哈佛教授：科学思维的特点与培养

导读：科学思维，一直都是顶尖名校要求的一项重要能力，在哈佛校报一项调查当中，哈佛副教授Mona Sue Weissmark又一次的强调科学思维的重要性，在她看来，尽管学校开设了大量的科学课，但是都是对科学知识的讲解，而对科学思维的培养却少之又少。实际上，科学思维对世界保持好奇心和探究精神的一种能力，这种思维方式可用于改善学生的学习，因此，在这封给学生的信中，她强调了科学思维的重要性及特征，也呼吁学生们用科学思维来应对全球挑战。

“如果要写一封信给学生，你最想告诉他们什么？” 

这是哈佛大学的校报发起的系列话题，并向多名哈佛教师征集答案，在最近一期更新中Mona Sue Weissmark教授谈到了“科学思维”。 

Mona Sue Weissmark是哈佛大学精神病学和行为科学行为科学副教授。她之所以强调科学思维，是因为在过去30年时间，她一直在与团队一起进行关于科学的多样性教学方法。

然而，当她第一次开始这项研究时，她发现，科学教育与科学思维教学之间存在惊人的差距。 

尽管学校开设了大量的科学课，但是都是对科学知识的讲解，而对科学思维的培养却少之又少。

但实际上，科学知识只是科学思维的基础，在她看来，科学思维本身包含一个逻辑系统和证据标准，科学的世界观是一种习惯，一旦掌握，就不会丢失，这种思维方式可用于改善学生的学习。 

作为教授和研究人员，Mona教授看到了科学思维教育的可实现性。因此，在这封给学生的信中，她强调了科学思维的重要性及特征，也呼吁学生们用科学思维来应对全球挑战。

一、科学思维的6个特点 

国际学生能力测试（Programme for international Student Assessment，简称PISA）中有一项测试就提到了科学素养。 

PISA认为，当今时代，生活中时刻轰炸着各种观点，每个人都必须“像一个科学家一样思考”。 

但遗憾的是，我们的科学教育并没有跟上时代的步伐。 

事实上的生活中，孩子们习惯于在网络上找到某一问题的答案，而很少人愿意去观察探究自然现象背后的原因。 

其实这就是缺乏科学思维的一种表现。

什么是科学思维？它与日常思考有何不同？Mona Sue Weissmark谈在文章中到了6点关于科学思维的特点： 

首先也是最重要的一点，科学思维不依赖任何纸上谈兵的理论、政治信念或个人见解，而依赖于任何人都可以独立获得的经验性研究方法。 

Mona教授认为，科学思维是对开放世界进行审查的一种手段，所有的观点都应该被看作是经验性的假设，而不是出于情感的表达。

第二，科学思维有一个特点，常常没有被明确地谈论，那就是科学诚信。 

什么是科学诚信？ 

就是当研究人员在进行一项研究时，他们应该报告所有他们得出的信息，而不是仅选择性地报告出哪些他们认为正确的信息。这些信息可能有无效的，也可能有不可靠的，但都不该被隐瞒。 

这是科学思维非常重要的一点，也是Mona教授希望向学生强调的：要学会对面对错误、接受错误。

第三，具备科学思维的人会考虑所有可能的事实和信息，并邀请其他人评估研究的价值。 

这就好比科学家们会让同伴重复自己的实验，真相最终会显现出来。因此，Mona教授鼓励学生检查自己的假设，这可以让学生清楚地看到自己的意图和能力。 

第四，科学思维始终存在试探性，会受到挑战和反驳。这是科学思维的局限性，但这并不意味着它的质疑会消除那些好的研究，相反它会让研究者意识到研究中的错误，以及人大脑理解上局限性。 

第五，所有的科学思维，都是容易出错的。因此，Mona教授强调，研究错误的原因并评估错误的重要性也是科学思维的一环。 

科学思维的目的就是促进就有争议的话题、在不同观点之间的对话，并促进理解。 

Mona教授认为，多样性是自然界的一个特征。总会有相对立的人群认同两极分化的观点。科学思维正是评价两极分化观点、假新闻、假信息的一种公平方法。 

最后一点，也是Mona教授最常向学生强调的：不要相信老师的话。老师也可能错了。所以请自己测试一下，看看是否有效。

二、哈佛零点计划的科学思维课 

那么，如何具备科学思维，做到像科学家一样思考呢？ 

零点计划（Project Zero）是哈佛大学教育学院1967年成立，专门对思维方式一项研究。

这门长达50年背景的研究，其中就有一门课，专门教孩子理解科学思维的本质。

这门课程有5位作者合力完成，共有137页，分为三节，目的就是教学生理解科学家的想法，具备科学思维。 

尽管这门课是设计给老师的教学方法，但课程易懂好操作，家长也可以在家跟孩子学起来。 

课程中给出了多名科学家，例如牛顿、爱因斯坦、达尔文等等的参考资料。通过了解科学家试用的思维方式，帮助孩子进行学习。 

当引导学生对多名科学家进行研究后，会发现，尽管科学家们得出结论的方法各不相同，但他们都遵循着相同的科学思维模式： 

1.创造性和批判性思维：这涉及提出新想法，跳出条条框框的思考，将想象力于逻辑联系起来，并将这些想法传达给其他人。 

2.广泛的文档资料：许多科学家都保留着详细的笔记本、图纸以及他们的观点、讲座、实验的评论、建议和修订的对应信息。文档是一种帮助他们将思想落实的纸上的方法，并帮助他们进行反思。 

