本文为思维智汇第641篇原创文章
周一
深度
阅读本文，你将收获以下内容：
※ 科学思维的内涵与特征是什么？
※ 科学思维的主要形式是什么？
※ 科学思维能力的结构包括哪些方面？
※ 科学思维有哪些典型要素？
科学思维的内涵与特征
科学思维是从科学的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。科学以自然现象为研究对象，其目的在于提示自然界各种现象的本质，认识它们的运动规律。
科学的研究对象具有客观性，不依人的意志而转移。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。科学思维是从属于一般思维的，它除具有一般思维的间接性、概括性等特征外，还具有以下两个显著特点。
（一）
精确性与近似性的统一
科学思维具有精确性，但并非像数学一样完全精确，它还具有近似性。
首先，科学研究的是自然界物质及生命运动的规律、物质的结构与性质、物质的变化与反应、物质的运动与相互作用、生物与环境的相互关系等。而物质与生命的运动形态是多种多样的，物质的结构、变化及其相互作用是很复杂的。
因此，抽象是科学中常用的一种研究方法和思维方法。为了方便研究，我们常常舍弃个别的、非本质的因素，突出主要的、本质的因素，将实际客体抽象为理想模型，将实际过程抽象为理想过程。这种对实际客体和过程的抽象就具有近似性。
其次，观察和实验是获得科学事实的重要手段。而在观察、实验过程中，限于仪器的精密程度、操作技术的熟练程度、读取数据的准确程度和实验理论的完美程度，不可避免地要产生误差，使科学思维材料具有一定的局限性和近似性。
最后，科学思维的结果——科学规律是一定的理想化客体在一定的理想过程中所遵循的规律，它总是在一定的条件下和一定的精度范围内足够真实，但又只能近似反映客观的科学事物。
（二）
抽象性与形象性的统一
科学思维的过程是人脑对外部的信息（科学现象、科学事实等）的接收、分析、选择、加工和综合的过程，是对思维对象的科学关系、联系和规律的揭示和发现的过程。这是一个从感性认识到理性认识的过程。因此，科学思维的材料可以分为感性材料和理性材料两部分。
因此，科学思维的材料和结果是抽象性与形象性的统一。特别是随着科学研究范围的扩大和研究的深入，各种研究对象及其运动无法由感觉器官直接把握，不能由实验直接测定。要更好地理解这些抽象性很强的知识，必须充分发挥想象力，想象出客体形象化的模型和过程的动态图景，在大脑中形成理解科学知识的形象支柱。
总之，作为从科学的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，科学思维既具有精确性，又具有近似性，是精确性与近似性的辩证统一；既具有抽象性，又具有形象性，抽象思维是科学思维的核心，形象思维是科学思维的先导，两者相互作用、相互补充，共同推动科学的发展。
新课标中核心素养、课程目标、学业质量等部分提及的科学思维，都体现了其内涵以及精确性与近似性统一、抽象性与形象性统一的特点。
科学思维的主要形式
科学思维的对象是一个多层次、多结构、多序列的完整的网络，各种物质及其运动之间的相互关系、相互作用形成一个有机的整体。而我们对科学事物的反映和认识，总是一点一点地、一个方面一个方面地、一个层次一个层次地、一个角度一个角度地进行，并在积累了大量知识和经验的基础上，形成对科学事物的立体的、完整的认识。
因此，进行科学思维时，必须从不同的方面、不同的角度获得关于科学事物本质属性的外部表现的材料，并加以加工改造。科学思维可以分为基本形式和高阶形式两个层级。
（一）
基本形式
根据思维材料的不同，科学思维可分为科学抽象思维、科学形象思维两种最基本的形式。
科学抽象思维
凡是以科学概念为思维材料，以科学概念、科学判断和科学推理的形式来反映自然界物质的形态、结构、性质、运动规律及物质间的相互作用，达到对科学事物的本质特征和内在联系的认识的过程，都属于科学抽象思维。
从宏观上看，科学抽象思维的过程可概括为感性具体-思维抽象-思维具体。第一个阶段是从感性具体到思维抽象。在这个阶段，思维从丰富的感性具体中抽象出一般规定，利用分析、综合、比较、分类、抽象、概括、系统化等方法,形成对科学事物的某些方面、某些属性、某些特征、某些规律及其相互关系的普遍的、系统的认识，实现认识的第一个飞跃。
通过这一阶段，我们获得了对科学事物本质的抽象规定，提出了一些科学假说，建立了科学概念和科学规律，形成了具有严密性、系统性、完备性、自洽性的科学理论。
