数学观察能力是数学概念理解、数学技能习得和数学问题解决中必不可少的能力。本文在梳理“数学能力”、“观察能力”、“数学观察能力”的文献后,根据信息加工理论与人类学习的生成模式,构建了“数学观察心理活动模式”。此模式将数学观察的心理活动区分为三个基本环节,(1)信息输入:接受并翻译新信息,调动已有的知识与经验;(2)信息整理:按照一定的分类对信息进行分类;(3)信息加工:连接进入更深层次的思维过程。基于此模式,结合具体案例,阐述了如何对数量关系、空间形式进行数学观察。依据此模式进一步分析,得出数学观察能力的差异主要是由接受信息能力、保持信息的能力、分类维度的品质的差异组成。针对目前研究者们采取的研究方法单一及因概念混乱而导致的问卷信效度不高的现状,对8位研究对象进行深入细致的分析和追踪,突出案例评价者的意见,进行案例和案例之间的比较分析,试图得到关于数学观察能力一般性的教育规律。