國內科學思維研究內容的綜述與思考
——以物理學科視角

于士博 于海波

（1.東北師范大學教育學部，吉林 長春 130024；2.長春吉大附中力旺實驗學校，吉林 長春 130000；3.東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024）

國外對科學思維的研究起步較早，20世紀已經有國家意識到科學思維的重要性和地位.自教育部于2017年新頒布《普通高中物理課程標準》（下稱《新課標》），給出“科學思維”的定義后，國內對科學思維的研究熱度呈逐年上漲趨勢.本文整理與分析了近20年來對科學思維的研究情況，對國內在科學思維的內涵、評價、觀念建構、教學策略、教學模式等方面的研究進行梳理和總結，并提出相應展望，期望能給未來研究科學思維的學者們提供材料與幫助.

1 研究設計

1.1 數據來源

在“中國知網（CNKI）”數據庫中，利用高級檢索功能，以“科學思維”為主題進行檢索，共有1.93萬條結果.但由于科學思維的研究設計了多個領域及學科，再次添加“物理教學”主題精確搜索范圍后，檢索到2077篇文獻.再根據“被引次數”進行排序，閱讀文獻內容，手動去除與研究主題無關的文獻.最終選取了被引頻次較高的65篇文獻（包含碩士論文5篇，博士論文2篇）.

1.2 研究過程

利用中國知網（CNKI）搜索出相關文獻后，詳細地對引用頻次最高的前10篇文章進行了預研究，通過分析確定研究框架；然后，對排名10-20名文獻進行閱讀，并進一步完善所建立的研究框架；最后對剩余的文獻閱讀、分析，完成綜述及思考.

2 研究結果

2.1 文獻數據及趨勢

一般某主題內容的文章發表趨勢與該主題內容受關注程度及研究程度成正相關，因此對主題內容發文趨勢進行研究，可以從宏觀了解該主題內容的研究動態變化.從圖1可以看出，1986—2016年間，以“科學思維”為主題的研究文章數量較少，2017年國家頒布新的《普通高中物理課程標準》，給出“科學思維”的定義后，國內對科學思維的研究熱度呈逐年上漲趨勢.受新冠疫情影響，2020年與2019年文獻數近乎持平，2021年持續增長.

圖1 近年中國知網（CNKI）數據庫中主題為“科學思維”+“物理教學”的文獻數據

2.2 科學思維內涵的研究

科學思維的上層概念是思維，因此要想研究科學思維，首先要對思維進行梳理.

到底什么是科學思維呢？仿照思維的定義對其定義的話，科學思維就是大腦對于科學信息加工的過程，［1］但從不同維度看科學思維，對其認識可能也會不同，因此大部分學者對于科學思維內涵并沒有統一且深入的共識.例如有學者認為，科學思維就是具有意識的人腦對自然界中事物（包括對象、過程、現象、事實等）的本質屬性、內在規律及自然界中事物間的聯系和相互關系的間接的、概括的和能動的反映.［2］

還有學者嘗試從構成科學思維的元素分析其內涵.一種看法根據思維在解決問題中不同作用的發揮，將思維分為觀念知識成分（表現為對世界的一般性看法或者形成的世界圖景，涉及事物的結構、關系以及事物形成的原因和方式）和方法評價成分（一些基本的思想方法工具和用于評價理論的方法論準則.該準則指出了問題解決的最終結果應該滿足什么樣的條件，并告訴人們什么樣的解決才是正確的、答案才是可信的.思維主體據此選擇解題思路，具體地形成解題策略，并按照一定得程序應用操作.）這兩類成分在內容方面的差異及其不同組合就會產生不同的思維方式.科學思維同樣應當包括這兩種成分.［3］也有學者提出“五元素”或“八元素”的說法.

2.3 科學思維分類、方法與特征

2.3.1 科學思維分類

我們在進行科學思維時，必須從不同的方面、不同的角度獲得關于科學事物本質屬性的外部表現的材料，并加工改造.根據思維材料的不同，可將科學思維分為科學抽象思維、科學形象思維、科學直覺思維3種.［4］也有學者將其細化如圖2所示.

