再谈科学思维及其培养

黄网官

摘要：对“科学思维”的理解可以建立在对“科学”和“思维”的理解基础之上。物理教学的过程可以理解为帮助学生从前概念走向科学概念、从经验思维走向科学思维的过程。科学思维培养的目的在于让学生“像科学家一样思考”。在物理教学中，让学生体验概念、规律的得出过程，并在此过程中充分运用科学方法，将事实与物理理论结合起来，那学生的科学思维就能得到发展。在生活中运用科学思维，让科学思维成为学生的思维自觉，是重要的教学取向，也是物理核心素养的重要体现。

关键词：初中物理；科学思维；核心素养

一、 从两个故事说起

物理教学的基本理念之一是“从生活走向物理，从物理走向社会”。介于生活和社会之间的物理被视为科学的代名词，因此这一理念在生活中就常常被演绎为“思维必须讲科学”。这一演绎背后，实际上有一个约定俗成的认识，那就是人必须有科学思维。

什么是科学思维呢？先来看两个小故事：

1. 一家香皂公司发现其包装生产线有个缺陷：常常会出现空香皂盒。为了解决这一问题，公司让一个自动化专业的博士后组建科研攻关小组，综合采用机械、微电子、自动化、X射线探测等技术制造一个高科技探测器：每当生产线上有空香皂盒通过，两旁的探测器就会检测到，并用一只机械手把它推走。另一家公司也采用了同样的生产线，老板发现这个问题后让车间主任解决。车间主任很快想出了办法：用一台电风扇对着生产线吹，空香皂盒会被吹走。

2. 小明为了拓展知识，加入了一个物理学博士群。有一天，群里的人在热烈讨论一个问题：一滴水从很高的地方落下来会不会砸死人？讨论非常激烈，各种物理公式、假设、模型都用到了，结果还是莫衷一是。最后，小明问道：你们没有淋过雨吗？

绝大多数人看了这两个故事可能会一笑了之，但作为物理教师，如果从思维的角度进行思考，却可以发现一些值得思索的地方：故事中，博士后与博士代表的是受过严格科学训练的“高知分子”，但在解决实际问题时，其“科学思维”所发挥的作用却是低效甚至脱离实际的；车间主任与小明则是普通人的代表，他们在日常生活中几乎不会有意识地从科学的角度去思考问题，但在面对实际问题的时候却能一下子抓住要害。

创作来源于生活，而高于生活。这两个故事虽非经典，但并非不值得深思。笔者由此有这样的感受：科学思维的形成并不容易；物理教师应当尽力培养能将科学思维应用于实际问题解决的学生。本文尝试结合初中物理教学，谈谈对科学思维的理解及培养。

二、 对科学思维的理解

科学思维是“物理课程要培养的核心素养”之一。《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）对科学思维的解释是这样的：科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是建构物理模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同信息、观点和结论进行质疑和批判，予以检验和修正，进而提出创造性见解的品格与能力。［1］简言之，科学思维是“认识方式”“抽象概括过程”“科学思想方法的运用”“品格与能力”。新课标同时明确，科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。［2］

胡卫平、林崇德指出，“青少年的科学思维能力是一种特殊的能力……是一般思维能力发展与科学教育的结晶”。［3］由此，我们可以认为，“科学思维”就是“科学”与“思维”相结合的产物，就是“科学的思维”；而要形成关于科学思维的理解，也就可以将科学思维的概念先进行解构，再重新建构。

所谓科学（本文指自然科学），其解释很多，如科学就是基于科学（物理）概念、规律、逻辑的学问。本文中，笔者取美国科学史家、科学哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》一书中的相關阐述来深入理解。之所以取库恩的解释，是因为库恩作为科学史大家，视野更开阔、立足点更高，他的解释对科学（物理）教育而言有着更强的适切性。在《科学革命的结构》一书中，“常规科学”是一个重要的概念。常规科学主要解决的问题有三：一是确定重要的事实；二是使理论与事实一致；三是阐明理论。［4］很显然，基础教育领域的科学就可以理解为这种“常规科学”，而初中生学习物理的过程，就是建构起能够解释基本物理现象的理论的过程，就是用科学理论替代前概念的过程。这个过程中经常会出现类似于库恩所说的“解谜”与“革命”等情形。

