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摘要：對“科學思維”的理解可以建立在對“科學”和“思維”的理解基礎(chǔ)之上。物理教學的過程可以理解為幫助學生從前概念走向科學概念、從經(jīng)驗思維走向科學思維的過程?？茖W思維培養(yǎng)的目的在于讓學生“像科學家一樣思考”。在物理教學中，讓學生體驗概念、規(guī)律的得出過程，并在此過程中充分運用科學方法，將事實與物理理論結(jié)合起來，那學生的科學思維就能得到發(fā)展。在生活中運用科學思維，讓科學思維成為學生的思維自覺，是重要的教學取向，也是物理核心素養(yǎng)的重要體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：初中物理；科學思維；核心素養(yǎng)

一、 從兩個故事說起

物理教學的基本理念之一是“從生活走向物理，從物理走向社會”。介于生活和社會之間的物理被視為科學的代名詞，因此這一理念在生活中就常常被演繹為“思維必須講科學”。這一演繹背后，實際上有一個約定俗成的認識，那就是人必須有科學思維。

什么是科學思維呢？先來看兩個小故事：

1. 一家香皂公司發(fā)現(xiàn)其包裝生產(chǎn)線有個缺陷：常常會出現(xiàn)空香皂盒。為了解決這一問題，公司讓一個自動化專業(yè)的博士后組建科研攻關(guān)小組，綜合采用機械、微電子、自動化、X射線探測等技術(shù)制造一個高科技探測器：每當生產(chǎn)線上有空香皂盒通過，兩旁的探測器就會檢測到，并用一只機械手把它推走。另一家公司也采用了同樣的生產(chǎn)線，老板發(fā)現(xiàn)這個問題后讓車間主任解決。車間主任很快想出了辦法：用一臺電風扇對著生產(chǎn)線吹，空香皂盒會被吹走。

2. 小明為了拓展知識，加入了一個物理學博士群。有一天，群里的人在熱烈討論一個問題：一滴水從很高的地方落下來會不會砸死人？討論非常激烈，各種物理公式、假設(shè)、模型都用到了，結(jié)果還是莫衷一是。最后，小明問道：你們沒有淋過雨嗎？

絕大多數(shù)人看了這兩個故事可能會一笑了之，但作為物理教師，如果從思維的角度進行思考，卻可以發(fā)現(xiàn)一些值得思索的地方：故事中，博士后與博士代表的是受過嚴格科學訓練的“高知分子”，但在解決實際問題時，其“科學思維”所發(fā)揮的作用卻是低效甚至脫離實際的；車間主任與小明則是普通人的代表，他們在日常生活中幾乎不會有意識地從科學的角度去思考問題，但在面對實際問題的時候卻能一下子抓住要害。

創(chuàng)作來源于生活，而高于生活。這兩個故事雖非經(jīng)典，但并非不值得深思。筆者由此有這樣的感受：科學思維的形成并不容易；物理教師應當盡力培養(yǎng)能將科學思維應用于實際問題解決的學生。本文嘗試結(jié)合初中物理教學，談談對科學思維的理解及培養(yǎng)。

二、 對科學思維的理解

科學思維是“物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)”之一?！读x務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）對科學思維的解釋是這樣的：科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式；是建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領(lǐng)域的具體運用；是基于事實證據(jù)和科學推理對不同信息、觀點和結(jié)論進行質(zhì)疑和批判，予以檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的品格與能力。［1］簡言之，科學思維是“認識方式”“抽象概括過程”“科學思想方法的運用”“品格與能力”。新課標同時明確，科學思維主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。［2］

胡衛(wèi)平、林崇德指出，“青少年的科學思維能力是一種特殊的能力……是一般思維能力發(fā)展與科學教育的結(jié)晶”。［3］由此，我們可以認為，“科學思維”就是“科學”與“思維”相結(jié)合的產(chǎn)物，就是“科學的思維”；而要形成關(guān)于科學思維的理解，也就可以將科學思維的概念先進行解構(gòu)，再重新建構(gòu)。

