蔡鐵權(quán)，謝佳瑩

1.浙江師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院物理系，浙江 金華 321004 2.浙江師范大學(xué)教師教育學(xué)院，浙江 金華 321004

愛因斯坦（Albert Einstein）認為：“僅僅用專業(yè)知識教育人是不夠的，學(xué)校的目標應(yīng)當(dāng)是培養(yǎng)有獨立行動和獨立思考的個人”，“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉”。愛因斯坦在這里反復(fù)強調(diào)思維，尤其是獨立思考能力與想象力的養(yǎng)成更值得重視，這比知識的獲取重要得多。新課改將科學(xué)思維納入物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，引發(fā)了物理教育工作者對科學(xué)思維的關(guān)注，迅速成為一個研究的熱點。

科學(xué)思維的內(nèi)涵如何理解？科學(xué)思維在中學(xué)物理教學(xué)中的地位、教學(xué)功能是什么？中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)涉及哪些科學(xué)思維的方式，各種科學(xué)思維有什么特征、彼此之間有什么內(nèi)在相關(guān)性？物理學(xué)的科學(xué)思維有什么特殊性？科學(xué)思維與科學(xué)知識及知識觀有何關(guān)系？這些問題需要做細致的梳理，并對它們做適當(dāng)?shù)年U釋，因為這些是開展思維養(yǎng)成教育的前提，是基本的理論基礎(chǔ)。

1 科學(xué)思維的內(nèi)涵以及歷史回望

林崇德等認為，科學(xué)思維可以看作是人腦有意識地對自然界中的事物（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?？茖W(xué)思維品質(zhì)是指人們在學(xué)習(xí)科學(xué)知識、研究和解決科學(xué)問題時逐漸形成的，并在學(xué)習(xí)和研究過程中表現(xiàn)和發(fā)展，對個體工作效率有直接影響的智力特征，具有深刻性、靈活性、批判性、敏捷性和獨創(chuàng)性等屬性。作為自然科學(xué)典范的物質(zhì)科學(xué)、實證科學(xué)的物理學(xué)，其思維應(yīng)是人類對客觀物質(zhì)世界的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及事物間的相互關(guān)系的認識，是基于物理學(xué)經(jīng)驗事實而構(gòu)建概念、規(guī)律、原理和理論的能力與品質(zhì)。

思維教學(xué)的歷史可以追溯到遙遠的孔子與蘇格拉底（Socrates）時期?？鬃犹岢龅摹安粦嵅粏?，不悱不發(fā)，舉一隅不以三隅反，則不復(fù)也”的教學(xué)主張，蘇格拉底的“產(chǎn)婆術(shù)”等，都是思維教學(xué)的濫觴。現(xiàn)代的思維教學(xué)，一般認為開始于1910年杜威（John Dewey）《我們?nèi)绾嗡季S》一書的出版，直至20世紀60年代初，這段時間被認為是思維教學(xué)的萌芽期；此后，思維教學(xué)進入蓄勢期，到了20世紀70年代中期，思維教學(xué)的研究開始呈現(xiàn)出集中爆發(fā)式的增長趨勢，一直持續(xù)至今。 其間，弗拉維爾（John Hurley Flavell）在《認知發(fā)展》一書中提出了元認知理論，斯騰伯格（Robert J.Sternberg）提出了三元智力理論，馬爾扎諾（Robert J.Marzano）在《思考的維度》中提出了思維教學(xué)與課堂教學(xué)結(jié)合的框架，此后，斯騰伯格又提出了“成功智力”和“思維風(fēng)格”等理論。到了20世紀80年代，掀起了一場席卷全球的思維教學(xué)運動，其中，最具影響力的當(dāng)數(shù)美國的批判性思維運動和思維技能運動。進入21世紀后，思維教學(xué)在全球幾乎是風(fēng)起云涌。我國的思維教學(xué)研究，在科學(xué)思維成為這次新課改學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容以后，將會迅速崛起，很快會出現(xiàn)一個欣欣向榮的局面。

2 科學(xué)思維的方式與特征

物理學(xué)科四個核心素養(yǎng)之間的關(guān)系是：物理觀念是方向，科學(xué)思維是關(guān)鍵，科學(xué)探究是途徑，科學(xué)態(tài)度是根本。物理教育的目標最終要落實到學(xué)生物理觀念的養(yǎng)成，這也是評估物理教育成效的重要指標。物理教學(xué)要使學(xué)生習(xí)得知識、發(fā)展智力、提升能力，思維教學(xué)是首要問題，是核心因素和關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？茖W(xué)探究是物理學(xué)習(xí)的本質(zhì)所在與必由之路?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任心的養(yǎng)成則是物理教育的價值體現(xiàn)，是科學(xué)素養(yǎng)的人格表征。