但科学思维的目的在于把握具体科学事物的多样性和统一性，揭示自然界各种具体物质的结构、性质、功能、相互作用及运动规律，解决实际的科学问题，改造世界，造福人类。因此，必须将科学认识进一步从抽象上升到具体，实现认识的第二个飞跃，即从思维抽象到思维具体。
这个阶段是以思维抽象为逻辑起点，在把握科学事物的各种规定及其之间的内在联系并建立科学理论的基础上，确定每种规定、每个概念、每个规律、每个理论在具体事物中的地位和作用，解决实际的科学问题。
科学抽象思维的基本形式是科学概念、科学判断、科学推理。科学概念是科学事物的共同属性和本质特征在人们头脑中的反映。科学判断是对科学事物的论断，是运用科学概念对思维对象表示肯定或否定的一种思维形式。科学推理是根据一个科学判断或一些科学判断得出另一个科学判断的思维形式，它既是科学抽象思维的基本形式，又是科学思维的基本方法。
科学形象思维
科学形象思维是运用直观、具体、生动的形象材料，通过事物的形象特征认识其内容、本质，并作出某种判断的科学思维，是通过表象、直感、想象等形式进行的思维。
科学形象思维的酝酿及其发生过程是多种因素相互关联、相互影响、相互作用的结果。这些因素之间按层次顺序相互制约，其序列链是：感觉-知觉-具象-概象-意象。
具体来说，形象思维的过程就是人们通过感官获得感知，感知通过记忆在大脑中储存并通过回忆再现形成具象，储存在大脑中的各式各样的具象经过分析、综合、抽象、概括等过程得到反映一类事物共同特征的概象，概象又通过分割、重组而形成渗透新内容的、具有创造性特征的意象。
由于意象是主体按照一定的客观规律对概象有目的、有意识地加工处理的结果，因此,其已渗透了主体理性的内容，表现为以想象的形式对客体进行思维。
科学形象思维的基本形式是表象、直感和想象。一般来说，表象总是由具象向概象发展,而概象也总是不断向更富有概括性的方向发展,向形象思维的深度和广度发展。科学表象既是科学形象思维的基本元素，又是科学形象思维的基本形式，主要包括时空表象、理想化表象、图景表象、图形表象。
运用表象对具体形象的直接判别和感知称为直感。科学直感是运用科学表象对有关具体科学形象的直接判断和感知。这种判断与抽象思维中的判断不同，它不以科学概念为中介，只需将储存在大脑神经网络中的理性意象（即概象）与特征相应的某一事物的感性印象比较，便能直接作出判断了。
科学直感的形式主要有形象识别直感、形象类比直感、形象等效直感。想象是人脑对已有表象进行加工、改造而创造新的形象的过程。
任何有意想象都是对已有表象的一系列直感联结，直感联结的过程就是新形象的构思过程。科学想象是科学思维中最活跃、最富有传奇色彩和创造性的成分，也是创造性思维的重要组成部分。
无论是科学思维中直觉的产生，还是顿悟（或灵感）的诱发；无论是科学假说的提出，还是科学模型的建立，没有想象的参与是很难实现的。科学想象有着多种不同的形式。按照想象的内容，可以分为时空想象、理想化形象想象、图景想象、图形想象。
（二）
高阶形式
高阶思维的研究由来已久，有很多不同的定义，主要有三种视角。
我们整合心理学和教育学两个视角，认为高阶思维指发生在较高认知水平层次上的认知活动，需要经历从创造性思维到批判性思维的认知过程，基于不同角度、运用多种方法、通过多个侧面进行思考，形成问题解决的多种方案、多种路径，并经历推理、评价、分析和预测等批判性分析过程，进行方案、路径的选择和优化。人们普遍认为高阶思维能力包括批判性思维、创造性思维、问题解决、决策、元认知。我们通过研究发现，高阶思维的核心是批判性思维和创造性思维。
目前，关于批判性思维的界定至少有三种：
我们认为，批判性思维是根据已有知识提出自己的观点，并基于证据和逻辑对观点进行评估，得出合理结论的思维能力（thinking skills）和思维倾向（thinking dispositions）或思维习惯（habits of mind）。
思维能力包括分析论点、主张或证据，用归纳推理或演绎推理进行推论、判断或评价，做决策或解决问题等过程和成分。思维倾向包括思维开放、思想公正、寻求理性、充满好奇、希望得到充分的信息、具有灵活性、尊重他人。
创造性思维是思维发展的高级阶段，是人类一切发明、发现和创造活动的智慧之源。它将已有的知识和经验加以改组、综合和重建，灵活地创造出超越常规又有效的解决问题的方法。因此，新颖性和价值性是创造性思维的本质特点。
创造性思维的过程大体上是一个发散思维和集中思维辩证统一的过程，但发散思维是核心。
发散思维是指以要解决的问题为中心，充分发挥想象力，突破原有的知识圈，从一点向四面八方想开去，朝多方向推测、想象、假设的“试探”性思维过程，其目的是通过知识、观念、方法的重新组合，找出更多更新的可能答案、设想和解决问题的办法。
