王榮良

● 認(rèn)識(shí)思想實(shí)驗(yàn)

提起實(shí)驗(yàn)在科學(xué)中所發(fā)揮的強(qiáng)有力的作用，伽利略是功不可沒的。伽利略憑借他獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、高超的實(shí)驗(yàn)技巧，成就了一個(gè)又一個(gè)天才的實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)事實(shí)推翻了亞里士多德2000多年的科學(xué)統(tǒng)治地位，具有劃時(shí)代的意義。其中，比薩斜塔的自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)年伽利略登上比薩斜塔塔頂，將一個(gè)重100磅和一個(gè)重1磅的鐵球同時(shí)拋下。在眾目睽睽之下，兩個(gè)鐵球出人意料地同時(shí)落地，從而證實(shí)了亞里士多德關(guān)于“物體從高空落下的快慢同物體的重量成正比，重者下落快，輕者下落慢”的斷言是錯(cuò)誤的。

我們有理由猜測(cè)，伽利略在比薩斜塔做自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)前，已經(jīng)知道亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。伽利略在1636年的《兩種新科學(xué)的對(duì)話》中寫道：如果依照亞里士多德的理論，假設(shè)有兩塊石頭，大的重量為8，小的為4，則大的下落速度為8，小的下落速度為4，當(dāng)兩塊石頭被綁在一起的時(shí)候，下落快的會(huì)因?yàn)槁亩煌下?。所以整個(gè)體系和下落速度在4～8之間。但兩塊綁在一起的石頭的整體重量為12，下落速度也就應(yīng)該大于8，這就陷入了一個(gè)自相矛盾的境界。所以，物體下落的速度應(yīng)該不是由其重量決定的。

這也是一個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，只不過與比薩斜塔所做的真實(shí)的物質(zhì)實(shí)驗(yàn)相比，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程是在人腦中完成的，通過推理來推進(jìn)實(shí)驗(yàn)的步驟和過程。這種實(shí)驗(yàn)，稱為思想實(shí)驗(yàn)。事實(shí)上，思想實(shí)驗(yàn)并不是伽利略時(shí)代才開始有的，在各種物質(zhì)條件和觀察設(shè)備缺乏的古代，思想實(shí)驗(yàn)所起的作用有時(shí)比物質(zhì)實(shí)驗(yàn)還要大。隨著現(xiàn)代科學(xué)理論的完善，思想實(shí)驗(yàn)的過程更加嚴(yán)謹(jǐn)了。

在當(dāng)前的科學(xué)實(shí)踐中，當(dāng)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不能滿足實(shí)驗(yàn)自身的要求時(shí)，實(shí)驗(yàn)者會(huì)在其自身的思維領(lǐng)域構(gòu)建出一個(gè)條件似真的理想化世界，這個(gè)理想化的世界中包括了理想化的實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及符合要求的理想化的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在這個(gè)虛擬的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的處理以及應(yīng)用邏輯思維整理和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。

因此，思想實(shí)驗(yàn)就是運(yùn)用人腦思維而不是實(shí)物觀察的實(shí)驗(yàn)過程，從已有且公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，假設(shè)出一個(gè)現(xiàn)實(shí)中有可能無法實(shí)現(xiàn)的似真的環(huán)境，并經(jīng)過一系列的推理推導(dǎo)出最終的結(jié)論，用來作為對(duì)某一理論的支撐和證明。

在教育教學(xué)過程中，有兩種情況可以開展思想實(shí)驗(yàn)：現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能滿足實(shí)驗(yàn)實(shí)施的需要，或?qū)嶒?yàn)的中間過程無法直接觀察。前者如物理學(xué)的中原子核裂變，后者如程序設(shè)計(jì)，我們可以知道程序運(yùn)行前的條件和運(yùn)行后的結(jié)果，但是無法觀察程序運(yùn)行的過程。