圖2 科學思維分類歸納

2.3.2 科學思維方法

物理學有其自己獨有的特征，一些學者嘗試從物理學科理論特征與科學思維方法之間的關系體現科學思維方法.例如模型構建及概念規律的確立中滲透著諸多的思維活動，需要諸多科學思維方法的參與；科學推理和論證是物理概念發展、規律發現、理論確立的重要方法；物理學科理論建立過程的重要特征是運用科學推理和科學論證等思維活動與方法.［5］物理學科理論特征與科學思維方法之間的關系如圖3所示.

圖3 物理學科理論特征與科學思維方法之間的關系

部分文獻對科學思維方法進行分類，不同學者也有各自見解.具體體現如表1所示.

表1 科學思維方法歸納

從文獻中看，大部分學者對于科學思維方法的研究多數聚焦于模型構建、質疑創新兩個要素.

2.3.3 科學思維特征

部分學者對于科學思維應該具備的特征給出了自己的見解.有學者認為科學思維方式具有4個主要特征：（1）科學思維是真理定向的思維，目的是發現真理、探索真理、追求真理.（2）科學思維是超越具體對象的“共相（普遍性、共性）”思維，以發現普遍的科學規律為目標.（3）科學思維具有對“具體時空”的“超越性”，不受思維對象的具體時間和具體空間的約束.（4）科學思維具有創新性.［6］也有學者認為科學思維從辯證角度看具有兩個基本特征，一是精確性與近似性的統一，二是抽象性與形象性的統一.

3 科學思維評價的研究

3.1 科學思維層次和水平劃分

新課標提出的物理核心素養將科學思維劃分為5個水平.但真正的評價過程過難，原因是其劃分較為抽象.有學者結合布魯姆提出的教育目標分類理論，將科學思維的層次和水平進一步細化，給出更為詳細的評價規則.如表2所示.［7］

表2 科學思維的層次和水平

3.2 科學思維測評

課標中對于科學思維評價建議以以下4種方式進行：課堂問答、書面評語、自我評價或互評、階段測試.但實際上對于科學思維能力的評價一直是個難題，也是物理教育研究中的重要課題.對于測評的研究，更多的是高校學者在進行探索.其研究主要圍繞測評內容、測評方法和測評標準.

測評內容的確定.通過文獻看，科學思維的測評，逐漸從測評核心素養中的一個元素，發展到單獨對其測評，逐步向科學思維中的某一元素單獨測評進行發展.例如，劉童童對西安市某高中物理教學中科學思維素養進行了調查分析.［8］李瑩瑩和左成光對科學思維中的科學推理要素進行了研究.但是對于初中學生科學思維能力測評的研究很少.

測評方法的選擇.通過對文獻的梳理，關于測評方法主要還是以調查問卷（包含試卷）紙筆測試為主.其次就是課標中提到的課堂問答，訪談等.例如，米廣春在《科學思維培養的實證研究——MBD教學模式的建構及其影響》中就采用了課堂觀察和訪談法，任俊紅也在其研究中運用了訪談法.［9-10］問卷一般參照課程標準及其他現有問卷進行開發.例如，張成香以《課標》對科學思維的學業水平劃分為基礎，借助Rasch模型設計物理科學思維測試量表；［11］韓葵葵基于科學論證能力結構模型和PISA科學素養測評試題的結構，編制了《中學生科學論證能力測驗》，［12］除了調查問卷外，通過試卷進行測評也是可行的.《新課標》在評價中也對其有相應的描述.但是怎樣的試卷才能考察出科學思維能力，而不僅僅是某些知識呢？大型考試的試卷是如何考察學生科學思維能力的呢？這些研究相對較少.

