STEM 教育的深度解读（十六）

向世清，博士，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员。长期从事激光物理与工程技术的前沿研发，是参与产业经济战略与决策咨询、基础教育改革咨询、科技创新中心发展戰略设计等多领域战略专家，也是上海市最为活跃的科技创新教育专家之一。

从前一讲开始，我们已经展开对科学思维的深度描述和解读。这一讲，首先继续描述科学思维的典型特征，完成对科学思维的基本点的完整描述；然后说明国际上对于掌握科学思维的重视和推进方式。

● 模式性 科学思维有较为固定的规律和方式，这是经过长期发展后不断优化而形成的、经过证明业已确定正确性和准确性的“套路”或者“规矩”。在科学思维之下，不会因为不同的人、时间和地点等而出现不同的思维方式。

这一点，看起来是反映了科学思维的不可变化性，实质上却是反映了其遵循最为科学化的规律的优化后变得唯一的基本特征。在科学思维的背后，实际上藏着大量的已经为人类所证实的自然性和已揭示的客观规律。强调一下，这里使用“套路”反映其模式性是很有形象感的（图1 和图2 所寓意和所喻示），就好比前人在使用科学思维的时候，已经为后人刻下了“模子”，规定了路径，后人只需要照搬照办即可。当然，有些科学思维还没有完全绝对化正确，还存在继续优化的可能，但这绝不会否认已有的科学思维的“科学性”“准确性”和“正确性”本质。

● 规范性 科学思维既然存在模式性，那么其在实际实施和应用操作时就必然会呈现出一种思考行为的规范性。这意味着其中的方式必须被遵守，因为它们已经像规律本身一样被“真理性化”和“正确性化”了，如果不遵守，则结果必然将出现问题甚至错误。现实中，很多时候，学会或者掌握了科学思维的人都会有像是经过了长期训练一样的感觉，这一点在科学工作者中特别明显，其基本表现是凡事都基本按规矩来，甚至看起来显得十分古板、僵化（这里请多思考，有些时候古板和僵化也是好的！笑）。对于很多不太愿意守老规矩的人，尤其是许多年轻人，还是应该建立更为正确的思考观，不能一味地、一刀切地和绝对化地认为任何事情都不能僵化和陈旧，一定要学会扬弃，学会继承好的传统和好的规矩（否则，真会应验那样一句老话：“不听老人言，吃亏在眼前”）。所以，在训练科学思维的过程中，大家特别要注意掌握其固定的方式和过程化的规范。

● 系统性 科学思维本身具有最终的正确性和准确性，主要在于它考虑问题的全面性和思维方式的系统性。也就是说，它不仅全面地考虑问题本身的方方面面，更是照顾到了相关问题的各个方面，是完整的、全面的、系统的完备考虑，可以将影响问题的所有因素照顾到、考虑到、权衡到，最终给出周到和完整的系统化考虑。也正因为这样，它才能最终具备正确性和准确性，才能得到最终的科学性。很多普通的思维正是因为不具备这一点，往往从局部或者侧面考虑问题，在所考虑的方面可能是得到了充分和有效的照顾，但却没有考虑到更多的影响，所以最终结果才往往产生了偏差或者不足。这实际上是一种必然，是不遵循科学规律，也就是没有掌握科学思维的直接结果（正如“捡了芝麻，丢了西瓜”“头疼医头，脚疼医脚”“照顾了这头儿，失去了那头儿，真是顾此失彼”）。

● 预见性 科学思维最为神奇的地方，就在于它可以根据已有的经验预见未来可能发生的事情，这是其预见性特征的基本表现。“知历史可以明未来”“博古通今”，就是这一点最好的写照。因为科学思维依照的是一种科学规律，而无论是自然界的各种事情还是人类社会的不同阶段模式，都会遵循相关的自然规律或者人类社会发展规律，所以按照规律思维，就能知道许多事情与过去的事情具有一致的发展和变化。所以，这也就是预见的核心内涵了。许多预言家正是具有了这样的科学思维，以及对已有历史的了解，才会具备这样的预见能力。当然，很多预见中也具有更高的洞察后的创新认知，而这也同样可以归结为科学思维的预见本质，因为科学思维最大的神奇还在于，它不仅可以从过去已有的预见同样的未来，还可以通过现有的预见不同样但却是现有规律更深延展和拓展的新未来变化。从预见的角度，就连一个普通人也需要掌握科学思维，因为每一个普通人都需要建立面向未来的未知生活的预判能力，所谓未雨绸缪。这是掌握科学思维最重要的一点。

