本文為思維智匯第641篇原創(chuàng)文章
周一
深度
閱讀本文，你將收獲以下內(nèi)容：
※ 科學(xué)思維的內(nèi)涵與特征是什么？
※ 科學(xué)思維的主要形式是什么？
※ 科學(xué)思維能力的結(jié)構(gòu)包括哪些方面？
※ 科學(xué)思維有哪些典型要素？
科學(xué)思維的內(nèi)涵與特征
科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式。科學(xué)以自然現(xiàn)象為研究對(duì)象，其目的在于提示自然界各種現(xiàn)象的本質(zhì)，認(rèn)識(shí)它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
科學(xué)的研究對(duì)象具有客觀性，不依人的意志而轉(zhuǎn)移。我們要認(rèn)識(shí)它們，就必須使觀察過(guò)的自然現(xiàn)象、科學(xué)事實(shí)、科學(xué)過(guò)程等在大腦中形成清晰的科學(xué)圖景，并反復(fù)加工、合理改造、去粗取精，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，此即科學(xué)思維?？茖W(xué)思維是從屬于一般思維的，它除具有一般思維的間接性、概括性等特征外，還具有以下兩個(gè)顯著特點(diǎn)。
（一）
精確性與近似性的統(tǒng)一
科學(xué)思維具有精確性，但并非像數(shù)學(xué)一樣完全精確，它還具有近似性。
首先，科學(xué)研究的是自然界物質(zhì)及生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、物質(zhì)的變化與反應(yīng)、物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與相互作用、生物與環(huán)境的相互關(guān)系等。而物質(zhì)與生命的運(yùn)動(dòng)形態(tài)是多種多樣的，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、變化及其相互作用是很復(fù)雜的。
因此，抽象是科學(xué)中常用的一種研究方法和思維方法。為了方便研究，我們常常舍棄個(gè)別的、非本質(zhì)的因素，突出主要的、本質(zhì)的因素，將實(shí)際客體抽象為理想模型，將實(shí)際過(guò)程抽象為理想過(guò)程。這種對(duì)實(shí)際客體和過(guò)程的抽象就具有近似性。
其次，觀察和實(shí)驗(yàn)是獲得科學(xué)事實(shí)的重要手段。而在觀察、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，限于儀器的精密程度、操作技術(shù)的熟練程度、讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度和實(shí)驗(yàn)理論的完美程度，不可避免地要產(chǎn)生誤差，使科學(xué)思維材料具有一定的局限性和近似性。
最后，科學(xué)思維的結(jié)果——科學(xué)規(guī)律是一定的理想化客體在一定的理想過(guò)程中所遵循的規(guī)律，它總是在一定的條件下和一定的精度范圍內(nèi)足夠真實(shí)，但又只能近似反映客觀的科學(xué)事物。
（二）
抽象性與形象性的統(tǒng)一
科學(xué)思維的過(guò)程是人腦對(duì)外部的信息（科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)事實(shí)等）的接收、分析、選擇、加工和綜合的過(guò)程，是對(duì)思維對(duì)象的科學(xué)關(guān)系、聯(lián)系和規(guī)律的揭示和發(fā)現(xiàn)的過(guò)程。這是一個(gè)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的過(guò)程。因此，科學(xué)思維的材料可以分為感性材料和理性材料兩部分。
因此，科學(xué)思維的材料和結(jié)果是抽象性與形象性的統(tǒng)一。特別是隨著科學(xué)研究范圍的擴(kuò)大和研究的深入，各種研究對(duì)象及其運(yùn)動(dòng)無(wú)法由感覺(jué)器官直接把握，不能由實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定。要更好地理解這些抽象性很強(qiáng)的知識(shí)，必須充分發(fā)揮想象力，想象出客體形象化的模型和過(guò)程的動(dòng)態(tài)圖景，在大腦中形成理解科學(xué)知識(shí)的形象支柱。
