科学思维方法，作为形成于并运用于科学认识活动的、对感性认识材料进行加工处理的方式与途径，是人类实践活动的产物，每一种科学思维方法都经历着产生、发展与演变的历史过程。恩格斯曾经指出：“每一个时代的理论思维，都是一种历史的产物，它在不同的时代具有完全不同的形式，同时具有完全不同的内容。因此，关于思维的科学，也和其他任何科学一样，是一种历史的科学，是关于人的思维的历史发展的科学。”由各种科学思维方法所组成的科学思维方法系统也经历着历史过程的演变，即由古代的直观—思辨，到近代的实验—抽象，再到现代的思辨—具体，这种演变过程既呈现出历史阶段性的特点，同时也愈来愈走向科学性。
人类思维经历了一个由具体到抽象的发展过程。在原始社会所产生的人类原始思维是以感性认识为主，它的最大特点就是具体性和直观性，那时的人类还没有形成抽象思维的能力。进入古代社会，人类的思维比起原始社会有了很大发展，并有了和原始思维不同的思维特点。有文字记载的中国人关于方法的论述，可追溯至公元前8世纪的西周时期。西方国家关于思维方法的最早、最高的成就，大约产生在公元前7世纪到公元前3世纪的古代希腊。当然，无论是在中国还是在西方国家，古代的科学思维方法都具有直观—思辨的特征。
（1）中国古代的直观—思辨的思维方法
我国西周时期的阴阳、五行、八卦等学说，虽然有许多直观猜测或非科学之处，但其中确实包含有朴素的辩证思维方法。“五行学说”，即世界万物由水、火、木、金、土五种要素组成，五种元素相生相克。“阴阳说”认为，阴和阳的对立统一，是天地万物运动变化的规律，事物生长、衰亡的本质，也是人们认识事物的开端。“八卦”说认为，“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦”，世界万物的变化都是由阴阳的不同排列所导致的。这些思想不仅在相当长的一段历史时期内极大地影响着中国人思维方法的发展，而且影响着中国的科学技术尤其是医学、数学和天文学等的发展。
春秋战国时期是我国思想史和科学技术史上一个光辉灿烂的时期，思想和科学技术的发展，促进了思维方法的发展。当时的许多思想家如惠施、公孙龙、墨子和后期墨家、荀况、韩非等人都探讨过思想方法领域的理论。孔子提出过“举一隅而以三隅反”、“闻一而知十”等类比的方法。老子、庄子看重直觉思维、要术冥思以直接领悟宇宙的根本或宇宙之“道”。荀子主张类推与“解蔽”，以端正思维而求得真知。墨子注重实际应用与验证的经验方法，以其为代表的墨家学派提出了“明故”，即分析因果与条件关系，以及“察类”，即明确种类关系等思维方法。墨子及其后人所著的《墨经》系统论述了概念、判断、推理等各种思维形态，明确提出“以名举实”（以概念反映事物及其属性）、“以辞抒意”（用判断展现人的认识）、“以说出故”（提出论说的理由和根据）等逻辑思维方法，同时还对思维规律的基本内容做了明确规定。
（2）西方传统学术思维模式
古希腊时期所形成的科学思维方法，成为现代科学思维方法的源头。德谟克利特、苏格拉底等人分别研究过辩证法、演绎法、归纳法和类比法等多种思维方法，亚里士多德更是这一时期较系统研究科学思维方法的代表性人物。
第一，苏格拉底的神学目的论思维。
苏格拉底的神学目的论思维是西方思维方式史转折的重要里程碑，直接影响到柏拉图等人的思维活动方向，其对神的地位、作用的确定，打开了神学信念的第一扇门。
苏格拉底批评古希腊那些勇于探索的思想家们，认为他们的思维活动并没有回答出世界和事物的真正本质，他主张应该思考和回答的是为什么生成一种事物，为什么能够生成一种事物。苏格拉底提出，万事万物的存在和发展都在努力追求完满原则，这个原则的支配力量是神的目的。神的目的和神的力量才使世界万物如此协调，如此完满，成为有秩序、有意志并不断趋于完好的过程。
