STEM 教育的深度解读（十七）

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、科技创新中心发展战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。

前几讲，我们对科学思维的基本特征及其重要性已经有了初步的了解。这一讲，基于对科学家的思考方式的解剖，我们更为清晰地解读科学思维的基本构成或者关键因素。这是一种更为直接的对科学思维的界定和描述，可以使得我们简单地看到，科学思维究竟是怎样构成的、包含了哪些关键因素，让我们可以看清一个处于原生态的思考者其思维究竟有何和为何不足和不够，而且也由此促进科学思维如何培养的基本路径和方法的明了和理解。

我们已经知道，科学家的思维方式与常人有所不同（一般都觉得科学家的脑子特别好用），特别是与未受过思维训练的“处于原生态的思考者”（这样的常人占很大比例）有很大的不同。当我们在生活中观察、记录、描述、发问、形成解释并最终形成结论时，常人一般都是很随意的、依据简单的经验常识的、基于不足够的知识和认知方式基础的、可能带有一定的但却只是不充分甚至不合理的推理的、结果也不一定是经历过循证的，更多还可能带有明显的主观人为的个人情绪和倾向。所以这样的思维结果很多时候是有着某种或者某种程度的偏离的、扭曲的、变形的、不全面的、未成形的甚至是远离正确判断的。而科学家因为有所训练（少数人是天生的），一般都具有比这样的思维更为“科学化”的结果和方式，可以说达成了一种更为精准的思维模式，尤其是他们在进行科学研究工作时，包括理论建立、实验设计、假说验证、数据诠释和科学发现等的时候，按照这样的模式，他们就相对容易到达更为准确和可靠的思维结果和效果。这样的一种甚至于达成了相对较为固化和套路的思维就是科学思维。

那么，科学家的科学思维究竟是怎样的一个方式，使得他们较常人有着鲜明的区别和超越呢？而反过来说，认清了这样的区别和超越，我们就很容易知道，常人的思维为什么往往不够、不准、不可靠、不正确（一句话，俗语说：“还是读过书的人相对更会考虑事儿！”笑！如图1 寓意）。

直截了当地，图2 给出了一张用英文原文表達的科学思维的关键因素构成图。图中，“Scientific Thoughts”与“Scientific Thinking” 意思是一样的， 都表达的是“科学思维”，用词虽然不同，但基本无差异（某些特别的小差异，这里忽略）。这张图说明，科学思维至少由8 个方面的因素构成。下面我们简明扼要地看一看这8 个方面的关键因素及其具体内涵。

●Purpose of Scientific Thinking：科学思维的目的（或目标） 科学思维与一般思维的不同首先在于科学思维在思考前都会弄清本次思考的目标究竟是什么（科学家往往会在思考前更多考虑自己希望趋近什么结果）。这一点说起来容易，其实大多数时候常人会极为忽视。人们往往并没有仔细想一想（或者不会仔细想），自己究竟为什么思考、想达到什么、想获得什么、想取得什么方面的预期等，绝大多数情况下只是一种大而化之、毛估估的、想到哪里算哪里的粗略目的（或目标）在牵动着思考。而科学家往往在进行思考前，会非常认真、仔细、谨慎和深入地界定目的（或目标），甚至是没有准确地清晰界定目标时，都不往下进行思考。所以，常人在这里往往最需要提升自己的方向感、目标感，并且多花点儿时间弄清最终可以得到什么答案。然后，在合适的时候开始继续思考。

● Scientific Questionat Issue：有关思考主题或者议题本身的科学问题 思考究竟要解决什么问题，这是思考的目的所决定的。但是，明确凝练和给出思考的问题，是极为关键和重要的。特别是采用准确甚至是科学概念般的语言描述清楚问题，是一个重要的工作，很多时候问题清楚了，思考可能就成功了一半。这里，问题大致分为两个层面，一个层面是用生活化的语言描述清楚问题本身，要求最终是描述准确；一个层面是将生活化的问题上升到科学化的语言或者专业性描述的问题，这叫作问题的科学化乃至科学化表达。没有经历过专业训练的，包括没有受过较好的专业学习的人，第二个层面几乎是难以达到的。这里，也特别解释一下“专业化”，那就是在前人的思考基础上经过反复归纳提炼，将已有的思考更加上升到一种“久经考验的”说法层面。所以，专业化本身并没有什么特殊之处，只不过是基于前人更为准确的专门化思维结果进一步实现思考，所谓站在“前人的肩膀上”。

