高等教育的科學思維拓展

伍飛云

（西北工業大學，陜西 西安）

一 引言

大學教育橫跨多個學科，目的是培養學生在科學研究和實踐中的科學思維能力、原則和實踐，以便學生畢業后通過這些高階思維提高他們未來工作中的技能。通過運用這些思維技能，人們認為個人能夠克服外行思維的局限，如直覺和非科學性信仰。他們應該從最新相關研究中掌握和使用實證推理思維并從中受益。

回顧科學思維的發展歷程，曾出現過多種名字和定義來闡述這些技能。按照Woolley 等人[1]的觀點，這些高階思維曾被眾多研究者命名為科學過程技能、程序化技能、實驗和調查科學、思維習慣、科學探究能力、科學推理能力、批判性思維技能、科學過程技能、基本技能、綜合技能、科學素養等。其中很多理論僅關注自然科學。本文的目的是找出大學知識建設中涉及的所有學科的共同點。從高階思維技能的研究和文獻的描述中得出相關實證結果和建議。

Kuhn 等人的觀點[2]在其書《科學思維技能的 發 展》(“The development of scientific thinking skills”)的序言中寫到“協調理論和實證的技能是定義科學思維的最核心和最基本的技能”。這也是我們更廣泛的高等教育中科學思維理論的起點。特別是“技能”要素，因為對于大學里的成人學習者來說[3]，在跨學科的科學研究中需要培養的技能是非常具有挑戰性的。本文為新理論選擇了“科學思維”這個名稱，因為它最能描述跨學科的重要和常見特征。

在提出一種新的、更廣泛的科學思維理論時，科學一詞本身可能會因其與自然科學的聯系而產生問題。因此，我們對“科學”一詞進行了分析，并展示了如何在更廣泛的意義上使用它來描述所有學術領域中使用的思維技能。本文還詳細闡述了新理論如何幫助教學，因為科學思維技能在大學教育中對學生的教學極為重要。

二 論跨學科“科學”的含義和性質

雖然英語單詞science 表面上與自然科學有關，但在許多情況下，它的使用范圍更廣。在互聯網上搜索大學的學科、院系名稱時，教育科學、人文科學、醫學科學、經濟科學和歷史科學等術語與更多的自然科學術語并排出現。此外，科學一詞在許多不被視為自然科學的學科名稱中可見。例如，在教育領域，具有和教學原則、素質教育相關的領域、教育技術、心理學、學生健康等學科領域。

很明顯，“科學”一詞被廣泛使用，并與眾多學科相聯系。它是否適合跨學科、更廣泛地使用？Hoover 等人[4]認為“科學是關于減少現象世界中的不確定性，這些現象只能通過觀察部分地了解到”。這是許多大學學科的共同目標。各個領域的研究旨在更好地理解現實，在觀察和思考方面超越人類的限制，不僅是觀察物質現實的“硬科學”，而且是想更好地了解世界的“軟科學”，如社會科學、經濟科學和人文科學。“科學是一個思考和提問的過程”[4]，描述一個非常寬泛的科學概念，適用于大學的所有學科。

另一個問題是，所有學科是否都有一些共同的特征或原則？當然，必須考慮學科差異，重要的是要找到一些共同點，特別是在高等教育中的教育目的。1959 年，Snow 在劍橋發表了著名的關于“兩種文化”的演講[5]，他在演講中提出并警告說，西方社會被分為科學和非科學的兩極。

正是因為存在一些共同特征，才能將這些不同學科收集在名為university 的機構下。此外，今天的科學與Snow 時代不同，因為跨學科決策比以往任何時候都更重要。Fung 認為“跨學科的聯系不僅涉及知識之間的聯系，還涉及全球和道德意識”[6]。大學生需要學習理解其他學科，并根據科學思維的一般原則創造知識。提出問題和假設，涉及到臨界性、認知理解、推理、嚴謹性和方法的系統使用等，在所有學科中，在努力理解世界的過程中，這些思維技能都非常重要，因為這是學生們解決復雜問題所需的必備技能。

三 高等教育需要更廣泛的科學思維理論

科學思維理論最早源于兒童的學習研究[7]，它主要涉及自然科學的學習。這種傳統的方法也起源于自然科學，包括物理知識的學習，例如學習控制變量法：當操縱變量（繩子的長度和球的重量）時，推斷對鐘擺的影響的任務[7]。控制變量法有利于培養自然科學環境中的某些推理能力，但對于更一般的科學思維來說，它們限制太多。Kuhn 等人提出[8]：傳統的變量控制策略對于研究科學思維來說過于狹隘。尤其是在高等教育中，教育應該讓學生為工作生活中的復雜任務做好準備，今天工作生活中的問題并不局限于關于物理對象的推理任務。在大學水平的自然科學中，學生需要更廣泛的技能，而不僅僅是在某些明確定義的環境中進行推理的能力。

Kuhn 等人提出[8]：學生掌握熟練科學思維技能的基礎主要分為：（1）涉及協調多種因果影響對結果的影響的戰略方面；（2）對科學基礎的成熟理解，認識到科學知識是由人類構建的，而不是簡單地在世界上發現的；（3）在科學領域進行熟練論證的能力。第一個方面類似于關于控制變量的科學思維的傳統觀念；第二個因素涉及認知成熟度，意義更為廣泛；第三個因素涉及闡明論點的能力。在更廣泛的意義上考慮大學跨學科的科學思維時，后兩個因素尤為重要。圖1 展示了將科學思維細分為批判性思維和循證思維的結構模式。這些思維結構相互依存。批判性思維體現了科學思維的主要內容，使學生能夠通過使用證據進行邏輯推理，從而熟練地發展科學論點。

