國內(nèi)科學(xué)思維研究內(nèi)容的綜述與思考
——以物理學(xué)科視角

于士博 于海波

（1.東北師范大學(xué)教育學(xué)部，吉林 長春 130024；2.長春吉大附中力旺實驗學(xué)校，吉林 長春 130000；3.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130024）

國外對科學(xué)思維的研究起步較早，20世紀(jì)已經(jīng)有國家意識到科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)》（下稱《新課標(biāo)》），給出“科學(xué)思維”的定義后，國內(nèi)對科學(xué)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(xué)思維的研究情況，對國內(nèi)在科學(xué)思維的內(nèi)涵、評價、觀念建構(gòu)、教學(xué)策略、教學(xué)模式等方面的研究進(jìn)行梳理和總結(jié)，并提出相應(yīng)展望，期望能給未來研究科學(xué)思維的學(xué)者們提供材料與幫助.

1 研究設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)來源

在“中國知網(wǎng)（CNKI）”數(shù)據(jù)庫中，利用高級檢索功能，以“科學(xué)思維”為主題進(jìn)行檢索，共有1.93萬條結(jié)果.但由于科學(xué)思維的研究設(shè)計了多個領(lǐng)域及學(xué)科，再次添加“物理教學(xué)”主題精確搜索范圍后，檢索到2077篇文獻(xiàn).再根據(jù)“被引次數(shù)”進(jìn)行排序，閱讀文獻(xiàn)內(nèi)容，手動去除與研究主題無關(guān)的文獻(xiàn).最終選取了被引頻次較高的65篇文獻(xiàn)（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(wǎng)（CNKI）搜索出相關(guān)文獻(xiàn)后，詳細(xì)地對引用頻次最高的前10篇文章進(jìn)行了預(yù)研究，通過分析確定研究框架；然后，對排名10-20名文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀，并進(jìn)一步完善所建立的研究框架；最后對剩余的文獻(xiàn)閱讀、分析，完成綜述及思考.

2 研究結(jié)果

2.1 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及趨勢

一般某主題內(nèi)容的文章發(fā)表趨勢與該主題內(nèi)容受關(guān)注程度及研究程度成正相關(guān)，因此對主題內(nèi)容發(fā)文趨勢進(jìn)行研究，可以從宏觀了解該主題內(nèi)容的研究動態(tài)變化.從圖1可以看出，1986—2016年間，以“科學(xué)思維”為主題的研究文章數(shù)量較少，2017年國家頒布新的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》，給出“科學(xué)思維”的定義后，國內(nèi)對科學(xué)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(xiàn)數(shù)近乎持平，2021年持續(xù)增長.

圖1 近年中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫中主題為“科學(xué)思維”+“物理教學(xué)”的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)

2.2 科學(xué)思維內(nèi)涵的研究

科學(xué)思維的上層概念是思維，因此要想研究科學(xué)思維，首先要對思維進(jìn)行梳理.

到底什么是科學(xué)思維呢？仿照思維的定義對其定義的話，科學(xué)思維就是大腦對于科學(xué)信息加工的過程，［1］但從不同維度看科學(xué)思維，對其認(rèn)識可能也會不同，因此大部分學(xué)者對于科學(xué)思維內(nèi)涵并沒有統(tǒng)一且深入的共識.例如有學(xué)者認(rèn)為，科學(xué)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(xiàn)象、事實等）的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及自然界中事物間的聯(lián)系和相互關(guān)系的間接的、概括的和能動的反映.［2］

還有學(xué)者嘗試從構(gòu)成科學(xué)思維的元素分析其內(nèi)涵.一種看法根據(jù)思維在解決問題中不同作用的發(fā)揮，將思維分為觀念知識成分（表現(xiàn)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(jié)構(gòu)、關(guān)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(zhǔn)則.該準(zhǔn)則指出了問題解決的最終結(jié)果應(yīng)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(jù)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(yīng)用操作.）這兩類成分在內(nèi)容方面的差異及其不同組合就會產(chǎn)生不同的思維方式.科學(xué)思維同樣應(yīng)當(dāng)包括這兩種成分.［3］也有學(xué)者提出“五元素”或“八元素”的說法.

