物理教學中的科學思維闡釋

蔡鐵權，謝佳瑩

1.浙江師范大學物理與電子信息工程學院物理系，浙江 金華 321004 2.浙江師范大學教師教育學院，浙江 金華 321004

愛因斯坦（Albert Einstein）認為：“僅僅用專業知識教育人是不夠的，學校的目標應當是培養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強調思維，尤其是獨立思考能力與想象力的養成更值得重視，這比知識的獲取重要得多。新課改將科學思維納入物理學科的核心素養，引發了物理教育工作者對科學思維的關注，迅速成為一個研究的熱點。

科學思維的內涵如何理解？科學思維在中學物理教學中的地位、教學功能是什么？中學物理教學應涉及哪些科學思維的方式，各種科學思維有什么特征、彼此之間有什么內在相關性？物理學的科學思維有什么特殊性？科學思維與科學知識及知識觀有何關系？這些問題需要做細致的梳理，并對它們做適當的闡釋，因為這些是開展思維養成教育的前提，是基本的理論基礎。

1 科學思維的內涵以及歷史回望

林崇德等認為，科學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。科學思維品質是指人們在學習科學知識、研究和解決科學問題時逐漸形成的，并在學習和研究過程中表現和發展，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、敏捷性和獨創性等屬性。作為自然科學典范的物質科學、實證科學的物理學，其思維應是人類對客觀物質世界的本質屬性、內在規律及事物間的相互關系的認識，是基于物理學經驗事實而構建概念、規律、原理和理論的能力與品質。

思維教學的歷史可以追溯到遙遠的孔子與蘇格拉底（Socrates）時期。孔子提出的“不憤不啟，不悱不發，舉一隅不以三隅反，則不復也”的教學主張，蘇格拉底的“產婆術”等，都是思維教學的濫觴。現代的思維教學，一般認為開始于1910年杜威（John Dewey）《我們如何思維》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的萌芽期；此后，思維教學進入蓄勢期，到了20世紀70年代中期，思維教學的研究開始呈現出集中爆發式的增長趨勢，一直持續至今。 其間，弗拉維爾（John Hurley Flavell）在《認知發展》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》中提出了思維教學與課堂教學結合的框架，此后，斯騰伯格又提出了“成功智力”和“思維風格”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運動，其中，最具影響力的當數美國的批判性思維運動和思維技能運動。進入21世紀后，思維教學在全球幾乎是風起云涌。我國的思維教學研究，在科學思維成為這次新課改學科核心素養的重要內容以后，將會迅速崛起，很快會出現一個欣欣向榮的局面。

2 科學思維的方式與特征

物理學科四個核心素養之間的關系是：物理觀念是方向，科學思維是關鍵，科學探究是途徑，科學態度是根本。物理教育的目標最終要落實到學生物理觀念的養成，這也是評估物理教育成效的重要指標。物理教學要使學生習得知識、發展智力、提升能力，思維教學是首要問題，是核心因素和關鍵環節。科學探究是物理學習的本質所在與必由之路。科學態度與責任心的養成則是物理教育的價值體現，是科學素養的人格表征。

對物理課標中指出的科學思維的四項內容，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系覺得難以區分，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中，又形成了思維教學策略的簡單化或混淆糾纏。

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

對科學思維的方式，可謂眾說紛紜，各執一詞。但其中還是有一定的規律可循，可以梳理出一個基本的框架來。

王小燕對科學思維的分類如圖1所示。

圖1 科學思維方式的思維導圖

張大松對科學思維的分類如圖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新思維。當然，這其中的各種思維方式之間無法絕對地劃出界限，進行明確的區分，有一定的交疊也是無法回避的。

