在现代社会，我们很多时候需要根据不确定或变化的复杂数据做出一系列的判断和抉择，这个时候就需要用到批判性思维（critical thinking）。批判性思维的概念可追溯到约翰·杜威（John Dewey）的“反省性思维”：能动、持续和细致地思考任何信念或被假定的知识形式，洞悉支持它的理由以及它进而指向的结论。科学教育的一个核心目标就是使学生能够对数据和模型进行批判性思考。
然而，现有教育体系一直未能有效地培养学生的批判性思维。哈佛大学前校长德雷克·博克(Derek Bok)曾在大量实证研究的基础上，考察了美国大学生取得的进步与本科教育目标之间的差距，他得出的结论发人深省：虽然大多数学生在很多重要的方面都有收获，但是在写作、批判性思维、数理能力和道德推理等方面的能力还远未达到期望的水平。
同样地，著名的钱学森之问也对中国教育提出质疑：为何我们的大学培养不出“大师”？为何我们的大学培养出的拔尖创新人才如此之少？也许，德雷克·博克已经给了我们答案：我们的大学教育，不仅缺少教育目标，还缺少教学方法，更缺少懂得使用先进教学方法的师资力量。要培养创新型人才，必须谈批判性思维能力；谈批判性思维能力，则必谈教学方法的改革。
已有的科学研究表明，批判性思维能力的习得是一个非常困难的过程。一般说来，在接受高等教育的过程中，学生批判性思维的习得分为两类：直接习得与间接习得。前者指学生经由专门的批判性思维课程而获得批判性思维的过程，内容包括逻辑学、思辨、科学方法论等；后者指学生经由具体课程的学习实践以及合作讨论而获得批判性思维的过程。
研究指出，科学家进行批判性思维时会进行一系列的重复对比和基于对比的决策行为：将新获得的数据同先前的数据及模型进行对比，然后根据对比的结果来选择相应的分析工具进行数据分析。这些行为的累计将逐渐提高数据质量并改进实验模型。
三位研究者表示：“我们并非不切实际地要求大学一年级的新生就可以进行复杂的思考过程，但我们可以通过简化科学家们的决策过程，来训练学生们学习科学家的思维方式。”首先需要实现批判性思维过程的透明化，向学生展示这个思考过程如何帮助他们学习和探索；当然，仅仅向学生展示批判性思维的过程远不能够让他们学会应用。学生们必须通过练习和实践参与到这个过程中，并且这种练习和实践应当辅以一定的目标反馈进行重复。
研究者们选择了一所研究型大学物理专业的一年级和二年级学生，在他们的物理实验课上进行了为期十七周的两组对照实验。实验组的学生被要求反复多次地将数据同理想数据进行对比，反思自己所获得的数据能够如何提高，并且对实验模型做出判断和可能的改进，做到的学生将会获得额外加分。
在学期刚开始的第二周和学期末第十六、十七周的三次抽样结果显示经过一学期的对比—分析—决策流程的反复练习之后，到学期末即使没有要求和指导的情况下，实验组的大部分学生中能够主动反思自己的实验数据质量，并寻求改进的方法，而不是像传统对照组里的学生那样简单地将实验数据的低质量归因于测量误差和实验仪器精度不够。
学生对外部知识高效接收、合理分析、全面总结的能力是培养批判性思维的重要内容。对比—分析—决策的批判性思维流程训练让学生能够对数据和模型进行自主独立的批判性辩证思考。这种自主能力和信心的培养对学生未来能否在科学研究中自主地改善模型将会起到至关重要的作用。