STEM 教育的深度解讀（十八）

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。

接著前一講已經給出的5 個方面的科學思維的基本構成與關鍵元素的解讀，這一講我們繼續完成剩余3 個方面的解讀。為方便清晰說明，圖1 繼續沿用前一講已給出過的用英文原文表達的科學思維的關鍵因素構成圖。

為了利于后續的3 個方面因素的更好引出，這里我們再對科學概念給出一些展開性討論。迄今為止，人類所形成的已有科學概念已經是一個龐大的框架，包括了許多理論、定義、定律、原理、模型等（比如牛頓定律、細胞、DNA、神經網絡模型等）。這個框架也人為性地形成了學科分類，以及交叉契合的結構和關系，而這本身又構成了更大的科學架構概念。不難看出，這個框架在學科乃至更多的分類方面，已經有了一種越分越細的客觀圖景（所以現在的專業越來越多、越來越細。當然也就有了相對不太長時間以來的“學科復合”“學科交叉”“學科融合”“學科跨越”等實質性和趨勢性概念）。正是這些科學概念總和性和綜合性地逐步壘起了人類已有的專業知識大廈，業已成為人類繼續認知的發展基礎。繼而，許許多多的下一個科學概念都以這些科學概念總集里的某些部分作為探索基礎和新的出發點。為了能夠形成下一個概念，自然需要首先學習掌握已有的這些科學概念（當然，每個人的能力有限，一般只能學習其中的某些部分，這便是所謂的分專業學習），以便可以在進一步的認知中不必重復或者少走前人已經走過的路徑，而是得以站在前人的肩膀上繼續向前推進認知。當然，其中有一點也必須牢記在心，那就是既要科學接受前人已獲得的概念，又必須對已有的概念永遠保有一顆質疑之心。只有這樣，才能維護好科學的認知方式，不斷獲得真正科學化的認知，不斷積累出更新更多的科學概念。事實上，人類在進步的過程中，曾經提出非常多的新概念，但不是每一個新概念最終都得以被認可和被留存，這是因為許許多多的新概念本身并沒有在后來的檢驗中真正得以成立，所以也就逐漸被科學的過程所淘汰、更新。而即便有可能被淘汰和更新，我們也還是會不斷地進取并提出新概念。

歸根結底，無論是全新地提出新概念，還是從已有的某個概念到遞進生出其相關的下一個概念，都是一種基于已有的認知獲取新認知的過程，這充分體現了人類知識的發展方式，而在其中起關鍵作用的正是科學思維。值得強調的是，除了思維的科學應用，這種獲取新認知的過程中始終還有一種人的主觀心態意識在起作用，那就是在提出新的科學概念時所呈現出的大膽創新進取（有些概念的提出甚至需要冒著生命危險，或者會帶來身敗名裂的后果）。而有了這種大膽創新進取，就自然延伸出以下的科學思維的其余3 個基本構成元素。

● Scientific Assumptions：科學假設 科學假設很多時候也可稱為“科學假說”“科學設想”等，視其場合而有不同的說法，但意義基本一樣。圖2 給出常規的科學假設的一般過程和環節位置示意圖。通常情況下，科學假設是建立在已有經驗基礎之上的，特別是根據已有的概念和知識，對已有內容進行分析、比較、歸納及推理，尋找規律，從而得出合理的科學推論。這種推論一般不能是憑空猜測，需要符合基本的思維邏輯，并且常常以預測、猜想等形式出現，通常是出現在解決新問題的過程中以原有科學概念不足以合理解釋的時候。而無論怎樣，科學假設不僅僅是一個假設的過程，更需要有一個鮮明的肯定性“說法”的提出和呈現，這種“說法”一定有著較為持久的深思熟慮，提出來的時候實際上已經有著相當的成熟度和合理性，并最終呈現為某種科學化形式的觀念、觀點、結論乃至傾向性論點。