圖2 科學思維方式的概念圖

從上述兩圖我們已可以基本上明確科學思維的主要方式了。物理學科核心素養中的物理模型是指從我們研究所關注的角度出發，忽略掉自然界中事物的次要因素，只留下我們關注的最重要的少量關鍵因素的一種簡化了的現實“愿望”相似的替代物。模型是思維的產物，是思維的結果。模型的構建涉及歸納、演繹、類比、想象、抽象、假設、模擬、數學化，同時還包括推理、論證等。科學思維的本質重在探索未知，包括演繹法和歸納法，從特定的事件中發展出普遍的原則，包含了類比推理、演繹推理、歸納推理、統計推理、實踐推理、因果分析、因果推斷、因果探究、科學解說以及邏輯定義、復合推理、等值推理、混合推理、模態推理、關系推理、分析推理等。科學論證的過程是基于證據的思維過程，并且證據要經得起邏輯檢驗和真偽辨別，可以理解為是用科學共同體所“約定”好的“規則”去解釋某些科技現象、得出科學結論。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、自我調節的判斷，它導致的結果是詮釋、分析、評估和推論，還有針對生成判斷的概念、證據、標準、方法、語境等基礎問題的說明。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，科學思維尤其是物理學科中的科學思維方式有什么特征呢？

綜合性。綜合的過程也是科學抽象的過程。現代綜合要求從系統整體出發，在綜合指導與控制下展開分析，而且強調定性分析和數學及模型化的定量分析相統一。現代綜合遵循歷史與邏輯相一致的原則，是辯證的綜合。物理學在發展的過程中高度分化，其學科越來越細分，越來越向縱深延伸，同時又在分化的基礎上不斷綜合化，甚至與其他學科方向產生橫向交叉、融合形成新興交叉學科。

動態性。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、發展世界。事物是不斷發展變化的，是在不斷更新的，人的思維對應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協調的、靈活變化的。現代科學技術的發展突飛猛進，物理學的新成就、新成果層見疊出，新的科學事實與新的科學現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。敢于正視不同學術思想之間的爭辯，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。只有開放系統才能從混沌走向有序，才能不斷更新、不斷發展形成一個自組織的有活力的系統，物理學的耗散結構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、證據和結論；公正地權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；以有邏輯、有見解的方式思考問題；將基于事實證據的結果集中起來，整合信息，形成新的觀點；采用推理嚴密、結構清晰且富有說服力的方式表明一個立場。批判性思維要有質疑思考的能力，要有理有據地分析問題，正如費恩曼（Richard Feynman）在著名的 《費恩曼物理學講義》中所告誡年青學生的：“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，有時學習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。”“我們說過，大自然的定律是近似的：起先我們找到的是‘錯’的定律，然后才發現‘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。

創新性。創新性思維以批判性思維為前提，沒有質疑批判的能力，沒有否定的勇氣，就不能發現問題，就不可能認識“錯”的定律，也就找不到或發現不了“對”的定律，更無法改正以前對定律已形成的謬見。創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”。但創新絕不是空穴來風或神來之筆，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合。今天我們要建設一個創新型國家，實現偉大復興的中國夢，創新是靈魂，是核心。因此，科學思維的創新性具有特別重要的價值。

3 物理學科思維的獨特性

上述思維方式及其特征也是物理學科思維的基本內容和特征，物理學的科學思維也是遵循思維的一般規律的。但是，普遍不能代替特殊，物理學的思維方式還應顯現物理學科的特殊性，彰顯物理學科的個性。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，很難培養出高質量的物理人才。因此，選擇其中幾個突出的側面，雖然無法囊括全部，但已足夠能使我們領略到物理學科思維的靚麗風采了。

涌現式思維（emergence，有譯成“層展”“呈展”或“演生”，也有譯成“涌現”的）。物理學中有一種很基本很重要的思維方式——還原論思維，它將一切復雜系統中出現的各種現象，都歸結為最基本的組成單元和決定單元行為的基本規律，或者說，將復雜還原為簡單，然后再從簡單重建復雜。1972年，美國物理學家安德森（PhilipW.Anderson）在《Science》上發表了題為“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律的能力，其實并不蘊涵著從這些規律出發重建整個宇宙的能力……當面對尺度與復雜性的雙重困難時，以還原論為基礎的建構論的假定就完全崩潰了。”這就是說，由大量基元構成的復雜體系在每一不同的聚集層次，都會呈現出許多預想不到的全新復雜物理性質，這些性質已經遠遠超出組成基元的物理學規律。凝聚態物理中的相變和臨界現象，元激發——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，約瑟夫森效應，量子霍爾效應，量子相變，等等，都是涌現現象最好的例證。這種研究方法和思維方式與粒子物理、宇宙學密切相關，并且對認識生命現象、理解認知過程乃至社會現象，都有重要的意義。同時，涌現性也是復雜系統構成其復雜性的本質原因，復雜系統是由大量個體組成的，但不是個體性質的簡單之和，是關聯、合作、涌現等集體行為。這樣，對于理解和處理物理學中的復雜性問題時，理解其涌現性就成為了一個突破口。2021年的諾貝爾物理學獎就授予了復雜性科學的研究成果。

