第五章 科学发现方法.ppt
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1、第五章 科学发现方法,科学问题 科学事实 科学事实发现的方法,科学认识作为人类探索自然界性质和规律的活动,是从提出科学问题开始的。科学问题为搜集科学事实活动提供指向,观察和实验是获取科学事实的基本方法和手段。,第一节 科学问题,科学始于问题 科学问题的结构与特征 科研选题,科学研究是不断提出问题和解决问题的过程。科学问题中既包含理论背景,也包含事实因素。发现、选择和分析科学问题是展开科学研究的前提,也是衡量科研人员能力和水平的重要标志。,一、科学始于问题,科学始于观察,来自观察,来自于对经验事实的概括和归纳。这种见解一直到20世纪30年代才遭到波普尔的否定。,波普尔:观察不是科学的起点,因为没
2、有纯粹的观察,想把理论陈述都还原为观察陈述是不可能的。科学始于问题,只有提出问题,才能激发人的好奇心和探索的兴趣。科学只垂青那些有准备的头脑,即带着问题进行观察的头脑。,以问题为起点,波普尔构想出科学发展模式为“PlTTEEP2”科学就是“从问题到问题”不断进步的过程,Pl代表问题 TT代表试探性理论 EE代表(尝试)排除错误 P2代表新的问题,启迪:问题是科学的血液,是科学的生命。即使是已经证明某问题为不可能,对科学的发展仍然是有益的,如永动机的否定导致了能量守恒定律的发现。有时,人们对旧问题有了更好理解时,新的问题往往随之而生。只有提出问题才能分析问题与解决问题,从这个意义上说,提出问题比
3、解决问题更重要。,爱因斯坦:“解决一个问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已,而提出新的问题,新的可能,从新的角度去看旧的问题,却需要创造性的想象力,而且标志着科学的真正进步”。,史实例证光速测定:17世纪伽利略提出测定光速问题,对科学实验和自然科学发展起了重大的推动作用,它导致了后来罗爱、斐索、迈克尔逊等人对光速越来越精确的测定,而光速的测定,为天文学提供了方便的计量单位光年。此外,它也推动了光学理论、电磁理论以及狭义相对论的发展。,二、科学问题的结构与特征,科学问题,是指一定时代科学认识主体在当时知识背景下提出的关于科学认识和科学实践需要解决而又未解决的矛盾,它包含着一定的求解目标和解
4、答域,但尚无确定的答案。,科学问题的结构:问题的指向、研究的目标、求解的应答域以及疑问项等要素及其相互间关系。疑问项和解答域是基本组成部分。,疑问项:科学问题的主体,指出了科学研究的对象。 “燃素的比重是多少” “DNA分子是怎样由四链构成的”这两个问题所指示的认识对象分别是“燃素的比重”和“DNA分子的结构”。,解答域:问题论述中所确定的域限,并假定所提出的问题的解必定在这个域限之中。尽管这种预设仍是一种猜测,是可错的,但在科学探索过程中却能起定向和指导作用。 如“爱滋病是由什么病毒引起的?” 该问题的解答域为“爱滋病的病因在病毒范围之内”。,科学问题的特征 历史性 历史性 可解性 可变异性
5、,历史性,只有依据当时的科学认识和科学实践水平,才能提出真正有价值的科学问题 脱离当时的科学认识和科学实践水平,提出的问题则可能是无意义的,不能成为科学问题,希尔伯特:之所以能够于1900年提出作为数学研究重大目标的23个问题,就是因为他的研究领域几乎遍及当时数学的各个重要分支且造诣很深,能够总揽全局,把握数学发展的动向。,发展性,同一问题在不同理论背景下,内涵深度是不同的,是发展的。如生物遗传,19世纪末魏斯曼提出的是“种质”,20世纪初摩尔根提出的则是“基因”,到了20世纪50年代,汉森和克里克则提出了生物大分子DNA的结构问题。,可解性,提出问题时,求解范围和基本方法就被预设了。虽然解答
