在近代社会，科学理性虽然被唤醒，但人们认识自然的观念或者说他们的自然观仍是自然主义的泛灵论宇宙观，并没有产生出一种新的自然观。这种泛灵论宇宙观认为：“心灵和物质，精神和肉体被看做不能分离的统一体；就每一物体而言，终极实在是其活的要素，这种活的要素至少在一定程度上带有心灵或精神的特征。所有的物质都是有生命的，宇宙中存在各种隐秘力，自然界的各种难以理解的力可用灵魂术表达出来，它是物体运动的原因。”随着牛顿经典力学的建立并获得巨大成功，新的机械论自然观产生了。它的基本思想是：“整个宇宙由物质组成；物质的性质取决于组成它的不可再分的最小微粒的空间结构和数量组合；物质具有不变的质量和固有的惯性，它们之间存在着万有引力；一切物质运动都是物质在绝对、均匀的时空框架中的位移，都遵循机械运动定律，保持严格的因果关系；物质运动的原因在物质的外部。”机械论自然观的确立，标志着人类认识自然的观念有了革命性的变革，即有机的、精神性的宇宙观念被物质性的、孤立的、线性作用的世界观念所替代。
伴随着自然科学的新发展和牛顿力学框架的突破，机械自然观被辩证的自然观取而代之。其基本内容是：“世界的存在是它的统一性的前提，但世界的统一性并不在于存在；物质世界的一切存在的基本形式是空间和时间；运动是物质的存在方式；宇宙是一个不断运动、变化和发展的过程，是一个相互联系、相互作用的整体系统；人是自然界的一部分，必须与之和谐统一。”辩证的自然观强调物质普遍运动发展和世界普遍联系的观点，展示出一幅更为真实的世界图景，更有力、有效地指导人们认识自然，同时它树立了人与自然之间正确的关系，指导人们正确地利用自然。随着相对论和量子力学的创立，信息科学和生命科学的深入发展，辩证的自然观得到了进一步的完善和丰富。具体地说，“世界是由关系网络组成的有机整体，整体先于关系物；部分之和不等于整体；世界的各组成部分之间存在内在关系；世界是动态有序——层创进化和自我超越；人类更大的意义与价值包含于自然整体的自组织进化过程中。”这是物质性的、有机的宇宙整体观，它勾画出一幅新的世界图景，必将有助于人类进一步深入探索自然。总之，随着科学的不断深入发展，人类的自然观也不断地发生重大的变革，而每一次自然观的重大变革都推动科学巨大而迅猛的发展，促进人类更为准确地认识客观世界，更科学地把握与自然的关系。
伴随着自然观的变革，人们认识自然的方法和手段也在不断发生着深刻的变化。在古代社会，人们认识自然的方法不仅很少，且很简单，主要有直觉方法、逻辑方法和数学方法。人们凭借这些方法去认识自然，并获得了一定的认识成果。但是，其缺陷是明显的，即造成认识对象的有限性，认识成果的肤浅性、零散性，甚至是错误的。如早期直觉方法通过理性直观而不是逻辑推理来直接察觉、把握事物的本质，并形成了一些天才的自然哲学认识成果和可贵见解。最著名的就是德谟克利特原子论的产生，它就是运用直觉方法得出的结果。这种方法的缺点也是一目了然的，就是以主观性想象代替逻辑推理，对事物的认识是或然性的、不完备的，甚至是粗浅错误的。再如古代逻辑方法以亚里士多德的逻辑方法为主，主要包括归纳—演绎法、“巴巴拉式”三段论以及科学是演绎系统的思想。基于这种思想和方法，欧几里得在《几何原本》中建立了数学史上第一个公理化的数学体系。不过，亚氏的逻辑方法无限夸大三段论的作用，偏重于演绎而轻归纳是其主要的缺陷。又如古典数学方法在古希腊很早就运用了，如毕达哥拉斯和柏拉图就把数学当做一种研究自然的方法，并实际运用于天文学和物理学。不过，由于在天文学上，人们把自由创造的数学模型强加给了天文现象，颠倒了认识的顺序，妨碍了对客观世界的认识。只有在物理学上，阿基米德借助于数学方法并结合实验研究提出了杠杆原理和浮力定律。
进入近现代社会后，人们在先前的基础上创新发展了认识自然的方法或者说科学方法，认识自然的方法也更加多样化、系统化、理论化和科学化，并且对它的认识达到了更加自觉的地步。认识自然的方法的变革促进了科学的革命，促使了科学的重大发现。一句话，没有认识自然的方法的变革，或者说革命性的变革，就不可能有科学的进步和革命。下面具体说说新的主要的认识自然的方法或科学方法。