苏格拉底认为，“善”是做人的第一准则，至善就是使主体行为趋向于美好和道德。他根据神学目的论提出，世界万物之所以和谐统一，由低级向高级发展，最根本的原因在于神支配下的“善”原则的作用。
苏格拉底的神学目的论和至善原则使人的思维方式由观察客体转向内省主体，由自然界转向人群社会。这个转折更新和扩展了思维活动的领域，成为柏拉图理念反省思维最贴近的理论前提，并直接影响到与柏拉图同时期的小苏格拉底派。他们都继承了苏格拉底的目的论思维和至善原则，并在更精细的思辨中为神学信念作出论证。
第二，亚里士多德的逻辑推理思维。
亚里士多德是古代知识集大成者，也是逻辑推理思维形式的开创者，被西方思想家称为“逻辑之父”。
①亚里士多德研究了思维范畴的运动
西方传统思维模式的基点是从“范畴”开始的。亚里士多德在《范畴篇》中提出了10个基本范畴：实体，数量，性质，关系，地点，时间，姿态，状况，活动，遭受（即“被动的姿态和状况”）。根据这些基本范畴的构成要素，人们可以对客观存在的各种事物，进行规范的界定和划分，使之形成准确的、人们可以约定俗成的“概念”，例如人们根据研究对象的性质和状态将它们确定为：“物质—精神”、“时间—空间”、“运动—静止”、“自然—社会”、“战争—和平”、“正义—邪恶”等等。亚里士多德的这种分析无疑更加全面地反映了人的思维内容、过程及其与外界事物的一致关系。概念定义的精确程度和划分的细密程度，通常标志着人们认识的层次和研究的水平。依照亚里士多德学派的逻辑方法，在把握精确的概念之后，人们要严格按照符合“同一律”、“排中律”和“矛盾律”这三个基本的逻辑规律，对事物进行前后一致的、非此即彼的、真实准确的判断。再运用这些正确的判断进行推理，最终得出科学可靠的、具有说服力的结论。
②亚里士多德分析了推理思维的结构层次
亚里士多德首先提出，具体事物是真实的存在，也是人们探索和思维的对象。为了认识事物，要依靠感觉经验去熟悉事物，感觉是思维活动的基础和依据。但是感觉不能找到事物的性质、原因、存在和发展的必然性，只有在感觉提供的材料基础上借助理性思维才能从个别深入到一般层次，形成科学知识。其次，他把思维中的理性分为被动理性和能动理性两部分，提出被动部分和感性知觉相联系负有感性批判的职能。这种从个别到一般的处理过程，就是思维中对个别现象的归纳过程。能动理性与被动理性是形式与质料、潜能与现实的关系，正是能动理性的作用使潜在于客观现象中的本质暴露出来并被思维所把握。
③亚里士多德初步概括了思维推理活动应当遵循的逻辑规律
在《形而上学》一书中，首先亚里士多德认定，事物都有其确定性—质的规定性和量的规定性，故而才能各不混淆，所以主体思维活动也不能自相矛盾。他认为，任何事物都不能同时存在又不存在，不能同时是“是”又是“非”。其次，因为事物都有其确定性，所以在同一时间的相应关系下，具体事物或者存在，或者不存在；或者有某种属性，或者没有某种属性。只能在两种可能中具备其一。这就要求在思维过程中也必然要选择其一，不能出现中间判断。再次，亚里士多德也对思维的同一律原则做了阐述，他要求思维概念必须有自身的和确定的含义，不可以用同一概念混指多种事物。他着重驳斥了克拉底鲁以事物变化为理由的诡辩思维。亚里士多德的可贵之处在于，他对思维推理活动原则的揭示是以客观事物为依据的，他处处把主体之外客观事物的存在及其运动与主观思维活动联系起来、统一起来。
