STEM 教育的深度解讀（十六）

向世清，博士，中國科學院上海光學精密機械研究所研究員。長期從事激光物理與工程技術的前沿研發，是參與產業經濟戰略與決策咨詢、基礎教育改革咨詢、科技創新中心發展戰略設計等多領域戰略專家，也是上海市最為活躍的科技創新教育專家之一。

從前一講開始，我們已經展開對科學思維的深度描述和解讀。這一講，首先繼續描述科學思維的典型特征，完成對科學思維的基本點的完整描述；然后說明國際上對于掌握科學思維的重視和推進方式。

● 模式性 科學思維有較為固定的規律和方式，這是經過長期發展后不斷優化而形成的、經過證明業已確定正確性和準確性的“套路”或者“規矩”。在科學思維之下，不會因為不同的人、時間和地點等而出現不同的思維方式。

這一點，看起來是反映了科學思維的不可變化性，實質上卻是反映了其遵循最為科學化的規律的優化后變得唯一的基本特征。在科學思維的背后，實際上藏著大量的已經為人類所證實的自然性和已揭示的客觀規律。強調一下，這里使用“套路”反映其模式性是很有形象感的（圖1 和圖2 所寓意和所喻示），就好比前人在使用科學思維的時候，已經為后人刻下了“模子”，規定了路徑，后人只需要照搬照辦即可。當然，有些科學思維還沒有完全絕對化正確，還存在繼續優化的可能，但這絕不會否認已有的科學思維的“科學性”“準確性”和“正確性”本質。

● 規范性 科學思維既然存在模式性，那么其在實際實施和應用操作時就必然會呈現出一種思考行為的規范性。這意味著其中的方式必須被遵守，因為它們已經像規律本身一樣被“真理性化”和“正確性化”了，如果不遵守，則結果必然將出現問題甚至錯誤。現實中，很多時候，學會或者掌握了科學思維的人都會有像是經過了長期訓練一樣的感覺，這一點在科學工作者中特別明顯，其基本表現是凡事都基本按規矩來，甚至看起來顯得十分古板、僵化（這里請多思考，有些時候古板和僵化也是好的！笑）。對于很多不太愿意守老規矩的人，尤其是許多年輕人，還是應該建立更為正確的思考觀，不能一味地、一刀切地和絕對化地認為任何事情都不能僵化和陳舊，一定要學會揚棄，學會繼承好的傳統和好的規矩（否則，真會應驗那樣一句老話：“不聽老人言，吃虧在眼前”）。所以，在訓練科學思維的過程中，大家特別要注意掌握其固定的方式和過程化的規范。

● 系統性 科學思維本身具有最終的正確性和準確性，主要在于它考慮問題的全面性和思維方式的系統性。也就是說，它不僅全面地考慮問題本身的方方面面，更是照顧到了相關問題的各個方面，是完整的、全面的、系統的完備考慮，可以將影響問題的所有因素照顧到、考慮到、權衡到，最終給出周到和完整的系統化考慮。也正因為這樣，它才能最終具備正確性和準確性，才能得到最終的科學性。很多普通的思維正是因為不具備這一點，往往從局部或者側面考慮問題，在所考慮的方面可能是得到了充分和有效的照顧，但卻沒有考慮到更多的影響，所以最終結果才往往產生了偏差或者不足。這實際上是一種必然，是不遵循科學規律，也就是沒有掌握科學思維的直接結果（正如“撿了芝麻，丟了西瓜”“頭疼醫頭，腳疼醫腳”“照顧了這頭兒，失去了那頭兒，真是顧此失彼”）。

● 預見性 科學思維最為神奇的地方，就在于它可以根據已有的經驗預見未來可能發生的事情，這是其預見性特征的基本表現。“知歷史可以明未來”“博古通今”，就是這一點最好的寫照。因為科學思維依照的是一種科學規律，而無論是自然界的各種事情還是人類社會的不同階段模式，都會遵循相關的自然規律或者人類社會發展規律，所以按照規律思維，就能知道許多事情與過去的事情具有一致的發展和變化。所以，這也就是預見的核心內涵了。許多預言家正是具有了這樣的科學思維，以及對已有歷史的了解，才會具備這樣的預見能力。當然，很多預見中也具有更高的洞察后的創新認知，而這也同樣可以歸結為科學思維的預見本質，因為科學思維最大的神奇還在于，它不僅可以從過去已有的預見同樣的未來，還可以通過現有的預見不同樣但卻是現有規律更深延展和拓展的新未來變化。從預見的角度，就連一個普通人也需要掌握科學思維，因為每一個普通人都需要建立面向未來的未知生活的預判能力，所謂未雨綢繆。這是掌握科學思維最重要的一點。

