想實(shí)驗(yàn)只用動(dòng)動(dòng)腦子就可以了，成本很低，執(zhí)行起來也很方便。三是可執(zhí)行性。很多物質(zhì)實(shí)驗(yàn)因條件所限無法實(shí)際執(zhí)行，而思想實(shí)驗(yàn)因僅限于心理操作而都可執(zhí)行。

2.在認(rèn)識(shí)論溯源中把握思想實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的對(duì)立統(tǒng)一

盡管思想實(shí)驗(yàn)在科學(xué)史上屢放異彩，但有學(xué)者認(rèn)為，思想實(shí)驗(yàn)是過去科學(xué)技術(shù)條件下的產(chǎn)物，由于處理大量非線性關(guān)系數(shù)據(jù)的需求日益增長和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，思想實(shí)驗(yàn)已遠(yuǎn)離科學(xué)實(shí)踐（Frappier et al.，2013）。事實(shí)上，這是錯(cuò)誤的。有必要從認(rèn)識(shí)論的高度出發(fā)對(duì)思想實(shí)驗(yàn)追根溯源。唯有如此，方能正本清源，澄清各種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。事實(shí)上，在思想實(shí)驗(yàn)于科學(xué)發(fā)展進(jìn)程中起起伏伏的歷史命運(yùn)背后潛藏著兩種截然不同的認(rèn)識(shí)論傳統(tǒng)。在科學(xué)哲學(xué)領(lǐng)域，以諾頓（John D. Norton）為代表的經(jīng)驗(yàn)論派別和以布朗為代表的先驗(yàn)論派別就思想實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)展開了曠日持久的爭論，推動(dòng)著人們對(duì)思想實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)不斷深化。

一般認(rèn)為，奧地利物理學(xué)家和哲學(xué)家馬赫（Ernst Mach）最先提出了“思想實(shí)驗(yàn)”一詞。他認(rèn)為思想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)是我們長期經(jīng)驗(yàn)和遺傳的直覺（或本能）。思想實(shí)驗(yàn)雖然是在心靈中完成的實(shí)驗(yàn)，但離不開最基本的感官體驗(yàn)。因此，馬赫認(rèn)為不存在所謂的先驗(yàn)的認(rèn)識(shí)方法，他使用“本能”（Instinct）來描述思想實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知資源（恩斯特·馬赫，2007）。諾頓更進(jìn)一步，認(rèn)為思想實(shí)驗(yàn)與物質(zhì)實(shí)驗(yàn)不存在明顯界限，他甚至認(rèn)為思想實(shí)驗(yàn)可以被還原為一組經(jīng)驗(yàn)化的論據(jù)推理過程（Norton，2004）。這種觀點(diǎn)盡管揭示了思想實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)源頭，但卻忽視了思想實(shí)驗(yàn)的思想特征，且抹煞了物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和思想實(shí)驗(yàn)之間的區(qū)別。布朗則從柏拉圖主義出發(fā)，認(rèn)為思想實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)先驗(yàn)知識(shí)的工具。在布朗看來，思想實(shí)驗(yàn)不依賴具體感官經(jīng)驗(yàn)，卻產(chǎn)生了對(duì)世界的新認(rèn)識(shí)（Brown，2011）。這種觀點(diǎn)揭示了思想實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特性，但卻沒有看到思想實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。上述爭論的焦點(diǎn)看似僅與思想實(shí)驗(yàn)有關(guān)，但實(shí)質(zhì)上涉及的是思想實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系。這一爭論可以被總結(jié)為以下兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的問題：第一，思想實(shí)驗(yàn)沒有新的感官經(jīng)驗(yàn)輸入，它是如何得出可用于解釋客觀世界的規(guī)律的？難道是僅憑臆想嗎？第二，物質(zhì)實(shí)驗(yàn)只是得到了世界的感官經(jīng)驗(yàn)，它又是如何形成指導(dǎo)思維世界的法則的？這種法則的真理性是如何得到保證的？經(jīng)驗(yàn)與理性之間的對(duì)立與統(tǒng)一這一古老的認(rèn)識(shí)論問題再次浮出水面。

歷史上，培根（Francis Bacon）曾對(duì)技術(shù)控制和科學(xué)研究的關(guān)系提出了經(jīng)驗(yàn)論的觀點(diǎn)。他認(rèn)為技術(shù)控制越好，對(duì)自然的理解也就越強(qiáng)。在培根眼中，實(shí)驗(yàn)不僅僅是觀察，而是利用人類掌握的技術(shù)對(duì)自然進(jìn)行約束和審問，改變自然物原始的條件和狀態(tài)，使其變得不自然。人們正是通過“拷問”自然獲得對(duì)自然的理解。隨著科學(xué)革命和技術(shù)的發(fā)展，人類“拷問”自然的能力也隨之增強(qiáng)。盡管實(shí)驗(yàn)方法的經(jīng)驗(yàn)論解釋得到了廣泛認(rèn)可，但卻忽視了數(shù)學(xué)和邏輯的重要性，因此亦難以解釋具體的自然現(xiàn)象是如何上升到抽象的科學(xué)理論的。與培根不同，唯理論的先驅(qū)笛卡爾（René Descartes）則強(qiáng)調(diào)人的邏輯和理性對(duì)世界的支配地位。他將人的理智的兩種操作——“直觀”與“演繹”作為達(dá)到科學(xué)知識(shí)的兩條最確定道路（李猛，2016）。經(jīng)驗(yàn)只有被理智充分把握，才能避免產(chǎn)生錯(cuò)誤。因此，科學(xué)方法的關(guān)鍵在于如何充分運(yùn)用人的心智。這為數(shù)學(xué)方法和邏輯思辨在科學(xué)研究領(lǐng)域中共同有所作為留下了廣闊空間。培根的經(jīng)驗(yàn)主義和笛卡爾的理性主義分別成為物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和思想實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)論淵藪，并最終造成了物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和思想實(shí)驗(yàn)的分道揚(yáng)鑣。