④亚里士多德的三段论演绎推理
亚里士多德进行推理的模式，就是著名的“亚里士多德三段论式”。三段论式由大前提、小前提和结论三个部分组成，只要大前提和小前提都真实，而小前提和大前提又有直接的联系，结论必然也是真实的。
面对真实是学术推论的基本态度和本质方法。真实是一切科学的出发点，辨别真伪也就成了学术工作者最起码的能力。西方传统逻辑思维方法的开创人苏格拉底同自己的辩手埃弗奇进行的一场“关于正义”的推理论辩，生动地表现了逻辑思维对人类认识和思辨所产生的磨砺功能。
苏格拉底：欺骗属于哪一类？是正义的呢，还是非正义的？
埃弗奇：一切欺骗都是非正义的，即一切欺骗都不是正义的。
苏格拉底：好！照你所说，一切欺骗都是非正义的，那么，两军对战，兵不厌诈，战略家设计骗过自己的敌人是正义的呢，还是非正义的？
埃弗奇：（无言可对……）
这种逻辑推理方式，就是西方传统学术思维中最基本和最主要的思维模式。西方古代和中世纪的哲学、数学、天文学、生物学等学科门类的知识，大多都与这种思维模式的逐层推导密切相关。
古代社会随着古代科学技术的产生与发展，相应地形成了古代的科学思维方法论，即古代形态的经验方法论和理性思辨方法论，这两种方法论也是现代科学思维方法论的两个主要历史渊源。当然，古代的思维方法普遍带有朴素直观和猜测性质，正如恩格斯所指出的，这时的“辩证思维还以原始的朴素的形式出现”。因为这个时期，人类的生产发展水平和科学水平都很低，这就使得这个时期的思维方法缺乏足够的科学根据，只能主要依赖于演绎逻辑的推导与直观素朴的思辨。
近代科学思维方法的重大进步是从14世纪末15世纪初开始的，是在突破西方“黑暗的中世纪”神学束缚与中国古代重儒学轻科技的影响而发展起来的，它一开始就带有实验与抽象相结合的特点。
在欧洲中世纪，由于教会的野蛮统治，各门科学成了神学的“婢女”，西方科学发展处于长期的低潮，科学思维方法如同科学技术一样发展十分缓慢。而这个时期的中国，科学技术特别是天文、地理、数学、医学等各方面却都有了明显的进步，然而，由于伦理文化的显赫地位，历代朝廷轻视科学技术，科举取士崇尚儒家经典，知识分子远离科学技术，使中国在这一时期未能系统总结和创建科学思维方法。
随着近代实验—抽象为特点的科学研究方法的成功，以实验—抽象为特点的近代科学思维方法应运而生。如牛顿在在巨著《自然哲学的数学原理》中总结的“哲学中的推理规则”有4条，每条都体现出只有在实验基础上进行归纳抽象才能得出普遍原理，其中第4条规则明确强调：“在实验哲学中，我们必须将由现象所归纳出的命题视为完全正确的或基本正确的。”他还多次指出，物理学原理来自实验所观察的现象，再通过归纳使之成为一般。
（1）培根的唯物主义经验论
弗兰西斯·培根是近代实验科学思维模式的开创者，被马克思称为“英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖”。他在《学术的进步》和《新工具论》两部重要著作中，阐明了唯物主义经验论的基本观点。培根以“知识价值论”作为唯物经验论的基石，他把通过人类“经验提纯”式的知识更新，作为推动科学“伟大复兴”的基本动力。为了实现这个目的，培根提出“假相说”，指出人们的主观认识偏离客观事物真实的可能性，以及由此带来的认识的片面性。他还根据语言文字约定俗成的特性，推及语言表层意义和概念本质不相吻合、甚至相互背离的可能性，从而揭示出宗教、神学和一切唯心主义的谬误根源：它们在于凭借臆造的虚幻世界来取代客观真实的世界。