● 思想實(shí)驗(yàn)的意義與特征

近代科學(xué)中所倡導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)注重借助各種科學(xué)儀器，人為地改變自然條件，為種種現(xiàn)象的發(fā)生創(chuàng)造優(yōu)越于自然條件的人工條件。但實(shí)驗(yàn)條件的改善，并不能否認(rèn)思想實(shí)驗(yàn)的作用。開展思想實(shí)驗(yàn)的意義，并不僅僅在于規(guī)避實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用，更重要的是能夠超越現(xiàn)有的物質(zhì)條件，探索真理。

首先，開展思想實(shí)驗(yàn)，可以克服物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的局限性。在物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，不可避免地會(huì)受到整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制約，也會(huì)受到溫度、濕度等實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響。在這種實(shí)驗(yàn)氛圍和背景下，思想實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲黄瓶陀^限制，減少實(shí)驗(yàn)花費(fèi)，縮短實(shí)驗(yàn)周期，完成理想實(shí)驗(yàn)。

其次，開展思想實(shí)驗(yàn)，可以化具體為抽象，在思維領(lǐng)域中對(duì)事物的復(fù)雜性進(jìn)行深入改造和純化。在這樣的過程中，無關(guān)緊要的環(huán)節(jié)被簡(jiǎn)化，無足輕重的條件被排除在整個(gè)實(shí)驗(yàn)之外，而實(shí)驗(yàn)中最為重要的部分可以得到強(qiáng)化并系統(tǒng)地利用與分析，凸顯出最為本質(zhì)、最為客觀的規(guī)律。同時(shí)，思維邏輯可以得到進(jìn)一步理論化和抽象化。

最后，開展思想實(shí)驗(yàn)，可以為舊理論的內(nèi)在矛盾呈現(xiàn)提供理想情境，驗(yàn)證理論，提出假設(shè)，科學(xué)預(yù)測(cè)，同時(shí)催生新的科學(xué)理論。伽利略就是通過自由落體運(yùn)動(dòng)的思想實(shí)驗(yàn)，揭示了亞里士多德理論的矛盾所在，并為現(xiàn)代經(jīng)典物理理論的誕生提供基礎(chǔ)與假設(shè)。

從上述對(duì)思想實(shí)驗(yàn)的考察中，我們可以看到，思想實(shí)驗(yàn)是按真實(shí)實(shí)驗(yàn)的格式展開的一種復(fù)雜的思維推理活動(dòng)，這樣不必物化就可得到確定的結(jié)論。其思想操作包括以下幾個(gè)層面：其一，對(duì)從未進(jìn)行過的或潛在的可以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)想；其二，為形成理想實(shí)驗(yàn)，對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理想化的抽象；其三，對(duì)現(xiàn)實(shí)中不存在、與經(jīng)驗(yàn)相矛盾的現(xiàn)象進(jìn)行邏輯、有意義的想象。

思想實(shí)驗(yàn)有如下特征：

首先，思想實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)的可操作性。思想實(shí)驗(yàn)不是實(shí)際進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，是頭腦中的實(shí)驗(yàn)。之所以稱之為“實(shí)驗(yàn)”，是因?yàn)檫@種思維活動(dòng)是按照實(shí)驗(yàn)的格式展開的，有可操作性。

其次，思想實(shí)驗(yàn)具有嚴(yán)密的邏輯性。在思想實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中，邏輯推理是它的基本工具，人們?cè)跇?gòu)思思想實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以根據(jù)自己掌握的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)、當(dāng)時(shí)的科學(xué)水平，就被研究的客體進(jìn)行充分的聯(lián)想，運(yùn)用其邏輯思維聯(lián)系有關(guān)的概念并進(jìn)行推演。