總之，作為從科學(xué)的視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，科學(xué)思維既具有精確性，又具有近似性，是精確性與近似性的辯證統(tǒng)一；既具有抽象性，又具有形象性，抽象思維是科學(xué)思維的核心，形象思維是科學(xué)思維的先導(dǎo)，兩者相互作用、相互補(bǔ)充，共同推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。
新課標(biāo)中核心素養(yǎng)、課程目標(biāo)、學(xué)業(yè)質(zhì)量等部分提及的科學(xué)思維，都體現(xiàn)了其內(nèi)涵以及精確性與近似性統(tǒng)一、抽象性與形象性統(tǒng)一的特點(diǎn)。
科學(xué)思維的主要形式
科學(xué)思維的對(duì)象是一個(gè)多層次、多結(jié)構(gòu)、多序列的完整的網(wǎng)絡(luò)，各種物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)之間的相互關(guān)系、相互作用形成一個(gè)有機(jī)的整體。而我們對(duì)科學(xué)事物的反映和認(rèn)識(shí)，總是一點(diǎn)一點(diǎn)地、一個(gè)方面一個(gè)方面地、一個(gè)層次一個(gè)層次地、一個(gè)角度一個(gè)角度地進(jìn)行，并在積累了大量知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，形成對(duì)科學(xué)事物的立體的、完整的認(rèn)識(shí)。
因此，進(jìn)行科學(xué)思維時(shí)，必須從不同的方面、不同的角度獲得關(guān)于科學(xué)事物本質(zhì)屬性的外部表現(xiàn)的材料，并加以加工改造。科學(xué)思維可以分為基本形式和高階形式兩個(gè)層級(jí)。
（一）
基本形式
根據(jù)思維材料的不同，科學(xué)思維可分為科學(xué)抽象思維、科學(xué)形象思維兩種最基本的形式。
科學(xué)抽象思維
凡是以科學(xué)概念為思維材料，以科學(xué)概念、科學(xué)判斷和科學(xué)推理的形式來(lái)反映自然界物質(zhì)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及物質(zhì)間的相互作用，達(dá)到對(duì)科學(xué)事物的本質(zhì)特征和內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)識(shí)的過(guò)程，都屬于科學(xué)抽象思維。
從宏觀上看，科學(xué)抽象思維的過(guò)程可概括為感性具體-思維抽象-思維具體。第一個(gè)階段是從感性具體到思維抽象。在這個(gè)階段，思維從豐富的感性具體中抽象出一般規(guī)定，利用分析、綜合、比較、分類(lèi)、抽象、概括、系統(tǒng)化等方法,形成對(duì)科學(xué)事物的某些方面、某些屬性、某些特征、某些規(guī)律及其相互關(guān)系的普遍的、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)的第一個(gè)飛躍。
通過(guò)這一階段，我們獲得了對(duì)科學(xué)事物本質(zhì)的抽象規(guī)定，提出了一些科學(xué)假說(shuō)，建立了科學(xué)概念和科學(xué)規(guī)律，形成了具有嚴(yán)密性、系統(tǒng)性、完備性、自洽性的科學(xué)理論。
但科學(xué)思維的目的在于把握具體科學(xué)事物的多樣性和統(tǒng)一性，揭示自然界各種具體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能、相互作用及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，解決實(shí)際的科學(xué)問(wèn)題，改造世界，造福人類(lèi)。因此，必須將科學(xué)認(rèn)識(shí)進(jìn)一步從抽象上升到具體，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)的第二個(gè)飛躍，即從思維抽象到思維具體。
這個(gè)階段是以思維抽象為邏輯起點(diǎn)，在把握科學(xué)事物的各種規(guī)定及其之間的內(nèi)在聯(lián)系并建立科學(xué)理論的基礎(chǔ)上，確定每種規(guī)定、每個(gè)概念、每個(gè)規(guī)律、每個(gè)理論在具體事物中的地位和作用，解決實(shí)際的科學(xué)問(wèn)題。
科學(xué)抽象思維的基本形式是科學(xué)概念、科學(xué)判斷、科學(xué)推理?？茖W(xué)概念是科學(xué)事物的共同屬性和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映?？茖W(xué)判斷是對(duì)科學(xué)事物的論斷，是運(yùn)用科學(xué)概念對(duì)思維對(duì)象表示肯定或否定的一種思維形式?？茖W(xué)推理是根據(jù)一個(gè)科學(xué)判斷或一些科學(xué)判斷得出另一個(gè)科學(xué)判斷的思維形式，它既是科學(xué)抽象思維的基本形式，又是科學(xué)思維的基本方法。