思想實(shí)驗(yàn)沒有外界經(jīng)驗(yàn)的輸入，進(jìn)行的操作是心理模擬，天然帶有缺乏直觀經(jīng)驗(yàn)的特征。如果缺乏和否認(rèn)感性材料，思想實(shí)驗(yàn)就會(huì)走向獨(dú)斷，這也是唯理論不可避免的歷史歸宿。物質(zhì)實(shí)驗(yàn)如果囿于單純的感性經(jīng)驗(yàn)，只能陷入對(duì)知識(shí)的懷疑，一如所有經(jīng)驗(yàn)論者最終都會(huì)墮入不可知論的彀中。正如康德指出的那樣：“知性不能直觀，感官不能思維，只有從它們的互相結(jié)合中才能產(chǎn)生出知識(shí)”（康德，2017）。只靠經(jīng)驗(yàn)或只靠理性，都不能全面認(rèn)識(shí)這個(gè)世界。著名的休謨難題揭示了：純粹的經(jīng)驗(yàn)主義必然會(huì)導(dǎo)致懷疑論，最終陷入不可知論。同樣，純粹的理性主義必然會(huì)帶來獨(dú)斷論的虛妄。事實(shí)上，思想實(shí)驗(yàn)雖然是在邏輯和心理中模擬的，但其能夠認(rèn)識(shí)世界的關(guān)鍵在于結(jié)合感性經(jīng)驗(yàn)；而物質(zhì)實(shí)驗(yàn)雖然只是得到了世界的感官經(jīng)驗(yàn)，但它認(rèn)識(shí)世界必須依靠理智和邏輯。對(duì)于科學(xué)而言，思想實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)看似對(duì)立，其實(shí)是一個(gè)硬幣的兩面。一方面，思想實(shí)驗(yàn)是通過削弱執(zhí)行元素和細(xì)化設(shè)計(jì)元素而從物質(zhì)實(shí)驗(yàn)演變來的。對(duì)于思想實(shí)驗(yàn)來說，物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中實(shí)際執(zhí)行的那些相當(dāng)?shù)幕顒?dòng)，能夠完全發(fā)生在頭腦里。另一方面，絕大多數(shù)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)都涉及對(duì)計(jì)劃進(jìn)行之活動(dòng)的行為結(jié)果的預(yù)測，即實(shí)驗(yàn)者總是在心理上預(yù)測經(jīng)驗(yàn)事件的結(jié)果。這也就意味著在所有的物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，都不可避免地存在著一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的組件（Gilbert et al.，2000）。“觀察滲透著理論”（曾國屏等，2005）。對(duì)科學(xué)來說，純粹的物質(zhì)實(shí)驗(yàn)是不存在的。

二、具身認(rèn)知視角下思想實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知機(jī)制

1.具身直覺系統(tǒng)中感性與知性的統(tǒng)一

思想實(shí)驗(yàn)是如何實(shí)現(xiàn)感性經(jīng)驗(yàn)和知性的結(jié)合呢？康德以先天綜合判斷對(duì)此作出了先驗(yàn)論解釋。但是，把對(duì)感性和知性的結(jié)合能力歸因于先天理性不能真正令人信服地解釋思想實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系。馬克思（Karl Marx）強(qiáng)調(diào)：社會(huì)生活在本質(zhì)上是實(shí)踐的，人的認(rèn)識(shí)問題必須從實(shí)踐中才能得到澄清（弗里德里希·恩格斯，2014）。也就是說，人的認(rèn)識(shí)是在制造和使用工具的實(shí)踐中產(chǎn)生的。正是通過這一過程，感性和知性才被結(jié)合在一起。皮亞杰（Jean Piaget）對(duì)感性和知性的關(guān)系及其結(jié)合作了精彩的心理發(fā)生學(xué)解釋。他的發(fā)生認(rèn)識(shí)論系統(tǒng)論證了“認(rèn)識(shí)的普遍性與客觀性同動(dòng)作的社會(huì)協(xié)調(diào)密切相關(guān)”（李澤厚，2007），極大消除了康德先驗(yàn)論解釋具有的神秘主義色彩。科學(xué)不僅僅是描述現(xiàn)象，更重要的是解釋現(xiàn)象背后的原因，而最有說服力的解釋當(dāng)屬因果解釋。在皮亞杰看來，因果關(guān)系的建立源于肢體運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)，人先是基于動(dòng)作的協(xié)調(diào)建立物理上的因果關(guān)系，隨著動(dòng)作協(xié)調(diào)的不斷完善，這種物理上的因果關(guān)系最終形成邏輯上的因果關(guān)系。

作為邏輯實(shí)證主義的精神教父，維特根斯坦（Ludwig Wittgenstein）提出了“確定性”的概念，他認(rèn)為邏輯命題并不比經(jīng)驗(yàn)命題更具有優(yōu)先性，經(jīng)驗(yàn)命題的確定性是由日常生活本身保證的，反而超越了邏輯命題（Wittgenstein，1969）。如前所述，邏輯實(shí)證主義的另一位先驅(qū)馬赫也提出了“本能直覺”的概念，用以說明思想實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知資源是源于日常生活建立的穩(wěn)定因果體系。在此基礎(chǔ)上，喬智睿（Andreas Georgiou）提出思想實(shí)驗(yàn)的推理是基于日常直覺的觀點(diǎn)。所謂直覺系統(tǒng)，指的是大腦中的準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)世界。這種準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)世界與現(xiàn)實(shí)世界基本同構(gòu)，它的同一性是由社會(huì)實(shí)踐的普遍性保證的。直覺系統(tǒng)在想象系統(tǒng)的行為預(yù)測方面起著特殊作用。它能自動(dòng)判斷在思想實(shí)驗(yàn)中什么是被允許的，什么是不被允許的，什么是可能的或必要的，它們的法則是由經(jīng)驗(yàn)決定的（Georgiou，2005）。因此，思想實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可被用于現(xiàn)實(shí)世界；反之，物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的感性經(jīng)驗(yàn)可通過直覺系統(tǒng)形成規(guī)律。在社會(huì)實(shí)踐中，我們制作和使用的技術(shù)工具既是獲得感性經(jīng)驗(yàn)的信使，又是執(zhí)行意志的仆役，它在加快并擴(kuò)展了人改造世界能力的同時(shí)，也增強(qiáng)了直覺系統(tǒng)的能力。人的直覺系統(tǒng)是一個(gè)包含所有類型現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)的準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)世界，內(nèi)中包含著各種各樣的身體感覺，但經(jīng)典認(rèn)知科學(xué)常常將其解釋為符號(hào)系統(tǒng)。今天，認(rèn)知科學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了具身認(rèn)知的新階段。從認(rèn)知的具身觀點(diǎn)來看，不妨將喬智睿的直覺系統(tǒng)稱為具身直覺系統(tǒng)。借助具身直覺系統(tǒng)的概念，能夠更加準(zhǔn)確地揭示思想實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知機(jī)制。

2.思想實(shí)驗(yàn)中認(rèn)知具身的“三部曲”

一個(gè)典型的思想實(shí)驗(yàn)的流程如下：首先，思想實(shí)驗(yàn)都有一個(gè)想象的場景。在思想實(shí)驗(yàn)中，場景的想象必須符合直覺經(jīng)驗(yàn)。其次，操作想象場景并思考操作之后的現(xiàn)象，而非僅僅是想象模擬一個(gè)場景。最后，思想實(shí)驗(yàn)者需要對(duì)場景、操作和操作后的現(xiàn)象進(jìn)行整體分析，得出結(jié)論。在這一過程中，具身直覺系統(tǒng)充當(dāng)了現(xiàn)實(shí)世界和思想實(shí)驗(yàn)之間的中介，保證了思想實(shí)驗(yàn)的有效性。具身直覺系統(tǒng)服務(wù)于人對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的日常具身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的心理模擬，這種心理模擬具有一定的穩(wěn)定性和整體性，足以形成一個(gè)模擬世界。因?yàn)榻^大多數(shù)的現(xiàn)實(shí)世界經(jīng)驗(yàn)和各事物之間的關(guān)系總是恒常的（如太陽從東方升起、生火就會(huì)升溫）。具身直覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整體性保證了其和現(xiàn)實(shí)世界的基本同一性。思想實(shí)驗(yàn)的場景構(gòu)建和動(dòng)作模擬通過具身直覺系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生意義。擁有具身直覺系統(tǒng)的人在進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)時(shí)，其想象的場景（無論它們是否與現(xiàn)實(shí)世界一致）和心理模擬操作都是以具身直覺系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。