培根不仅重视感性经验在认识中不可替代的作用，同时也强调感性认识同理性认识的验证与结合，指出感性与理性二者的背离是人类认识的重大灾祸。培根以创立新的认识方法为己任，积极倡导通过实验手段获取真知的方法。他认为实验比感性更客观，因为，在实验技术和条件的干预下，人们可以把观察对象从复杂的群体联系中单个地抽样出来，使事物的因果联系更为纯粹地显露出来。正是在这个意义上，培根提出了“知识就是力量”的著名论断，只要人们真正认识自己的力量，并且不断通过实验来了解和把握自然规律，人类就可以获得更多的东西。
对于培根在科学史上的杰出贡献，马克思倍加赞扬，认为他所界定的“物质”，“带着诗意的感性光辉对人的全身心发出微笑”；他不愧为“英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖”。
在具体的实验方法和思路选择上，培根提出了科学而具体的主张。在《新工具论》中，他批判了西方传统学术思维模式中以演绎为主体的“三段论式”，认为这种方法只求在争辩中制胜对手，而不注重在行动中征服自然。他强调归纳法的科学意义，认为必须用观察和实验方法最大限度地收集材料（完全归纳），采用三表法（具有表、缺乏表、程度表或比较表）分析实验数据，排除一切非本质的因素，最终得出实验的真实结果，为人们把握自然提供本质的认识。他教导科学实验者，既不要做只会收集材料的蚂蚁，也不要做只从自身吐丝结网的蜘蛛，而要做既采集又加工的蜜蜂。
（2）洛克的“二重经验”归纳
英国人约翰·洛克是继培根之后，深入探讨经验归纳思维方式的思想家。就思维活动的方向和内容看，洛克是近代把人的认识能力和确定知识范围作为研究中心的第一人。在《人类理智论》一书中，他针对剑桥柏拉图学派的先验论和笛卡儿的理性演绎思维，系统阐述了具有唯物主义倾向的经验论，并显示出其经验和理性并重的思维方式。
第一，归纳思维方式基础的“经验二元论”。洛克认为，我们的思维器官—心灵原本是一张白纸，上面没有任何文字、观念，也没有什么上帝意识；没有天赋的思维原则，也没有天赋的实践原则；一切思维活动的根据都是后天经验刻画在上面的记号。洛克进一步分析说，形成思维基础的经验分为两大类：一类是外部经验，即由客观事物作用于感官引起的感受反复，如色、味、声等。这是认识的巨大源泉，我们理性知识的大部分来自外部经验。另一类是内部经验，即心灵反省自身活动时得到的各种观念，如知觉、怀疑、信仰、推理、意愿等。感官感受经验和心灵反省经验都是思维活动的根据、新知识的源泉。
第二，思维加工是经验升华为新知识的途径。洛克重视经验但却没有把思维活动停留在经验上，而是论证了从感觉经验到新理性知识的途径和必然性。他认为，任何知识都是在人的经验能力和理性能力共同作用下形成的。经验能力提供了知识素材，而理性能力则将这些素材归纳概括为新知识。
培根、洛克等人的实验科学思维方法，为近、现代实验工作者提供了崭新的思维模式。直到今天，“由实验室中对实验数据的对比分析形成结论→通过实验方式和设备功能的逐步放大→最终再按实验放大结果投入工厂生产，使之转化为巨大生产效率”的方式和模块，仍然在现代工业生产中起着核心和支配的作用。
近代实验科学思维模式对自然科学和生产领域所起到的无可比拟的推动作用，是任何人也否定不了的事实。马克思、恩格斯在《共产党宣言》中曾经指出：“资产阶级在其不到一百年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时代创造的还要多，还要大。”从严格意义上讲，这种生产力的飞速发展，正是源于“知识就是力量”的预见，源于实验科学思想对大机器生产的推动。从这个意义上肯定实验科学思维模式对人类社会生产力的巨大影响，是恰如其分的。