所謂科學（本文指自然科學），其解釋很多，如科學就是基于科學（物理）概念、規(guī)律、邏輯的學問。本文中，筆者取美國科學史家、科學哲學家托馬斯·庫恩在《科學革命的結(jié)構(gòu)》一書中的相關(guān)闡述來深入理解。之所以取庫恩的解釋，是因為庫恩作為科學史大家，視野更開闊、立足點更高，他的解釋對科學（物理）教育而言有著更強的適切性。在《科學革命的結(jié)構(gòu)》一書中，“常規(guī)科學”是一個重要的概念。常規(guī)科學主要解決的問題有三：一是確定重要的事實；二是使理論與事實一致；三是闡明理論。［4］很顯然，基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的科學就可以理解為這種“常規(guī)科學”，而初中生學習物理的過程，就是建構(gòu)起能夠解釋基本物理現(xiàn)象的理論的過程，就是用科學理論替代前概念的過程。這個過程中經(jīng)常會出現(xiàn)類似于庫恩所說的“解謎”與“革命”等情形。

從史實的角度看，今天的物理學科采用的是伽利略在亞里士多德思辨基礎(chǔ)上建構(gòu)出來的“實驗+數(shù)學”范式，牛頓繼承并放大了這一范式；而后量子力學的發(fā)展盡管從知識的角度看在一定程度上突破了經(jīng)典物理的框架，但無論是研究思想還是研究方式，仍然處于這一范式之內(nèi)。因此，面向初中生的科學思維培養(yǎng)，就可以在這一范式內(nèi)進行。

所謂思維，則是一個心理學概念，其通常是指通過判斷、抽象、推理、想象和問題解決等心理特征之間的相互作用，來實現(xiàn)信息置換，從而形成新的心理表征的過程。［5］學生學習的過程必然伴隨著思維過程。在物理知識建構(gòu)的過程中，只有在符合科學范式的前提下運用思維，才能體驗物理知識的生成過程，進而獲得物理核心素養(yǎng)；反之，如果學習過程中沒有思維，那必然只有識記，這伴隨著的往往是機械學習——連“有意義的接受”可能都談不上。理所應當，沒有思維含量的教學應當被拒絕。

由此綜合來看，“科學以自然現(xiàn)象為研究對象，其目的在于揭示自然界各種現(xiàn)象的本質(zhì)，認識它們的運動規(guī)律……我們要認識它們，就必須使觀察過的自然現(xiàn)象、科學事實、科學過程等在大腦中形成清晰的科學圖景，并反復加工、合理改造、去粗取精。從感性認識上升到理性認識，此即科學思維”［6］。通俗地理解，科學思維就是科學家在專業(yè)研究過程中慣用的思維。或者換一種說法：科學思維就是符合科學范式的思維。

真正擁有科學思維的人的力量是強大的。1986年1月28日，美國“挑戰(zhàn)者號”航天飛機升空后爆炸。事后，美國政府成立了調(diào)查委員會。作為委員會成員中唯一的科學家，費曼在調(diào)查結(jié)束時的記者招待會上做了一個著名的現(xiàn)場實驗——將航天飛機上所用的一種密封圈放到冰水里，其密封性能顯著下降。［7］費曼得出結(jié)論的過程并不順利，是縝密的科學思維、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度與責任，讓他探究得出了事故的真實原因并最終將原因?qū)懭胝{(diào)查報告。

一個有意思的現(xiàn)象是，除新課標中提及科學思維之外，《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出，科學核心素養(yǎng)包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態(tài)度責任等方面［8］；《義務教育化學課程標準（2022年版）》指出，化學核心素養(yǎng)主要包括化學觀念、科學思維、科學探究與實踐、科學態(tài)度與責任［9］；《義務教育生物學課程標準（2022年版）》指出，生物學核心素養(yǎng)主要包括生命觀念、科學思維、探索實踐、態(tài)度責任［10］。這充分說明了科學思維概念的普適性。而各個學科中，關(guān)于科學思維的內(nèi)涵描述與組成部分闡述又是不同的。這又說明科學思維概念具有一定的復雜性。設(shè)想一種情形：如果科學教師、物理教師、化學教師、生物學教師坐到一起討論“科學思維”，會形成怎樣的共識呢？筆者以為，這一共識可以概括為：今天需要向?qū)W生傳遞的科學思維，就是常規(guī)科學范式所約定的思維。