2.3 科學(xué)思維分類、方法與特征

2.3.1 科學(xué)思維分類

我們在進(jìn)行科學(xué)思維時，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，并加工改造.根據(jù)思維材料的不同，可將科學(xué)思維分為科學(xué)抽象思維、科學(xué)形象思維、科學(xué)直覺思維3種.［4］也有學(xué)者將其細(xì)化如圖2所示.

圖2 科學(xué)思維分類歸納

2.3.2 科學(xué)思維方法

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

圖3 物理學(xué)科理論特征與科學(xué)思維方法之間的關(guān)系

部分文獻(xiàn)對科學(xué)思維方法進(jìn)行分類，不同學(xué)者也有各自見解.具體體現(xiàn)如表1所示.

表1 科學(xué)思維方法歸納

從文獻(xiàn)中看，大部分學(xué)者對于科學(xué)思維方法的研究多數(shù)聚焦于模型構(gòu)建、質(zhì)疑創(chuàng)新兩個要素.

2.3.3 科學(xué)思維特征

部分學(xué)者對于科學(xué)思維應(yīng)該具備的特征給出了自己的見解.有學(xué)者認(rèn)為科學(xué)思維方式具有4個主要特征：（1）科學(xué)思維是真理定向的思維，目的是發(fā)現(xiàn)真理、探索真理、追求真理.（2）科學(xué)思維是超越具體對象的“共相（普遍性、共性）”思維，以發(fā)現(xiàn)普遍的科學(xué)規(guī)律為目標(biāo).（3）科學(xué)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(xué)思維具有創(chuàng)新性.［6］也有學(xué)者認(rèn)為科學(xué)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(tǒng)一，二是抽象性與形象性的統(tǒng)一.

3 科學(xué)思維評價的研究

3.1 科學(xué)思維層次和水平劃分

新課標(biāo)提出的物理核心素養(yǎng)將科學(xué)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(xué)者結(jié)合布魯姆提出的教育目標(biāo)分類理論，將科學(xué)思維的層次和水平進(jìn)一步細(xì)化，給出更為詳細(xì)的評價規(guī)則.如表2所示.［7］

表2 科學(xué)思維的層次和水平

3.2 科學(xué)思維測評

課標(biāo)中對于科學(xué)思維評價建議以以下4種方式進(jìn)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(xué)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(xué)者在進(jìn)行探索.其研究主要圍繞測評內(nèi)容、測評方法和測評標(biāo)準(zhǔn).

測評內(nèi)容的確定.通過文獻(xiàn)看，科學(xué)思維的測評，逐漸從測評核心素養(yǎng)中的一個元素，發(fā)展到單獨對其測評，逐步向科學(xué)思維中的某一元素單獨測評進(jìn)行發(fā)展.例如，劉童童對西安市某高中物理教學(xué)中科學(xué)思維素養(yǎng)進(jìn)行了調(diào)查分析.［8］李瑩瑩和左成光對科學(xué)思維中的科學(xué)推理要素進(jìn)行了研究.但是對于初中學(xué)生科學(xué)思維能力測評的研究很少.

測評方法的選擇.通過對文獻(xiàn)的梳理，關(guān)于測評方法主要還是以調(diào)查問卷（包含試卷）紙筆測試為主.其次就是課標(biāo)中提到的課堂問答，訪談等.例如，米廣春在《科學(xué)思維培養(yǎng)的實證研究——MBD教學(xué)模式的建構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)及其他現(xiàn)有問卷進(jìn)行開發(fā).例如，張成香以《課標(biāo)》對科學(xué)思維的學(xué)業(yè)水平劃分為基礎(chǔ)，借助Rasch模型設(shè)計物理科學(xué)思維測試量表；［11］韓葵葵基于科學(xué)論證能力結(jié)構(gòu)模型和PISA科學(xué)素養(yǎng)測評試題的結(jié)構(gòu)，編制了《中學(xué)生科學(xué)論證能力測驗》，［12］除了調(diào)查問卷外，通過試卷進(jìn)行測評也是可行的.《新課標(biāo)》在評價中也對其有相應(yīng)的描述.但是怎樣的試卷才能考察出科學(xué)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(xué)生科學(xué)思維能力的呢？這些研究相對較少.