科學(xué)形象思維
科學(xué)形象思維是運(yùn)用直觀、具體、生動(dòng)的形象材料，通過(guò)事物的形象特征認(rèn)識(shí)其內(nèi)容、本質(zhì)，并作出某種判斷的科學(xué)思維，是通過(guò)表象、直感、想象等形式進(jìn)行的思維。
科學(xué)形象思維的醞釀及其發(fā)生過(guò)程是多種因素相互關(guān)聯(lián)、相互影響、相互作用的結(jié)果。這些因素之間按層次順序相互制約，其序列鏈?zhǔn)牵?/span>感覺(jué)-知覺(jué)-具象-概象-意象。
具體來(lái)說(shuō)，形象思維的過(guò)程就是人們通過(guò)感官獲得感知，感知通過(guò)記憶在大腦中儲(chǔ)存并通過(guò)回憶再現(xiàn)形成具象，儲(chǔ)存在大腦中的各式各樣的具象經(jīng)過(guò)分析、綜合、抽象、概括等過(guò)程得到反映一類(lèi)事物共同特征的概象，概象又通過(guò)分割、重組而形成滲透新內(nèi)容的、具有創(chuàng)造性特征的意象。
由于意象是主體按照一定的客觀規(guī)律對(duì)概象有目的、有意識(shí)地加工處理的結(jié)果，因此,其已滲透了主體理性的內(nèi)容，表現(xiàn)為以想象的形式對(duì)客體進(jìn)行思維。
科學(xué)形象思維的基本形式是表象、直感和想象。一般來(lái)說(shuō)，表象總是由具象向概象發(fā)展,而概象也總是不斷向更富有概括性的方向發(fā)展,向形象思維的深度和廣度發(fā)展?？茖W(xué)表象既是科學(xué)形象思維的基本元素，又是科學(xué)形象思維的基本形式，主要包括時(shí)空表象、理想化表象、圖景表象、圖形表象。
運(yùn)用表象對(duì)具體形象的直接判別和感知稱(chēng)為直感?？茖W(xué)直感是運(yùn)用科學(xué)表象對(duì)有關(guān)具體科學(xué)形象的直接判斷和感知。這種判斷與抽象思維中的判斷不同，它不以科學(xué)概念為中介，只需將儲(chǔ)存在大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的理性意象（即概象）與特征相應(yīng)的某一事物的感性印象比較，便能直接作出判斷了。
科學(xué)直感的形式主要有形象識(shí)別直感、形象類(lèi)比直感、形象等效直感。想象是人腦對(duì)已有表象進(jìn)行加工、改造而創(chuàng)造新的形象的過(guò)程。
任何有意想象都是對(duì)已有表象的一系列直感聯(lián)結(jié)，直感聯(lián)結(jié)的過(guò)程就是新形象的構(gòu)思過(guò)程。科學(xué)想象是科學(xué)思維中最活躍、最富有傳奇色彩和創(chuàng)造性的成分，也是創(chuàng)造性思維的重要組成部分。
無(wú)論是科學(xué)思維中直覺(jué)的產(chǎn)生，還是頓悟（或靈感）的誘發(fā)；無(wú)論是科學(xué)假說(shuō)的提出，還是科學(xué)模型的建立，沒(méi)有想象的參與是很難實(shí)現(xiàn)的?？茖W(xué)想象有著多種不同的形式。按照想象的內(nèi)容，可以分為時(shí)空想象、理想化形象想象、圖景想象、圖形想象。
（二）
高階形式
高階思維的研究由來(lái)已久，有很多不同的定義，主要有三種視角。
我們整合心理學(xué)和教育學(xué)兩個(gè)視角，認(rèn)為高階思維指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的認(rèn)知活動(dòng)，需要經(jīng)歷從創(chuàng)造性思維到批判性思維的認(rèn)知過(guò)程，基于不同角度、運(yùn)用多種方法、通過(guò)多個(gè)側(cè)面進(jìn)行思考，形成問(wèn)題解決的多種方案、多種路徑，并經(jīng)歷推理、評(píng)價(jià)、分析和預(yù)測(cè)等批判性分析過(guò)程，進(jìn)行方案、路徑的選擇和優(yōu)化。人們普遍認(rèn)為高階思維能力包括批判性思維、創(chuàng)造性思維、問(wèn)題解決、決策、元認(rèn)知。我們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，高階思維的核心是批判性思維和創(chuàng)造性思維。
目前，關(guān)于批判性思維的界定至少有三種：