開展思想實(shí)驗(yàn)的第一步是描述或想象一個(gè)意象世界。傳統(tǒng)認(rèn)知科學(xué)將思想實(shí)驗(yàn)描述的場景看作一幅心理圖像，調(diào)用的是視覺認(rèn)知資源。但施瓦茨（Daniel L. Schwartz）通過實(shí)驗(yàn)證明，心理模擬是有時(shí)間跨度的，即運(yùn)行心理模擬來建立想象情境的過程會(huì)隨時(shí)間推移而動(dòng)態(tài)變化，這需要想象系統(tǒng)中的所有部分都能同時(shí)移動(dòng)（Schwartz et al.，1996）。神經(jīng)科學(xué)的研究表明，調(diào)用空間感知和視覺感知的大腦部位不同，這證明思想實(shí)驗(yàn)使用的不是視覺能力，而是具身空間能力。想象的意象世界中每個(gè)物體并不是某個(gè)特定的物體，而是一類物體的意象。如果我們想象一個(gè)重物，這個(gè)重物既不是特定的一個(gè)石頭，也不是一個(gè)鐵球，而是經(jīng)驗(yàn)過的各種重物之綜合意象。這些綜合意象更像是一個(gè)模擬器（Simulator），包含著我們對(duì)某類具有統(tǒng)一屬性的事物的多維經(jīng)驗(yàn)。它并不只具有形狀屬性，同時(shí)也包含了不可見的屬性（如力和密度等概念）。簡言之，這些綜合意象是包含了多模態(tài)經(jīng)驗(yàn)的模擬器。

這些意象的特點(diǎn)很容易讓人認(rèn)為思想實(shí)驗(yàn)的材料是理想化的。這只在一定程度上正確，畢竟大部分思想實(shí)驗(yàn)的材料仍然和現(xiàn)實(shí)一致。這種特點(diǎn)使我們可以將思想實(shí)驗(yàn)看作對(duì)部分實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行理想化的物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（趙煦等，2018），如此便能通過觀察實(shí)驗(yàn)者對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)驗(yàn)材料的處理，看出其是否理解了該思想實(shí)驗(yàn)。例如，“中文房間”這一思想實(shí)驗(yàn)的理想化條件體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是房間里面的人必須不懂得問的問題，也不明白回答的內(nèi)容；二是房間里面的人確實(shí)擁有一個(gè)無限多的“問題—回答”表。這兩個(gè)條件無法在現(xiàn)實(shí)中滿足，決定了“中文房間”只能是思想實(shí)驗(yàn)。盡管如此，在教學(xué)中還是可以組織一個(gè)類似“中文房間”思想實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)，而后要求學(xué)生對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的實(shí)質(zhì)即是物質(zhì)條件趨向理想化的過程（盡管有些思想實(shí)驗(yàn)的條件永遠(yuǎn)也無法實(shí)現(xiàn)）。通過觀察學(xué)生對(duì)房間里“人”的選擇、“問題—回答”表的設(shè)計(jì)，可以直觀地看到其對(duì)該思想實(shí)驗(yàn)的理解。

開展思想實(shí)驗(yàn)的第二步要求思想實(shí)驗(yàn)者在心理中模擬操縱這些意象，并想象操縱之后的現(xiàn)象（Bancong et al.，2020）。這一過程毫無疑問依賴了具身經(jīng)驗(yàn)。雷納（Miriam Reiner）和吉爾伯特（John Gilbert）通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了思想實(shí)驗(yàn)需要的兩類認(rèn)知資源：空間經(jīng)驗(yàn)和身體知識(shí)。他們認(rèn)為，空間經(jīng)驗(yàn)和身體知識(shí)能激發(fā)教師和學(xué)生在想象的世界中進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)（Reiner et al.，2000）。空間經(jīng)驗(yàn)意味著人不是在思想中“看見”，而是在思想中“操作”。設(shè)想拿起或推動(dòng)某個(gè)物體對(duì)普通人來說并不困難，困難的是想象出推動(dòng)某個(gè)物體之后的情形。在牛頓的大炮實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)不在于想象出地球和大炮，而在于想象大炮打出之后的現(xiàn)象。我們并不能精確地想象當(dāng)炮彈速度達(dá)到7.9km/s時(shí)會(huì)發(fā)生什么，但仍能相對(duì)準(zhǔn)確地感知這一速度。在這一過程，人的身體經(jīng)驗(yàn)越豐富，空間意象越豐富，就越能進(jìn)行正確的想象。值得注意的是，實(shí)踐中存在這樣一種傾向：為了更好地展示物體被操作的結(jié)果，總是傾向于給出精確的數(shù)值或方程。然而，一個(gè)成功的思想實(shí)驗(yàn)應(yīng)該避免廣泛引用精確的數(shù)值，以免誤導(dǎo)問題解決者尋求數(shù)學(xué)處理。因此，如果學(xué)習(xí)者已經(jīng)用數(shù)學(xué)方法得出過某一規(guī)律，那么再要求其開展思想實(shí)驗(yàn)就沒有多大意義了。

思想實(shí)驗(yàn)的第三步是根據(jù)想象的現(xiàn)象形成結(jié)論。在整個(gè)思想實(shí)驗(yàn)過程中，我們有目的地進(jìn)行意象操縱，這種目的反映了思想實(shí)驗(yàn)的邏輯推理。也就是說，思想實(shí)驗(yàn)只有利用想象力將具身經(jīng)驗(yàn)和邏輯推理結(jié)合起來才能成功運(yùn)作。在得出結(jié)論的過程中，我們顯然對(duì)心理操作和操作的結(jié)果進(jìn)行了類似命題化的處理——以便于根據(jù)這些命題得出結(jié)論。然而，思想實(shí)驗(yàn)不能被通約為邏輯推理。因?yàn)闆]有思想實(shí)驗(yàn)，就不可能有這些命題；正如沒有做碰撞實(shí)驗(yàn)，就不能說出動(dòng)量守恒的命題一樣。這些命題來源于我們的心理操作及其結(jié)果。思想實(shí)驗(yàn)是一種工具，通過激活直覺系統(tǒng)來產(chǎn)生想象場景中的物理因果關(guān)系。但這些關(guān)系無法以命題知識(shí)的形式單獨(dú)存在（Brown，2022）。若將提出結(jié)論的環(huán)節(jié)視為思想實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)所在，則可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的教學(xué)方法。思想實(shí)驗(yàn)的教學(xué)一般是教師先用語言或可視化的方法描述思想實(shí)驗(yàn)的場景和過程，而后要求學(xué)生按照告知的方式進(jìn)行想象并分析推理過程。這種情況下，思想實(shí)驗(yàn)淪為一種推理游戲。這不僅不符合科學(xué)史實(shí)，而且消解了思想實(shí)驗(yàn)的“實(shí)驗(yàn)”本性——實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃屛覀兺ㄟ^操作和觀察現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)原本所不知道的內(nèi)容。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展及其教育應(yīng)用面臨 的挑戰(zhàn)

