科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。
它是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。
不难看出，物理学科核心素养中对科学思维的定义包含了分析综合、推理论证，基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正等，这些都是批判性思维所强调的。批判性思维要求能够基于事实证据进行科学推理，并能对不同观点和结论提出质疑，结合论据进行科学论证，批判、检验和修正结论，强调不盲目地接受，也不盲目地否定。这也正是科学精神的体现价值。
物理学科教育的过程本质上就是提升学生科学思维品质的过程，科学领域中的思维过程涉及建立模型、假设推理、设计实验、采集数据和分析、处理和解释等阶段中的认知过程，如归纳、演绎、类比和问题解决这些要素，反映了科学思维是以科学知识经验为中介，体现为对多变量因果系统的信息加工过程，而对多变量系统进行信息加工离不开批判性思维中的分析、推理、评价、解释等诸要素，可见，批判性思维是提升科学思维不可或缺的工具。
此外，在物理学科问题解决的过程中，无论是推理还是综合，都需进行主动的思考，并以冷静客观的态度对外在信息加以厘清、辨别、假设及验证，这种理性、虚心的态度与心灵特质，正符合批判性思维强调的心胸开阔的物理学科能力与质疑精神，所以批判性思维强调的气质倾向是科学思维的重要运作基础。