6、域在求解过程中可以调整,但调整后的解答域依然应当是确定而有限的范围。没有一定解答域的问题,其求解范围是一个无限定的全域,很难成为科学问题。,可变异性,科学问题是可变的,可以引出另一个科学问题。 困惑数学史两千年的欧氏几何第五公设证明就是典型例子。19世纪俄国数学家罗切夫斯基改变了问题,创立了非欧几何。,三、科研选题,科研选题就是形成、选择和确定所要研究和解决的课题。课题是为了实现某个特定目标所需要研究的一个或一组科学问题。科研选题有其步骤和原则。,科研选题的步骤,文献调研和科学分析,提出选题、初步论证,选择和确定课题,文献调研和科学分析,文献调研应查明有关专著和论文,并尽可能追溯其发展历史,以
7、便继承前人已有的科研成果,在新的起点上选择研究课题。 在选题调研中要保持批判头脑,过分依赖和盲目相信文献资料会使人墨守陈规,而摆脱固有观念的束缚和解决问题本身同样困难。,提出选题,初步论证,调研后经过分析、筛选,提出研究课题,然后还要对课题进行可行性分析,如建立模型进行初步计算,或设计一些必要的实验。 若有几个备选课题,则需要对计算和实验结果进行分析比较和筛选。,评议和确定课题,在评议和确定课题时,可以提出“三问” 问专家:在您的研究领域中,最有意义的尚待解决的问题或难题是什么? 问同伴:向他们说明自己正准备研究什么问题? 问自己:我对解决这些问题最可能做出贡献的独特背景知识和经验到底是什么?
8、整理出以上三问,并将之交集,就能够较好地抓住研究方向和重点。,选题过程是一个不断反馈调整的过程,常常需要反复调研和多次论证。,选题的基本原则,需要性原则 创造性原则 科学性原则 可行性原则,需要性原则,应面向社会需要和学科发展需要。 社会需要包含经济发展、国防建设、医疗卫生和文化教育事业等需要。 学科发展需要包含开拓科学领域、更新科学理论、改进科学方法等。 需要性原则还体现在科学研究的三个层次。,开发研究,应用研究,基础研究,开发研究,担负着把科学技术直接转化为社会生产力的任务,其选题应将当前社会需要置于首要位置。即便是跟踪世界高技术研究,也要充分重视在当前有应有价值的项目。,应用研究,致力于
9、解决国民经济和社会生活中所提出的实际科学技术问 题,是基础研究成果向现实社会生产力转化的关键环节。 选题方向 一方面应指向加强生产活动的技术基础,弄清技术机理 一方面应在充分了解国内外重大基础研究成果的基础上,选择有市场潜力和能衍生新技术群体的成熟理论作为应用价值发现的攻关课题。,基础研究,要从学科发展的需要出发,去研究和发现自然界的新现象和新规律,为认识和改造世界提供理论依据。当代科学技术一体化趋势日益缩短了基础研究到应用研究再到开发研究的周期,某些基础研究已成为当代高技术的直接生长点,因此基础研究的选题方向应面向现代大科学观。,创造性原则,是指选出的课题应是前人没有解决或没有完全解决的疑难
10、问题,并预期从中能产生创造性的科学技术成果。那些有可能导致新概念、新理论、新方法、新应用出现的课题,研究者应作为优先选择对象。,创造性原则的实质要求,在选题阶段,对课题结果的创造性是难准确估计的。 因此,创造性原则实质上是要求做到:恰当地估计课题的意义和其中可能包含的创造性成分。 在现实条件下难以取得创造性进展的题目,不应作为选择对象。,具体做法,一要加强情报工作,掌握科技动态 二要到最有希望出创造性科技成果、最需要创造性而且最能激发和砥砺创造力的地方去选题 三要加强学习,提高科学鉴识能力。,科学性原则,选出的课题要有一定的科学理论和科学事实作为根据,把课题置于当时的科学技术背景下,并使之成为