對物理課標中指出的科學(xué)思維的四項內(nèi)容，即模型、推理、論證和批判性思維，很多一線教師認為是四種思維方式，有人提出模型思維，有人對推理和論證之間的關(guān)系覺得難以區(qū)分，也難以分割，認為推理和論證是同一種思維方式，對批判性思維又作望文生義的理解而造成誤會，由此，在具體的物理課堂教學(xué)中，又形成了思維教學(xué)策略的簡單化或混淆糾纏。

物理教學(xué)中的科學(xué)思維，除了應(yīng)具備一般科學(xué)思維的方式及特征外，還應(yīng)體現(xiàn)物理學(xué)科的鮮明特色，反映物理學(xué)的本質(zhì)和物理學(xué)研究的特有方式與方法，顯示物理學(xué)研究的目的、對象、過程、工具和途徑，表明物理學(xué)研究的方向或門類（如實驗物理、理論物理、計算物理）。并且，物理學(xué)是一個整體，其各個方面是相互交叉、滲透且聯(lián)系的，是一個開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)。上述諸多方面，就決定了物理教學(xué)中科學(xué)思維的養(yǎng)成具有多樣性、復(fù)雜性與特定性。

對科學(xué)思維的方式，可謂眾說紛紜，各執(zhí)一詞。但其中還是有一定的規(guī)律可循，可以梳理出一個基本的框架來。

王小燕對科學(xué)思維的分類如圖1所示。

圖1 科學(xué)思維方式的思維導(dǎo)圖

張大松對科學(xué)思維的分類如圖2所示：按思維的進程可分為橫向思維與縱向思維、發(fā)散思維與收斂思維；按思維的工具或方式可分為邏輯思維與非邏輯思維；按思維的抽象性程度可分為形象思維與抽象思維；從思維方法功能看可分為批判性思維與創(chuàng)新思維。當(dāng)然，這其中的各種思維方式之間無法絕對地劃出界限，進行明確的區(qū)分，有一定的交疊也是無法回避的。

圖2 科學(xué)思維方式的概念圖

從上述兩圖我們已可以基本上明確科學(xué)思維的主要方式了。物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的物理模型是指從我們研究所關(guān)注的角度出發(fā)，忽略掉自然界中事物的次要因素，只留下我們關(guān)注的最重要的少量關(guān)鍵因素的一種簡化了的現(xiàn)實“愿望”相似的替代物。模型是思維的產(chǎn)物，是思維的結(jié)果。模型的構(gòu)建涉及歸納、演繹、類比、想象、抽象、假設(shè)、模擬、數(shù)學(xué)化，同時還包括推理、論證等?？茖W(xué)思維的本質(zhì)重在探索未知，包括演繹法和歸納法，從特定的事件中發(fā)展出普遍的原則，包含了類比推理、演繹推理、歸納推理、統(tǒng)計推理、實踐推理、因果分析、因果推斷、因果探究、科學(xué)解說以及邏輯定義、復(fù)合推理、等值推理、混合推理、模態(tài)推理、關(guān)系推理、分析推理等?？茖W(xué)論證的過程是基于證據(jù)的思維過程，并且證據(jù)要經(jīng)得起邏輯檢驗和真?zhèn)伪鎰e，可以理解為是用科學(xué)共同體所“約定”好的“規(guī)則”去解釋某些科技現(xiàn)象、得出科學(xué)結(jié)論。論證的類型分直接論證和間接論證，正面論證和反駁論證，演繹論證和廣義歸納論證等。批判性思維可以理解為有目的、自我調(diào)節(jié)的判斷，它導(dǎo)致的結(jié)果是詮釋、分析、評估和推論，還有針對生成判斷的概念、證據(jù)、標準、方法、語境等基礎(chǔ)問題的說明。批判性思維的方法有歸納、演繹、類比、推理、論證和非形式邏輯思維中的直覺、靈感與頓悟等。那么，科學(xué)思維尤其是物理學(xué)科中的科學(xué)思維方式有什么特征呢？