到這里，我們較完整地給出了科學思維一般情況下所具備的9 個典型特征：客觀性、普適性、精確性、可檢驗性、邏輯性、模式性、規范性、系統性和預見性。再次強調，這9 個特征絕不是科學思維的所有特征，其他例如量化性、證據性等還有許多，我們都沒有將其作為主要的特征敘述。我們在學習科學思維的過程中，一定要特別關注這些特征的全面掌握和更深入理解。

從國際范圍看，幾乎所有科技較為發達和具有良好發展的國家和地區，都極為重視科學思維的建構和培養。許多國家（地區）在科學思維的研究和教育方法方面也具有很深入的不斷前行的過程。這里不一一列舉各個國家和地區的重視和做法，僅僅以美國的做法為例予以說明。

可以說，美國、德國和俄羅斯是世界上最為重視科學思維建構和應用的國家，而其中美國的表現更為突出。近100 年以來，科學思維在美國得到了最為深入的研究和發展，他們的專業發展和科學家貢獻為全世界和人類科學思維的發展起到了最大的作用，而且還在不斷發展和演進中。

美國也是目前國際上最為重視對青少年踐行科學思維培育的，他們認為每一個合格的公民從小都應該掌握科學思維，這一點非常有必要，只有這樣才能成為現代合格的社會人，并適應現代社會的基本生活要求。因此，在美國，甚至是學齡前兒童的科學啟蒙都是非常主流的啟蒙教育之一。那么，很多人就會很好奇：“不會吧！難道每一個孩子都要培養成科學家嗎？那不可能呀！如果我的孩子不想成為科學家，那也沒有必要掌握科學思維吧！”事實上，這就是最為簡單的誤區，以為掌握科學思維只是科學家的事情，這是沒有理解科學思維本質的原因所導致的。今天，科學思維已經是有關思維的科學化水平的表征，也就是掌握科學思維代表了一個人的思維水平和高度，一個人沒有這樣的高度是難以在現代社會中占據合理地位的。關鍵是，科學思維的從小啟蒙并不是為了讓孩子專注于高科技問題，而是培養孩子的科學思維和運用科學解決問題的能力。這是現代社會的基本要求。所以，一定要從這樣的認識誤區中走出來（新時期我國的科學教育就是要面向所有的青少年，面向每一個孩子，而不僅僅是面向所謂的未來可能成為科學家的少數孩子展開）。

可以說，也毫不夸張，從精英性和興趣性指向轉型到普眾性（例見圖3 明示），是新時期科學教育最大的轉變要求，也是首要要求。對于我國當前的科學教育現狀而言，要實現這個轉型，需要從系統性本身重構我國的科學教育設置和安排，需要從體制上、機制上、政策上和評價上實現重大的轉變和調整。

美國迄今為止對每一個孩子從小進行科學思維的培養進行了大量的研究和實踐試驗，已經形成了廣泛的共識和很多有體系的做法。首先，他們在《美國國家科學教育標準》里非常明確地指出科學思維的三要素：事實依據、邏輯關系、審辨性思維（我們通常稱為“批判性思維”），然后依照這三要素的基本關系和邏輯方式結合孩子的成長過程，自然地展開科學思維的基礎建構。然后，他們就根據這樣的路徑，采取從小就針對孩子從生活中的內在結合性過程實現建構式模式的發展。比如，有人總結出一套很有意思的美國針對孩童利用生活點滴培養科學思維的方法，完全是將科學實踐和探索運用到生活中去，就可以在一定程度上說明美國做法的科學性、合理性和有效性。這一套方法是：①引導和幫助孩子針對現有世界“搞破壞”；②盡量讓孩子先探究，讓他們自己提問、作假設、作驗證，這比將事實告訴孩子更為有效；③盡量利用身邊環境引發孩子思考人與自然的關系，例如利用觀察環境污染引導孩子思考人類與地球的關系；④盡可能多地促動孩子進行廢物利用，創設和拼湊，導向科學小發明；⑤特別利用講科幻故事啟發孩子的大腦發育和身心拓展；⑥特別注重利用三維設計與建構（包括搭積木和立體事物建構）培養孩子的空間思維。

從科學教育的角度，本著科學教育的培育目標，我國當前的科學教育要更多借鑒國際科學教育（特別是美國科學教育）的經驗。