在計(jì)算學(xué)科中，圖靈機(jī)的誕生就是思想實(shí)驗(yàn)的一個(gè)案例。早在1935年，圖靈就開始構(gòu)思一臺(tái)抽象的機(jī)器——理論上完成機(jī)械計(jì)算的機(jī)器，這種機(jī)器是一種想象的、能計(jì)算任何嚴(yán)格可定義的計(jì)算過程或算法的計(jì)算機(jī)，它按照事先設(shè)計(jì)好的指令或步驟把信息從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，用于推理、計(jì)算。圖靈定義了“計(jì)算”的邏輯基礎(chǔ)，設(shè)想有一個(gè)可以左右移動(dòng)的劃分成小方塊無限長(zhǎng)的紙帶、一個(gè)讀寫紙帶的裝置以及一個(gè)控制器所組成的機(jī)器，規(guī)定機(jī)器有四種操作：作出標(biāo)記、改動(dòng)標(biāo)記、把紙向前推動(dòng)、把紙向后推。一旦為這臺(tái)機(jī)器制訂以上四種操作的規(guī)則以后，圖靈機(jī)就可以自動(dòng)地一次掃描一個(gè)方塊并且可以“讀”或“寫”某些東西，可以把所寫的東西擦掉，可以一次將紙帶向左或向右移動(dòng)一個(gè)方塊。當(dāng)它達(dá)到某一點(diǎn)并完成其任務(wù)時(shí)，它會(huì)自己停下來。圖靈機(jī)是一個(gè)虛擬的機(jī)器，圖靈機(jī)理論提出之時(shí)，還沒有真實(shí)的計(jì)算機(jī)，但是運(yùn)用圖靈機(jī)就可以模擬機(jī)械計(jì)算的過程和細(xì)節(jié)。圖靈機(jī)的發(fā)明與執(zhí)行過程是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。圖靈機(jī)是對(duì)計(jì)算的高度抽象，在對(duì)計(jì)算的基本邏輯進(jìn)行定義后，它可以不依賴于物質(zhì)的計(jì)算機(jī)而完成每一個(gè)計(jì)算狀態(tài)的演算，從而提出計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。

● 思想實(shí)驗(yàn)的建構(gòu)方法

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)預(yù)定目的，在人工控制條件下，通過干預(yù)、控制科研對(duì)象而觀察、探索科研對(duì)象有關(guān)規(guī)律和機(jī)制的一種研究方法。一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告通常會(huì)包括以下7個(gè)部分：①實(shí)驗(yàn)?zāi)康模虎趯?shí)驗(yàn)原理；③實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器設(shè)備；④實(shí)驗(yàn)步驟；⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)果；⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析；⑦實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這7個(gè)部分，反映了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的三個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段、實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理階段。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段涉及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖敲鞔_為什么而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是依據(jù)研究目標(biāo)而定的，有的用于驗(yàn)證，有的是為了探索。實(shí)驗(yàn)原理是理論的邏輯起點(diǎn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)就是以此為依據(jù)的，若實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)矛盾之處，理論也會(huì)受到質(zhì)疑。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)正確實(shí)施的關(guān)鍵，最能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者的思想和智慧。實(shí)驗(yàn)環(huán)境是實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備、材料的準(zhǔn)備以及外部環(huán)境的要求。實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備、材料的準(zhǔn)備，表面上是一種純物質(zhì)的活動(dòng)，實(shí)際上也滲透著實(shí)驗(yàn)者的思想，因?yàn)槊恳环N儀器的選擇與設(shè)計(jì)，都是以某一種理論為依據(jù)的。

實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段是實(shí)驗(yàn)者操作一定的儀器設(shè)備使其作用于實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以取得某種實(shí)驗(yàn)效應(yīng)和數(shù)據(jù)。這個(gè)階段的活動(dòng)是一種客觀的物質(zhì)活動(dòng)，是對(duì)人們已有認(rèn)識(shí)的檢驗(yàn)，也提供新事實(shí)讓人們認(rèn)識(shí)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理階段是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，排除實(shí)驗(yàn)過程中一些主客觀因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，消除誤差，得出正確的結(jié)果。