測評標準的制定.科學思維的測評并不是近幾年才開始.在2017年之前，科學思維的測評標準主要依據科學思維的方法進行制定.［13］目前，我們所使用較多的評價標準是《新課標》中提出的學業水平劃分.有些學者，也對國外的相應測評標準進行了研究，嘗試將學業水平劃分更加具體化.［14］也有一些學者根據自己的研究，創建了新的測評標準.［15］

3.3 中學生科學思維現狀的測量分析

很多學者都曾編制過問卷或試卷對中學生科學思維現狀進行了測量與分析.總體來看：科學思維達到了一定的水平層次，但是在部分要素的培養上存在缺失或者偏差.學者們也對其原因或培養中存在的問題進行剖析.楊燕燕認為，“單向度的”課堂，程序性和確定性太強，不易于科學思維的培養，應該向互動課堂轉變.［16］王俊也指出知識性的課堂將“教學目標”變成了“知識目標”.［17］秦曉文也指出培養過程中面臨的困難：其一，科學思維的培養需要長期專門訓練；其二，科學思維是內隱的，較難診斷；其三，科學思維的生成，教師不能代替，只有在學生遇到問題時才能指引.［18］

4 科學思維構建的教學研究

4.1 科學思維建構的路徑

庫恩說，科學思維是科學的核心特點.［19］在物理教學中，科學思維有內隱性的重要特征，因此，關于科學思維的建構過程，必須找到其對應的顯性材料，并經歷顯性材料的加工過程，將加工過程中所滲透的方式方法適時提升以逐步形成正確的科學思維.

在注重加工過程的教學基礎上，許多學者研究并提出建構路徑.例如一個完整的思維邏輯，應如圖4所示.讓學生經歷這樣的思維全過程，目的就是培養學生的科學思維素養，學會這種思維的方法.［20］有學者依據科學思維所體現的能力的內聚、源域、遠域、近域等內容，提出一個在學科教學條件下的發展學生科學思維素質的三段四步模型（表3）.其中，規范程式的共同成分是指思維方法中內含的由思維學和邏輯.

圖4 科學思維過程

表3 科學思維素質的三段四步模型

也有學者基于科學思維談概念建構的基本方法，如圖5所示.［21］部分學者認為物理模型到物理規律模式應該如圖6所示，它是引導學生探究建立物理規律的學習模式，是上物理規律課的基本教學模式.［22］也有學者基于科學思維水平劃分要，針對性的將建構模型分為“萌生建立—運用熟悉—分析理解—轉換提高—抽象領悟”5個等級.［23］

圖5 科學思維下概念建構的基本方法

圖6 物理模型到物理規律模式

4.2 教材分析

有學者從教材的角度探討了科學思維培養與教學的結合，對教材能否適應科學思維培養的新要求進行研究，對教材內容進行適應性分析，在研究中分析了物理教材的編寫目的，便于教師對科學思維的教學尋求高效的教學策略.同時部分學者在研究中，也結合實際教學的需求，對教材的編寫提出了自己的見解.例如物理教材在內容的選擇上要體現出多樣化的科學思維，教材呈現的學習方式應有助于學生進行科學思維活動.

4.3 教學方法與策略

在對搜集的文獻閱讀中發現，大多數學者對于“科學思維如何教”非常關注.超過2/3的文獻主要針對物理學科核心素養的培養提出相應策略，但在其研究中也有涉及到科學思維的教學策略，主要以皮亞杰認知發展理論為依據展開.在教學活動中，無論是教者，還是學者，都應該清楚科學思維的培養，是物理教學活動中一個重要的教學目標.

4.3.1 概念、規律的教學策略

物理規律或概念的教學，本質就是思維加工升級的過程.也是培養學生科學思維的重要途徑.學者針對其教學有以下討論.

（1）分解再綜合.研究復雜的物理現象、過程，首先應將其分解為幾個簡單的過程進行分析，再將不同過程進行綜合，找出規律.從而達到透徹理解物理知識、掌握物理規律，并能提高應用知識去解決問題的能力.［24］

（2）思維可視化.學生在進行現象或者規律剝離本質中，將思路寫下來，或者以思維導圖、流程圖或者趣味方程式等形式記錄下來，既能梳理思維脈絡，同時這個過程也是培養其科學思維的過程.