从史实的角度看，今天的物理学科采用的是伽利略在亚里士多德思辨基础上建构出来的“实验+数学”范式，牛顿继承并放大了这一范式；而后量子力学的发展尽管从知识的角度看在一定程度上突破了经典物理的框架，但无论是研究思想还是研究方式，仍然处于这一范式之内。因此，面向初中生的科学思维培养，就可以在这一范式内进行。

所谓思维，则是一个心理学概念，其通常是指通过判断、抽象、推理、想象和问题解决等心理特征之间的相互作用，来实现信息置换，从而形成新的心理表征的过程。［5］学生学习的过程必然伴随着思维过程。在物理知识建构的过程中，只有在符合科学范式的前提下运用思维，才能体验物理知识的生成过程，进而获得物理核心素养；反之，如果学习过程中没有思维，那必然只有识记，这伴随着的往往是机械学习——连“有意义的接受”可能都谈不上。理所应当，没有思维含量的教学应当被拒绝。

由此综合来看，“科学以自然现象为研究对象，其目的在于揭示自然界各种现象的本质，认识它们的运动规律……我们要认识它们，就必须使观察过的自然现象、科学事实、科学过程等在大脑中形成清晰的科学图景，并反复加工、合理改造、去粗取精。从感性认识上升到理性认识，此即科学思维”［6］。通俗地理解，科学思维就是科学家在专业研究过程中惯用的思维。或者换一种说法：科学思维就是符合科学范式的思维。

真正拥有科学思维的人的力量是强大的。1986年1月28日，美国“挑战者号”航天飞机升空后爆炸。事后，美国政府成立了调查委员会。作为委员会成员中唯一的科学家，费曼在调查结束时的记者招待会上做了一个著名的现场实验——将航天飞机上所用的一种密封圈放到冰水里，其密封性能显著下降。［7］费曼得出结论的过程并不顺利，是缜密的科学思维、严谨的科学态度与责任，让他探究得出了事故的真实原因并最终将原因写入调查报告。

一个有意思的现象是，除新课标中提及科学思维之外，《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出，科学核心素养包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等方面［8］；《义务教育化学课程标准（2022年版）》指出，化学核心素养主要包括化学观念、科学思维、科学探究与实践、科学态度与责任［9］；《义务教育生物学课程标准（2022年版）》指出，生物学核心素养主要包括生命观念、科学思维、探索实践、态度责任［10］。这充分说明了科学思维概念的普适性。而各个学科中，关于科学思维的内涵描述与组成部分阐述又是不同的。这又说明科学思维概念具有一定的复杂性。设想一种情形：如果科学教师、物理教师、化学教师、生物学教师坐到一起讨论“科学思维”，会形成怎样的共识呢？笔者以为，这一共识可以概括为：今天需要向学生传递的科学思维，就是常规科学范式所约定的思维。

三、 科学思维的培养

之所以要培养学生的科学思维，是因为在学生的思维世界中，有着大量的非科学思维，其必须借助于包括物理学科在内的科学知识教学来矫正；同时，也是因为如果学生的思维方式与科学相悖，那么其看问题就会陷入错误的境地，问题就不能得到有效解决。

纵观科学发展史，人类被感觉和经验欺骗的情形数不胜数。在实验与观测（包括观察和测量，前者为了收集事实，后者服务于数学工具的运用）成为现代科学的基础之后，人类对自然界的认识才进入了“科学”的轨道。当下的很多学生在接受科学教育之前，也容易被感觉和经验欺骗而不自知。这使得学生形成了诸多错误的前概念。因此，物理（科学）教学的过程，就可以理解为帮助学生从前概念走向科学概念的过程。在这个过程中，科学思维的培养就是最重要的抓手之一。于是，我们可以总结出一个结论，即科学思维培养的目的，就在于让学生“像科学家一样思考”。

再从核心素养的视角来看，核心素养导向强调的是培养学生能够适应个人终身发展与社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力。既然指向学生未来的发展，那通过物理教育发展学生的科学思维，进而让学生的经验思维更多地具有物理元素、更多地表现出高水平的直觉，就成为科学思维培养的应有之义。

对于学生而言，其科学思维多处于萌芽状态，影响其更多的是经验思维。物理（科学）教学的主要任务之一，就是促进学生的经验思维向科学思维的转化——这一转变的逻辑与库恩的“科学革命”（即从常规科学向革命科学）转变的逻辑有相似之处。需要指出的是，经验思维对于学生而言并不完全是负面的，尤其是初中生，常常都是以经验思维切入物理学习进程的。如果物理（科学）学习能够让学生形成基于物理（科学）的思维方式，进而让其经验思维蕴含更多的科学元素，那同样可以視作科学思维得到了培养。实际上，成人对事物的判断通常也是借助于经验的，科学家也只有在自己擅长的领域内更容易运用科学思维。

