（一）科学抽象思维

1.科学抽象思维的概念

在物理学中，凡是以物理学中的基本概念为思维材料，以判断和推理的形式来反应客观现实中物理事物的运动规律，达到对物理学中客观事物的本质特征和内在联系的认识过程叫做科学抽象思维。

2.科学抽象思维具的特点

（1）抽象性和概括性

科学抽象思维是在观察、实验的基础上，通过物理概念、物理判断和物理推理的形式对已获得的物理事实进行加工处理而形成的对物理对象、物理现象、物理过程的本质和规律的认识。在这个认识过程中，必须在思维中将物理事物的本质属性或特征与非本质属性或特征区分开来，从而舍弃非本质属性或特征，抽出本质属性或特征，此即物理思维的抽象性。所谓概括，就是在抽象的基础上，把所有反映物理事物本质的属性结合为一个整体，形成关于物理事物的整体的和一般的认识，进而把这种一般的认识推广到同类事物，把握同类事物的共同性和一般性。

抽象性与概括性的统一，是科学抽象思维的一个重要特点，只有通过抽象和概括。才能形成物理概念;才能简化物理对象，形成理想化的过程；才能在实验和理论分析的基础上得出定量的物理规律。

（2）逻辑性和系统性

逻辑性和系统性的辩证统一是科学抽象思维的又一主要特点。由于科学抽象思维是以物理概念、物理判断和物理推理的形式进行的思维，所以，它必须按照一定的形式、方法和规律进行，此即科学抽象思维的逻辑性。抽象思维的不同阶段有着不同的形式、规律和方法，在知性思维（从感性具体到思维抽象的思维活动）阶段。存在着形式逻辑的规律和方法，形式逻辑思维的主要规律有同一律、排中律和.矛盾律。同一律是指在同一思维过程中，每个概念和判断必须具有确定的同一内容；排中律是指在两个矛盾判断中只有一个正确；矛盾律是指在同一时间同一关系下，对同一对象所作的两个矛盾判断不能都正确。在具体思维（从思维抽象上升到思维具体的思维活动和过程）阶段，存在着辩证逻辑的规律和方法，辩证逻辑的规律包括对立统一规律、量变质变规律和否定之否定规律。科学抽象思维的逻辑性是物理学科学性的质的表现，普通逻辑和辩证逻揖的规律是科学抽象思维的基本规律。思维不符合逻辑是得不出正确结论的。

科学抽象思维按照一定的逻辑形式和逻辑方法，遵从一定的逻辑规律或规则，在思维过程中总要形成对物理事物的系统的认识，从而表现出系统性的特征。例如，物理学中对力的认识，先从各种具体的力开始。总结出物理学中存在四种相互作用力：万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。在此基础上，人们力图将四种力统一起来，形成大统一理论。虽然至今还没有完整的理论，但这种朝着系统的方向进行思维活动是满足科学抽象思维系统性要求的。

（3）能动性和间接性

物理学是一门实验科学，一般地说，每一个定律、定理都应由很多实验事实作支持，在分析和概括大量事实的基础上，形成物理概念，得出物理规律。但人们从感性认识上升到理性认识，从观察实验结果到物理理论，并不是一个被动的过程，而是一个能动的认识过程。当感性材料达到一定程度的时候，思维能动地对这些材料进行分析、综合、比较、分类、抽象、概括等，形成对物理事物的一般的和概括的认识。另外，物理学研究往往是先提出问题(如在19世纪末20世纪初，物理学理论与当时发现的光电效应、黑体辐射、原子的线状光潜、原子的稳定性等实验事实发生矛盾。这就使人们提出了问题)，然后，再搜寻事实，捕获信息，立沦解释。因此，科学抽象思维是一种有目的的、能动的思维活动。    