思想實(shí)驗(yàn)與常規(guī)的學(xué)科實(shí)驗(yàn)有著相似的過程。借鑒科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施過程，我們給出思想實(shí)驗(yàn)5個(gè)基本要素——問題目標(biāo)、思想工具、邏輯起點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)、結(jié)論分析，從而形成思想實(shí)驗(yàn)的基本方法。

問題目標(biāo)明確實(shí)驗(yàn)的目的，也是就思維的方向、一切的思想推演都是以此為目標(biāo)的。思想實(shí)驗(yàn)沒有物化的實(shí)驗(yàn)儀器，其思想工具主要是邏輯工具和學(xué)科工具。邏輯是思維的最基本工具，學(xué)科工具反映了思想實(shí)驗(yàn)所對(duì)應(yīng)學(xué)科使用的基本學(xué)科方法。而邏輯起點(diǎn)正是規(guī)定了學(xué)科的基礎(chǔ)點(diǎn)，也明確了哪些學(xué)科工具是可以在思想實(shí)驗(yàn)中使用的。實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)是實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)，也是運(yùn)用思想工具進(jìn)行推演的過程，這是思想實(shí)驗(yàn)中最核心、最精彩的部分。最后，結(jié)論分析是對(duì)思想實(shí)驗(yàn)的總結(jié)。

現(xiàn)在來看伽利略的自由落體運(yùn)動(dòng)思想實(shí)驗(yàn)。問題目標(biāo)是明確的，要對(duì)亞里士多德的理論提出質(zhì)疑。邏輯起點(diǎn)依然是運(yùn)用亞里士多德的理論，即“物體從高空落下的快慢同物體的重量成正比”，這也是其學(xué)科工具，即“重的物體（H）比輕的物體（L）下落速度快”。其實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)是巧妙的，首先將兩個(gè)輕重不一的物體H和L用繩子連起來，接下來由兩個(gè)推演過程組成：其一，H+L應(yīng)該比重的物體H下落速度快，即VH+L>VH>VL；其二，兩個(gè)物體在一起時(shí)，因輕的物體L下落速度慢，較重的物體H產(chǎn)生拉力，導(dǎo)致VL

事實(shí)上，物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和思想實(shí)驗(yàn)并不是完全對(duì)立的。物質(zhì)實(shí)驗(yàn)可以通過思想實(shí)驗(yàn)不斷純化，逐漸達(dá)到事物的本質(zhì)。在每次的物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理階段，實(shí)驗(yàn)者都會(huì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的條件進(jìn)行調(diào)整，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更理想。這其實(shí)也是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的過程。同樣，思想實(shí)驗(yàn)也可以通過物質(zhì)實(shí)驗(yàn)來得到驗(yàn)證，伽利略的斜塔實(shí)驗(yàn)就達(dá)到了這樣的目的。

● 計(jì)算思維教育中的思想實(shí)驗(yàn)

思維能不能教，在學(xué)界一直有爭(zhēng)議。有人認(rèn)為思維不能教，有人認(rèn)為思維教不會(huì)，也有人認(rèn)為思維是不需要教的。作為知識(shí)教育，是先將隱性知識(shí)顯性化，通過語言、文字、圖表來表達(dá)，然后進(jìn)行傳授和學(xué)習(xí)。而開展思維教育，首先，遇到的困難就是如何將人腦中的思維表達(dá)出來。其次，一般思維技能的訓(xùn)練需要輔之以大量的具體知識(shí)，而這些知識(shí)的掌握是需要一定的時(shí)間、精力和能力開銷的，也就是說，思維教育與知識(shí)學(xué)習(xí)是緊密相關(guān)的。

在中小學(xué)開展計(jì)算思維教育，同樣也會(huì)遇到這些問題。筆者在《計(jì)算思維的方法觀》（《中國(guó)信息技術(shù)教育》2016年第6期，總233期）一文中，闡述了這樣一個(gè)觀點(diǎn)，可以把計(jì)算思維用學(xué)科方法來物化，這樣傳授計(jì)算學(xué)科方法可以成為計(jì)算思維教育的一個(gè)途徑。但是用計(jì)算學(xué)科方法的外殼，來表達(dá)計(jì)算思維，需要把握好一個(gè)度。過分強(qiáng)調(diào)方法細(xì)節(jié)，有可能關(guān)注了技巧而忽略了思維。

