在大很多人看来，科学，就是物质由原子分子构成，构成的方式有离子键、共价键、金属键等化学键以及氢键、范德瓦耳斯力等分子之间作用力，以及更底层的有强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、万有引力等力，或者说遗传物质有脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)，或者说北半球基本都呈顺时针方向流动而南半球基本呈逆时针方向流动，后者说效用最大化对应着边际效用为零，或者有些种类的疟疾可以用青蒿素治疗等等这些科学知识。
于是，很多时候，当我们来调研一个国家或者地区的民众的科学素养的时候，也往往是通过回答这些科学知识的问题来完成的。例如，问是否知道太阳系的天体有哪一些，是否知道万有引力以及知道太阳系天体之所以产生这样的运动是天体之间的万有引力造成的，等等等等。
但是，实际上，这些仅仅是科学探索的结果，也就是用科学方法，遵循科学精神，来认识世界以后，得到的现有的结论而已。而科学本身，绝对不等于这些科学知识。
于是，问题来了，那第一科学方法和科学精神指的是什么呢？第二，为什么说科学方法和科学精神才是科学更重要的内涵，而不是科学知识呢？下面我们来回答这两个问题。
科学方法指的是当我们面对一个来自于现实世界的现象或者问题的时候，我们用以下的几个典型方法来描述这个现象和回答这些问题：对现象做观测和观测的分析总结、建立数学模型、对数学模型做计算推导得到结果、对结果做一系列的实验检验，对通过了检验的模型做系统化概念化的梳理形成具有系统性的理论体系。科学精神指的是只有通过了逻辑论证和实验检验，并且最终是实验检验的命题才可以成为科学知识。这个科学精神其实就是批判性思维和实证思想。实证思想后来有一个逻辑上更加准确的提法，称为可证伪性：当作科学知识的命题，必须是可证伪的，也就是说原则上有错的可能，也就是说，一个科学命题必须有这样的实验，做了这个实验以后只要某个现象出现了，就可以证明这个命题是错的，但是迄今为止这样的实验做了，但是这样的现象一直没出现。你可以发现，实际上，科学方法就是科学精神对应的具体操作。
那科学方法和科学精神它们自己又是怎么冒出来的呢，为什么它们才是科学的核心而不是科学知识呢？
从物理学的诞生和发展看科学精神科学方法
我们回顾一下物理学的发展历史，争取从中更好地体会一下科学方法和科学精神，同时也体会到科学方法和科学精神是如何从科学研究中冒出来的。
一开始，哲学家和科学家是不分家的。直到亚里士多德，说，哲学研究形而上的世界，物理学研究形而下的世界。形而下的世界，用现在的话来说，就是那些可以测量到的那些对象构成的世界。其字面含义是有形状的东西构成的世界。但是，非常遗憾，亚里士多德提出来的具体的科学知识大多是错误的，尤其是“力是维持物体运动的原因”和“重的东西下落更快”这两个著名的关于物理学的力和运动的命题。
一会儿，我们就会看到，之所以会发生这个对象定位很准确，但是具体知识是错的的原因是，那个时代的物理学家基本还是哲学家，研究科学的主要方法是靠想，而不是靠做实验和测量，做数学建模和数学计算。
后来，伽利略大大推动了物理学的发展。他制造了钟表来更准确地计量时间，他还改进了望远镜来更准确地观测天体。有了这些观测能力之后，伽利略就开始通过实验来研究物体的运动，尤其是前面提到的来自于亚里士多德的两个命题。伽利略的比萨斜塔实验（这个实验是不是真的做过，历史学家还有疑问，不过，就算没有伽利略真的在比萨斜塔做过，在实验室肯定是做过的）证明了重的和轻的落的一样快。斜面的实验和基于真实实验的理想实验（就是基于实际实验，用逻辑推理的方式先来想想如果进一步做实验，尤其是考虑一些极端情况下，结果会怎样），证明了没有力的维持运动依然继续。