科學假設一般具有3 個基本特征，即它在具有一定的猜測性之余，還必須具有一定的科學性和一定的對現有結果、概念等的變動性。沒有變化的說法肯定不是假設，因此科學假說一定是具有此前未曾有過的新穎性的（即便尚未得到驗證，新意也肯定是有的）；而完全沒有科學性的說法也肯定不能成立為科學假設（這也是科學假設不同于一般隨意的假設的最大區別之處）。正是因為其科學性和變動性，科學假設才能在科學探索獲得進步的過程中成為重要手段和關鍵環節，表現為一步步地成功通向科學新概念和新理論的橋梁，由此它也體現出一種導向功能。同時，也因為其呈現的新穎說法往往會引發學術間的爭論，形成學術交流的驅動，激發更深刻的創造性思維，帶動學術繁榮，由此它還會體現出一種動力功能（歷史上的科學假設典型事例比比皆是，最著名的比如大陸漂移學說、宇宙大爆炸理論、量子理論假說、生物進化學說、人類起源假說等）。

可以肯定的是，提出科學假設是具有非同一般的難度的，特別是在今天科學已經進入相對成熟的階段。常人如果能夠越過已有知識的“透視”和“洞察”關隘（其前提也必須是對已有的相關知識有足夠的認知），具備超強的科學思維能力，再加上非同一般的創新膽識和進取精神、不怕失敗的堅毅果敢，就有可能實現科學假設的提出和建立。這等于是需要常人在時代背景下擁有某種極端超越的精神品質，所以，歷史上能夠在每一時期脫穎而出、提出極有影響的科學假設并形成科學進步推動的人是鳳毛麟角和少之又少（您可以以任何一個諾貝爾獎獲得者為例深究認識這一點）。

科學假設的后續就是人們常說的論證或者驗證。驗證成功的，自然就會成為新的科學概念和結果，而驗證不成功的，自然就需要否定假設本身，繼而再提出新的假設。科學假設的驗證過程通常都是一波三折的，因為一次性成功的可能性很小。這其中，除了假設本身是否真正正確之外，驗證的方式是否正確也很重要。如果因為驗證方式錯了，是不能說明假設是否錯了的。這時，就需要尋找更為正確的驗證方式。由此而言，科學思維中對假設的驗證往往也是一個極不容易的復雜過程。

● Scientific Implications & Consequences：科學意義與后果 任何科學思維的結果，一定是在給出新的科學認知的同時，建構起了某種對現有世界新的認識、對現有人們認識有新的變化和撬動的結果，所以它不僅會影響現有世界的可能面貌，也影響人們的現有認識和意識形態，也就是既影響客觀（因為后續可能會帶來人們對客觀的改變），還影響主觀。這正是科學思維的意義和后果。通常，這樣的意義和后果會帶來多重效應和連帶效應，很多時候還帶來人們觀念的碰撞、爭執甚至是斗爭，甚至引發更為廣泛的政治和文化影響，往往在短時間內既有積極的方面，又有消極的方面，因此不能單純從短時間內予以衡量。

科學思維的意義和后果最大的特點是其鮮明的指向性和啟發性，它將原有的認知面貌得以擊破，然后給出新的某種面貌。在科學本身而言，它會直接引向更為深入和拓展的科學結論，繼而啟發和引導新的認知方向和趨勢。很多時候，人們還會反過來先預測其意義和后果的變化，然后反過來提出新的假設和思維，這一點也說明科學思維的順序也不是一成不變的。

● Scientific Point of View：科學視角與觀點 科學思維經歷了前述的假設過程后，必然的結果就是帶來具備某種鮮明指向的、明確性的觀點。科學觀點的明確性在于其很少能夠以其含糊的說法而站住腳，所以必須將科學觀點的說法不斷審視，直至達成準確、清晰、意圖直白的確定說法。圖3 給出由北京大學出版社出版的“科學觀點”叢書中的一本《宇宙演化》和由重慶大學出版社出版的《最初三分鐘》作為科學觀點的示例，這2 本書中的科學觀點都極具特點。

很多時候，人們都感覺到科學觀點中會自然呈現出某種科學視角，視角不同則觀點必然不同。這就要看其視角是主觀還是客觀產生的。如果是難免帶有的主觀意圖和傾向性所產生，則一般會呈現出一種“主觀科學視角”，易于形成偏差。科學思維的基本要求是，將主觀盡量去除從而達成“客觀科學視角”。因為客觀上對同一對象存在著的不同視角是可以通過盡可能多的不同客觀視角遍歷，最終從全視角的層面獲知對象的完整認識的，這樣再提煉就可以達成全視角下的正確科學觀點。主觀上的視角則不太容易最終修正。不夠全視角的科學觀點通常都需要不斷完善，這也是人們建立真正真理性的科學結論通常會碰到的基本障礙。■