圖1 循證思維與科學思維的關系

創建一個新的理論，在高等教育提出的廣義科學思維的諸多方面建立針對大學教育的高階思維技能[9-10]。本文通過提出關于科學思維的描述性理論，重點闡述這種思維能力包括什么，即科學思維的性質，以及關于科學思維專業知識的發展和與此發展過程相關的認知過程（如概念變化和執行能力）。

四 重新界定科學思維理論在高等教育中的應用

批判性思維已經成為一種被廣泛研究的理論，也許是因為批判性被視為學術能力中最關鍵的因素之一。Halpern 將批判性思維描述為[11]：“使用那些認知技能或策略來增加期望結果的可能性，它被用來描述有目的和目標導向的思維”。以下思維技能通常被認為是批判性思維的要素：識別、推理、判斷、分析、評估和做出假設決定的能力[12]。這些認知技能是大學教育中高階思維的核心。

臨界性也可以看作是科學本身的另一個基本要素。在研究試圖定義什么是科學時，臨界性是通常提到的基本原則之一。例如，Peirce 將科學方法與其他認知方法區分開來，即堅韌、權威和直覺探究方法[13]。Peirce 認為，臨界性是科學方法中的一個重要因素。Haaparanta 等人的科學方法則是以概念為基礎，指出科學應該是客觀的、公開的、批判性的、自主的、自我糾正的和進步的[14]。此外，在科學過程中必須考慮到科學的一般性原則，如與倫理問題有關的原則。這些基本原則都可以被視為跨學科研究的重要方面。因此，大學生應該了解這些科學基礎的含義，以及如何將其應用于決策過程。

基于上述原因，批判性思維無疑是大學教育的核心技能。然而，單憑批判性思維理論似乎過于狹隘，無法描述大學生在學習過程中，尤其是畢業后應該具備的所有高階思維技能。這是因為在許多批判性思維理論中，批判性思維技能被描述為僅由個人擁有的一套思維技能。雖然一些理論提到，批判性思維技能可以通過協作來提高，但重點仍然是個人的內部過程。在工作生活中，證明決策正確性和跨一系列環境協作工作所需的技能至關重要，因此個人的內部過程不足以理解需要什么樣的思維技能。與批判性思維是關于個人內部過程的觀點相關，批判性被視為一種抽象的思維過程，而許多高階思維技能與對實際過程的理解有關，例如知道如何在調查過程中使用某些研究方法。這些觀點的一個推論是，盡管批判性思維是學術專長的核心技能，但批判性思維理論并不強調使用實證研究結果的能力，即使用循證思維的能力。

五 科學思維理論的提出

在上述理論和實證工作的基礎上，本文提出了一種新的、更廣泛的科學思維理論，供高等教育使用。包括以下組成部分，以形成高等教育中的廣義科學思維理論：

1.批判性思維和理解科學的基本原理。

2.認知理解：理解知識是不確定的，是由人類創造的。

3.研究技能：理解支撐科學的研究方法，理解知識是如何產生的。

4.基于實證的推理：作為知識構建基礎的科學推理。

5.情境理解：情境知識中的紀律性和更一般的理解。

有許多框架可用于和理解科學思維以及批判性思維，也可以借助于更多的教學工具以促進學生的批判性思維，最終促進科學思維的發展。該框架通過隔離基于循證思維的離散技能，為傳授批判性思維技能提供了一條新途徑。這一框架不僅幫助了大學生，還可以幫助那些希望將其應用于在教學環境中教授循證思維的人。當學生擁有定義和區分證據類型的能力時，他們就能更好地、深思熟慮地使用這些證據。

這項研究有助于科學思維的教育學，特別是關于開始教授循證思維的方法。本文結合科學思維、批判性思維和循證思維之間的聯系。通過學習和使用批判性科學思維，旨在讓學生發展他們辯論能力，并鍛煉他們利用數字和觀測數據以及故事來說服其他人相信他們的論點。

特別是，通過學習和使用批判性科學思維，學生們可用來討論、比較并最終使用各種證據來支持他們的不同論點。當學生們熟悉了循證思維后，他們用新的詞匯來展示辯論的過程。在進入課程時使用了諸如論點、主張、證明和同行評議等術語。學習使用這些術語可以提高學生在討論某個問題時的處理復雜問題的能力，并支持更為充實的議論文寫作。他們根據在課程中學到的知識闡述不同類型的證據并在轉向每種類型的證據和論點時進行解釋。

除了對科學思維領域做出貢獻外，這項工作還對教育學文獻做出了貢獻，因為它突出了教學以及學生學習是如何因我們收集的數據而發生變化的。例如，盡管我們努力清晰地教授批判性思維，但我們通過討論小組了解到，許多學生對一些名詞和類別有誤解。例如，軼事證據和定性研究之間存在混淆；他們認為兩者是同義詞，因為它們都涉及參與者的不同個人視角。由于在討論小組中聽到這些困惑，我們能夠在全班重新教授定性證據和軼事證據之間的差異。

六 結語

高等教育科學思維的廣義理論試圖填補高等教育研究和實踐中存在的空白，并為探討這一重要的思維技能提供理論工具。本文分析和表明了提出高階思維理論可以跨領域使用，高等教育中科學思維理論的組成部分也是所有院系和學科所共有。

本文解釋了科學思維現象并為科學思維的理解和發展提供了一種新的方法，提出了一種新的、更廣泛的科學思維理論，將思維技能與支撐科學方法的實際研究結合起來。為此，該理論不僅提供了分析學生思維的工具，也為如何培養科學思維提供了思路。讓學生了解科學思維的一般技能，并將其與具體的、基于學科的研究方法相結合，使學生能夠逐步獨立培養自己的科學思維能力。