綜合性。綜合的過程也是科學(xué)抽象的過程?，F(xiàn)代綜合要求從系統(tǒng)整體出發(fā)，在綜合指導(dǎo)與控制下展開分析，而且強調(diào)定性分析和數(shù)學(xué)及模型化的定量分析相統(tǒng)一?，F(xiàn)代綜合遵循歷史與邏輯相一致的原則，是辯證的綜合。物理學(xué)在發(fā)展的過程中高度分化，其學(xué)科越來越細分，越來越向縱深延伸，同時又在分化的基礎(chǔ)上不斷綜合化，甚至與其他學(xué)科方向產(chǎn)生橫向交叉、融合形成新興交叉學(xué)科。

動態(tài)性。人們進行思維活動，不僅僅是為了理解世界、說明世界，更是為了改變世界、發(fā)展世界。事物是不斷發(fā)展變化的，是在不斷更新的，人的思維對應(yīng)地就必須從感性到理性，再從理性到實踐，這就要求人的思維是動態(tài)協(xié)調(diào)的、靈活變化的?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，物理學(xué)的新成就、新成果層見疊出，新的科學(xué)事實與新的科學(xué)現(xiàn)象需要新穎的思維方式去思考、去理解、去解釋，用新的思維方式去解決層出不窮的新問題。

開放性。人們的思維要從狹窄封閉中釋放出來，讓思維富有活力，充滿創(chuàng)造力。要兼收并包，海納百川，勇于批判乃至否定自我。敢于正視不同學(xué)術(shù)思想之間的爭辯，心胸博大，眼界高遠，對于任何新的事物、新的觀念、新的思想不存成見，不隨意排斥，不局限否定，既有原則性又有靈活性。只有開放系統(tǒng)才能從混沌走向有序，才能不斷更新、不斷發(fā)展形成一個自組織的有活力的系統(tǒng)，物理學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)理論就思維的開放性給我們提供了一個十分美妙的范例。

批判性。思維的批判性是指以一種審思、分析和評價的方式思考，包括辨別他人的立場、證據(jù)和結(jié)論；公正地權(quán)衡反方的論辯和判斷；透過事物表面，推翻虛假、有失公允的假設(shè)；以有邏輯、有見解的方式思考問題；將基于事實證據(jù)的結(jié)果集中起來，整合信息，形成新的觀點；采用推理嚴密、結(jié)構(gòu)清晰且富有說服力的方式表明一個立場。批判性思維要有質(zhì)疑思考的能力，要有理有據(jù)地分析問題，正如費恩曼（Richard Feynman）在著名的 《費恩曼物理學(xué)講義》中所告誡年青學(xué)生的：“實際上，人們知道的每件事都只是某種近似，我們懂得，到目前為止，人類確實還不知道全部的定律，因此，有時學(xué)習(xí)一些東西正是為了要重新忘掉它們，或者更確切地說是為了改正以前對它們的謬見?！薄拔覀冋f過，大自然的定律是近似的：起先我們找到的是‘錯’的定律，然后才發(fā)現(xiàn)‘對’的定律。”費恩曼以他特有的幽默揭示了批判性思維的真諦。

創(chuàng)新性。創(chuàng)新性思維以批判性思維為前提，沒有質(zhì)疑批判的能力，沒有否定的勇氣，就不能發(fā)現(xiàn)問題，就不可能認識“錯”的定律，也就找不到或發(fā)現(xiàn)不了“對”的定律，更無法改正以前對定律已形成的謬見。創(chuàng)新性思維特別不能否定靈感思維、頓悟思維和直覺思維。愛因斯坦不止一次說過：“我相信直覺和靈感”。但創(chuàng)新絕不是空穴來風(fēng)或神來之筆，是形象思維與邏輯思維的互補，是智力因素與非智力因素的結(jié)合。今天我們要建設(shè)一個創(chuàng)新型國家，實現(xiàn)偉大復(fù)興的中國夢，創(chuàng)新是靈魂，是核心。因此，科學(xué)思維的創(chuàng)新性具有特別重要的價值。

3 物理學(xué)科思維的獨特性

上述思維方式及其特征也是物理學(xué)科思維的基本內(nèi)容和特征，物理學(xué)的科學(xué)思維也是遵循思維的一般規(guī)律的。但是，普遍不能代替特殊，物理學(xué)的思維方式還應(yīng)顯現(xiàn)物理學(xué)科的特殊性，彰顯物理學(xué)科的個性。上述這些思維方式固然是需要的，是不可或缺的，但是僅僅局限于其中，很難培養(yǎng)出高質(zhì)量的物理人才。因此，選擇其中幾個突出的側(cè)面，雖然無法囊括全部，但已足夠能使我們領(lǐng)略到物理學(xué)科思維的靚麗風(fēng)采了。