科学实验即观察和实验，是认识自然或者说科学研究最基本的方法，也是主要的经验性方法。科学实验一般都要借助于一定的科学仪器和工具来进行，不过，观察仅仅针对自然发生条件下的自然现象，而实验却是人为地控制和模拟自然对象。科学实验的主要作用是证明某一理论或反驳假说。实验方法虽说古已有之，但真正有系统的科学实验却始于16世纪。随着生产的发展和科技的进步，科学实验逐渐从生产实践中分离出来，成为独立的认识自然的方法。自此后，科学实验的条件、手段，以及它的深度、广度、规模都不断在发生深刻的变革。
在17、18世纪，乃至19世纪，科学实验的条件还很简陋，规模也小。如法拉第发现电磁感应定律是在一节电池、几块磁铁和几根导线的实验条件下进行的。到了19世纪70年代，随着卡文迪许物理实验室和爱迪生“发明工厂”（实验室）的建立，科学实验的条件有了改善，规模也开始变大。进入到20世纪后，科学实验的条件得到进一步改善，科学仪器更加精密复杂，实验向着仿真模拟发展，实验规模更大，发展到国家乃至国际的规模。如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机是人类迄今建造的最大、最复杂的粒子加速器。它周长约27千米，位于瑞士和法国边境地区地下100米深处的环形隧道中，历时14年、花费55亿美元才建成，并有来自80多个国家和地区的7000多名科学家和工程师参与研制和数据分析。它有9300个种类不同、型号各异的磁体，其中15米长的双极磁体有1232个，5～7米长的四极磁体有392个。它一直保持在零下271.3摄氏度（1.9开氏度）的超低温环境下，这个温度比外太空的温度还低；内压是10－13个大气压，比月球上的压力小10倍。测量粒子经过时所用时间的精确度，大约是十亿分之一秒；确定粒子的位置时，精确度可达百万分之一米。功率达到最大时，质子流以每秒1.1245万次的频率急速穿行，其速度是光速的99.99％。功率达到140亿电子伏特时发生碰撞，每秒总共能发生大约6亿次撞击。2010年强子对撞机撞击的能量达到7万亿电子伏特，是以前世界纪录的3.5倍。
归纳和演绎方法也是科学研究中的基本方法和普遍方法。进入近现代社会，经过培根和笛卡尔各自的深入研究和努力推进，归纳和演绎方法得到了完善、发展，并成为科学研究者所普遍运用的方法。在科学研究中，“归纳方法就是从实验和观察的具体材料、实验数据出发，从中得出一般性和理论性结论的推理过程，这是一个逐步抽象的过程”。演绎方法则与之相反，“表现为从总体性质、共同本质性和一般规律推导出某一可观察事物的具体性质和特征的思维规律过程。”归纳方法在科学研究中具有重要的作用。因为许多科学理论都来自科学家在科学实验和实践中所获得材料的提炼和概括，特别是刚诞生的新兴科学，在其理论还不成熟完备时，更是需要依赖归纳方法来获得必要的理论性结论。至于演绎方法的重要作用就更不用说了。它不仅是科学解释的基础，而且是科学预见的重要方法。如鲍利根据能量守恒原理对β衰变中能量亏损现象作了一个推论预言，即β衰变中有一种未被发现的微小中性粒子带走了亏损能量。这种中性粒子就是1956年被发现的中微子。这证实了鲍利的预言。应当指出的是，归纳法和演绎法是两个方向相反的思维过程，不过，它们是紧密联系在一起的。
归纳方法是演绎方法的基础，又要以演绎思维作指导。