1.虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展及其在教育中與物質(zhì)實(shí)驗(yàn)之間的張力

虛擬實(shí)驗(yàn)也稱為“虛擬仿真”或“模擬仿真”。早在計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)前，人們就熱衷于對(duì)一些現(xiàn)象進(jìn)行機(jī)械模擬。1903年，萊特兄弟制作了具有劃時(shí)代意義的飛行工具，隨即用于飛行訓(xùn)練的機(jī)械模擬系統(tǒng)開始蓬勃發(fā)展。第一次世界大戰(zhàn)以后，德國的軍事規(guī)模和演習(xí)行動(dòng)受到《凡爾賽條約》限制，不得不使用“機(jī)械＋人”的戰(zhàn)爭模擬系統(tǒng)開展訓(xùn)練，此舉使得德國形成了舉世震驚的閃電戰(zhàn)術(shù)，在二戰(zhàn)初期獲得了驚人效果（Hancock et al.，2008）。到20世紀(jì)30年代，隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，世界上第一個(gè)被廣泛使用的飛行計(jì)算模擬系統(tǒng)Link Trainer向人們展示了模擬系統(tǒng)的強(qiáng)大威力（Levine et al.，2013）。它在第二次世界大戰(zhàn)期間被用于訓(xùn)練近百萬的飛行員，其后還被用于阿波羅計(jì)劃，助力人類實(shí)現(xiàn)登月夢想。二戰(zhàn)后，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類大型計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。以核武器研發(fā)為例，20世紀(jì)60年代以后大多數(shù)原子彈爆炸研究都使用計(jì)算機(jī)模擬方式完成，人們也因此得以一窺超高溫高壓狀態(tài)下的物理規(guī)律。20世紀(jì)70年代后，由于個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及，虛擬系統(tǒng)逐漸從軍方昂貴的大規(guī)模系統(tǒng)轉(zhuǎn)向個(gè)人能負(fù)擔(dān)的民用系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，萬維網(wǎng)的發(fā)明使虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于民用航空、醫(yī)學(xué)和工程教育，其中以醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用最多（Checa et al.，2020）。

虛擬實(shí)驗(yàn)以其節(jié)省成本的優(yōu)勢在教育實(shí)踐中受到青睞（Tebbe，2006）。它使用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，增強(qiáng)了人的數(shù)學(xué)建模能力，使其能夠開展在現(xiàn)實(shí)世界不能（或很難）完成的實(shí)驗(yàn)。如今，無論是前沿科學(xué)研究、大型高新科技工程項(xiàng)目，還是高等工程技術(shù)教育和中小學(xué)科技教育，虛擬實(shí)驗(yàn)都得到了大規(guī)模應(yīng)用。大量實(shí)證研究已經(jīng)證明了虛擬實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能方面的作用，揭示了其在提高學(xué)生績效、轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)態(tài)度、調(diào)整學(xué)生情緒等方面的價(jià)值（Popescu et al.，2017；Pirker et al.，2020）。但多數(shù)教育機(jī)構(gòu)僅僅把虛擬實(shí)驗(yàn)當(dāng)作物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的預(yù)演——讓學(xué)生先在虛擬環(huán)境熟悉操作流程，而后進(jìn)行真實(shí)的物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（Hernández-de-Menéndez et al.，2019）。虛擬實(shí)驗(yàn)不能代替物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橹挥形镔|(zhì)實(shí)驗(yàn)才能更好地訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)對(duì)突發(fā)情況、處理實(shí)驗(yàn)誤差等能力，而且學(xué)生總能在真實(shí)的物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中觀察到更多虛擬實(shí)驗(yàn)無法預(yù)設(shè)的現(xiàn)象。最關(guān)鍵的是，這些現(xiàn)象是“真”的，而虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)的現(xiàn)象不過是對(duì)“真”的模仿，再“真”也是“假”的。因此有學(xué)者認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)適用于對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練（Viitaharju et al.，2023），或讓其大概了解實(shí)驗(yàn)流程。實(shí)際上，沒有任何一項(xiàng)虛擬實(shí)驗(yàn)研究宣稱只需要依靠虛擬實(shí)驗(yàn)就可以完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。已有研究表明，同時(shí)使用物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)比兩者單獨(dú)使用具有更好的效果（De Jong et al.，2013）。

伴隨具身認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究開始關(guān)注具身化虛擬實(shí)驗(yàn)，即基于具身認(rèn)知觀點(diǎn)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。基于虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能技術(shù)、多模態(tài)穿戴設(shè)備的具身化虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芨玫卣{(diào)動(dòng)和鞏固學(xué)生的具身經(jīng)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)的具身化發(fā)展承認(rèn)學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中習(xí)得的是多模態(tài)的經(jīng)驗(yàn)。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，學(xué)生觸摸的是技術(shù)模擬的觸覺，空間感知的是虛擬世界，傾聽的是人為制造的聲音。學(xué)生在其中獲得的感官經(jīng)驗(yàn)并非自然物質(zhì)世界的經(jīng)驗(yàn)，而是一種基于智能技術(shù)的模擬。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生的身體與虛擬技術(shù)融為一體，形成超生物肢體，獲得超生物肢體產(chǎn)生的超生物經(jīng)驗(yàn)（鄭旭東等，2023）。虛擬實(shí)驗(yàn)越是走向具身，就越需要增加更多預(yù)設(shè)，就與其追求逼真模擬物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)越遠(yuǎn)。也就是說，虛擬實(shí)驗(yàn)的具身化發(fā)展加劇了虛擬實(shí)驗(yàn)和其模仿的物質(zhì)實(shí)驗(yàn)之間存在的張力。這也從側(cè)面說明了虛擬實(shí)驗(yàn)是一種具身經(jīng)驗(yàn)工具，而不是物質(zhì)實(shí)驗(yàn)本身。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)用于教授思想實(shí)驗(yàn)的潛在價(jià)值與現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)之間的這種張力反映的是具身直覺系統(tǒng)和真實(shí)世界之間的張力。但如果將虛擬實(shí)驗(yàn)看作一種介于思想實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)之間的工具，那么這種張力將在很大程度上變得具有建設(shè)性而不是破壞性。思想實(shí)驗(yàn)通過具身直覺系統(tǒng)與物質(zhì)世界相互作用，而虛擬實(shí)驗(yàn)作為技術(shù)工具則有助于增強(qiáng)具身直覺系統(tǒng)的某些能力，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)與人的融合，從而構(gòu)成一種新型的“人—機(jī)”融合具身系統(tǒng)。只有在這個(gè)意義上，虛擬實(shí)驗(yàn)的一切預(yù)設(shè)及其現(xiàn)象才能找到依據(jù)。虛擬實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上是一種具身直覺工具，即虛擬實(shí)驗(yàn)室虛擬的物品與具身直覺系統(tǒng)的意象等價(jià)，其操作與具身直覺系統(tǒng)的模擬等價(jià)。承認(rèn)虛擬實(shí)驗(yàn)并不等價(jià)于物質(zhì)實(shí)驗(yàn)有利于擺脫虛擬實(shí)驗(yàn)追求絕對(duì)仿真的技術(shù)偏執(zhí)，并在認(rèn)知過程中為虛擬實(shí)驗(yàn)找到更恰當(dāng)?shù)慕逃恢谩８匾氖牵ㄟ^虛擬實(shí)驗(yàn)，具身直覺系統(tǒng)的意象、心理模擬和想象結(jié)果能夠外化為可觀察的虛擬物件或畫面，這將有助于我們更好地研究思想實(shí)驗(yàn)的運(yùn)作方式，并有力推動(dòng)思想實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式變革。