三、 科學思維的培養(yǎng)

之所以要培養(yǎng)學生的科學思維，是因為在學生的思維世界中，有著大量的非科學思維，其必須借助于包括物理學科在內(nèi)的科學知識教學來矯正；同時，也是因為如果學生的思維方式與科學相悖，那么其看問題就會陷入錯誤的境地，問題就不能得到有效解決。

縱觀科學發(fā)展史，人類被感覺和經(jīng)驗欺騙的情形數(shù)不勝數(shù)。在實驗與觀測（包括觀察和測量，前者為了收集事實，后者服務于數(shù)學工具的運用）成為現(xiàn)代科學的基礎(chǔ)之后，人類對自然界的認識才進入了“科學”的軌道。當下的很多學生在接受科學教育之前，也容易被感覺和經(jīng)驗欺騙而不自知。這使得學生形成了諸多錯誤的前概念。因此，物理（科學）教學的過程，就可以理解為幫助學生從前概念走向科學概念的過程。在這個過程中，科學思維的培養(yǎng)就是最重要的抓手之一。于是，我們可以總結(jié)出一個結(jié)論，即科學思維培養(yǎng)的目的，就在于讓學生“像科學家一樣思考”。

再從核心素養(yǎng)的視角來看，核心素養(yǎng)導向強調(diào)的是培養(yǎng)學生能夠適應個人終身發(fā)展與社會發(fā)展需要的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。既然指向?qū)W生未來的發(fā)展，那通過物理教育發(fā)展學生的科學思維，進而讓學生的經(jīng)驗思維更多地具有物理元素、更多地表現(xiàn)出高水平的直覺，就成為科學思維培養(yǎng)的應有之義。

對于學生而言，其科學思維多處于萌芽狀態(tài)，影響其更多的是經(jīng)驗思維。物理（科學）教學的主要任務之一，就是促進學生的經(jīng)驗思維向科學思維的轉(zhuǎn)化——這一轉(zhuǎn)變的邏輯與庫恩的“科學革命”（即從常規(guī)科學向革命科學）轉(zhuǎn)變的邏輯有相似之處。需要指出的是，經(jīng)驗思維對于學生而言并不完全是負面的，尤其是初中生，常常都是以經(jīng)驗思維切入物理學習進程的。如果物理（科學）學習能夠讓學生形成基于物理（科學）的思維方式，進而讓其經(jīng)驗思維蘊含更多的科學元素，那同樣可以視作科學思維得到了培養(yǎng)。實際上，成人對事物的判斷通常也是借助于經(jīng)驗的，科學家也只有在自己擅長的領(lǐng)域內(nèi)更容易運用科學思維。

就物理教學而言，科學思維培養(yǎng)的關(guān)鍵在于教師，在于教師能否帶領(lǐng)學生體驗科學思維運用的過程。如果能夠讓學生體驗物理概念的得出、規(guī)律的探究等過程，并在此過程中充分運用科學方法，從而讓學生像科學家那樣思考，那學生的科學思維就能夠得到發(fā)展。

例如，蘇科版初中物理八年級上冊中“光的直線傳播”編排了這樣幾個環(huán)節(jié)：（1） “做幾個有趣的影子游戲”，包括“試一試，你能將物體的影子踩在腳下嗎”“想一想，手影為什么會隨著手形的改變而改變”；（2） 提出問題“影子的形成說明什么”；（3） 闡述“許多事實表明，光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的”。