不確定性思維。物理學是精密科學，體現在物理學的定律、理論中都有堅實的數學基礎。愛因斯坦心中的世界是實在的、統一的，微觀粒子與宏觀物體都具有確定的性質，符合確定性的規律；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《物理學雜志》發表了《關于量子論的運動學和動力學的直覺內容》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成為一個失樂園，他發表于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。物理學的發展與愛因斯坦玩了一場惡作劇。

今天，科學家已經明確，在微觀世界中，由于相互作用，粒子不斷發生量子糾纏，當這種作用延伸至宏觀物體（如測量儀器）時，發生波函數坍縮過程，再緊密的量子糾纏也將被解開。在這一坍縮過程中，釋放出非連續性，從而使宏觀測量結果之間產生了不可思議的非定域關聯。此后，隨著量子信息科學的出現和發展，量子糾纏態被應用于諸多領域，如量子濃縮編碼、量子糾錯碼、量子隱形傳態、量子計算、量子通信等，而人們對糾纏態本身的研究也越來越深入，量子糾纏之謎終將被解密。

物理學中的不確定性原理已成為理解當代物理學新發展的一把鑰匙，基礎物理教學中對不確定性思維的重視亟待引起我們的關注。

品味式思維。楊振寧認為，一個科學工作者的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心情結、誠摯的信念和強烈的感情。“一個人從幼年到青年時期所學到的知識和接受的訓練，以及剛步入某一學科時，所接觸的方向及其思考方法，還有他的個性等因素結合在一起，才造成一個人的taste。這對他將來的工作會有決定性的影響。”他曾在評論一個學得很好也非常聰明的學生時，斷定他的發展前途并不樂觀，理由是這個學生雖然能回答量子力學問題，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，可是他沒有發展成一個taste”。

物理學科具有自身所特有的味道和風格，需要你能欣賞它、品味它，在物理學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。物理學內容中很多是復雜微妙且深奧的，你得有深刻的洞察力。taste會影響一個人的研究方向和職業選擇，影響一個人的思維方式和研究方法，影響一個科學家的風格。楊振寧十分強調物理學的邏輯性是比較強的，但科學絕對不是只有邏輯，最重要的科學發現并不是用邏輯推理出來的，要有很豐富的想象力，要有獨特的風格。

一個人的taste是從小養成的，基礎教育是形成一個人好的taste的關鍵時期。

4 科學思維與科學知識及知識觀

知識觀是需要以歷史和發展的眼光去看待的。可以說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、價值、標準、范式的假設與信念，也表達著對知識的理想和欲求。

知識學習與個體思維能力的發展密切相關，兩者互為工具，互相促進，共同作用，促進人的全面發展。

思維并非憑空產生，知識構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；新知識的產生又可以看作是思維作用的產物。

夏青指出，科學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。科學知識對神學與迷信進行批判，構成批判性思維的重要知識基礎，科學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、開拓創新，促使人獨立思考、實事求是、新益求新、不斷進取。科學知識中的批判性思維促成人類對科學技術的反思，以及實踐對唯科學主義的批判。特別是二戰以后，后現代科學思潮的出現、“二種文化”的提出、“科學大戰”的爆發，都標志著人們對科學技術發展所造成后果的正視，體現了科學的理性精神與求真意識。

5 結語：科學思維是物理教學的關鍵要素

科學思維被定位于核心素養中的首要因素，我國從基礎教育界到哲學、心理學、教育學領域的研究者們，都把目光聚焦在科學思維。對于物理學科教學，特別要關注其特有的與當代物理學發展緊密相關的思維方式，才能幫助學生物理地思維，或者說思維方式符合物理學人才的需要，符合物理學發展的內在需求。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，為思維教學在物理課堂中的展開提供積極的幫助。