有了亚里士多德定位的形而下的世界这个研究对象，有了伽利略贡献的对形而下世界的测量和实验检验，物理学终于开始走上了真正科学化的道路。这时候，其实，物理学已经为后来的牛顿运动定律做好了准备了。但是，数学还没准备好。原则上，只要伽利略再追问，那既然力不是维持运动的原因，那如果有了一个额外的力，会对运动有什么影响呢，就可以发现，力是改变物体运动状态（速度）的原因。不过，我们还得等待牛顿和牛顿发明的数学，以及牛顿把其所发明的数学用来构建运动的数学模型。
在这里，我们稍微暂停一下地面上物体的运动，回到另一个运动的分支——天体的运动。在我们今天基本上人人都知道的关于天体的称为日心说的科学知识被得到之前，人们相信地心说，也就是太阳系这些天体围绕着地球运动。第一，这确实很符合直觉，很自然。第二，由于有宗教势力的支持——可能地心说更加能够突出人类的特殊性于是神创理论的正确性，地心说基本上就是当时唯一正确的理论了。那，我们后来的日心说，以及解释日心说的万有引力理论加上牛顿运动定律是怎么冒出来的呢？
当我们观测到太阳系的天体的运用的时候，从直觉上我们就会自然地猜测地球是太阳系的中心，天体基本上是沿着圆形轨道来围绕地球运动。有了这个直觉印象之后，我们就可以给每一个天体一个圆形轨道，再假设这些天体基本上做围绕着地球的匀速圆周运动。这就给太阳系天体的运动建立了一个数学模型——尽管你可能觉得这个数学模型好像看起来很容易就建立起来了。当年，这个模型——后来被称为地心说——也是需要基于大量的观测和一定的数学基础才能建立起来的。
接着，很自然地，我们就想，那这个地心说的模型对不对呢？那就通过新的观测来检验。也就是说，你从这个简单朴素的地心说来计算出来一些结论，例如基于每一个天体的匀速圆周运动的速率（这个可以通过这个天体的运动的历史数据算出来）来推测一下某个时间以后它会出现在哪里。然后，我们就可以在那个时间去看看那个地方是否有这个天体。基于这个观测，我们发现，这个计算结果准确的时候也不少，但是经常有不相符的地方，甚至，我们还可以看到天体的逆行。
于是，看起来这个简单朴素的地心说失败了。怎么办？人们去修正它。托勒密（Claudius Ptolemy）发现只需要在这个大的圆形轨道的基础上再配上一个小的圆形轨道，也就是天体的整个小圆整体围绕着地球做圆周运动，但是天体自己沿着小圆运动。这样当条件合适（沿着小圆的运动和沿着大圆的运动相反）的时候，就会出现逆行。于是，这个简单的地心说就改成了包含了均轮（大圆）本轮（小圆）的稍微复杂一点的地心说（我们暂时忽略这个托勒密地心说中地球是不是正好在中心这个细节）。
接着，同样地人们可以通过历史轨迹把描述这个复杂版的地心说的天体运动的参数都算出来，然后再去看一看是不是这次，计算出来的结果可以和实际观测数据完全相符了。人们发现，尽管符合的更好了，但是还是有一部分观测数据和计算结果不相符，尤其是哥白尼的实验观测和计算结果和观测结果的对比。
那怎么办呢？我们可以尝试提出再一次嵌套个圆形轨道，也就是本本轮。这样，这个包含了本轮均轮的地心说就可以被发展成包含了本本轮-本轮-均轮的更加复杂的地心说。如果这个模型和观测结果还是不相符，我们甚至可以考虑包含了本本本轮-本本轮-本轮-均轮的更更加复杂的地心说。顺便，实际上，如果你懂得傅里叶级数分解，你就会更加清楚，为什么我们可以沿着圆环套圆环的路子一直走下去，使得我们的理论模型和观测结果符合的越来越好——这刚好相当于在做傅里叶级数分解。
不过，哥白尼走了另外一条道路：试试把太阳放在太阳系天体运动的中心，然后，让其他天体围绕太阳运动。同样，哥白尼发现这个模型也需要同时具有本轮和均轮才能够做到至少和托勒密的地心说同样准确，也就是和观测结果对比，做到哥白尼日心说和托勒密地心说的相符的程度相当。