對(duì)教育而言，虛擬實(shí)驗(yàn)更重要的價(jià)值不是通過各種持續(xù)進(jìn)步的技術(shù)手段對(duì)在現(xiàn)實(shí)中本來就能夠做出來的物質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行逼真程度不斷逼近的模擬與再現(xiàn)，而在于反其道而行之，即用來教授在現(xiàn)實(shí)中根本就做不出來的思想實(shí)驗(yàn)。事實(shí)上，虛擬實(shí)驗(yàn)用于教授思想實(shí)驗(yàn)可能比教授物質(zhì)實(shí)驗(yàn)更有不可替代的價(jià)值。因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)除了經(jīng)濟(jì)性之外，在認(rèn)知發(fā)展和技能培養(yǎng)方面相較物質(zhì)實(shí)驗(yàn)并無太大優(yōu)勢。學(xué)生可在物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中獲得遠(yuǎn)比虛擬實(shí)驗(yàn)豐富得多的具身經(jīng)驗(yàn)，并且可以分析更加隨機(jī)而復(fù)雜的數(shù)據(jù)變化。而思想實(shí)驗(yàn)主要依賴空間能力和身體知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，這意味著要增進(jìn)學(xué)生開展思想實(shí)驗(yàn)的本領(lǐng)，就必須重視具身經(jīng)驗(yàn)。讓學(xué)生擁有具身經(jīng)驗(yàn)，并在學(xué)習(xí)過程中提供具身交互，正是虛擬實(shí)驗(yàn)用于教授思想實(shí)驗(yàn)最可能有所作為的地方。

然而，要利用虛擬實(shí)驗(yàn)教授思想實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑€面臨諸多困難：首先，用于教授思想實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐非常少。虛擬實(shí)驗(yàn)早期作為計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)融合的新方法而出現(xiàn)，因此與虛擬實(shí)驗(yàn)有關(guān)的教育研究熱衷于實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的精確模擬。僅有少量研究使用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)教授部分理想化的實(shí)驗(yàn)，如伽利略斜面實(shí)驗(yàn)、狹義相對(duì)論等。其次，當(dāng)前的虛擬實(shí)驗(yàn)存在諸多與思想實(shí)驗(yàn)認(rèn)知機(jī)制相悖的設(shè)計(jì)取向。虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)應(yīng)用中非常重視實(shí)驗(yàn)材料與現(xiàn)實(shí)世界的一致性，虛擬材料在形狀、重量、表面質(zhì)感等方面追求無限接近現(xiàn)實(shí)世界材料；在實(shí)驗(yàn)過程中，虛擬實(shí)驗(yàn)打造了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境；在實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面，虛擬實(shí)驗(yàn)追求使用精度更高的數(shù)字、更加復(fù)雜的方程或更真實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡描述結(jié)果。這些取向?qū)δM物質(zhì)實(shí)驗(yàn)非常重要，但對(duì)訓(xùn)練學(xué)生的思想實(shí)驗(yàn)?zāi)芰碚f，不僅沒有必要甚至還有害。

這是因?yàn)椋旱谝唬枷雽?shí)驗(yàn)的世界是一個(gè)模糊的意象化世界，而不是一個(gè)精確的符號(hào)型世界，過于精確的模擬會(huì)導(dǎo)致學(xué)生將其當(dāng)作是物質(zhì)實(shí)驗(yàn)——盡管他們只是在操作一個(gè)具身直覺系統(tǒng)。第二，對(duì)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)往往將實(shí)驗(yàn)室作為系統(tǒng)交互界面的背景。但實(shí)際上學(xué)生是在生活化的場景中“做”思想實(shí)驗(yàn)的，如想象騎著一束光去旅行、在無限長的斜面上滑行，這些行為不可能在實(shí)驗(yàn)室場景完成。第三，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)很容易給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果——通常是以精確數(shù)字和方程的形式給出，但對(duì)思想實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出判斷依據(jù)的是實(shí)驗(yàn)者的具身經(jīng)驗(yàn)，而非精確的數(shù)字。第四，虛擬實(shí)驗(yàn)精心構(gòu)建了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的世界模型，幾乎不允許學(xué)生對(duì)其進(jìn)行改變，這恰恰限制了學(xué)生的想象力。在思想實(shí)驗(yàn)中，恰是要讓學(xué)生想象一個(gè)和地球一樣大的石塊，一個(gè)以光速行進(jìn)的人，而石塊和人的細(xì)節(jié)不必和現(xiàn)實(shí)世界完全一致。另外，思想實(shí)驗(yàn)中，“世界”的參數(shù)和屬性不是給定的，而是可以任意調(diào)整的，甚至可以是模糊的。從這一意義上講，思想實(shí)驗(yàn)的重要功能之一正體現(xiàn)在提升學(xué)生的科學(xué)想象能力上（Murphy，2020）。

四、用虛擬實(shí)驗(yàn)教授思想實(shí)驗(yàn)的五大設(shè)計(jì)原則

在科學(xué)教育中，思想實(shí)驗(yàn)之所以難教，主要源于其自身具有不同于物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的典型特征。第一，它廣泛地使用心理意象。因?yàn)樗鶊?zhí)行的任務(wù)對(duì)實(shí)驗(yàn)者來說是新奇的，所以其認(rèn)知參與度會(huì)很高。但這也意味著和物質(zhì)實(shí)驗(yàn)相比，思想實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷會(huì)因心理意象的抽象性而大大增加，思想實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)往往很“燒腦”。第二，思想實(shí)驗(yàn)的場景通常都顯得很怪誕。因其荒誕不經(jīng)，因此只是在頭腦里想想，而無意在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)際執(zhí)行。但這也意味著在教學(xué)中思想實(shí)驗(yàn)根本無法像物質(zhì)實(shí)驗(yàn)?zāi)菢幽軐?shí)際做出來。第三，它在物理上是完全自主的，因?yàn)椴簧婕叭魏螌?shí)驗(yàn)設(shè)備的使用。這使得思想實(shí)驗(yàn)缺乏像物質(zhì)實(shí)驗(yàn)?zāi)菢訐碛形锢憩F(xiàn)實(shí)的約束，容易讓學(xué)生天馬行空，隨心所欲，從而躍出科學(xué)和理性的邊界，甚至走向謬誤。