11、在科学上可以成立和可以探讨的问题。,原则要点,明显与已有科学理论相违背的题目不应是选题的对象,除非确已发现了与该理论相矛盾的事实并把这种矛盾作为科研课题 毫无事实根据的题目也不应作为选择对象,除非确有把握在研究过程中可以获得有关事实,如对永动机的研制、对爱因斯坦相对论的批判等。,可行性原则,选择的课题应与研究者自己的主、客观条件相适应,即根据已经具备的或经过努力可以具备的条件进行选题。,主观条件,要分析 科研队伍的结构 各种人才的配置 研究者的素质 能力以及对课题的认识 研究的兴趣等因素,客观条件,要考虑 科研经费 实验设备 原材料供应 图书情报资料 对研究时间期限的要求等因素。,还要考虑科研
12、的外部环境、国家政策、学术交流等条件。,选题原则既相互联系又彼此有别,需要性原则规定着科研的根本方向 科学性原则体现了科研的内在根据 创造性原则反映了科研的本质特征 可行性原则是解决选题能否成功的关键,第二节 科学事实,科学事实的概念 科学事实的特点 科学事实发现的理论,一、科学事实的概念,在科学认识中,科学事实是指通过观察和实验所获得的经验事实,是经过科学整理和鉴定的确定事实。科学事实一般可分为事实和事实。,事实:指客体与仪器相互作用的表征,如观测仪器上所记录和显示的数字、图象等。,事实:指对观察实验所得结果的陈述和判断,科学文献上的科学事实多是这种含义。如1888年1月5日居里关于X射线对
13、铀状态的影响写道:“X射线不改变铀的状态”。这是一个科学事实的陈述,它描述被认识的事件和现象,并已经对其做了一定的判断。,区分事实和事实的意义,科学事实虽是客观事实的反映,但由于反映过程的复杂性(如微观领域实验仪器对微观客体的“干扰”等),两者往往并不能直接一致。,事实进行的是本体论的考察 事实着眼于认识论,也就是着眼于它们与认识主体的关系上、与在事实基础上创立的假说和理论的关系上加以考察。,客观事件和现象会随着观察和实验过程的结束而消失,能够保存事实并使之纳入科学构成的手段是语言然而以某种语言形式记录下来的事实,已经被纳入了某个概念系统,同一事件在不同概念系统中所作出的描述可以是不同的这种被
14、语言所表述的事实只能是事实,而不能是事实,科学事实属于认识论范畴,它体现的是客观事件在科学认识主体中的记述和判断。没有客观事件或现象的发生,自然不会有科学事实;没有主体所设置的认识条件(如测量仪器、概念系统等),也无法获得和记载科学事实。,二、科学事实的特点,客观事实不存在正确或错误的问题,而经验事实则存在着可错性。在发现和鉴定经验事实过程中,应把握科学事实的特点。,个别性:即科学事实应该是个别存在的陈述。 如“铀具有放射性”、“氩具有化学隋性”、“水分子由二个氢原子和一个氧原子构成”等均是科学事实 “所有微观客体都具有波粒二象性”、“整个宇宙都在膨胀着”等等之类的普遍陈述,则不被看成是科学事
15、实。,客观性,科学事实应该可复核、可重现。 如 J/粒子的存在是在布洛克海纹加速器和斯坦福对撞机上首先发现的,后又经其它加速器如西欧核子研究中心的复核重现才成为公认的科学事实。,能动反映性,科学事实应该比较精确、系统。 如迈克尔逊莫雷实验,其直接目的是判定以太是否存在,但是考虑到诸如地势、地球自转和公转等因素对测量的影响,要得出客观的结果就要在高山、低谷、白天、黑夜、夏季、冬季分别进行,从系统化的经验材料中确定一个精确的科学事实。,三、科学事实发现的理论,在科学问题引导下,如何运用实验和观察手段发现和描述科学事实是科学研究的重要环节,历来受到西方学术界的重视,他们提出了许多有价值的观点。其中颇
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