但是，你看包含了本本轮-本轮-均轮的更加复杂的地心说都有和观测不相符的地方（大约是角分的量级，一个角分是一个角度的六十分之一，也就是一个圆周角的$\frac{1}{21600}$），很多研究者也对一个需要包含几十个本轮的模型感到不满意，想找到更简单的甚至就完全不包含本轮的模型。
在进一步天体观测数据的积累下，尤其是第谷的天体观测数据，以及研究者们，尤其是开普勒，的进一步猜测和分析，人们得到了新的日心说模型——天体围绕着太阳做运动，但是不再是圆形轨道，而是椭圆轨道，太阳是椭圆轨道的焦点。只要引入了椭圆轨道，那就再也不需要本轮了，并且计算得到的结果和观测结果的相符的程度要比前面两个模型更好（后来新的实验观测数据有了以后发现，还是有一个小小的不相符的地方，一百年积累的误差到了$43.11$角秒，也就是一百年差不多一角分的量级。后来这个问题由爱因斯坦解决了，称作水星近日点的进动。这个我们就暂时不展开了。当然，相对论和量子力学为科学提供了什么，也是很有意思的问题）。
有了这个椭圆轨道的突破之后，开普勒通过对天体运行数据的分析，还总结出来了其他几个具有高度一致性规律——对任何一个行星自己而言，其半径在相等的时间内扫过的区域面积相同，在行星之间，其周期的平方和其到太阳的距离的立方体之比是个常数——它们后来和椭圆轨道一起被称为开普勒行星运动规律。
到了这个量级的误差，当时已经没有了新建理论模型的动机了。但是，接着的故事更加精彩。注意，之前，亚里士多德和伽利略等人已经从地面上的运动给牛顿做好了准备，现在托勒密、第谷和开普勒等人已经从天体运动上给牛顿做好了准备。一个很自然的问题就是：那力到底给地面上物体的运动带来了什么改变，以及天体的运动为什么这么具有一致性。
这两个问题都被牛顿解决了。当然，我们后来知道解决之后的答案，也就是科学知识是牛顿第二定律和牛顿万有引力定律。但是，当时而言，这是一个极具开创性的工作。牛顿第二定律说的是，力的效果是改变速度，力等于质量乘上加速度$\vec{F}=m\vec{a}$。并且，这是一个矢量等式，也就是哪个方向上有力，则加速度就在那个方向上。那怎么才能从位置得到速度，从速度得到加速度呢？如果我们要直接检验这个规律，力和加速度本身必须是可以独立测量的。我们今天当然知道这就需要后来称为微积分的数学。但是，牛顿当时没有人知道这一点啊。于是，为了解决前面提出的两个物理问题，牛顿不得不先发明合适的数学。
当然，就算牛顿没有发明出来，可能稍后就会有别人——例如莱布尼兹——把这个合适的数学发明出来，以及有人把这个新发明出来的数学用于解决前面的物理问题了。
当牛顿有了矢量微积分之后，那从关于地面上物体的运动的思考和测量，就可以得到牛顿第二定律了。更进一步，一旦有了这个牛顿第二定律，如果我们进一步追问，是不是天体的运用也遵循这个定律呢？如果遵循，我们能不能算出来导致天体遵循开普勒运动定律的那个力是什么样的？
于是，牛顿进一步发现，这个力必须是平方反比的形式，也就是$\vec{F}=-G\frac{Mm}{r^{2}}\hat{r}$，也就是方向从其他天体指向太阳，大小为$G\frac{Mm}{r^{2}}$。
我们今天，只要有大学本科阶段的微积分和物理学的基础，就很容易验证，通过万有引力定律和牛顿第二定律，我们可以得到开普勒行星运动定律；通过牛顿第二定律，只要给定了力$\vec{F}$就可以解释所有的地面上物体的运动，也解释了为什么重物和轻物下落一样快（这里还藏了一个魔鬼细节，将来也是由爱因斯坦解决的。如果你感兴趣可以看看“引力质量和惯性质量”）。如果你做过打点计时器的实验，或者你现在可以通过收集拍照来计时（最好调成等时间间隔来拍照，否则，道理还是一个道理，计算会复杂很多），你可以完全用实验来检验牛顿第二定律。