測評標(biāo)準(zhǔn)的制定.科學(xué)思維的測評并不是近幾年才開始.在2017年之前，科學(xué)思維的測評標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)科學(xué)思維的方法進(jìn)行制定.［13］目前，我們所使用較多的評價標(biāo)準(zhǔn)是《新課標(biāo)》中提出的學(xué)業(yè)水平劃分.有些學(xué)者，也對國外的相應(yīng)測評標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，嘗試將學(xué)業(yè)水平劃分更加具體化.［14］也有一些學(xué)者根據(jù)自己的研究，創(chuàng)建了新的測評標(biāo)準(zhǔn).［15］

3.3 中學(xué)生科學(xué)思維現(xiàn)狀的測量分析

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

4 科學(xué)思維構(gòu)建的教學(xué)研究

4.1 科學(xué)思維建構(gòu)的路徑

庫恩說，科學(xué)思維是科學(xué)的核心特點.［19］在物理教學(xué)中，科學(xué)思維有內(nèi)隱性的重要特征，因此，關(guān)于科學(xué)思維的建構(gòu)過程，必須找到其對應(yīng)的顯性材料，并經(jīng)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(xué)思維.

在注重加工過程的教學(xué)基礎(chǔ)上，許多學(xué)者研究并提出建構(gòu)路徑.例如一個完整的思維邏輯，應(yīng)如圖4所示.讓學(xué)生經(jīng)歷這樣的思維全過程，目的就是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，學(xué)會這種思維的方法.［20］有學(xué)者依據(jù)科學(xué)思維所體現(xiàn)的能力的內(nèi)聚、源域、遠(yuǎn)域、近域等內(nèi)容，提出一個在學(xué)科教學(xué)條件下的發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維素質(zhì)的三段四步模型（表3）.其中，規(guī)范程式的共同成分是指思維方法中內(nèi)含的由思維學(xué)和邏輯.

圖4 科學(xué)思維過程

表3 科學(xué)思維素質(zhì)的三段四步模型

也有學(xué)者基于科學(xué)思維談概念建構(gòu)的基本方法，如圖5所示.［21］部分學(xué)者認(rèn)為物理模型到物理規(guī)律模式應(yīng)該如圖6所示，它是引導(dǎo)學(xué)生探究建立物理規(guī)律的學(xué)習(xí)模式，是上物理規(guī)律課的基本教學(xué)模式.［22］也有學(xué)者基于科學(xué)思維水平劃分要，針對性的將建構(gòu)模型分為“萌生建立—運用熟悉—分析理解—轉(zhuǎn)換提高—抽象領(lǐng)悟”5個等級.［23］

圖5 科學(xué)思維下概念建構(gòu)的基本方法

圖6 物理模型到物理規(guī)律模式

4.2 教材分析

有學(xué)者從教材的角度探討了科學(xué)思維培養(yǎng)與教學(xué)的結(jié)合，對教材能否適應(yīng)科學(xué)思維培養(yǎng)的新要求進(jìn)行研究，對教材內(nèi)容進(jìn)行適應(yīng)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(xué)思維的教學(xué)尋求高效的教學(xué)策略.同時部分學(xué)者在研究中，也結(jié)合實際教學(xué)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(nèi)容的選擇上要體現(xiàn)出多樣化的科學(xué)思維，教材呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)方式應(yīng)有助于學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維活動.

4.3 教學(xué)方法與策略

在對搜集的文獻(xiàn)閱讀中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)者對于“科學(xué)思維如何教”非常關(guān)注.超過2/3的文獻(xiàn)主要針對物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提出相應(yīng)策略，但在其研究中也有涉及到科學(xué)思維的教學(xué)策略，主要以皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論為依據(jù)展開.在教學(xué)活動中，無論是教者，還是學(xué)者，都應(yīng)該清楚科學(xué)思維的培養(yǎng)，是物理教學(xué)活動中一個重要的教學(xué)目標(biāo).

4.3.1 概念、規(guī)律的教學(xué)策略

物理規(guī)律或概念的教學(xué)，本質(zhì)就是思維加工升級的過程.也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要途徑.學(xué)者針對其教學(xué)有以下討論.

