STEM 教育的深度解读（十八）

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。

接着前一讲已经给出的5 个方面的科学思维的基本构成与关键元素的解读，这一讲我们继续完成剩余3 个方面的解读。为方便清晰说明，图1 继续沿用前一讲已给出过的用英文原文表达的科学思维的关键因素构成图。

为了利于后续的3 个方面因素的更好引出，这里我们再对科学概念给出一些展开性讨论。迄今为止，人类所形成的已有科学概念已经是一个庞大的框架，包括了许多理论、定义、定律、原理、模型等（比如牛顿定律、细胞、DNA、神经网络模型等）。这个框架也人为性地形成了学科分类，以及交叉契合的结构和关系，而这本身又构成了更大的科学架构概念。不难看出，这个框架在学科乃至更多的分类方面，已经有了一种越分越细的客观图景（所以现在的专业越来越多、越来越细。当然也就有了相对不太长时间以来的“学科复合”“学科交叉”“学科融合”“学科跨越”等实质性和趋势性概念）。正是这些科学概念总和性和综合性地逐步垒起了人类已有的专业知识大厦，业已成为人类继续认知的发展基础。继而，许许多多的下一个科学概念都以这些科学概念总集里的某些部分作为探索基础和新的出发点。为了能够形成下一个概念，自然需要首先学习掌握已有的这些科学概念（当然，每个人的能力有限，一般只能学习其中的某些部分，这便是所谓的分专业学习），以便可以在进一步的认知中不必重复或者少走前人已经走过的路径，而是得以站在前人的肩膀上继续向前推进认知。当然，其中有一点也必须牢记在心，那就是既要科学接受前人已获得的概念，又必须对已有的概念永远保有一颗质疑之心。只有这样，才能维护好科学的认知方式，不断获得真正科学化的认知，不断积累出更新更多的科学概念。事实上，人类在进步的过程中，曾经提出非常多的新概念，但不是每一个新概念最终都得以被认可和被留存，这是因为许许多多的新概念本身并没有在后来的检验中真正得以成立，所以也就逐渐被科学的过程所淘汰、更新。而即便有可能被淘汰和更新，我们也还是会不断地进取并提出新概念。

归根结底，无论是全新地提出新概念，还是从已有的某个概念到递进生出其相关的下一个概念，都是一种基于已有的认知获取新认知的过程，这充分体现了人类知识的发展方式，而在其中起关键作用的正是科学思维。值得强调的是，除了思维的科学应用，这种获取新认知的过程中始终还有一种人的主观心态意识在起作用，那就是在提出新的科学概念时所呈现出的大胆创新进取（有些概念的提出甚至需要冒着生命危险，或者会带来身败名裂的后果）。而有了这种大胆创新进取，就自然延伸出以下的科学思维的其余3 个基本构成元素。

● Scientific Assumptions：科学假设 科学假设很多时候也可称为“科学假说”“科学设想”等，视其场合而有不同的说法，但意义基本一样。图2 给出常规的科学假设的一般过程和环节位置示意图。通常情况下，科学假设是建立在已有经验基础之上的，特别是根据已有的概念和知识，对已有内容进行分析、比较、归纳及推理，寻找规律，从而得出合理的科学推论。这种推论一般不能是凭空猜测，需要符合基本的思维逻辑，并且常常以预测、猜想等形式出现，通常是出现在解决新问题的过程中以原有科学概念不足以合理解释的时候。而无论怎样，科学假设不仅仅是一个假设的过程，更需要有一个鲜明的肯定性“说法”的提出和呈现，这种“说法”一定有着较为持久的深思熟虑，提出来的时候实际上已经有着相当的成熟度和合理性，并最终呈现为某种科学化形式的观念、观点、结论乃至倾向性论点。