物理事物的本质规律，有些隐藏在现象背后，人的感官不能直接感知到，只有通过其他事物，借助于已有的知识和经验，去认识那些没有直接感知过的，或者根本无法感知的事物，此即物理思维对物理事物的间接认识。比如，我们通过电子衍射实验来认识电子的波动性，通过黑体辐射、光电效应实验来认识光的粒子性。在物理学中，对于微观客体的认识、对于宇观客体的认识、对于高速运动客体的认识等等，一般是间接进行的。

科学抽象思维的能动性和间接性相互结合，相互促进，借助于已有的知识和经验，使得我们能够在对现实物理事物认识的基础上进行蔓延式的无止境的扩展和想像。物理模型、物理假说的建立，物理知识的逻辑展开以及解决实际的物理问题，都是以科学抽象思维的能动性和间接性及其相互作用为基础和依据的。

（4）线性性和精确性

人们以点、线、面、体来比喻思维，认为不同的思维有不同的特点。科学抽象思维是以物理概念、物理判断、物理推理等形式进行的思维，它往往沿着一个方向，力图寻找一个非此即彼的结果，其结论是一步一步推得的，就好像数学中从一点到另一点，形成一条线，因此，是线型的（这一特点是钱学森教授首先提出的）。

科学抽象思维的线型性也决定了当条件正确和过程符合逻辑的情况下思维的正确性和精确性。精确性是科学抽象思维的重一要特征之一，因为物理学是一门定量的科学，我们研究物埋问题时，不仅要作定性分析，而且要作定量研究，对物理概念和物理规律的最好表达方式是数学语言，对物理定律的推导要用数学方法，对物理过程的判断要进行数量级的估计。因此，数学渗透于科学抽象思维的全过程，科学抽象思维是一种定量的、精确的思维。

（二）科学形象思维

1.科学形象思维的概念

科学形象思维是以物理表象为思维材料而进行的思维。

2.科学形象思维的特点

（1）形象性

科学形象思维是运用物理直观、具体、生动的形象材料，通过事物的形象特征认识事物的物理内容、本质，井作出某种判断的科学思维，是通过表象、直感、想像等形式进行的思维。按慨括性来分，表象有两种。一是具象。即对个别具体事物形象的反映。二是概象，即对一类事物形象特征的反映。科学形象是科学形象思维的元素，离开科学形象，形象思维就不存在，人们在联想、想像过程中，一刻也离不开形象，因此，形象性是科学形象思维的重要待征。在物理学中，形象材料是极其丰富的。（1）物理对象具有形象性。物理学是研究物质的结构、物质的相互作用以及物质运动最基本、最普遍规律的科学，其研究对象是客观存在的，大到宇宙天体，小到夸克微粒，均有大小、形状、结构、分布等形象特征。（2）物理过程及现象具有形象性。在物理学中，每一种运动、每一个过程、每一个现象都具有一与之相对应的形象。如匀速直线运动、匀变速直线运动、振动与波、一维线性谐振子、电磁波的传播、黑体辐射、光电效应、原子的线状光谱、电磁感应、静电现象等都具有动态的形象。（3）物理学中创造了极其丰富的观念形象。一切物理模型、图形、符号、语言、公式等都是形象，时空有形象，状态有形象，场有形，维有形，坐标有形，矢量有形，标量有形，力、热、电、磁、光、原子等都有形象，同时，物理学的每一个新理论的出现都伴随着新的观念形象的诞生。（4）物理实验具有形象性。任何物理实验都要有实验装置、实验过程、实验现象、实验结果分析等。实验装置具有空间形象，实验过程具有动态形象，实验现象具有生动的直观可感形象。实验结果分析常常采用数学图形的形象等。

（2）动态性

科学形象思维的材料、结果和过程常常是动态的。因此，动态性也是科学形象思维的一个重要特性。例如“惯性定律”是理想实验的一个重要结论。伽利略注意到，当球从一个斜面上滚下而又滚上另一个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上滚下的高度几乎相等，他断定，高度的这一微小差别是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除，高度恰好相等。伽利略进一步推想、在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二个斜面上总要达到相同的高度。如果第二个斜面的倾斜度完全消失，那么，球从第一个斜面上滚下来后，将以恒定的速度在无限大的平面上永远不停地运动下去。在整个思维过程中，伽利略大脑里出现了球从斜面向下运动又运动到另一个斜面及斜面倾角变化的动态科学形象。