就物理教学而言，科学思维培养的关键在于教师，在于教师能否带领学生体验科学思维运用的过程。如果能够让学生体验物理概念的得出、规律的探究等过程，并在此过程中充分运用科学方法，从而让学生像科学家那样思考，那学生的科学思维就能够得到发展。

例如，苏科版初中物理八年级上册中“光的直线传播”编排了这样几个环节：（1） “做几个有趣的影子游戏”，包括“试一试，你能将物体的影子踩在脚下吗”“想一想，手影为什么会随着手形的改变而改变”；（2） 提出问题“影子的形成说明什么”；（3） 阐述“许多事实表明，光在均匀介质中是沿直线传播的”。

教材的设计具有高度概括性，如果只是照搬这样的设计实施教学，则很容易让学生陷入机械学习的窠臼。上述三个环节概括起来，就是“影子”这样的事实表明“光在均匀介质中是沿直线传播的”。然而，这一知识的教学如果真的如此简单，那就不需要花费时间了。对于当下的初中生而言，挑战在于：“影子”这样的事实属于生活经验，“光在均匀介质中沿直线传播”则是物理理论知识（背后还有数学知识——教材中所说的“我们常用一条带箭头的直线表示光的传播路径和方向”，本质上就是用数学上的“形”表示生活中的“影”），从生活到物理（数学）的跨越并非没有挑战，而从生活经验到光的传播模型一定需要学生用科学思维去建构。

基于这样的思考，笔者以为，这一内容的教学可以设计这样几个环节：（1） 创设情境并提出问题。如借助生活中“影的形成”的例子，引导学生思考“影是怎样形成的”。（2） 探究并确认理论（模型）对事实的解释功能。即基于对“物”与“影”的轮廓的研究，建立起“光沿直线传播”的基本模型。（3） 优化模型并寻求模型更为广泛的解释功能。即借助对比实验，将“光沿直线传播”模型优化为“光在同一种均匀介质中沿直线传播”模型（当然，其作为几何光学的模型，所反映的只是光的粒子性，并没有反映光的全部本质，相较于“波粒二象性”模型，仍然是有缺陷的），并以之解释更多的实例。

在上述设计所演绎出的教学中，生活实例可以为学生的探究提供丰富的“事实”，问题的提出可以让学生尝试从经验事实走向物理理论，模型的优化可以让学生得到更好的模型并形成关于物理理论建构的良好思路（这对于初学物理者非常重要）。其中的科学思维体现在：从事实走向物理理论的过程中，学生要借助抽象、建模和几何工具，将“光”抽象为“光线”，以之表现光的传播路径与方向，此时的“光线”即为模型——探究影的形成原因就是在探索光的传播的本质属性，得出“光线”概念就是建构模型；其后，用光线解释影的形成，进而解释其他光现象——这是很重要的一点，不仅蕴含演绎推理，更能让学生认识到一个理论只有在更大范围内具有解释功能，才能真正成为科学理论，而这也是科学思维的价值体现。

需要自我批评的是，笔者在例析过程中遇到了一个尴尬的情形：理论上讲，任何一个物理知识的教学，都存在科学思维及其培养空间，但当笔者试图任选一个例子并尝试从科学思维的视角作出系统阐释时，还是感觉有些不顺利。或许这只是个案而已，但如果是普遍现象，那就说明长期处于应试状态的初中物理教师，并不容易将科学思维真正当成教学及研究的主线。这对学生物理核心素养的培育而言，意味着不小的挑战。

同样需要指出的是，拥有科学知识并不意味着拥有科学思维。物理教师肯定是物理知识的拥有者，但并不一定全部拥有科学思维。日常生活中，也有物理教师对一些虚假信息不加判断地转发、对一些未加证实的信息人云亦云等现象。这都不是科学实证的态度，无法体现科学思维。如果还对一些灵异事件津津乐道，甚至是信之任之，那更是与科学思维背道而驰。这样的物理教师，在课堂上很难为学生开辟适合科学思维生长的空间。