涌現(xiàn)式思維（emergence，有譯成“層展”“呈展”或“演生”，也有譯成“涌現(xiàn)”的）。物理學(xué)中有一種很基本很重要的思維方式——還原論思維，它將一切復(fù)雜系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，都歸結(jié)為最基本的組成單元和決定單元行為的基本規(guī)律，或者說，將復(fù)雜還原為簡單，然后再從簡單重建復(fù)雜。1972年，美國物理學(xué)家安德森（PhilipW.Anderson）在《Science》上發(fā)表了題為“More is different（多者異也）”的文章，文章深刻地指出：“將萬事萬物還原成簡單基元及其基本規(guī)律的能力，其實并不蘊涵著從這些規(guī)律出發(fā)重建整個宇宙的能力……當(dāng)面對尺度與復(fù)雜性的雙重困難時，以還原論為基礎(chǔ)的建構(gòu)論的假定就完全崩潰了。”這就是說，由大量基元構(gòu)成的復(fù)雜體系在每一不同的聚集層次，都會呈現(xiàn)出許多預(yù)想不到的全新復(fù)雜物理性質(zhì)，這些性質(zhì)已經(jīng)遠遠超出組成基元的物理學(xué)規(guī)律。凝聚態(tài)物理中的相變和臨界現(xiàn)象，元激發(fā)——聲子、等離子激光、自旋波、激子、極化子……朗道費米液體理論，玻色—愛因斯坦凝聚，超流，超導(dǎo)，約瑟夫森效應(yīng)，量子霍爾效應(yīng)，量子相變，等等，都是涌現(xiàn)現(xiàn)象最好的例證。這種研究方法和思維方式與粒子物理、宇宙學(xué)密切相關(guān)，并且對認識生命現(xiàn)象、理解認知過程乃至社會現(xiàn)象，都有重要的意義。同時，涌現(xiàn)性也是復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)成其復(fù)雜性的本質(zhì)原因，復(fù)雜系統(tǒng)是由大量個體組成的，但不是個體性質(zhì)的簡單之和，是關(guān)聯(lián)、合作、涌現(xiàn)等集體行為。這樣，對于理解和處理物理學(xué)中的復(fù)雜性問題時，理解其涌現(xiàn)性就成為了一個突破口。2021年的諾貝爾物理學(xué)獎就授予了復(fù)雜性科學(xué)的研究成果。

不確定性思維。物理學(xué)是精密科學(xué)，體現(xiàn)在物理學(xué)的定律、理論中都有堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。愛因斯坦心中的世界是實在的、統(tǒng)一的，微觀粒子與宏觀物體都具有確定的性質(zhì)，符合確定性的規(guī)律；粒子間的相互作用也是定域的，以有限的速度傳播；沒有超距作用，也沒有隨機性。愛因斯坦堅信“上帝是不玩骰子的”。但是，1927年，海森堡（Werner Karl Heisenberg）在《物理學(xué)雜志》發(fā)表了《關(guān)于量子論的運動學(xué)和動力學(xué)的直覺內(nèi)容》一文，明確地提出了“不確定性原理”（uncertainly principle），這確是石破天驚！今天，愛因斯坦心中的那個確定性的世界已經(jīng)成為一個失樂園，他發(fā)表于1935年的EPR論文卻成了打開通向量子糾纏世界的大門，這是他不愿意看到的。物理學(xué)的發(fā)展與愛因斯坦玩了一場惡作劇。

今天，科學(xué)家已經(jīng)明確，在微觀世界中，由于相互作用，粒子不斷發(fā)生量子糾纏，當(dāng)這種作用延伸至宏觀物體（如測量儀器）時，發(fā)生波函數(shù)坍縮過程，再緊密的量子糾纏也將被解開。在這一坍縮過程中，釋放出非連續(xù)性，從而使宏觀測量結(jié)果之間產(chǎn)生了不可思議的非定域關(guān)聯(lián)。此后，隨著量子信息科學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展，量子糾纏態(tài)被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如量子濃縮編碼、量子糾錯碼、量子隱形傳態(tài)、量子計算、量子通信等，而人們對糾纏態(tài)本身的研究也越來越深入，量子糾纏之謎終將被解密。

物理學(xué)中的不確定性原理已成為理解當(dāng)代物理學(xué)新發(fā)展的一把鑰匙，基礎(chǔ)物理教學(xué)中對不確定性思維的重視亟待引起我們的關(guān)注。