当然，在历史上，确实是由大量的实验和实践来检验万有引力定律和牛顿第二定律的，包括非常精巧的卡文迪什（Cavendish）扭秤实验。
好了，回顾完了物理学的诞生和初期发展，我们来看看从中我们可以提炼出来哪些有助于后来的和更多的其他科学分支的发展的科学方法和科学精神。
我们发现，首先要有一个研究对象的限定。这是亚里士多德的贡献；接着，要做观测和实验检验，这是伽利略的贡献，以及那些天体运动的研究者（不管是地心说还是日心说派的）的贡献；然后，我们要通过数学建模和计算推理来描述物理世界，解释物理现象，并且对新的现象做出来预测，这是牛顿的贡献；最后，对预测出来的结果做进一步的实验检验。
同时，在这个过程之中，我们尽量追求简单性和统一性，也就是用最少的概念最少的参数来描述世界，并且这些概念之间最好具有紧密的关系，也就是可以从少数几个基本的概念得到更多的概念和命题。我们把这些追求称为对学科知识系统性的追求。这大概来自于欧几里德的《几何原本》——它用五个公理和少数的定义，逐步地（先证明一批，用这一批再去证明另一批），就把几百条命题都证明了出来，成了定理。
合起来，我们的科学方法就是：观测和对观测数据做分析计算，使用或者发明数学结构用来给世界建立数学模型，通过计算和推导求解数学模型，做实验检验得到的计算结果，如果检验通过尽量对概念、求解方法、求解结果做系统化梳理使得科学知识更有系统性。
在这过程之中，科学的发展曾经遇到了很多大的阻力，例如，开创者亚里士多德提出的具体科学知识是错的，宗教的力量使得地心说占有了学术之外的强力的地位，甚至通过迫害研究日心说的人的方式来企图维持地心说的地位。但是，科学既没有被大人物的言论所束缚，也被有被宗教力量所限制。我们谁说的都不成为一个东西正确的理由，除非能够计算推理出来，并且还可以通过实验检验。这就是科学精神——批判性思维和实证思想——的来源。
我们也能明显地看到科学精神和科学方法之间的联系——科学方法不过就是科学精神的具体实现具体操作途径而已。
为什么说科学方法和科学精神才是科学更重要的内涵，而不是科学知识
我们已经看到了科学方法和科学精神是什么，我们也看到了为什么它们对于科学知识的获得非常重要。那么，当我们学习科学的时候，到底是科学知识，也就是通过科学方法和科学精神得到结果，更加重要呢，还是说我们应该更加关注科学知识的源头，获得科学知识的方法和根基，也就是科学方法和科学精神呢？
确实两者都重要。科学知识可以帮助我们解决那些用现有科学知识就能解决的问题。科学方法和科学精神却能够帮着我们获得新的科学知识，并且在这个获得的过程中，往往还能体会到深刻和巨大的美和成就感。一个获得的是更多的现有知识，一个是提高了获得未来知识的可能性。但是，如果我们一定要比一比，哪一个更加重要，你选哪一个？
于是，从科学方法和科学精神的角度，我们发现，科学不过就是用这一套方法来讲道理。也就是，不要看一个命题是谁说的，而是要去看这个命题是不是经过了数学建模和计算推导得到的，是不是经受住了系统性的还不是一次两次的单独角度的实验检验。如果是，那才能成为科学知识的，用来描述世界，用来解决问题。
那为什么我们要这样来讲道理呢？因为科学所研究的是形而下的世界，我们希望科学知识，也就是所得到的命题，具有一定的普适性——换一个人来做这件事情，换一个相同甚至相似的场景，我们的命题都能够用到这里，也就是出现的结果都差不多。你想，对于这样的一个要求，难道你不要求科学知识科学命题都被实验检验一下吗？难道你不希望逻辑上得到这个命题的过程，无论谁来做这个计算推导，都是成立的吗？难道你不希望这个命题的含义，无论谁写出来的，都是相同的都是明确的吗？如果你有这个希望，你自然就会坚持要对命题做系统性的实验检验，要坚持用没有歧义的可计算的语言——这样的语言就是数学——来表述命题和得到命题的逻辑过程。