4.3.2 科學探究的教學策略

從物理學科特點出發，多數學者認為讓學生經歷實驗探究過程可以促進學生科學思維的生成.研究較多的有以下幾個方面.

（1）直觀刺激.在物理實驗中，教師盡可能地為學生展現生動直觀的物理環境，吸引學生的注意力，激發學生求知欲.在求知欲的作用下，這種刺激會一直保持，在探究中也會將直接興趣轉換為間接興趣.

（2）創設情境.猜想，是實驗探究中關鍵的要素.教師讓學生提出猜想之前，要創設合適的情境幫助學生回憶相關的生活體驗和現象.如果學生不具有對應的經驗，則必須通過實驗、活動或者圖片、視頻等形式，向學生展示相關情境.［25］

（3）自主設計.一些學者認為在實驗教學中，可以讓學生自己設計實驗方案，通過多種途徑來驗證物理規律，有助于科學思維的生成.

（4）經歷探究過程.大部分學者認為，經歷實驗探究過程，有益于學生科學思維的培養.首先，演示實驗“學生化”.演示實驗有其重要的示范作用，其結果對于學生思維導向起重要作用，部分學生認為教師的演示實驗具有“作假”的成分，因此學生的演示實驗易于引起學生思考的開端；其次分組實驗“小組化”.通過討論，明確分工，明確器材使用等形式讓每名學生都能參與到探究過程中，讓學生不僅做，而且知道為什么這么做.

（5）實驗結果“精細化”.實驗結果分為定性結果與定量結果，對于定性結果，鼓勵學生使用掌握的知識，通過觀察、分析、分類歸納、化抽象為具體等方法，推理結果產生的原因.對于定量結果，引導學生通過論證的方式，對實驗誤差和異常數據進行符合理論的解釋與數學分析.［26］

4.3.3 習題的教學策略

（1）少灌輸，多提問.習題講解中用問題代替結果，學生就會用思考代替獲取.在問題的設置上不隨意，環環相扣、層層遞進，引領學生高階思維的生成.

（2）淺度研發試題.可以通過對習題改編的方式，考察學生對于所涉及內容學習的程度，同時試題研發的過程也是思維編輯的過程，實現科學思維的落地.

4.3.4 其他教學方法

（1）引入物理學史.在物理教學活動中，學生通常對于突然出現的認知沖突感到茫然，此時，“類比架橋”策略能夠顯著幫助學生降低思維高度，構建最近發展區.而物理學史的內容就起到了一個很好的橋梁作用.例如許敏萱提出物理學史融入課堂的原則，并設計具體教案.［27］

（2）PBL、STEM教育.PBL模式的學習以問題為導向，注重學生思維發展.王惠，張金良，金年慶研究問題教學法運用的一般教學流程，并在此基礎上以“生活中的圓周運動”一課為例，提出具有可操作性的教學策略；［28］呂磊在PBL導向下以“力的分解”的教學為例進行物理學科核心素養的課堂滲透；［29］鄧芳以校外科學課STEM項目為載體，結合部分教學案例，初步探討學生批判性思維的培養策略.［30］

5 思考

從文獻來看，對于科學思維的研究熱度逐步提升，但是通過對以往研究的整理筆者也有一下幾點思考：（1）關于科學思維的研究大多數都針對高中學段，初中學段的學生根據皮亞杰認知發展理論正處于形式運算的發展階段，正由感性思維向邏輯思維過度的階段，但是對于其研究的學者較少；（2）大多數研究都以課程設計為基礎，討論科學思維的培養過程，對于科學思維理論支撐類的研究較為缺乏；（3）對于科學思維的定量研究，多數針對某一元素進行，例如科學推理能力等.對于科學思維的測評研究較少，目前適應于我國初中生科學思維測評的工具也較少，待于開發.