科学假设一般具有3 个基本特征，即它在具有一定的猜测性之余，还必须具有一定的科学性和一定的对现有结果、概念等的变动性。没有变化的说法肯定不是假设，因此科学假说一定是具有此前未曾有过的新颖性的（即便尚未得到验证，新意也肯定是有的）；而完全没有科学性的说法也肯定不能成立为科学假设（这也是科学假设不同于一般随意的假设的最大区别之处）。正是因为其科学性和变动性，科学假设才能在科学探索获得进步的过程中成为重要手段和关键环节，表现为一步步地成功通向科学新概念和新理论的桥梁，由此它也体现出一种导向功能。同时，也因为其呈现的新颖说法往往会引发学术间的争论，形成学术交流的驱动，激发更深刻的创造性思维，带动学术繁荣，由此它还会体现出一种动力功能（历史上的科学假设典型事例比比皆是，最著名的比如大陆漂移学说、宇宙大爆炸理论、量子理论假说、生物进化学说、人类起源假说等）。

可以肯定的是，提出科学假设是具有非同一般的难度的，特别是在今天科学已经进入相对成熟的阶段。常人如果能够越过已有知识的“透视”和“洞察”关隘（其前提也必须是对已有的相关知识有足够的认知），具备超强的科学思维能力，再加上非同一般的创新胆识和进取精神、不怕失败的坚毅果敢，就有可能实现科学假设的提出和建立。这等于是需要常人在时代背景下拥有某种极端超越的精神品质，所以，历史上能够在每一时期脱颖而出、提出极有影响的科学假设并形成科学进步推动的人是凤毛麟角和少之又少（您可以以任何一个诺贝尔奖获得者为例深究认识这一点）。

科学假设的后续就是人们常说的论证或者验证。验证成功的，自然就会成为新的科学概念和结果，而验证不成功的，自然就需要否定假设本身，继而再提出新的假设。科学假设的验证过程通常都是一波三折的，因为一次性成功的可能性很小。这其中，除了假设本身是否真正正确之外，验证的方式是否正确也很重要。如果因为验证方式错了，是不能说明假设是否错了的。这时，就需要寻找更为正确的验证方式。由此而言，科学思维中对假设的验证往往也是一个极不容易的复杂过程。

● Scientific Implications & Consequences：科学意义与后果 任何科学思维的结果，一定是在给出新的科学认知的同时，建构起了某种对现有世界新的认识、对现有人们认识有新的变化和撬动的结果，所以它不仅会影响现有世界的可能面貌，也影响人们的现有认识和意识形态，也就是既影响客观（因为后续可能会带来人们对客观的改变），还影响主观。这正是科学思维的意义和后果。通常，这样的意义和后果会带来多重效应和连带效应，很多时候还带来人们观念的碰撞、争执甚至是斗争，甚至引发更为广泛的政治和文化影响，往往在短时间内既有积极的方面，又有消极的方面，因此不能单纯从短时间内予以衡量。

科学思维的意义和后果最大的特点是其鲜明的指向性和启发性，它将原有的认知面貌得以击破，然后给出新的某种面貌。在科学本身而言，它会直接引向更为深入和拓展的科学结论，继而启发和引导新的认知方向和趋势。很多时候，人们还会反过来先预测其意义和后果的变化，然后反过来提出新的假设和思维，这一点也说明科学思维的顺序也不是一成不变的。

● Scientific Point of View：科学视角与观点 科学思维经历了前述的假设过程后，必然的结果就是带来具备某种鲜明指向的、明确性的观点。科学观点的明确性在于其很少能够以其含糊的说法而站住脚，所以必须将科学观点的说法不断审视，直至达成准确、清晰、意图直白的确定说法。图3 给出由北京大学出版社出版的“科学观点”丛书中的一本《宇宙演化》和由重庆大学出版社出版的《最初三分钟》作为科学观点的示例，这2 本书中的科学观点都极具特点。

很多时候，人们都感觉到科学观点中会自然呈现出某种科学视角，视角不同则观点必然不同。这就要看其视角是主观还是客观产生的。如果是难免带有的主观意图和倾向性所产生，则一般会呈现出一种“主观科学视角”，易于形成偏差。科学思维的基本要求是，将主观尽量去除从而达成“客观科学视角”。因为客观上对同一对象存在着的不同视角是可以通过尽可能多的不同客观视角遍历，最终从全视角的层面获知对象的完整认识的，这样再提炼就可以达成全视角下的正确科学观点。主观上的视角则不太容易最终修正。不够全视角的科学观点通常都需要不断完善，这也是人们建立真正真理性的科学结论通常会碰到的基本障碍。■