例如牛顿在小时候就严格保存着详细的笔记本，200年后人们发现了这个笔记本，其中内容超过300万个字，描述了他对数学、化学和天文学多个领域的兴趣。

3.强大的观察力：许多科学家对细节的关注涵盖了多年的研究，以达到理解。 

例如发现了“核桃夹子人”的英国史前考古学家和人类学家玛丽·利基在挖掘现场时就以“系统且细心”著称。她在非洲坦桑尼亚遛狗时，发现了一个古代人遗骸，头顶有一个山脊，这项惊人的发现为科学家们提供了有关早期人类的重要信息。 

4.信息的综合和与他人的紧密合作：科学家们通常通过跨领域研究来支持自己的思想，他们相互协作，并对他们想法持开放态度，并与同时进行交流。 

5.利用偶然性：许多发现是科学家在寻找其他东西时发生的，有时是经过特定的实验得出令人惊讶的发现。

除了牛顿看到苹果掉下来发现了万有引力这个例子外，还有德国化学家凯库勒午睡时梦到了蛇在咬住了尾巴，激发出了他对苯环结构的思考。 

6.技术和资源的使用：科学家们一般会利用当时可用的技术，并对即将发生的事情保有远见。 

不过研究科学家的思维模式不是为了成为科学家，而是像科学家一样保持一种好奇心，教会孩子在日常生活中寻找要探索的问题，并为这些问题可能存在的答案进行推理。

在了解思维模式后，哈佛大学科学思维课第二步就是教学生建立模型的意义。 

课程中提到，模型是描述事物的一种方式，可以代表任何事物，在日常生活和科学中使用模型可以帮助学生在思想中发展出一种想法，从而思考事物是如何运作的。 

模型通常代表看不到的东西，有助于我们克服思维的局限性，并根据模型的假设对现象进行推理。

部分课程截图

例如课程中有一节是利用“神秘管”学习。 

家长可以准备一个纸板管（可以是卷筒卫生纸筒）、一个金属环、一根绳子、记号笔、纸和胶带，制作如图所示模型。 

“神秘管”示意图

制作好后，拉动绳子，观察绳子的变化，教孩子思考内部可能发生了什么？是否有复杂的东西？ 

由此逐步引导孩子思考模型对思维方式的影响，促使他们分析模型，以了解模型如何支持科学思维，了解建模的价值。 

从了解科学家到建模，哈佛零点计划的这套课程可以很好的帮孩子理解科学思维。（注：文末附有完整课程下载方式）

课程中的参考资源部分截图

 三、科学思维是一种通用的思维方式 

所以，我们可以将科学思维简单地归纳为6步： 

☆做出观察

☆提出问题

☆形成假设，或可测试的解释

☆基于假设做预测

☆测试预测

☆迭代：使用结果来做新的假设或者预测 

而这6步不仅适用于科学学习，实际上也是其他学科解决问题的6个步骤。

Lori Leo在美国德克萨斯和爱荷华州的一所学校科学和阅读老师。

在30年的教龄中，他就发现，科学思维也可以很好的帮助学生进行启发式写作。

写作实际上是运用大量资料有逻辑地论证自己的观点，这和科学思维的特点不谋而合，都是帮助学生建立论证和批判性思考的过程。

因此在Leo的课上，他要求学生在提出主张、提供证据后讨论，以产生反思，达到对内容和观点的深度理解。

当学生提出观点后，他会问学生这些问题：

☆你的观点是什么？

☆你的证据是什么？

☆为什么你会这么想？

☆你观察到了什么？

☆你收集到了什么数据？

Leo强调他不希望在问出这些问题听到学生回答“它发生了一些改变，”这样笼统的答案，相反希望得到学生思考得更深入的答案。 

因此，为了避免学生经常脱口而出的一些简短、肤浅、模棱两可的答案，Leo禁止学生使用“它”（it）、“东西”（stuff / thing）、“像”（kinda）、“一些”（some）这一类的词语，Leo在教室里贴了一张海报：在这些词上画了一个大红叉，并在下面写上“要具体！”。同时花时间教学生写出清晰的、有证据支撑的论据。

所以，为了让学生把自己当作科学家一样每天多问一些问题，Leo设计了5条“班训”：

☆我是一个科学家

☆我会批判性思考

☆我能解决问题

☆我可以为自己的教育负责，今天我将尽全力去学习

☆我会尊重我的同学

每天上课前，会让学生背诵以下几句话以提醒自己：我们可以深入思考并提供解决方案。这不仅是科学学习需要的能力，更是各个学科的通用能力。