開展思維教育需要有一定的知識(shí)基礎(chǔ)。計(jì)算思維教育需要相應(yīng)的計(jì)算學(xué)科知識(shí)。然而，計(jì)算思維教育具體實(shí)施過程中需要哪些學(xué)科知識(shí)，還缺乏深入的研究。特別是計(jì)算學(xué)科的知識(shí)學(xué)習(xí)門檻高，對(duì)在中小學(xué)開展計(jì)算思維教育形成明顯的障礙。

計(jì)算思維是跨接現(xiàn)實(shí)世界和計(jì)算機(jī)世界的思維。在沒有出現(xiàn)計(jì)算機(jī)以前，人類面對(duì)的現(xiàn)實(shí)世界主要是一個(gè)物理世界，人們每天處理著大量的物理量，進(jìn)行著生產(chǎn)、生活以及學(xué)習(xí)活動(dòng)。有了計(jì)算機(jī)以后，計(jì)算機(jī)構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)特的世界，它是按人的規(guī)定有限地反映現(xiàn)實(shí)世界，模仿人類處理現(xiàn)實(shí)世界的物理量，同時(shí)也構(gòu)建了與現(xiàn)實(shí)世界不一樣的時(shí)空觀。我們把這個(gè)稱為計(jì)算機(jī)世界，人類是按預(yù)設(shè)的目標(biāo)要求，通過對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的分析，來規(guī)劃、設(shè)計(jì)、構(gòu)造計(jì)算機(jī)世界的。在這個(gè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、構(gòu)造計(jì)算機(jī)世界的過程中，蘊(yùn)涵著人的計(jì)算思維。從這層意義上說，采用思想實(shí)驗(yàn)的方法開展計(jì)算思維教育，比一般的思維教育有優(yōu)勢(shì)。計(jì)算思維是計(jì)算學(xué)科的學(xué)科思維，計(jì)算機(jī)是計(jì)算學(xué)科的代表物，運(yùn)用和理解計(jì)算機(jī)的行為，可以幫助人們理解計(jì)算思維。

計(jì)算機(jī)相當(dāng)于是一個(gè)“黑箱”。所謂“黑箱”，就是指那些既不能打開，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)。雖然是一個(gè)“黑箱”，不能直接觀察計(jì)算機(jī)內(nèi)部的每一步操作，但是計(jì)算機(jī)具有確定的、構(gòu)造的自動(dòng)化屬性，具體表現(xiàn)為：其一，計(jì)算機(jī)的每一步操作是預(yù)設(shè)的，也是明確的，在相同的外部條件下，一定會(huì)按相同的操作步驟執(zhí)行；其二，對(duì)于可計(jì)算問題，計(jì)算機(jī)可以在有限的時(shí)間內(nèi)通過有限步驟得到運(yùn)行結(jié)果，運(yùn)行結(jié)果是可觀察的，且在相同的外部條件下，獲得的結(jié)果一定是相同的。這為思想實(shí)驗(yàn)的開展提供了便利。

計(jì)算機(jī)的“黑箱”特性給中小學(xué)生理解其機(jī)理帶來了困難。但在不直接影響原有黑箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)、要素和機(jī)制的前提下通過觀察黑箱中“輸入”“輸出”的變量，得出關(guān)于黑箱內(nèi)部情況的推理，尋找、發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)黑箱的控制，正適合于思想實(shí)驗(yàn)。