近年來，各類基于具身認(rèn)知觀點(diǎn)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)（王辭曉等，2022），且有越來越多的虛擬實(shí)驗(yàn)被用來教授思想實(shí)驗(yàn)（Alstein et al.，2023）。從技術(shù)上講，虛擬實(shí)驗(yàn)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：它既可以在一定程度上克服現(xiàn)實(shí)物質(zhì)條件的約束，同時(shí)又能將理想條件下的實(shí)驗(yàn)變得可“實(shí)際操作”。例如，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛉我庹{(diào)整一個(gè)物體的質(zhì)量大小，同時(shí)也能輕易決定是否有空氣存在；借助虛擬技術(shù)，地球可以變得很小，而地球上的一塊石頭可以變得和地球一樣大，我們將看到石頭和地球相互吸引（而不是亞里士多德說的石頭天然有向地面運(yùn)動(dòng)的趨勢）。而虛擬實(shí)驗(yàn)之所以可以用來教授思想實(shí)驗(yàn)，最重要的原因在于：即使思想實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬在功能上并不等同，但它們?cè)谀承┕δ苌弦泊嬖谥丿B（De Jong et al.，2013）。有學(xué)者認(rèn)為：思想實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)是由于科學(xué)家在特定的歷史條件下只能使用有限的材料（例如有摩擦力的平面），而這些缺陷可以由計(jì)算機(jī)模擬來解決；與思想實(shí)驗(yàn)相比，建立計(jì)算模型可以讓我們獲得更準(zhǔn)確、更深入的理解；思想實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知機(jī)制是一種基于心理模型的模擬推理，計(jì)算機(jī)支持這種模擬推理，也允許更復(fù)雜的模擬操作（Frappier et al.，2013）。

思想實(shí)驗(yàn)通過具身直覺系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)世界發(fā)生聯(lián)系，虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種具身直覺系統(tǒng)的工具能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)中思想實(shí)驗(yàn)與物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一。然而，在這一過程中，物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和思想實(shí)驗(yàn)之間的張力會(huì)影響和限制虛擬實(shí)驗(yàn)發(fā)揮其優(yōu)勢，因此必須謹(jǐn)慎地闡明用于教授思想實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則，并在這一過程中展現(xiàn)智能技術(shù)應(yīng)用的可能面向。智能技術(shù)的恰當(dāng)使用，不僅可以大大降低使用虛擬實(shí)驗(yàn)教授思想實(shí)驗(yàn)的技術(shù)門檻，同時(shí)也可極大地提升實(shí)際效果。

第一，面向?qū)嶒?yàn)場景生活化，喚起學(xué)習(xí)者足夠多的具身直覺經(jīng)驗(yàn)。思想實(shí)驗(yàn)是在具身直覺系統(tǒng)中操作的，這個(gè)系統(tǒng)的場景往往是與實(shí)驗(yàn)材料有關(guān)的生活場景。在生活化的場景中，我們能夠自動(dòng)調(diào)用生活中經(jīng)驗(yàn)過的規(guī)律。例如，在正常情況下，薛定諤的貓不能自己逃出籠子，牛頓的大炮應(yīng)該安置在一個(gè)山頂上等。這些規(guī)律內(nèi)嵌于整個(gè)場景，無法通過命題一一給定。因此，成功的思想實(shí)驗(yàn)必須借助整個(gè)具身直覺系統(tǒng)，虛擬實(shí)驗(yàn)場景必須以能喚起學(xué)生足夠多的具身直覺經(jīng)驗(yàn)為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。受限于人工成本和技術(shù)門檻，搭建豐富多彩的虛擬環(huán)境一度非常困難，這也是虛擬實(shí)驗(yàn)通常都是用單調(diào)的實(shí)驗(yàn)室場景的重要原因。在三維建模技術(shù)智能化發(fā)展進(jìn)程中，這一困難已經(jīng)逐漸被解決。一方面，三維建模平臺(tái)和軟件已經(jīng)推出了數(shù)量多、質(zhì)量高的開源基礎(chǔ)模型（如Unity資源商城等），有利于開發(fā)者快速搭建基礎(chǔ)環(huán)境，提高開發(fā)效率。另一方面，三維建模技術(shù)已經(jīng)與人工智能通用大模型深度融合，虛擬場景的開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入自然語言編輯時(shí)代，這使得開發(fā)人員只需要簡單描述思想實(shí)驗(yàn)開展的場景即可完成精美的定制化建模，降低開發(fā)成本，提高建模的個(gè)性化水平。

第二，面向?qū)嶒?yàn)材料意象化，幫助學(xué)習(xí)者把握意象之間的邏輯關(guān)聯(lián)。思想實(shí)驗(yàn)操作的物體并非是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)實(shí)物體，而是具有共同特征或功能的一類物體之綜合意象。對(duì)意象的操作忽略了物體的具體細(xì)節(jié)，能夠讓我們更好地把握意象與意象之間的邏輯關(guān)聯(lián)。為了在思想實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)對(duì)事物屬性的本質(zhì)把握，虛擬實(shí)驗(yàn)提供的虛擬材料應(yīng)當(dāng)以意象類材料為單位，而非一個(gè)個(gè)具體物件。這對(duì)那些經(jīng)常精確給出具體物品的設(shè)計(jì)者來說可能不太習(xí)慣，但卻很容易實(shí)現(xiàn)。要突出意象，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)材料選擇欄。例如，用“重物”“斜面”等概念性詞匯代替現(xiàn)有的“5kg鐵球”“30cm長木板”等具體物品。在“重物”“斜面”等材料欄，應(yīng)該提供多種符合“重物”“斜面”屬性的實(shí)驗(yàn)器材，以便使學(xué)生意識(shí)到這些材料對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并無太大影響。事實(shí)上，這種以意象為主的思考方式與面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)不謀而合。目前，通常使用C＋＋、C#或Java語言實(shí)現(xiàn)虛擬互動(dòng)平臺(tái)的邏輯，它們都使用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，其中的類可以對(duì)應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)中的意象。