以“万有引力定律”的发现为例，我们可以看到西方近代实验科学思维模式的突出特征。按照我国古代“天圆地方”的观念，苹果总是从上往下掉，没有什么可以“发现”的。牛顿则不然，他知道天体运动的基本空间关系，知道大地是个巨大的圆球体。所以当他思考地球上各地区“苹果下落的受力情况”时，就非常自然地想到了“地心引力”。如果按照“天圆地方”的思维模式，是永远也得不出这个科学结论来的。
在近代实验—抽象思维方法的长足发展之期，数学以及演绎思维方法也有了较好发展。17世纪，耐普尔提出了对数计算法，笛卡儿创立了解析几何，牛顿、莱布尼茨分别创立了微积分。随着数学的发展，数学演绎方法也越来越成为人们认识自然和进行思维的重要工具，尤其是笛卡儿竭力推崇演绎方法甚至加以片面夸大。这一时期，数学方法的作用不断更新，它为科学实验方法提供了定量研究的有效工具，并且成为牛顿等人进行抽象论证和推理的重要方法。
当然，这一时期的思维方法是有其局限性的。除了将归纳思维方法与演绎思维方法互相排斥与割裂之外，实验—抽象思维方法本身也具有机械的、形而上学的弊端。思维方法的这一弊端是与当时的科学方法的局限性紧密相连的。当时，分门别类的研究方法以及力学研究是主流，所以人们就习惯于用分割的方法与力学的方法去思考、去看问题，不是把动物和人看做机器，就是认为“动者恒动，静者恒静”，伟大的物理学家牛顿也认为时间、空间都是永恒不变的，进而得出运动的最终原因是来自上帝的第一次推动的错误结论。
近代西方的形而上学的研究方法在历史上起过积极作用，被恩格斯称为是近代“400年来在认识自然界方面获得巨大进展的基本条件”，但是，“这种考察方法被培根和洛克从自然科学中移到哲学中以后，就造成了最近几个世纪所特有的局限性，即形而上学的思维方式”。
现代科学思维方法，相对于古代思维方法的直观—思辨特征与近代思维方法的实验—抽象特征而言，具有思辨与理性具体相结合的特征，彰显出辩证性、系统性、综合性、复杂性、开放性等特色。
现代科学思维方法是应现代科学发展的需要而产生的。恩格斯曾指出，到了19世纪，经验自然科学积累了庞大数量的实证知识材料，以至于在每一研究领域都有必要系统地整理和认识这些经验材料，同时，建立各个知识领域间的正确联系也就成为不可避免的了，因此，这时“经验的方法就不中用了，在这里只有理论思维才管用”。恩格斯在这里所说的理论思维是指辩证思维，“对现今的自然科学来说，辩证法恰好是最重要的思维形式”，“既然没有别的出路，既然无法找到光明，也就只好实行反转，……从形而上学的思维到辩证思维的反转”。
现代科学思维方法的辩证特性是在撕开近代形而上学思维方法的几个缺口之后逐渐形成的，在这个过程中，正如恩格斯在《自然辩证法》中所系统阐述的，除了康德的星云假说的辩证法打开了形而上学思维方法的首个缺口外，还表现出以下几个重要的方面：
在化学上，这时除了拉瓦锡的氧化理论、道尔顿的原子论之外，还有德国维勒的化学贡献。他用普通的化学方法，从多种无机物中合成了一种有机物尿素；他还证明了许多有机物与无机物有着相同的化学成分，从而否定了有机物和无机物不可逾越的观点。
在地质学上，当时欧洲发掘了大量不同时代的古生物化石。英国赖尔的《地质学原理》一书，以丰富的材料论证了地球地质的自然变化本质。
在物理学上，德国的迈尔、英国的焦耳等从不同的途径分别发现了能量守恒原理，证明了各种能量可以转化，自然界中整个物质运动是统一的。