● Scientific Information：科学信息 无论是什么样的思考，基于一定的基础信息是毫无疑问的。但是，信息和信息也有很多的不同。科学信息实际上是经过反复筛选、提炼后的信息，是将很多杂乱无章的、没有关联的、无用的、不重要的、时过境迁的信息等实现过滤后，再经过有效的科学化整理而形成的信息。换句话说，这些信息是有效的、有用的、直接相关的、彼此决定的、专业化了的信息。在这样的信息上进行思考，往往才能达成更为准确的推理过程和逻辑验证过程，从而实现相对更为科学化的思维结果。当然，一次性的思维往往难以真正实现最终科学化的思维结果，因此这样的思维是要反复多次、多轮的。而在其中，不断凝练和采用相关的信息是根本。我们常说“没有调查就没有发言权”，同样，“没有准确的基础信息就没有正确的思维结论”，由此可见科学信息的重要性。很遗憾的是，常人一般的思维中对这一点是很不仔细的，也因此在一开始思考时就已经出现与专业思考者较大的差距。

● Scientific Interpretation & Inference：科学解释与推理 这一步是在科学思维中最为关键的一环。这一过程实际上是利用前人已经获得的相关专业化、科学化知识，对当前的问题进行合理到位的解释，并进一步推论出可能有什么新的结果和结论，包括对其中的现象、结果，与相关信息、证据等实现有效的关联，明晰它们之间的关系甚至是规律等。科学研究中最常见的求证、验证往往也是为此而进行的。正是因为这一环的有效发生，才使得人们对自然界和人类社会的许多现象和结果实现认识、理解、判断和解释。当然，这样一个环节是个螺旋式上升的提升过程，往往一次性的或者一个阶段的科学解释与推理并不能完全实现真正的科学认知，但是假以时日，科学解释与推理一定会趋向更为科学化的结果（我们可以以人类对太阳系和地球的关系的理解为例，从地心说到日心说的过程就是一个鲜活的历史实例）。这里，还是需要声明，常人一般都不具有专业化的递进知识过程，所以遇到新的专业化问题是无法实现科学解释与推理的。当然，同时也得给专业工作者一个警示，那就是进行科学解释与推理时一定要秉持科学化和客观化的态度与路径，否则，也是极易犯严重错误，得到看似合理其实完全不科学的思维结果的。

● Scientific Concepts：科学概念 概念是人类特有的描述事物和现象的语言工具。借用概念，我们通常更能简洁和准确地表达某样内容。科学概念则更具有高要求，其必须达到科学化验证和归纳后的层面，对后续概念的使用不造成非科学化影响。迄今为止，人类的专业发展已经进入到一个崭新的高度，无数科学概念，包括许多已经极度专业化的学科概念，已经成为人类思考的基础和新的出发点（如图3 寓意）。而在新的思考中，尽量能够到达和凝练出新的概念也是科学思维的一个自身要求。所以，科学思维往往出发于科学概念，再归结到新的科学概念。科学概念作为思考的基本面，往往在新的思考中本身也会获取新的认识、深化和推进，甚至是更为准确和科学化。这也反映了人类思考和知识发展的不断进步的自然过程。较为遗憾的是，常人往往缺乏基于科学概念的思考，主要是因为其专业基础学习往往较为薄弱。

事实上，人类每获取一个新的科学概念是极不容易的，往往会经历意想不到的曲折、挫折甚至是颠覆，最终才可以取得一点点的逐渐的进步。这其中不仅有客观认识局限的困难问题，也有人类自身主观和人为倾向造成的干扰问题。我们可以在人类认识和知识发展史上看到无穷的案例，有些甚至涉及到人类自身的多领域斗争，甚至有宗教和信仰的参与在其中。这也反映了科 学家是不容易的。