四、 面向生活的科学思维

科学思维是这一个激荡的近现代提供给人类的重要文明成果。［11］对于初中物理教育而言，继承并放大这一成果是根本的教学任务；让学生面对生活时能够更多地运用科学思维，让科学思维成为学生的思维自觉，则是重要的教学取向，也是物理核心素养的重要体现。

一般来说，学生如果不是在物理课堂上而是在生活中，那判断事物时所用的思维往往都是经验思维。这是生活习惯使然，也是生活经验积累的必然结果——人积累出来的生活经验，总会反作用于生活，而且会是人面对现实事物时主要的、直觉的思维方式。当然，经验思维与科学思维并没有根本矛盾。如果能够让学生通过物理学习而充实、优化生活经验，那学生在生活中的判断水平就会提升。从这个角度来讲，物理（科学）课堂内的科学思维培养有着重要意义，且难以替代。

回过头来，我们可以用科学思维来解读本文开头的两个故事。第一个故事中，问题解决的目标在于找出空香皂盒并挑选出来。空香皂盒与正常香皂盒的区别，既在于盒内有无香皂（事实），也在于质量的差异（物理知识）。利用前者需要复杂的科学知识，利用后者则可以用风扇。一个科学思维的拥有者应当作出全面的分析并选择成本更低的方式（当然，实际生产线有多种方法规避这一缺陷，这里不做论述）。第二个故事中，问题提出之后，物理学博士们下意识地调用物理知识解决问题，而忽视了问题所描述的模型正对应着生活中的“雨滴”原型，理论与实际的脱离导致了他们的尴尬。

再用科学思维来观照现实生活，可以发现有许多研究着力点。比如，一些短视频平台上常有“轻功水上漂”的表演：一个“高手”面前一定距离处放置数个水盆，“高手”助跑之后能够用脚尖依次轻点水面，腾空而过。这在视觉上给人以“水上漂”之感（这样的感觉及其判断就是经验思维的结果）。教师可以在课堂上引入这一素材，告诉学生这种直觉判断经不起科学思维的推敲：轻功是出现于武侠小说中的想象，其本质是“重力减小或消失”，这是违背万有引力定律的。视频中的“水上漂”不过是表演者通过助跑获得较大的初速度，使自身在斜抛运动中用下肢的运动来完成“点水”动作，同时拥有较大的平动距离，从而给人造成“轻功”的错觉。如果以表演者的重心为研究对象，其运动一定沿着斜抛运动的轨迹，一定遵循斜抛运动的规律。因此，表演者有“功夫”，却不是反重力的“轻功”。这个例子告诉我们，当在生活中遇到与科学理论相悖的情形时，如果能够超越低水平直觉而运用科学规律来判断，那科学思维就初步形成了。

当然，必须指出的是，受初中物理的教学范围及学生的认知能力所限，科学思维的培养过程其实也是有缺陷的。比如，上述“光的直线传播”知识教学中，当学生运用几何光学建立起相关模型，并解释生活中的诸多光现象且能取得成功时，其就成为学生科学思维的有机组成部分。但几何光学所描述的只是光的传播的几何性质，并不是光的传播的全部，此时形成的思维反而可能对后续学生理解光的波动性产生阻碍。这需要后续的教学注意纠正与完善，从而让学生的科学思维水平逐渐提升。

最后要强调的是，科学思维通常是内隐的，其如同强大的发动机，驱动着外显的车辆运动——这个“车辆”就是“科学探究”。对于“科学探究”，笔者也还会继续展开思考与研究。

参考文献：

［1］［2］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：45，5.

［3］ 胡卫平，林崇德.青少年的科学思维能力研究［J］.教育研究，2003（12）：19.

［4］ 刘钢.《科学革命的结构》导读［M］.成都：四川教育出版社，2002：37.

［5］ 罗伯特·L.索尔所，M.金伯利·麦克林，奧托·H.麦克林.认知心理学（第7版）［M］.邵志芳，李林，徐媛，等译.上海：上海人民出版社，2008：371.

［6］ 胡卫平.深入理解科学思维有效实施课程标准［J］.课程·教材·教法，2022（8）：55.

［7］ 理查德·费曼.发现的乐趣：费曼演讲·访谈集［M］.朱宁雁，译.北京：北京联合出版公司，2016：153.

［8］ 中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：4.

［9］ 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：5.

［10］ 中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：4.

［11］ 廖玮.科学思维的价值：物理学的兴起、科学方法与现代社会［M］.北京：科学出版社，2021：4.