如下圖所示，計(jì)算機(jī)解決問題的過程是“功能描述—形式化表達(dá)—計(jì)算機(jī)代碼—執(zhí)行結(jié)果”，即人們根據(jù)實(shí)際需要給出功能描述的形式化表達(dá)，然后編制程序代碼由計(jì)算機(jī)運(yùn)用得出結(jié)果。從計(jì)算機(jī)代碼執(zhí)行到結(jié)果輸出，是計(jì)算機(jī)世界完成的工作，作為計(jì)算機(jī)使用者或?qū)W習(xí)者，在對(duì)功能描述形成形式化表達(dá)以后，一定會(huì)有一個(gè)預(yù)設(shè)結(jié)果，可以與計(jì)算機(jī)執(zhí)行的真實(shí)結(jié)果進(jìn)行比較判別，以確定計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是否符合預(yù)設(shè)的要求。那么，他是如何在計(jì)算沒有執(zhí)行的時(shí)候就有預(yù)設(shè)結(jié)果的呢？他一定是根據(jù)計(jì)算機(jī)的執(zhí)行規(guī)律在大腦里進(jìn)行了推演，即如圖所示的“？”部分。這個(gè)推演過程就是思想實(shí)驗(yàn)的過程，并且其思想實(shí)驗(yàn)比伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)更容易獲得驗(yàn)證，因?yàn)樽鳛檠芯靠腕w和工具的物化的計(jì)算機(jī)，可以重復(fù)多次運(yùn)行。

對(duì)照思想實(shí)驗(yàn)提出的問題目標(biāo)、思想工具、邏輯起點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)、結(jié)論分析這5個(gè)基本要素可以發(fā)現(xiàn)，與一般思想實(shí)驗(yàn)不同，基于計(jì)算思維的思想實(shí)驗(yàn)具有思想實(shí)驗(yàn)的預(yù)設(shè)結(jié)果與計(jì)算機(jī)的執(zhí)行結(jié)果的比較判別這樣一個(gè)環(huán)節(jié)。因此，其關(guān)鍵點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)主要由推演設(shè)計(jì)和觀察點(diǎn)設(shè)計(jì)兩部分組成。推演是在邏輯起點(diǎn)和思想工具基礎(chǔ)上完成的，功能描述和形式化表達(dá)是其邏輯起點(diǎn)，基本的邏輯演繹工具和計(jì)算學(xué)科工具是其思想工具，推演過程就是在大腦中完成指定的計(jì)算機(jī)執(zhí)行過程。觀察點(diǎn)是用于判斷推演過程與計(jì)算機(jī)執(zhí)行過程是否一致的參照點(diǎn)，其中，推演的預(yù)設(shè)結(jié)果和計(jì)算機(jī)的最終運(yùn)行結(jié)果是最重要的觀察點(diǎn)，但不一定是唯一的觀察點(diǎn)。推演過程中，可以設(shè)計(jì)更多的觀察點(diǎn)，可以有效地反映從功能的形式表達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的邏輯過程。因此，設(shè)計(jì)合適的觀察點(diǎn)，是基于計(jì)算思維教育的思想實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。

以下是一個(gè)關(guān)于程序調(diào)試的教學(xué)案例：

一個(gè)求100以內(nèi)所有素?cái)?shù)的VB程序，這個(gè)程序共有2個(gè)錯(cuò)誤，要求找出這些錯(cuò)誤。

Dim flag As Boolean， m As Integer， k As Integer

flag = True

Print

For m = 2 To 100

k = 2

Do While k <= m

If m Mod k = 0 Then flag = Flase

k = k + 1

Loop

If flag Then Print m

Next m

以上程序含有的2個(gè)錯(cuò)誤，都是用錯(cuò)語句或漏寫語句，屬于語義類錯(cuò)誤或邏輯錯(cuò)誤，VB系統(tǒng)不會(huì)給出語法出錯(cuò)之類的提示。教師提出了如下教學(xué)實(shí)施要求：①請(qǐng)學(xué)生復(fù)核求素?cái)?shù)的算法；②針對(duì)Do While-Loop循環(huán)，演算程序執(zhí)行過程是否符合要求；③針對(duì)For-Next過程，演算程序執(zhí)行過程是否符合要求；④了解學(xué)生完成情況，適時(shí)引入“設(shè)置斷點(diǎn)”的調(diào)試方法。