因此，千万不要说，科学是一套来自西方的学术标准体系，我们有权利选择是否遵循这套标准。科学不过就是用数学建模计算推理、实验检验、系统化这样的方式来讲道理。任何现在或者将来具有指导实践的可能的命题，也就是任何关于形而下（可测量的，有具体形态的）的对象的命题，都必须讲道理，都必须遵循科学方法和科学精神。
尽管科学方法和科学精神从诞生出来以后就没有太大变化，但是，随着科学研究的发展，如果有一天新的科学方法和科学精神诞生了，那我们可以继续推动科学方法和科学精神的发展。一旦它们得到了发展，那么，新的科学知识被创造出来的可能和速度都会大大提高。所以，我们也要在做好具体科学研究的同时，时时刻刻关注从具体科学研究工作中提炼科学方法和科学精神。
人类之所以能够做科学研究的协作，甚至跨越时代的接力协作，之所以可以用每一个个体的有限的能力和经历来认识纷纭复杂丰富多彩的世界，就是因为我们有了科学方法和科学精神。科学方法和科学精神保证了我们每一个理论上的进步确实都是进步，因为每一个理论模型都需要接受实践的检验；科学方法和科学精神保证了我们每一个理论所表达的意思都是明确的可操作的，因为每一个理论模型都是用数学语言描述的；科学方法和科学精神保证了我们每一个现象和对象上的新发现如果挑战了理论模型则都会被严肃对待并且相应的新的理论模型被发展出来，因为科学家们往往会科学方法和科学精神珍惜这样的可能促进理论发展促进更好地认识世界的机会。
如果反过来，一个知识体系的命题的含义是模糊的，那么下一代研究者就可能需要花大量的力气对上一代研究者得到的命题的含义来作解释做猜测，把旨在理解世界的研究变成了企图理解上一代研究者的意思的研究；一个知识体系的命题是没有经过实践检验和逻辑上的严密的推导和计算的，那么下一代研究者也不敢把这样的命题当作下一步研究的基础，用它们来理解世界；一个知识体系的根本驱动力不是信对象和新现象，那么，这个知识体系只能从故纸堆里面去寻求新解释，而不是通过理解世界来获得经受了严密推理计算和实验检验的和已有知识做了系统化梳理融合甚至改造的新命题新知识。这种含义模糊的、保证不了严密的逻辑推理和实践检验的、走故纸堆线路而不是新对象和新现象的道路的任何的研究，最后，只能一代比一代更差，因为对于本来就含义模糊的故纸堆的理解，后来人肯定没有更接近这个故纸堆的人更加准确。这样还能有进步吗，这样还有人敢和能在前人的基础上做研究吗，还能更好地理解这个世界吗？顺便，这个问题在缺乏科学方法和科学精神的熏陶的中国人这里，特别的严峻。
因此，我们看到科学方法和科学精神，不过就是为了让理解世界的努力可以跨越同时代的个体，以及跨越时代，成为后来其他人研究的基础，可以最终促进人类更好地理解世界，而找出来的用来讲道理的方法和原则。科学不过就是讲道理，以这些个自然的和必要的方法和原则，仅此而已。不这样做，我们就保证不了科学知识可以用来描述和理解世界，我们就保证不了每一代的研究者在完成的是更好地理解世界的接力赛。
人类，以及一个个的人，以相比宇宙来说完全微不足道的历史和寿命，以及其有限的精力，做到了对这个接近无限的世界有了理解这个理解还能算出来一些这个世界将会怎样并且真的这个世界就将会这样的结果，这是多么伟大的奇迹啊。这个奇迹的背后，不过就是讲道理，用科学方法和科学精神来讲道理。“我思故我在”，或者说“我怀疑我的存在是我的存在的唯一可靠的证明”，笛卡尔苦恼一辈子找寻保证得到的命题是可靠的方法之后给后来人泄漏的天机就是，不要把任何没有经过我自己的理性检验——包含数学推导计算和实验检验以及系统化梳理（建议大家去读一读笛卡尔的《谈谈方法》）——的命题当作我进一步思考的基础，甚至我自己的存在也要去怀疑。科学，不过就是用人类的理性来讲道理。