教材的設(shè)計具有高度概括性，如果只是照搬這樣的設(shè)計實施教學，則很容易讓學生陷入機械學習的窠臼。上述三個環(huán)節(jié)概括起來，就是“影子”這樣的事實表明“光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的”。然而，這一知識的教學如果真的如此簡單，那就不需要花費時間了。對于當下的初中生而言，挑戰(zhàn)在于：“影子”這樣的事實屬于生活經(jīng)驗，“光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播”則是物理理論知識（背后還有數(shù)學知識——教材中所說的“我們常用一條帶箭頭的直線表示光的傳播路徑和方向”，本質(zhì)上就是用數(shù)學上的“形”表示生活中的“影”），從生活到物理（數(shù)學）的跨越并非沒有挑戰(zhàn)，而從生活經(jīng)驗到光的傳播模型一定需要學生用科學思維去建構(gòu)。

基于這樣的思考，筆者以為，這一內(nèi)容的教學可以設(shè)計這樣幾個環(huán)節(jié)：（1） 創(chuàng)設(shè)情境并提出問題。如借助生活中“影的形成”的例子，引導學生思考“影是怎樣形成的”。（2） 探究并確認理論（模型）對事實的解釋功能。即基于對“物”與“影”的輪廓的研究，建立起“光沿直線傳播”的基本模型。（3） 優(yōu)化模型并尋求模型更為廣泛的解釋功能。即借助對比實驗，將“光沿直線傳播”模型優(yōu)化為“光在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播”模型（當然，其作為幾何光學的模型，所反映的只是光的粒子性，并沒有反映光的全部本質(zhì)，相較于“波粒二象性”模型，仍然是有缺陷的），并以之解釋更多的實例。

在上述設(shè)計所演繹出的教學中，生活實例可以為學生的探究提供豐富的“事實”，問題的提出可以讓學生嘗試從經(jīng)驗事實走向物理理論，模型的優(yōu)化可以讓學生得到更好的模型并形成關(guān)于物理理論建構(gòu)的良好思路（這對于初學物理者非常重要）。其中的科學思維體現(xiàn)在：從事實走向物理理論的過程中，學生要借助抽象、建模和幾何工具，將“光”抽象為“光線”，以之表現(xiàn)光的傳播路徑與方向，此時的“光線”即為模型——探究影的形成原因就是在探索光的傳播的本質(zhì)屬性，得出“光線”概念就是建構(gòu)模型；其后，用光線解釋影的形成，進而解釋其他光現(xiàn)象——這是很重要的一點，不僅蘊含演繹推理，更能讓學生認識到一個理論只有在更大范圍內(nèi)具有解釋功能，才能真正成為科學理論，而這也是科學思維的價值體現(xiàn)。

需要自我批評的是，筆者在例析過程中遇到了一個尷尬的情形：理論上講，任何一個物理知識的教學，都存在科學思維及其培養(yǎng)空間，但當筆者試圖任選一個例子并嘗試從科學思維的視角作出系統(tǒng)闡釋時，還是感覺有些不順利?；蛟S這只是個案而已，但如果是普遍現(xiàn)象，那就說明長期處于應試狀態(tài)的初中物理教師，并不容易將科學思維真正當成教學及研究的主線。這對學生物理核心素養(yǎng)的培育而言，意味著不小的挑戰(zhàn)。

同樣需要指出的是，擁有科學知識并不意味著擁有科學思維。物理教師肯定是物理知識的擁有者，但并不一定全部擁有科學思維。日常生活中，也有物理教師對一些虛假信息不加判斷地轉(zhuǎn)發(fā)、對一些未加證實的信息人云亦云等現(xiàn)象。這都不是科學實證的態(tài)度，無法體現(xiàn)科學思維。如果還對一些靈異事件津津樂道，甚至是信之任之，那更是與科學思維背道而馳。這樣的物理教師，在課堂上很難為學生開辟適合科學思維生長的空間。