第三，面向參數(shù)控制自主化，在人為的矛盾關(guān)系中揭示真理。對(duì)思想實(shí)驗(yàn)來說，僅僅把物品選擇按照意象類劃分還不能滿足需求，操作者應(yīng)能根據(jù)自己的想象任意調(diào)整物品的基本參數(shù)。部分虛擬實(shí)驗(yàn)確實(shí)可以調(diào)整特定物品的某些參數(shù)，其范圍一般是一個(gè)狹窄的“正常”區(qū)間，但這種低自由度的設(shè)計(jì)不能滿足思想實(shí)驗(yàn)的需求。在思想實(shí)驗(yàn)中，大炮可以打出7.9km/s以上的速度，但這在日常生活中是絕無可能的。然而，如果無法將大炮的速度調(diào)整到超出正常范圍，那么牛頓又怎能在300多年前就知道衛(wèi)星如何上天呢？通常，唯有想象某一屬性不斷超出正常值（甚至趨近無窮），才能顯示出物理系統(tǒng)中各屬性的矛盾關(guān)系。因此用于教授思想實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)必須具有高自由度的特點(diǎn)。在技術(shù)層面，一個(gè)或多個(gè)物體超出正常屬性，可能會(huì)對(duì)虛擬環(huán)境的物理系統(tǒng)造成扭曲，從而導(dǎo)致整個(gè)虛擬環(huán)境崩潰。越來越多的虛擬互動(dòng)應(yīng)用向高自由度方面發(fā)展，它們擁有強(qiáng)大的物理引擎系統(tǒng)（如Unreal、Blender等），能夠支撐部分物體超出正常屬性，實(shí)現(xiàn)在給予玩家較高控制自由度的同時(shí)維持虛擬環(huán)境的穩(wěn)定性和真實(shí)感。

第四，面向操作體驗(yàn)具身化，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與具身直覺系統(tǒng)的深度融合。虛擬實(shí)驗(yàn)的具身化發(fā)展對(duì)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)、加強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)和具身直覺系統(tǒng)的融合都有重大意義。一方面，多模態(tài)、具身的經(jīng)驗(yàn)有助于學(xué)生獲得更穩(wěn)固的概念框架和更豐富的情感體驗(yàn)。另一方面，思想實(shí)驗(yàn)賴以運(yùn)行的具身直覺系統(tǒng)是具身的，虛擬實(shí)驗(yàn)作為具身直覺系統(tǒng)的工具，其具身化發(fā)展有利于減小虛擬實(shí)驗(yàn)和具身直覺系統(tǒng)的張力。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備越來越便攜和易得，手勢眼神交互、觸覺模擬技術(shù)日漸成熟，基于智能技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驑O大地提高學(xué)生的沉浸感，擴(kuò)展和增強(qiáng)學(xué)生的具身直覺系統(tǒng)。已有研究表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用能降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷（王國華等，2023），使用嵌入體感交互、遙控手柄設(shè)備的虛擬互動(dòng)技術(shù)總是好于僅依靠鍵盤和鼠標(biāo)控制的虛擬互動(dòng)平臺(tái)。

第五，面向?qū)嶒?yàn)結(jié)果直觀化，凸顯概念與概念之間的關(guān)系。就虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)本身來說，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬結(jié)果的數(shù)字化顯示并不困難（如Matlab仿真工具可以顯示數(shù)字結(jié)果甚至過程函數(shù)），但這與思想實(shí)驗(yàn)和具身直覺系統(tǒng)的特點(diǎn)相悖。思想實(shí)驗(yàn)的結(jié)果往往不需要精確的數(shù)字顯示。我們僅僅想知道物體是否以同一速度下落、是否能知道貓的生死狀態(tài)、機(jī)器人通過圖靈測試是否就擁有了智能之類的問題，而這些問題不需要精確復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。由于虛擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本身就是根據(jù)理想化的規(guī)律模擬形成的，沒有所謂的誤差，因此思想實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)行對(duì)誤差進(jìn)行分析將可能導(dǎo)致混亂。試想，如果虛擬實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)小球同時(shí)釋放，落地時(shí)間相差萬分之一秒，那么是否能認(rèn)為物體同時(shí)下落？事實(shí)上，微小的誤差并不是思想實(shí)驗(yàn)要處理的問題；恰恰相反，思想實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是忽略無關(guān)因素，讓概念和概念之間的關(guān)系凸顯出來。虛擬物理引擎能夠模擬現(xiàn)實(shí)世界的基本規(guī)律，實(shí)現(xiàn)較逼真的實(shí)際效果，這將使思想實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更加直觀，更有利于分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出思想實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。

盡管遵循上述原則并恰當(dāng)使用智能技術(shù)能夠使虛擬實(shí)驗(yàn)更好地服務(wù)于思想實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但任何設(shè)計(jì)原則和再高級(jí)的技術(shù)手段都有其使用邊界。例如，已有研究證明，3D具身的虛擬技術(shù)可能造成學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷過大的問題（Korakakis et al.，2009），因此在滿足操作具身化原則時(shí)還應(yīng)監(jiān)控學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，以便根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷調(diào)整系統(tǒng)的具身程度和操作難度。

總之，思想實(shí)驗(yàn)極大地推動(dòng)了科學(xué)進(jìn)步，必然也蘊(yùn)涵著豐富的教育價(jià)值。它之所以一直以來都是科學(xué)教育中的“生面孔”，不是因?yàn)椴辉摻蹋且驗(yàn)椴缓媒獭ｋS著智能技術(shù)和虛擬實(shí)驗(yàn)的迅速發(fā)展，其為思想實(shí)驗(yàn)登上科學(xué)教育的舞臺(tái)提供了新希望。要想讓這一希望成為現(xiàn)實(shí)，還需從認(rèn)知的具身觀點(diǎn)出發(fā)加強(qiáng)對(duì)思想實(shí)驗(yàn)認(rèn)知機(jī)制的基礎(chǔ)理論研究。唯有如此，才能讓智能技術(shù)支持的虛擬實(shí)驗(yàn)在教授思想實(shí)驗(yàn)的道路上行穩(wěn)致遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1][奧]恩斯特·馬赫（2007）.認(rèn)識(shí)與謬誤——探究心理學(xué)論綱[M].李醒民.北京：商務(wù)印書館：204.

[2][德]弗里德里希·恩格斯（2014）.路德維希·費(fèi)爾巴哈和德國古典哲學(xué)的終結(jié)[M].中共中央馬克思列寧恩格斯斯大林著作編譯局.北京：人民出版社：63-66.

[3][德]康德（2017）.純粹理性批判[M].鄧曉芒.北京：人民出版社：41-42.

[4][美]彼得·伽里森（2017）.實(shí)驗(yàn)是如何終結(jié)的[M].董麗麗.上海：上海交通大學(xué)出版社：17.

[5][美]羅伯特·S.韋斯特曼（2020）.哥白尼問題[M].霍文莉，蔡文斌.桂林：廣西師范大學(xué)出版社：213-221.

[6][英]伊·拉卡托斯（1978）.科學(xué)研究綱領(lǐng)方法論[M].蘭征.上海：上海譯文出版社：145.

[7]李猛（2016）.經(jīng)驗(yàn)之路：培根與笛卡爾論現(xiàn)代科學(xué)的方法與哲學(xué)基礎(chǔ)[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），15（5）：9-23.

[8]李澤厚（2007）.批判哲學(xué)的批判[M].北京：生活·讀書·新知三聯(lián)書店：72.

[9]王辭曉，李睿玉，張慕華（2022）.虛擬實(shí)驗(yàn)具身程度及其對(duì)學(xué)習(xí)成效的影響[J].開放教育研究，28（5）：93-104.

[10]王國華，宋佳音，田梁浩等（2023）.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有助于降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷？——基于23項(xiàng)實(shí)驗(yàn)與準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究的元分析[J].開放教育研究，29（4）：110-120.