我們認(rèn)為，批判性思維是根據(jù)已有知識(shí)提出自己的觀點(diǎn)，并基于證據(jù)和邏輯對(duì)觀點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，得出合理結(jié)論的思維能力（thinking skills）和思維傾向（thinking dispositions）或思維習(xí)慣（habits of mind）。
思維能力包括分析論點(diǎn)、主張或證據(jù)，用歸納推理或演繹推理進(jìn)行推論、判斷或評(píng)價(jià)，做決策或解決問(wèn)題等過(guò)程和成分。思維傾向包括思維開(kāi)放、思想公正、尋求理性、充滿(mǎn)好奇、希望得到充分的信息、具有靈活性、尊重他人。
創(chuàng)造性思維是思維發(fā)展的高級(jí)階段，是人類(lèi)一切發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造活動(dòng)的智慧之源。它將已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)加以改組、綜合和重建，靈活地創(chuàng)造出超越常規(guī)又有效的解決問(wèn)題的方法。因此，新穎性和價(jià)值性是創(chuàng)造性思維的本質(zhì)特點(diǎn)。
創(chuàng)造性思維的過(guò)程大體上是一個(gè)發(fā)散思維和集中思維辯證統(tǒng)一的過(guò)程，但發(fā)散思維是核心。
發(fā)散思維是指以要解決的問(wèn)題為中心，充分發(fā)揮想象力，突破原有的知識(shí)圈，從一點(diǎn)向四面八方想開(kāi)去，朝多方向推測(cè)、想象、假設(shè)的“試探”性思維過(guò)程，其目的是通過(guò)知識(shí)、觀念、方法的重新組合，找出更多更新的可能答案、設(shè)想和解決問(wèn)題的辦法。
集中思維是調(diào)動(dòng)各種信息，按照固定的方向和模式解決問(wèn)題，或者以問(wèn)題為中心，從不同的方向和角度指向這一中心的思維方式。
科學(xué)思維始終是國(guó)際科學(xué)教育研究的熱點(diǎn)問(wèn)題和科學(xué)教育普遍關(guān)注的重要目標(biāo)，也是科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域育人價(jià)值的重要體現(xiàn)。特別是批判性思維和創(chuàng)造性思維，是國(guó)際社會(huì)和研究者公認(rèn)的21世紀(jì)的必備能力。
由于高階思維的發(fā)展以基本思維為基礎(chǔ)，新課標(biāo)中的科學(xué)思維整合了抽象思維、形象思維、批判性思維（科學(xué)論證）和創(chuàng)造性思維。
科學(xué)思維能力的結(jié)構(gòu)
科學(xué)思維能力是智力與能力的核心，其定義與智力和能力基本相同，是人們?cè)诳茖W(xué)活動(dòng)中成功完成任務(wù)所表現(xiàn)出來(lái)的、能夠有效思考問(wèn)題的能力。科學(xué)思維能力是由科學(xué)思維的內(nèi)容、方法和品質(zhì)構(gòu)成的有機(jī)整體，其培養(yǎng)必須貫穿在科學(xué)知識(shí)和方法的教學(xué)中，并以思維品質(zhì)的訓(xùn)練為突破口。
科學(xué)在長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程中，形成了一整套思維的基本方法。這些方法不僅對(duì)科學(xué)的發(fā)展起到了重要的作用，為人類(lèi)認(rèn)識(shí)和理解自然提供了獨(dú)特的思想方法和思維方式，也對(duì)其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展以至社會(huì)思潮和社會(huì)生活產(chǎn)生了一定的影響。
科學(xué)思維品質(zhì)是指人們?cè)谘芯亢徒鉀Q科學(xué)問(wèn)題以及學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的過(guò)程中逐漸形成和發(fā)展的，并在這個(gè)過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的、直接影響工作效率的個(gè)體智力特征，包括深刻性、靈活性、敏捷性、批判性和獨(dú)創(chuàng)性五個(gè)方面。
深刻性也叫抽象邏輯性，反映思維的抽象程度和邏輯水平，以及思維活動(dòng)的廣度、深度和難度。靈活性是指科學(xué)思維活動(dòng)的靈活程度，反映思維的方向靈活、過(guò)程靈活和遷移能力強(qiáng)。敏捷性是指思維過(guò)程的速度或迅速程度，反映在思維的速度和正確性?xún)蓚€(gè)方面。
批判性是指科學(xué)思維活動(dòng)中善于嚴(yán)格地估計(jì)思維材料和精細(xì)地檢查思維過(guò)程的智力品質(zhì)，包括分析性、策略性、全面性、獨(dú)立性和正確性等方面。獨(dú)創(chuàng)性表現(xiàn)為善于獨(dú)立思考，善于創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，反映在獨(dú)特性、新穎性和發(fā)散性等方面。