在生物学上，德国的施莱登和施旺分别发现植物、动物的最基本构成单位都是细胞，这就便把植物和动物统一了起来。由于细胞的发现，有机体产生、成长和构造的秘密被揭开了。这时，生物进化理论也逐渐形成。达尔文的《物种起源》一书，揭示了生物由简单到复杂，从低级向高级发展变化的自然图景，阐明了有机界物种千差万别的原因。在人体及人脑的研究上，19世纪对人体的研究有了新的发展，对神经和感官的功能提出了科学的解释。同时，对人脑的机能也进行了研究，把人脑是思维器官的认识建立在科学的基础之上。
在新的科学方法纷纷打破形而上学思维方式的同时，一系列具有严密性特征的科学思维方法已逐渐成熟并被广泛运用。19世纪初期至中期，由于实验方法的科学性和精确性的大大提高，数学理性方法受到推崇，数学统计分析方法也被大量运用于对物理学、生物学等学科的研究中。同时，比较思维方法的运用，使比较生物学、比较解剖学、比较生理学、比较胚胎学等的研究普遍开展起来了。许多科学家自觉运用假说思维，并努力通过实验来论证假说，便科学发展的速度也大大加快。
在19世纪，黑格尔集德国唯心主义辩证法之大成，实现了辩证法、认识论与逻辑学三者的统一，提供了空前丰富的辩证法理论系统，其合理内核成为马克思主义唯物辩证法的直接来源。他认为，一切都是发展变化的，必须用联系和发展的观点与方法来思考问题，只有这样才能把握事物的本质。在具体的思维方法上，他认为把辩证法转变为认识方法，最基本是分析与综合的统一，“这个既是分析的又是综合的判断的环节，它应该叫做辩证的环节”。当然，黑格尔的辩证法，因其主要靠理性思辨而且又是以思维领域的概念运动代替事物运动的本质，而建立在唯心主义基础上，进而缺少了辩证法应有的彻底革命的批判精神。
马克思和恩格斯在全面总结和吸收人类自然科学的系列成就和扬弃了黑格尔唯心辩证法的基础上，创建了唯物辩证法这一崭新的科学世界观和思维方法论。马克思和恩格斯还在他们的许多著作中，对观察、实验、比较、假说等科学方法做过很多科学论述，特别是对归纳和演绎、分析和综合、历史和逻辑以及抽象和具体等辩证思维方法进行了深入的研究，并将这些辩证思维具体地运用在他们的科学研究中。
人类进入20世纪，相对论和量子力学的建立引起了物理学的巨大变革，由此也带动了各门科学的快速发展，科学思维方法本身也有了新的重大变化，它对科学发展的作用日趋显著。
这一时期，科学思维方法发展的显著特征是思维的思辨性与思维的具体性日益突出，具体表现为科学思维不断走向综合性、复杂性与开放性，与科学知识的融合更加密切。20世纪科学技术的发展呈现出研究领域日益广泛、深入，研究的整体性和综合性不断增强，研究方法的直观性和经验性程度减少而间接性和抽象化程度不断提高，研究手段愈加复杂精密等特征。科学发展的新特点给科学思维方法的新发展提出了要求，也提供了机遇。这时，科学思维方法中产生了爱因斯坦的“两面神思维”、量子力学的概率统计思维方法、系统科学思维方法、复杂性思维方法以及以数理逻辑为基础的计算机科学方法等。
当今科学思维方法与科学研究方法的联系越来越密切。例如，一般系统论、控制论、信息论、耗散结构论、复杂性系统科学、计算机与人工智能科学等既带来科学方法的巨大变化，也使科学思维方法有了全新的发展。当今科学研究中的思维方法日益显得综合性更强、复杂程度更高、开放性更灵活。此外，由于20世纪科学哲学的发展，科学方法论的研究已深入到科学理论的构建、评价与接受等各个环节，其中，科学思维方法也在这些环节中丰富和发展，不断形成新的科学思维方法。未来的科学思维方法体系将随着人类科学事业的发展更加丰富多彩。人类要想不断攀登科学的高峰，就需要不断创新、不断推进思想方法的先进性与科学性。