[11]楊振寧，嚴(yán)志雄（1991）.二十世紀(jì)的物理學(xué)[J].科技導(dǎo)報(bào)，（2）：12-16.

[12]曾國屏，高亮華，劉立等（2005）.當(dāng)代自然辯證法教程[M].北京：清華大學(xué)出版社：162.

[13]趙煦，管雪松（2018）.思想實(shí)驗(yàn)研究：以當(dāng)代科學(xué)前沿為背景[M].北京：科學(xué)出版社：137.

[14]鄭旭東，張金勝（2023）.智能環(huán)境下角色扮演的游戲化教學(xué)何以有效？——基于認(rèn)知具身觀點(diǎn)的理論透視[J].電化教育研究，44（5）：113-119.

[15]Alstein， P.， Krijtenburg-Lewerissa， K.， amp; Van Joolingen， W. R. （2023）. Designing and Evaluating Relativity Lab： A Simulation Environment for Special Relativity Education at the Secondary Level[J]. Journal of Science Education and Technology， 32：759-772.

[16]Bancong， H.， amp; Song， J. （2020）. Factors Triggering Thought Experiments in Small Group Physics Problem-Solving Activities[J]. New Physics： Sae Mulli， 70（5）：466-480.

[17]Brown， J. R. （2011）. The Laboratory of the Mind： Thought Experiments in the Natural Sciences[M]. London： Routledge：1-19.

[18]Brown， J. R. （2022）. Rigour and Thought Experiments： Burgess and Norton[J]. Axiomathes， 32：7-28.

[19]Checa， D.， amp; Bustillo， A. （2020）. A Review of Immersive Virtual Reality Serious Games to Enhance Learning and Training[J]. Multimedia Tools and Applications， 79：5501-5527.

[20]De Jong， T.， Linn， M. C.， amp; Zacharia， Z. C. （2013）. Physical and Virtual Laboratories in Science and Engineering Education[J]. Science， 340（6130）：305-308.

[21]Frappier， M.， Meynell， L.， amp; Brown， J. R. （2013）. Thought Experiments in Science， Philosophy， and the Arts[M]. London： Routledge：239.

[22]Georgiou， A. （2005）. Thought Experiments in Physics Problem-Solving： On Intuition and Imagistic Simulation[D]. Cambridge： University of Cambridge：77-79.

[23]Gilbert， J. K.， amp; Reiner， M. （2000）. Thought Experiments in Science Education： Potential and Current Realization[J]. International Journal of Science Education， 22（3）：265-283.

[24]Hancock， P. A.， Vincenzi， D. A.， amp; Wise， J. A. et al. （2008）. Human Factors in Simulation and Training[M]. Boca Raton： CRC Press：3-38.

[25]Hernández-de-Menéndez， M.， Vallejo Guevara， A.， amp; Morales-Menendez， R. （2019）. Virtual Reality Laboratories： A Review of Experiences[J]. International Journal on Interactive Design and Manufacturing， 13：947-966.

[26]Korakakis， G.， Pavlatou， E. A.， amp; Palyvos， J. A. et al. （2009）. 3D Visualization Types in Multimedia Applications for Science Learning： A Case Study for 8th Grade Students in Greece[J]. Computers amp; Education， 52（2）：390-401.

[27]Levine， A. I.， DeMaria Jr.， S.， amp; Schwartz， A. D. et al. （2013）. The Comprehensive Textbook of Healthcare Simulation[M]. New York： Springer Science amp; Business Media：5-11.

[28]Millikan， R. A. （1939）. Albert Abraham Michelson[J]. The Scientific Monthly， 48（1）：16-27.

[29]Murphy， A. M. L. （2020）. Thought Experiments and the Scientific Imagination[D]. Leeds： University of Leeds：70-75.

[30]Norton， J. （2004）. On Thought Experiments： Is There More to the Argument？[J]. Philosophy of Science， 71（5）：1139-1151.

[31]Pirker， J.， Holly， M.， amp; Gütl， C. （2020）. Room Scale Virtual Reality Physics Education： Use Cases for the Classroom[C]// Proceedings of the 2020 6th International Conference of the Immersive Learning Research Network （iLRN）. San Luis Obispo， CA， USA：242-246.

[32]Popescu， E.， Khribi， M. K.， amp; Huang， R. et al. （2017）. Innovations in Smart Learning[M]. Singapore： Springer Singapore：13-18.

[33]Reiner， M.， amp; Gilbert， J. （2000）. Epistemological Resources for Thought Experimentation in Science Learning[J]. International Journal of Science Education， 22（5）：489-506.

[34]Schwartz， D. L.， amp; Black， J. B. （1996）. Shuttling Between Depictive Models and Abstract Rules： Induction and Fallback[J]. Cognitive Science， 20（4）：457-497.

[35]Tebbe， P. （2006）. A Review of the Current Status and Challenges of Virtual Experimentation[C]// Proceedings of the 2006 ASEE Annual Conference and Exposition. Chicago， Illinois：1-12.

[36]Viitaharju， P.， Nieminen， M.， amp; Linnera， J. et al. （2023）. Student Experiences from Virtual Reality-Based Chemistry Laboratory Exercises[J]. Education for Chemical Engineers， 44：191-199.

[37]Wittgenstein， L. （1969）. On Certainty[M]. Oxford： Blackwell：107-108.

收稿日期 2023-10-16 責(zé)任編輯 劉選

How Virtual Experiments Are Used to Teach Thought Experiments： A Theoretical Analysis Based on the History of Scientific Thought and the Embodied Perspective of Cognition

ZHENG Xudong， ZHANG Jinsheng

Abstract： Actual experiments are carried out in the physical realm， while thought experiments transpire within the realm of the mind. Together， they constitute the two fundamental types of scientific experimentation. The historical dichotomy between them reveals the contrasting epistemological stances of empiricism and idealism， giving rise to a dialectical relationship marked by opposition and unity. From the vantage-point of cognitive embodiment， thought experiments can be parsed into three interlinked cognitive processes： the depiction or imaginative construction of hypothetical worlds， the simulation of operational mental images， and the derivation of conclusions based on envisioned phenomena. This framework reflects the harmonization of sensibility and intellect within the embodied intuition system. The swift ascension of virtual experiments grounded in computational modeling and virtual simulation technologies contributes to the establishment of a fused “human-machine” embodied system. It externalizes mental images， psychological simulations， and imaginative outcomes into perceptual signals. The primary strength of virtual experiments lies in facilitating the pedagogy of thought experiments rather than simulating material experiments. As an embodied intuitive tool， virtual experiments， when employed for teaching thought experiments， should adhere to such strategic principles as rendering experimental scenarios vivid and true-to-life， conceptualizing experimental materials， enabling autonomous control over parameters， embodying the experiential dimension of operation and visualizing experimental outcomes to enhance the application effect.

Keywords： Virtual Experiments; Thought Experiments; Embodied Cognition; Cognitive Mechanism; Design Principles