数学方法是科学研究的重要工具和方法，已经渗透于科技的各个领域，并且科技数学化已成为大趋势。数学是通过数和形的符号语言来研究客观世界，究其本质是定量化研究。进入近现代社会后，数学方法取得了长足的发展，由常量数学方法—变量数学方法—随机数学方法—模糊数学方法演进。特别是进入20世纪，数学方法的发展更快了，产生了概率论、拓扑学、数理逻辑、信息论和突变论等。数学方法在科学研究中的作用显著增强：首先，为科学研究提供定量分析和计算方法。一门科学能否利用数学方法来进行定量分析和理论计算，是其成熟与否的标志。且不说如今自然科学数学化趋势明显，就是社会科学也普遍运用数学方法进行定量分析和理论计算，以此来提高社会科学的研究质量。同时，理论计算在科学发现和科学预言中发挥重要作用。如冥王星和海王星的发现即是如此。其次，为科学研究提供简化模型。科学家借助于数学语言把科学实验中获得的数据加以提炼，建立关于对象系统的简化模型，有助于科学家更清晰地认识复杂现象的内在联系，发现自然规律。同时，数学研究往往能创造出新的世界观念和数学模型，导致新的科学理论和科学发现的产生。最后，为科学研究提供形式化语言和公理方法，有助于建立科学的理论体系。数学语言在形式上简明扼要，往往表现为公式、方程以及几何图形等。因而，它成为科学内容的重要表达方式，以至于自然科学的定律大多运用数学公式来表示。这些命题和公式又通过逻辑法则加以证明，并通过公理方法把它们组织成一个严密的逻辑体系。
随着对机械自然观的超越，局部的、静态的和片面的形而上学方法逐渐被整体的、动态的、对立统一的辩证思维方法取代。辩证思维方法强调对事物内部本质的必然的联系的研究，用矛盾分析的方法把握事物，用量变和质变、否定之否定的观点看待事物的运动发展，以及要求在研究中做到逻辑和历史相统一，从抽象上升到具体。辩证思维方法是从哲学层次阐明了如何认识自然，因而对科学研究具有重要的方法论意义。而系统思维方法则相当程度上是把辩证法科学化、定量化了。“它是以事物整体性和系统性为基本思考模式，对事物进行要素、联系、结构信息等分析和合理综合，再通过有目的的合理选择创造性地解决问题的思维方法。”换而言之，系统思维方法就是选定恰当的问题系统，建立模型，并运用系统科学的理论和技术来解决问题的思维方法。系统思维方法已在科学研究中普遍运用，种类很多，常用的有系统分析方法、功能模拟方法、黑箱辨识方法、反馈方法和系统动力学方法等。如系统分析方法产生于20世纪四五十年代，是在解决一些复杂的、存在相互作用的非线性系统过程中形成的。与传统分析方法和还原论相比，它除注意系统中要素的分析外，更注意要素联系的分析。
这为传统分析方法所忽视，也是其一大缺陷。它由目标分析、系统条件分析、建立模型、方案选择和运行评价五部分组成。其中模型建立的方法又有修正法、同型模拟法、综合法等。再如反馈方法和系统动力学“从系统原理上看都是对‘相互作用’这一基本概念的研究、深化和运用，是对自然中的有机性、动态性和复杂性问题的研究”。逻辑型知识占据主流地位的另一个具体表现是，认识的深度和广度在不断拓展，科技发展的速度在不断加快，并都发生了质的变化。
在近现代社会，人类的理性被唤醒，认识的领域开始增加，开辟出天文学、力学、数学、解剖学、生理学等科学领域。这一时期，科学虽然获得了独立的地位，但认识的深度和广度还比较有限。伴随着神学思想在各个领域不断被清除，人们认识的领域不断增多，深度不断在加深。被誉为“科学的世纪”的19世纪已经形成了以物理、化学、生物、天文、地理和数学为基本分支的自然科学体系。到20世纪初则发展到600门学科。目前学科总数已有6000多门。这充分表明人类认识自然的深度和广度在不断拓展，并达到了一个前所未有的地步。总之，目前人们认识的领域或者说科学研究的领域正从宏观向微观深入，向宇观扩展。
从深度看，人类对微观领域的认识已深入到小于10－19米的基本粒子内部，对宇观领域的研究则拓展到距地球150亿光年之遥的宇宙空间。对极限状态的研究逐步逼近，超高温、超低温、超真空、超导、超微、超强磁场、彻底失重等方面获得很大的进展。从广度讲，从夸克、基本粒子、核子、原子、分子、生物大分子、细胞、生物个体、生物圈、地球、太阳系、星系、星系团和总星系都进行了全方位的研究。
同时对自然界不同层次之间的过程、结构、功能、联系、演化及转化的诸多方面规律都进行了探索。科学技术发展的速度在不断加快，尤其是当代科技发展呈指数增长的趋势。