新課標(biāo)中作為核心素養(yǎng)和課程目標(biāo)的科學(xué)思維，主要指科學(xué)思維能力。基于思維能力的結(jié)構(gòu)模型，掌握思維方法是形成思維能力的前提。因此，科學(xué)思維總目標(biāo)確定為“掌握基本的思維方法，具有初步的科學(xué)思維能力”。
在具體闡述時(shí),其第一層意思主要是掌握抽象思維、形象思維和創(chuàng)造性思維的方法及其在科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，具體寫(xiě)為——
科學(xué)思維的典型要素
新課標(biāo)整合了科學(xué)思維的各種形式和方法,突出了典型的科學(xué)思維類(lèi)型，提出科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等。
模型建構(gòu)作為一種認(rèn)識(shí)手段和思維方式，是學(xué)生根據(jù)研究問(wèn)題和情境，在對(duì)客觀事物抽象和概括的基礎(chǔ)上構(gòu)建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過(guò)程、理想實(shí)驗(yàn)和科學(xué)概念的過(guò)程。
模型建構(gòu)有助于學(xué)生抓住事物的關(guān)鍵要素，加深對(duì)概念、過(guò)程和系統(tǒng)的理解，形成系統(tǒng)思維。模型建構(gòu)能力包括兩個(gè)層次：
模型理解是模型建構(gòu)的基礎(chǔ)，模型建構(gòu)是模型理解的深化。具有模型建構(gòu)能力的學(xué)生能夠運(yùn)用模型分析、解釋新的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系和過(guò)程，展示對(duì)科學(xué)概念、結(jié)構(gòu)、關(guān)系、過(guò)程、系統(tǒng)以及循環(huán)的理解。
因此，新課標(biāo)的核心素養(yǎng)部分將模型建構(gòu)的表現(xiàn)歸納為兩個(gè)方面——
在課程總目標(biāo)部分，提出“能基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)抽象概括出理想模型，具有初步的模型理解和模型建構(gòu)能力”。
科學(xué)教育研究和實(shí)踐中的科學(xué)推理，是指從已知的科學(xué)命題得出新命題的思維過(guò)程或思維形式，是需要運(yùn)用多種高水平認(rèn)知的復(fù)雜活動(dòng)過(guò)程，不僅包括邏輯學(xué)中的歸納推理、演繹推理和類(lèi)比推理，還包括分析與綜合、比較與分類(lèi)等方法，以及控制變量、組合推理、概率推理、相關(guān)推理、因果推理等推理形式在科學(xué)教育領(lǐng)域，研究者常常用科學(xué)論證代替批判性思維。
科學(xué)論證(scientific argumentation)是個(gè)人引用數(shù)據(jù)或資料來(lái)支持自己或反駁他人論點(diǎn)的過(guò)程?？茖W(xué)論證能力(scientific argumentation ability)是以科學(xué)知識(shí)為中介，積極面對(duì)問(wèn)題，對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行解釋說(shuō)明，提出自己的論點(diǎn)，反思自己和他人論點(diǎn)的不足并提出反論點(diǎn)，同時(shí)反駁他人的質(zhì)疑和批判的高階思維能力。
由于科學(xué)論證一般都要基于證據(jù)和邏輯提出自己的觀點(diǎn)，在具體的教學(xué)和測(cè)評(píng)中，很難將科學(xué)推理和科學(xué)論證完全分開(kāi)。因此，我們將兩者整合在一起,用推理論證來(lái)表示。具有推理論證能力的學(xué)生能夠運(yùn)用分析與綜合、比較與分類(lèi)、歸納與演繹、控制變量等方法進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)或問(wèn)題解決，能夠正確建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系，提出合理見(jiàn)解。
因此，新課標(biāo)將推理論證能力的表現(xiàn)歸納為——
創(chuàng)新思維即創(chuàng)造性思維，在前文已有討論。新課標(biāo)將創(chuàng)新思維的表現(xiàn)歸納為——
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