集中思维是调动各种信息，按照固定的方向和模式解决问题，或者以问题为中心，从不同的方向和角度指向这一中心的思维方式。
科学思维始终是国际科学教育研究的热点问题和科学教育普遍关注的重要目标，也是科学与技术领域育人价值的重要体现。特别是批判性思维和创造性思维，是国际社会和研究者公认的21世纪的必备能力。
由于高阶思维的发展以基本思维为基础，新课标中的科学思维整合了抽象思维、形象思维、批判性思维（科学论证）和创造性思维。
科学思维能力的结构
科学思维能力是智力与能力的核心，其定义与智力和能力基本相同，是人们在科学活动中成功完成任务所表现出来的、能够有效思考问题的能力。科学思维能力是由科学思维的内容、方法和品质构成的有机整体，其培养必须贯穿在科学知识和方法的教学中，并以思维品质的训练为突破口。
科学在长期的发展过程中，形成了一整套思维的基本方法。这些方法不仅对科学的发展起到了重要的作用，为人类认识和理解自然提供了独特的思想方法和思维方式，也对其他相关学科的发展以至社会思潮和社会生活产生了一定的影响。
科学思维品质是指人们在研究和解决科学问题以及学习科学知识的过程中逐渐形成和发展的，并在这个过程中表现出来的、直接影响工作效率的个体智力特征，包括深刻性、灵活性、敏捷性、批判性和独创性五个方面。
深刻性也叫抽象逻辑性，反映思维的抽象程度和逻辑水平，以及思维活动的广度、深度和难度。灵活性是指科学思维活动的灵活程度，反映思维的方向灵活、过程灵活和迁移能力强。敏捷性是指思维过程的速度或迅速程度，反映在思维的速度和正确性两个方面。
批判性是指科学思维活动中善于严格地估计思维材料和精细地检查思维过程的智力品质，包括分析性、策略性、全面性、独立性和正确性等方面。独创性表现为善于独立思考，善于创造性地发现问题和解决问题，反映在独特性、新颖性和发散性等方面。
新课标中作为核心素养和课程目标的科学思维，主要指科学思维能力。基于思维能力的结构模型，掌握思维方法是形成思维能力的前提。因此，科学思维总目标确定为“掌握基本的思维方法，具有初步的科学思维能力”。
在具体阐述时,其第一层意思主要是掌握抽象思维、形象思维和创造性思维的方法及其在科学领域的应用，具体写为——
科学思维的典型要素
新课标整合了科学思维的各种形式和方法,突出了典型的科学思维类型，提出科学思维包括模型建构、推理论证、创新思维等。
模型建构作为一种认识手段和思维方式，是学生根据研究问题和情境，在对客观事物抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和科学概念的过程。
模型建构有助于学生抓住事物的关键要素，加深对概念、过程和系统的理解，形成系统思维。模型建构能力包括两个层次：
模型理解是模型建构的基础，模型建构是模型理解的深化。具有模型建构能力的学生能够运用模型分析、解释新的现象和数据，描述系统的结构、关系和过程，展示对科学概念、结构、关系、过程、系统以及循环的理解。
因此，新课标的核心素养部分将模型建构的表现归纳为两个方面——
在课程总目标部分，提出“能基于经验事实抽象概括出理想模型，具有初步的模型理解和模型建构能力”。
科学教育研究和实践中的科学推理，是指从已知的科学命题得出新命题的思维过程或思维形式，是需要运用多种高水平认知的复杂活动过程，不仅包括逻辑学中的归纳推理、演绎推理和类比推理，还包括分析与综合、比较与分类等方法，以及控制变量、组合推理、概率推理、相关推理、因果推理等推理形式在科学教育领域，研究者常常用科学论证代替批判性思维。
科学论证(scientific argumentation)是个人引用数据或资料来支持自己或反驳他人论点的过程。科学论证能力(scientific argumentation ability)是以科学知识为中介，积极面对问题，对所获得的数据资料进行解释说明，提出自己的论点，反思自己和他人论点的不足并提出反论点，同时反驳他人的质疑和批判的高阶思维能力。
由于科学论证一般都要基于证据和逻辑提出自己的观点，在具体的教学和测评中，很难将科学推理和科学论证完全分开。因此，我们将两者整合在一起,用推理论证来表示。具有推理论证能力的学生能够运用分析与综合、比较与分类、归纳与演绎、控制变量等方法进行假设检验或问题解决，能够正确建立证据与解释之间的关系，提出合理见解。
因此，新课标将推理论证能力的表现归纳为——
创新思维即创造性思维，在前文已有讨论。新课标将创新思维的表现归纳为——
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