品味式思維。楊振寧認為，一個科學(xué)工作者的taste（taste在英文中是含義非常廣泛的詞匯，一般譯成“品位”，楊振寧認為這不是最好的譯法）將形成一種科學(xué)性格，一種特有的個性化的思維方式，對某種觀念偏愛而形成深厚的內(nèi)心情結(jié)、誠摯的信念和強烈的感情?！耙粋€人從幼年到青年時期所學(xué)到的知識和接受的訓(xùn)練，以及剛步入某一學(xué)科時，所接觸的方向及其思考方法，還有他的個性等因素結(jié)合在一起，才造成一個人的taste。這對他將來的工作會有決定性的影響?！彼谠u論一個學(xué)得很好也非常聰明的學(xué)生時，斷定他的發(fā)展前途并不樂觀，理由是這個學(xué)生雖然能回答量子力學(xué)問題，卻講不出哪一個問題是妙的。楊振寧覺得：“盡管他吸收了很多東西，可是他沒有發(fā)展成一個taste”。

物理學(xué)科具有自身所特有的味道和風(fēng)格，需要你能欣賞它、品味它，在物理學(xué)的令人眼花繚亂的觀念與知識中，有些是重要的，有些是相對不重要的；有些是美妙高雅的，有些是粗野庸俗的，你得有鑒賞力。物理學(xué)內(nèi)容中很多是復(fù)雜微妙且深奧的，你得有深刻的洞察力。taste會影響一個人的研究方向和職業(yè)選擇，影響一個人的思維方式和研究方法，影響一個科學(xué)家的風(fēng)格。楊振寧十分強調(diào)物理學(xué)的邏輯性是比較強的，但科學(xué)絕對不是只有邏輯，最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)并不是用邏輯推理出來的，要有很豐富的想象力，要有獨特的風(fēng)格。

一個人的taste是從小養(yǎng)成的，基礎(chǔ)教育是形成一個人好的taste的關(guān)鍵時期。

4 科學(xué)思維與科學(xué)知識及知識觀

知識觀是需要以歷史和發(fā)展的眼光去看待的?？梢哉f知識觀是對人類認識成果的再認識，是對知識的一般觀念、觀點與看法，隱含著對知識的本質(zhì)、價值、標準、范式的假設(shè)與信念，也表達著對知識的理想和欲求。

知識學(xué)習(xí)與個體思維能力的發(fā)展密切相關(guān)，兩者互為工具，互相促進，共同作用，促進人的全面發(fā)展。

思維并非憑空產(chǎn)生，知識構(gòu)成了思維作用的對象；思維需要依托，知識就提供了思維形成的基礎(chǔ)；新知識的產(chǎn)生又可以看作是思維作用的產(chǎn)物。

夏青指出，科學(xué)知識基于邏輯思維的批判，一是對概念難以辨析；二是分不清集合概念與非集合概念；三是類比概念的過度使用；四是固化的非此即彼的二元思維?？茖W(xué)知識對神學(xué)與迷信進行批判，構(gòu)成批判性思維的重要知識基礎(chǔ)，科學(xué)知識的求證標準與方法都包含了批判性思維的重要因素，崇尚理性、尊重事實、開拓創(chuàng)新，促使人獨立思考、實事求是、新益求新、不斷進取?？茖W(xué)知識中的批判性思維促成人類對科學(xué)技術(shù)的反思，以及實踐對唯科學(xué)主義的批判。特別是二戰(zhàn)以后，后現(xiàn)代科學(xué)思潮的出現(xiàn)、“二種文化”的提出、“科學(xué)大戰(zhàn)”的爆發(fā)，都標志著人們對科學(xué)技術(shù)發(fā)展所造成后果的正視，體現(xiàn)了科學(xué)的理性精神與求真意識。

5 結(jié)語：科學(xué)思維是物理教學(xué)的關(guān)鍵要素

科學(xué)思維被定位于核心素養(yǎng)中的首要因素，我國從基礎(chǔ)教育界到哲學(xué)、心理學(xué)、教育學(xué)領(lǐng)域的研究者們，都把目光聚焦在科學(xué)思維。對于物理學(xué)科教學(xué)，特別要關(guān)注其特有的與當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展緊密相關(guān)的思維方式，才能幫助學(xué)生物理地思維，或者說思維方式符合物理學(xué)人才的需要，符合物理學(xué)發(fā)展的內(nèi)在需求。作為課程改革的重要因素——知識觀與思維是不可分割的。我們的思考是想為科學(xué)思維在物理教育中的實踐提供基本的理論元素，為思維教學(xué)在物理課堂中的展開提供積極的幫助。