瑞士心理学家皮亚杰将儿童从出生后到15岁智力的发展划分为四个发展阶段。形式运算阶段(12-15岁)处于皮亚杰所划分的儿童认知发展阶段的第四个阶段中。在此阶段，儿童可以在头脑中将形式和内容分开，可以离开具体事物，根据假设来进行逻辑推演的思维。皮亚杰用现代代数中的群、格等逻辑结构来刻画形式运算思维。

皮亚杰认为在青少年期，从具体运算到形式运算之间存在着一个质变。在具体运算思维阶段，儿童习惯于解释具体的客观事物和事件的改变；而在形式运算思维阶段，儿童习惯于形成并修正自己的想法（Piaget，1972）。形式运算思维的主要特征就是能够区分现实性与可能性。例如，在寻求一份兼职工作的时候，青少年可能会考虑他希望干多少个小时、搭载什么样的交通工具去上班、理想的工作类型以及自己能胜任什么类型的工作。他们会形成对工作的某种设想，一部分是基于他们的理想，一部分则是基于他们的认知，而当他们得到有关该工作的新信息时他们还会据此修正自己的计划。

形式运算思维的一个重要特征是，它能对事件提出假设并进行解释，然后形成一个符合逻辑的假说。皮亚杰和美海尔德设计了著名的钟摆实验来验证儿童假设检验理论的形成。他要求被试找出是哪个变量或哪些变量联合作用共同影响了钟摆的摆动速度，有四个变量分别是钟摆摆动的高度、钟摆的重量、摆绳的长度、摆动所受外力的大小。为了解决这个问题，被试不得不把每一个变量分离出来，在保持其他变量恒定的前提下，只考虑这一变量是否能够改变钟摆的摆动速度。结果发现，除了摆绳以外的其他变量都不能改变钟摆的摆动速度。处于具体运算阶段的青少年不能分离出这四个变量，他们不能在其他变量保持不变的情况下只改变一个变量，经过一、两次尝试后他们就都放弃了。比较而言，处于形式运算阶段的青少年则能够从多个变量中分离出一个变量，考虑这一变量在整体中的作用（Inhelder&Piaget，1958;Flavell，1963)。

在形式运算阶段，个体会出现6种概括性特点，每一种都对青少年如何解决人际关系问题、如何制定个人的计划和目标，以及如何进行数据处理和科研推理起着一定的影响作用。第一，青少年能够同时对超过两种以上的变量进行处理。例如，他们在做旅行计划时可以同时考虑到速度、距离和时间之间的关系（Acredolo，Adams，&Schmid，1984)。他们可以从多个角度出发来解释自己的行为，在其他事情上也能从多个方面进行考虑。第二，他们也能够考虑到事情的发展和变化。例如，他们能够意识到自己和一些朋友的友谊也许不会保持很久。第三，青少年能够对可能发生的事件进行逻辑性的假设。例如，他们能够理性的选择学校或工作，他们能够依照他们平时的学业表现及能力判断什么样的学校或职位会接纳他们。第四，他们能够对自己的行为结果做出适当的损期。例如，当离开学校后，他们适合从事哪些工作。第五，他们有能力査明事物的内部一致性或逻辑联系，他们能够通过寻找支持或反对意见来验证事物的真实性。当认知对象出现内部矛盾时，他们会对此感到困惑。例如，虽然宣称在法律面前人人平等，但现实却是有钱人可以请到更好的律师，获得更好的辩护和礼遇，甚至有时可以影响到判决的结果。第六，青少年能够客观的分析他们自己、他人及他所处的环境。他们知道社会和他人期望自己做什么，同时也能认识到在另一种家庭、社区和社会文化背景下，可能对相同的行为有不同的社会规范要求。因此，青少年总是有意识地表现出某种行为或态度，以便使自己在这种社会文化背景下被人们接纳。而与此同时，人们通常更容易接纳来自不同文化背景下的人，因为他们能够意识到这个人的行为是另一种社会文化和规范下的产物。

以上这些青少年行为特征更多反映的是他们行为的一种可能性而非典型性。大部分青少年或年长一点的人在解决日常生活中的问题时，大多会采取一种具体可行的行为方式。然而在条件允许的情况下下，青少年进行信息处理和获取知识时，也可能会表现出更为抽象化、系统化的思维品质（Fischer，1980；Eckstein&Shemesh，1992；Fischer，Bullock，Rotenberg&Raya，1993)。

一些环境因素可以促进青少年形式运算思维的发展，并可降低他们自我中心主义的水平。首先，青少年早期的个体面临着一系列角色关系所提出的既相容又矛盾的要求。这些角色关系常是指自己身为儿女、工人、学生、朋友、约会对象、信奉宗教者和公民。他们所承受的最直接的压力就是多种期望对他们行为的要求。身兼多种角色有利于他们形式运算思维的发展，因为他们必须在决策时考虑到自己的多重身份并进行多方面的权衡(ChandlerBoyes，1982)。

其次，影响形式运算思维的第二个环境因素是青少年所参加的各种不同性质的团体(Looft，1971)。随着儿童年级的不新升高，他们会遇到更多来自于不同家庭和社会背景的同学和朋友。在与这些朋友交往的过程中，他们会认识到自己对未来的预期与这些朋友的可能存在着很多不同之处，并进一步意识到他们当前所保持的价值观是由自己的家庭及社会背景的影响而形成的。青少年可能会在讨论与同伴相关的事物或在恋爱关系形成的过程中使用形式运算技能，因为这些都需要大量的假设和检验。

第三，使认知技能加速发展的第三个因素是高中的课程。一些课程像科学、数学和语言可以帮助学生们建立与世界的逻辑性纽带并帮助他们形成假设检验的思维模式。美术和人类学则帮助他们形成自己的世界观及丰富他们的心理表征。根据加德纳的多重智力模型，视觉艺术可以帮助个体空间智能和创新精神的发展。中学所创造的更为复杂多样的学术环境可以使学生形成慨念的技能得到极大的发展（Kuhn，Amsel，&Oioughlin，1988；Linn，Clement，Pulos，&Sullivan，1989；Adeyshayer，1993）虽然学校生活可以提高个体的形式运算思维能力，但也并不是所有的在校经历都能同样有效地促进个体的抽象假设推理能力。凯廷（Keating，1990)发现能够对认知发展有帮助的在校经验皆具有如下特征：

学生需要使用有意义的学习材料；对思维技能的训练也必须穿插在对学科知识的学习中，因为单纯孤立的获取知识无法达到知识输出的目的。深人并持续的解决实际问题也是很有帮助的。学生必须有意识地培养批判性思维，并认识到这是一种值得珍惜的天赋而不仅仅是一项技能。有时这些因素很容易出现，但是可能具有特殊性。例如，当学生有幸能和具有逻辑头脑并能提供具有建设性意见的导师一起完成某个项目时。

刚结束青少年早期的个体不可能成为一位真正的科学家或是具有深远影响的哲学家，因为青少年的形式运算推理能力尚未成熟，还不能深入而全面地理解某一专业领域。然而，在这一时期个体认知发展的机会非常多，青少年能够自己得出具有创新性的结论并将其应用于当前所面临的桃战之中，也可以在问题解决的过程中更加客观地看待问题，并能够对自己的心理活动有更深入地了解。