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

（2）思維可視化.學(xué)生在進(jìn)行現(xiàn)象或者規(guī)律剝離本質(zhì)中，將思路寫下來，或者以思維導(dǎo)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(luò)，同時這個過程也是培養(yǎng)其科學(xué)思維的過程.

4.3.2 科學(xué)探究的教學(xué)策略

從物理學(xué)科特點出發(fā)，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為讓學(xué)生經(jīng)歷實驗探究過程可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)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(xué)生展現(xiàn)生動直觀的物理環(huán)境，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)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(zhuǎn)換為間接興趣.

（2）創(chuàng)設(shè)情境.猜想，是實驗探究中關(guān)鍵的要素.教師讓學(xué)生提出猜想之前，要創(chuàng)設(shè)合適的情境幫助學(xué)生回憶相關(guān)的生活體驗和現(xiàn)象.如果學(xué)生不具有對應(yīng)的經(jīng)驗，則必須通過實驗、活動或者圖片、視頻等形式，向?qū)W生展示相關(guān)情境.［25］

（3）自主設(shè)計.一些學(xué)者認(rèn)為在實驗教學(xué)中，可以讓學(xué)生自己設(shè)計實驗方案，通過多種途徑來驗證物理規(guī)律，有助于科學(xué)思維的生成.

（4）經(jīng)歷探究過程.大部分學(xué)者認(rèn)為，經(jīng)歷實驗探究過程，有益于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng).首先，演示實驗“學(xué)生化”.演示實驗有其重要的示范作用，其結(jié)果對于學(xué)生思維導(dǎo)向起重要作用，部分學(xué)生認(rèn)為教師的演示實驗具有“作假”的成分，因此學(xué)生的演示實驗易于引起學(xué)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(xué)生都能參與到探究過程中，讓學(xué)生不僅做，而且知道為什么這么做.

（5）實驗結(jié)果“精細(xì)化”.實驗結(jié)果分為定性結(jié)果與定量結(jié)果，對于定性結(jié)果，鼓勵學(xué)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(jié)果產(chǎn)生的原因.對于定量結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生通過論證的方式，對實驗誤差和異常數(shù)據(jù)進(jìn)行符合理論的解釋與數(shù)學(xué)分析.［26］

4.3.3 習(xí)題的教學(xué)策略

（1）少灌輸，多提問.習(xí)題講解中用問題代替結(jié)果，學(xué)生就會用思考代替獲取.在問題的設(shè)置上不隨意，環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)，引領(lǐng)學(xué)生高階思維的生成.

（2）淺度研發(fā)試題.可以通過對習(xí)題改編的方式，考察學(xué)生對于所涉及內(nèi)容學(xué)習(xí)的程度，同時試題研發(fā)的過程也是思維編輯的過程，實現(xiàn)科學(xué)思維的落地.

4.3.4 其他教學(xué)方法

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

（2）PBL、STEM教育.PBL模式的學(xué)習(xí)以問題為導(dǎo)向，注重學(xué)生思維發(fā)展.王惠，張金良，金年慶研究問題教學(xué)法運用的一般教學(xué)流程，并在此基礎(chǔ)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(xué)策略；［28］呂磊在PBL導(dǎo)向下以“力的分解”的教學(xué)為例進(jìn)行物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂滲透；［29］鄧芳以校外科學(xué)課STEM項目為載體，結(jié)合部分教學(xué)案例，初步探討學(xué)生批判性思維的培養(yǎng)策略.［30］

5 思考

從文獻(xiàn)來看，對于科學(xué)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(guān)于科學(xué)思維的研究大多數(shù)都針對高中學(xué)段，初中學(xué)段的學(xué)生根據(jù)皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論正處于形式運算的發(fā)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(xué)者較少；（2）大多數(shù)研究都以課程設(shè)計為基礎(chǔ)，討論科學(xué)思維的培養(yǎng)過程，對于科學(xué)思維理論支撐類的研究較為缺乏；（3）對于科學(xué)思維的定量研究，多數(shù)針對某一元素進(jìn)行，例如科學(xué)推理能力等.對于科學(xué)思維的測評研究較少，目前適應(yīng)于我國初中生科學(xué)思維測評的工具也較少，待于開發(fā).