到这里，我们较完整地给出了科学思维一般情况下所具备的9 个典型特征：客观性、普适性、精确性、可检验性、逻辑性、模式性、规范性、系统性和预见性。再次强调，这9 个特征绝不是科学思维的所有特征，其他例如量化性、证据性等还有许多，我们都没有将其作为主要的特征叙述。我们在学习科学思维的过程中，一定要特别关注这些特征的全面掌握和更深入理解。

从国际范围看，几乎所有科技较为发达和具有良好发展的国家和地区，都极为重视科学思维的建构和培养。许多国家（地区）在科学思维的研究和教育方法方面也具有很深入的不断前行的过程。这里不一一列举各个国家和地区的重视和做法，仅仅以美国的做法为例予以说明。

可以说，美国、德国和俄罗斯是世界上最为重视科学思维建构和应用的国家，而其中美国的表现更为突出。近100 年以来，科学思维在美国得到了最为深入的研究和发展，他们的专业发展和科学家贡献为全世界和人类科学思维的发展起到了最大的作用，而且还在不断发展和演进中。

美国也是目前国际上最为重视对青少年践行科学思维培育的，他们认为每一个合格的公民从小都应该掌握科学思维，这一点非常有必要，只有这样才能成为现代合格的社会人，并适应现代社会的基本生活要求。因此，在美国，甚至是学龄前儿童的科学启蒙都是非常主流的启蒙教育之一。那么，很多人就会很好奇：“不会吧！难道每一个孩子都要培养成科学家吗？那不可能呀！如果我的孩子不想成为科学家，那也没有必要掌握科学思维吧！”事实上，这就是最为简单的误区，以为掌握科学思维只是科学家的事情，这是没有理解科学思维本质的原因所导致的。今天，科学思维已经是有关思维的科学化水平的表征，也就是掌握科学思维代表了一个人的思维水平和高度，一个人没有这样的高度是难以在现代社会中占据合理地位的。关键是，科学思维的从小启蒙并不是为了让孩子专注于高科技问题，而是培养孩子的科学思维和运用科学解决问题的能力。这是现代社会的基本要求。所以，一定要从这样的认识误区中走出来（新时期我国的科学教育就是要面向所有的青少年，面向每一个孩子，而不仅仅是面向所谓的未来可能成为科学家的少数孩子展开）。

可以说，也毫不夸张，从精英性和兴趣性指向转型到普众性（例见图3 明示），是新时期科学教育最大的转变要求，也是首要要求。对于我国当前的科学教育现状而言，要实现这个转型，需要从系统性本身重构我国的科学教育设置和安排，需要从体制上、机制上、政策上和评价上实现重大的转变和调整。

美国迄今为止对每一个孩子从小进行科学思维的培养进行了大量的研究和实践试验，已经形成了广泛的共识和很多有体系的做法。首先，他们在《美国国家科学教育标准》里非常明确地指出科学思维的三要素：事实依据、逻辑关系、审辨性思维（我们通常称为“批判性思维”），然后依照这三要素的基本关系和逻辑方式结合孩子的成长过程，自然地展开科学思维的基础建构。然后，他们就根据这样的路径，采取从小就针对孩子从生活中的内在结合性过程实现建构式模式的发展。比如，有人总结出一套很有意思的美国针对孩童利用生活点滴培养科学思维的方法，完全是将科学实践和探索运用到生活中去，就可以在一定程度上说明美国做法的科学性、合理性和有效性。这一套方法是：①引导和帮助孩子针对现有世界“搞破坏”；②尽量让孩子先探究，让他们自己提问、作假设、作验证，这比将事实告诉孩子更为有效；③尽量利用身边环境引发孩子思考人与自然的关系，例如利用观察环境污染引导孩子思考人类与地球的关系；④尽可能多地促动孩子进行废物利用，创设和拼凑，导向科学小发明；⑤特别利用讲科幻故事启发孩子的大脑发育和身心拓展；⑥特别注重利用三维设计与建构（包括搭积木和立体事物建构）培养孩子的空间思维。

从科学教育的角度，本着科学教育的培育目标，我国当前的科学教育要更多借鉴国际科学教育（特别是美国科学教育）的经验。