在物理学中，动态的物理图景及形象很多，如卢瑟福原子的核式结构形象，波动的形象，可逆过程的形象，线性偕振升图景等等。这些图景及形象作为科学形象思维的材料、内容或结果，是科学形象思维动态性的具体体现。

（3）创造性

科学形象思维的基本形式是表象、直感和想像，想像是人脑对已有表象进行加工、改造、产生新形象的过程，因此。具有创造性的特征。想像不仅可以补充实际经验和感受的不足，而目可以使人们的思想超越时间和空间的限制，正如爱因斯坦所说：“想像力比知识更重要，因为知识是有限的，而想像力概括世界上一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉，严格地说，想像力是科学研究中的实在因素”；量子论之父一马克斯·普朗克在其自传中指出，创造性的科学家必须其备：“对新观点的一种活跃的直觉想像力，这些新观点不是演绎得出的，而是通过艺术家一般的创造性想像得出的”。在物理学中，许多新实验的构思、新观念的提出、新理论的形成都是形象思维的结果，也正是科学形象思维创造性的体现。

例如，法拉第和麦克斯韦的科学成就，是抽象思维和形象思维辩证运用的结晶。法拉第凭着他丰富的想像力，曾用生动直观的磁力线来刻划磁场，但这一形象思维的精品却受到许多人的非难，而麦克斯韦却不以为然，他在1854年第一次读到法拉第的《电学实验研究》时，就用他所特有的想像力，看出了法拉第见解的新颖和合理，第二年，他又把电流周围存在力线这一想法，概括为一个矢量微分方程，表明每一电流都产生一条磁的涡线。

创造性是科学形象思维的基本特征，物理学中的质点、理想气体、场、多维它间、夸克、胶子、黑洞、大爆破宇宙、原子的核式结构等都是富有创造性的形象思维的结晶。

（三）科学直觉思维

1.科学直觉思维的概念

直觉思维是综合运用经验、知觉信息，实现对问题直截了当的瞬间快速抉择的思维活动。

2.科学直觉思维的特点

（1）整体性

科学直觉思维是综合运用已有知识、表象、经验感觉，从整体上研究物理问题，从整体上把握物理对象和物理过程，把注意力和着力点放在物理问题的整体对外效应上，不像科学抽象思维那样，将物理对象分解为若干部分，逐个进行考察，然后再进行综合，而是在对物理问题作总体分析的基础上，进行一种简约的、紧缩的、有选择的、急速的推理思维，然后以一种敏锐的观察力、有根据的想像力和判断力，以单刀直入的方式，一次从整体上揭示物理事物的本质。如当学生解答物理习题时，长时间不得其解，忽然灵机一动，推测出解题的方句，在没有分解问题的前提下、直接预测出问题的答案；又比如，教师给学生提出一个物理问题，当问题提出后，有的学生很快就推测出这个问题的结沦，有的学生则预感到研究这一问题的方法。这些思维活动都属于科学直觉思维，都是从整体上把握物理事物和物理问题。

（2）多维性

科学直觉思维是一种直觉式、顿悟式的思维，它既不是物理经验和命题的简单归纳和总结，也不依据形式逻辑的规则进行思维，它没有固定的思维程序和格式，没有固定的方向和确定的路线，而是跳跃式的、试探式的从四面八方考察物理问题。倘若在一条线路上、一种方法上走不通，立即改变方向，寻求新的出路。我国著名科学家钱学森指出：“如果逻辑思维是线性的，形象思维是二维的，那么，灵感思维是三维的。正因为科学直觉思维是一种三维的立体思维，所以，它比科学抽象思维和科学形象思维具有更大的“自由度”，具有以各种不同的方式加工处理头脑中信息材料的可能性，容易开拓思路，获得科学抽象思维和物理想像思维活动所不能得到的思维成果。因此。科学直觉思维有赖于科学抽象思维和科学形象思维，但又高于科学抽象思维和科学形象思维，是一种更复杂的、更高层次的思维方式。