該教學(xué)過程的目標(biāo)是找到程序中的錯(cuò)誤之處，以取得正確的程序以及運(yùn)行結(jié)果。其深層次的目標(biāo)是對(duì)相關(guān)算法及程序執(zhí)行過程的深刻理解，并培養(yǎng)學(xué)生程序調(diào)試的能力。程序調(diào)試是典型的人腦對(duì)程序的推演與計(jì)算機(jī)真實(shí)執(zhí)行程序過程的比對(duì)過程。教師要求學(xué)生復(fù)核求素?cái)?shù)的算法，就是為后面的推演建立邏輯起點(diǎn)。對(duì)于存在的邏輯錯(cuò)誤，可以通過推演程序的執(zhí)行過程，來查看每次的輸出是不是符合要求的素?cái)?shù)。在實(shí)際的程序調(diào)試過程中，引入了“設(shè)置斷點(diǎn)”的調(diào)試方法，也就是設(shè)計(jì)合適的觀察點(diǎn)，以便提高錯(cuò)誤診斷的效率。

站在計(jì)算思維的角度，一個(gè)具備計(jì)算思維的人應(yīng)該習(xí)慣于運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念來思考問題、解決問題，其前提是清楚計(jì)算機(jī)是如何解決問題的，或者說計(jì)算機(jī)是如何“思維”的。盡管我們說計(jì)算思維是人的思維，目前的計(jì)算機(jī)還不具備思維能力，但清楚計(jì)算機(jī)自動(dòng)、有序的執(zhí)行指令，是把握計(jì)算思維的基礎(chǔ)。程序調(diào)試是一種很好的手段，可以讓程序調(diào)試者設(shè)想自己是計(jì)算機(jī)，對(duì)于給定的程序，計(jì)算機(jī)是如何按預(yù)設(shè)的計(jì)劃執(zhí)行?！皵帱c(diǎn)設(shè)置”提供了一種有效的手段可以讓計(jì)算機(jī)控制的程序執(zhí)行與人腦中設(shè)想的程序執(zhí)行同步。

● 結(jié)論

圍繞程序調(diào)試與糾錯(cuò)的教學(xué)，其顯性目標(biāo)是完成程序編寫，形成正確的語言，學(xué)習(xí)編程。而隱性目標(biāo)則有三：其一，提高編程技巧；其二，理解計(jì)算的原理；其三，培養(yǎng)計(jì)算思維。如前面所述，我們可以通過思想實(shí)驗(yàn)的方法來實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的培養(yǎng)。當(dāng)然，程序的學(xué)習(xí)與應(yīng)用不是計(jì)算思維培養(yǎng)的唯一場(chǎng)所，思想實(shí)驗(yàn)也不是只能在程序調(diào)試的學(xué)習(xí)中運(yùn)用。

思想實(shí)驗(yàn)是依據(jù)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)為模板而展開的一系列的復(fù)雜的思維邏輯活動(dòng)。邏輯作為思想實(shí)驗(yàn)構(gòu)成的框架，貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果，并且統(tǒng)一體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的邏輯表述。思想實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，就是以具體的學(xué)科理論為起點(diǎn)，在邏輯框架下證真或證偽某一個(gè)學(xué)科觀點(diǎn)。而相應(yīng)的學(xué)科思維，則可以在整個(gè)思想實(shí)驗(yàn)過程中得到展開和運(yùn)用。

思想實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過程，是人理解計(jì)算機(jī)的執(zhí)行過程，是人認(rèn)識(shí)計(jì)算學(xué)科相關(guān)知識(shí)與理論的過程，也是計(jì)算思維的展示、運(yùn)用以及培養(yǎng)的過程。因此，在教學(xué)過程中，應(yīng)用思想實(shí)驗(yàn)的方法，可以更加突出思維的訓(xùn)練和計(jì)算思維的養(yǎng)成。