四、 面向生活的科學思維

科學思維是這一個激蕩的近現(xiàn)代提供給人類的重要文明成果。［11］對于初中物理教育而言，繼承并放大這一成果是根本的教學任務；讓學生面對生活時能夠更多地運用科學思維，讓科學思維成為學生的思維自覺，則是重要的教學取向，也是物理核心素養(yǎng)的重要體現(xiàn)。

一般來說，學生如果不是在物理課堂上而是在生活中，那判斷事物時所用的思維往往都是經(jīng)驗思維。這是生活習慣使然，也是生活經(jīng)驗積累的必然結(jié)果——人積累出來的生活經(jīng)驗，總會反作用于生活，而且會是人面對現(xiàn)實事物時主要的、直覺的思維方式。當然，經(jīng)驗思維與科學思維并沒有根本矛盾。如果能夠讓學生通過物理學習而充實、優(yōu)化生活經(jīng)驗，那學生在生活中的判斷水平就會提升。從這個角度來講，物理（科學）課堂內(nèi)的科學思維培養(yǎng)有著重要意義，且難以替代。

回過頭來，我們可以用科學思維來解讀本文開頭的兩個故事。第一個故事中，問題解決的目標在于找出空香皂盒并挑選出來?？障阍砗信c正常香皂盒的區(qū)別，既在于盒內(nèi)有無香皂（事實），也在于質(zhì)量的差異（物理知識）。利用前者需要復雜的科學知識，利用后者則可以用風扇。一個科學思維的擁有者應當作出全面的分析并選擇成本更低的方式（當然，實際生產(chǎn)線有多種方法規(guī)避這一缺陷，這里不做論述）。第二個故事中，問題提出之后，物理學博士們下意識地調(diào)用物理知識解決問題，而忽視了問題所描述的模型正對應著生活中的“雨滴”原型，理論與實際的脫離導致了他們的尷尬。

再用科學思維來觀照現(xiàn)實生活，可以發(fā)現(xiàn)有許多研究著力點。比如，一些短視頻平臺上常有“輕功水上漂”的表演：一個“高手”面前一定距離處放置數(shù)個水盆，“高手”助跑之后能夠用腳尖依次輕點水面，騰空而過。這在視覺上給人以“水上漂”之感（這樣的感覺及其判斷就是經(jīng)驗思維的結(jié)果）。教師可以在課堂上引入這一素材，告訴學生這種直覺判斷經(jīng)不起科學思維的推敲：輕功是出現(xiàn)于武俠小說中的想象，其本質(zhì)是“重力減小或消失”，這是違背萬有引力定律的。視頻中的“水上漂”不過是表演者通過助跑獲得較大的初速度，使自身在斜拋運動中用下肢的運動來完成“點水”動作，同時擁有較大的平動距離，從而給人造成“輕功”的錯覺。如果以表演者的重心為研究對象，其運動一定沿著斜拋運動的軌跡，一定遵循斜拋運動的規(guī)律。因此，表演者有“功夫”，卻不是反重力的“輕功”。這個例子告訴我們，當在生活中遇到與科學理論相悖的情形時，如果能夠超越低水平直覺而運用科學規(guī)律來判斷，那科學思維就初步形成了。

當然，必須指出的是，受初中物理的教學范圍及學生的認知能力所限，科學思維的培養(yǎng)過程其實也是有缺陷的。比如，上述“光的直線傳播”知識教學中，當學生運用幾何光學建立起相關(guān)模型，并解釋生活中的諸多光現(xiàn)象且能取得成功時，其就成為學生科學思維的有機組成部分。但幾何光學所描述的只是光的傳播的幾何性質(zhì)，并不是光的傳播的全部，此時形成的思維反而可能對后續(xù)學生理解光的波動性產(chǎn)生阻礙。這需要后續(xù)的教學注意糾正與完善，從而讓學生的科學思維水平逐漸提升。

最后要強調(diào)的是，科學思維通常是內(nèi)隱的，其如同強大的發(fā)動機，驅(qū)動著外顯的車輛運動——這個“車輛”就是“科學探究”。對于“科學探究”，筆者也還會繼續(xù)展開思考與研究。

參考文獻：

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