（3）突发性

对于直觉思维的机制，我们还无法进行深入的研究，从已知的情况来看。直觉和灵感的产生，往往具有“突发的”性质，这种直觉的顿悟，既可以发生在为解决物理问题进行苦思冥想时那种受主体指挥和控制的“现实思维”之中，也可以发生在主体当时并不在思考所要想解决的问题，甚至在某种漫无目的的、不受主体控制的“潜意识”中。在前一种情况下，即在“现实思维”中，人们围绕物理问题有目的地进行苦心思索，逻辑、论据和现实的约束在其中起主要的作用，但直觉的顿悟常常使我们一下子跳到结论。例如，1904年汤姆生提出“电子浸浮下均匀正电球中”的原子模型后，卢瑟福一直在思索原子结构问题，并与盖革一起做了α粒子散射实验，发现实验中“大多数α粒子散射角很小，只有少数偏角很大，甚至有个别α粒子被金箔反弹回去”的现象。卢瑟福类比太阳系模型，得到启示，对此作出决断：只有承认原子核，才能解释α粒子大角散射现象，在此基础上，提出了原子核式模型的假说。在后一种情况下，漫无目的的“无向思维”看起来与解决问题毫无相关，但却使主体得到某种直觉的启示，使原来曾经思考过的难题展现了解决的前景。如阿基米德为了检验希洛王的金冠中是否掺了假，他在浴缸中顿悟起“排水法”，并发现了浮力定律。这些都说明突发性是科学直觉思维区分于科学抽象思维和物理想像思维的又一特征。

（4）随机性

科学直觉思维的随机性具有两方面的含义，首先，表示物理灵感的出现常常是人们预料不到的。就人的整个思维过程来说，灵感的出现是一种随机现象，灵感在布什么情祝下出现，什么时间、什么地点出现，往往是难以预测的。其次，表示科学直觉思维（包括直觉与灵感）的结果可能是正确的，也可能是错误的，它是对物理问题的直觉的猜测，其结论的正确性要靠实验来检验。爱因斯坦曾生动地描述了开普勒发现行星运动下大定律的艰辛的劳动：“轨道（应为观测数据）已经从实验中知道了，但是它们的定律还必须从经验数据里猜侧出来。首先，他必须猜测轨道所描述的曲线的数学性质，然后把它用到一大堆数字上去试试看，如果不合适，就必须想出另一假说，再试一试，经过了无数次的探索以后，才发觉合乎事实的推测是：行星轨道是一种椭圆，而太阳的位置是在它的一个焦点上。

这个过程就是运用直觉思维提出猜测性假说，然后再看是否与实验书实符合来验证其正确性。

要说明的是，虽然物理灵感的出现具有偶然性和随机性，但并不意味着物理灵感及其出现完全是没有原因的，只有在主体积累了丰富的物理知识和经验的基础上，对物理学有浓厚的兴趣和强烈的求知欲，.具有较强的分析问题和解决问题的能力，并对某一物理问题经过长期的思考和悉心研究，才能出现灵感。苹果落地人人皆知，但只有牛顿才将之与物体间的引力联系起来，发现了万有引力定律；在水中受到水的浮力作用，人人都有体验，但只有阿基米德发现了浮力定律。从这个意义上讲，科学直觉思维也具有必然性，辩证法认为，偶然性（随机性）和必然性不是绝对对立的，而是相互联系、渗透，并在一定条件下可以相互转化的。因此，科学直觉思维的产生体现了随机性和必然性的辩证统一。