科学事实及其获取.ppt

科学事实及其获取方法 刘典恩 1 科学事实 科学观察 科学实验 观察和实验中的几个认识论问 题 2 第一节 科学事实 概念 科学事实的规定 科学事实的作用 3 一、概念 事情的真相；事情的确实存在。 n在科学认识活动中，常常在下述两种意义上 使用事实概念。 n首先，把客观实在的现象、事件、事物本身 称作事实。 n其次，人们还在认识论的意义上来使用事实 概念。科学文献上的事实多具有这种含义。 n事实概念主要含义 n客观事实 ；经验事实；科学事实 4 n客观事实：时空中客观存在的事件、现象 和过程，是尚未进入科学研究领域，与科 学劳动者的认识活动没有发生联系的客观 事物、事件和现象，因此，它是纯客观的 ，它不包含人的主观认识因素。例如月球 上的山谷、木星等。它是本体意义上的科 学事实，与哲学上的“客观实在”同义。 5 n经验事实：对观察到的客观事件、现象和 过程所做出的陈述或判断。它是认识论意 义上的科学事实，是客观实在在经验层次 上的反映。 n科学事实是指进入科学研究的领域之内， 与科学劳动者的认识活动发生关联的事实 。 6 n科学事实是科学认识的最初成果，它同客 观事实既有密切联系，又有重大区别。从 客观事实到科学事实必须经过一个转化过 程。这个转化过程，对科学认识的主体 科学劳动者来说，就是获取科学事实的过 程。 n科学事实是科学认识形成的基础，但它本 身还不是科学，科学是由科学概念、科学 定律、科学理论等构造起来的大厦，科学 事实只是建构科学大厦的地基和原料。 7 n首先，科学事实作为客观事实的反映，虽然 具有不依赖主观意识的客观实在性，但是， 对于科学事实的客观性，要作认真的分析。 n其次，在科学认识活动中，同一事件是从不 同的关系上被考察的，因而科学事实也是认 识的一种形式。 n第三，收集事实的最终目是建立能解释事实 并预见新事实的理论,因而事实必须可靠。 为什么在客观事实的概念之外，还 要引进科学事实的概念呢? 8 n科学事实是否符合客观事实，一个事实 判断在理论上是否正确，这两种情况下 的真理性，都意味着陈述应与实际情况 一致。作为理论或理论思维的产物，科 学事实最终还需要科学实践的检验。 9 n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。 n经验事实一般可分为两类： 1、指客体与仪器相互作用结果的表征，如观 测仪器上所记录和显示的数字、图像等； 2、指对观察实验所得结果的陈述和判断。 二、科学事实的规定 10 u科学事实的特征和条件 n它描述的对象是独立于人的意识之外， 并被观察到的客观存在的事件、现象和 过程。 n它具有可重复性、精确性。 n科学事实是个别存在的陈述。 n科学事实可复核、重现。 n科学事实应该比较精确和系统。 11 科学事实是个别存在陈述 n“铀具有放射性”、“水分子由二个氢原子和 一个氧原子构成”等等均是科学事实，而“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，则不看 成科学事实，而看成对科学事实加工提炼之 后的理论论断。强调科学事实的个别性，是 为了突出它主要来自感性物质活动，而不是 主要来自理性抽象活动（虽然对科学事实的 记述也免不了抽象）。 12 水分子模型 13 科学事实可复核、重现 n/粒子的存在是在布洛克海文加速器和 斯坦福的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。如果一个事实根 本无法复核并重现，那就无法成为科学事 实。 n强调科学事实的重复性，是为了尽可能排 除错觉和假象，消除对事实描述和判断中 可能存在的谬误。 14 斯坦福直线加速器中心 15 科学事实应该比较精确和系统 n麦克尔逊莫雷实验，其直接目的是 判定电以太是否存在，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，要得出精确的结果就需要在高山 、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立起一 个精确的科学事实。 16 麦克尔逊-莫雷实验 迈克耳逊迈克耳逊- -莫雷实验，莫雷实验， 动摇了经典物理学的基础。动摇了经典物理学的基础。 17 在实验装置中。由光源S发出的光线，遇到 半透镜A以后，一部分光线透射，另一部分反 射。透射的光线经过C镜的反射后又回到A， 其中一部分到达D。由A反射的光线经过B镜的 反射后也回到A，其中一部分也到达D。如果 地球沿着SC方向以速度v相对于以太运动，则 沿ACAD传播的光与沿ABAD传播 的光所用的时间是不一样的。 18 三、科学事实在科研中的作用 1. 科学事实是形成新概念、新理论的基础。不 论概念或理论是通过何种方式形成的，一定的 事实基础总不可少。即使是很抽象和很深奥的 概念和理念，也是在一定事实基础上提出的。 2 .科学事实是检验科学假说和科学理论的基 本手段。假说和理论的正确性和有效性主要是 通过与科学事实相比照而进行评价的。 19 第二节 科学观察方法 科学观察方法及其特点 科学观察方法的类型 科学观察方法的地位和作用 观察方法有一定的局限性 科学观察常用的方法 观察方法的基本原则 20 n观察是指通过感觉器官在感受外部的各种刺 激时，形成的对周围事物的印象。 n人们通过感觉器官感受外部的各种刺激，形 成对周围事物的印象，或者说，把外界的自 然信息通过感官输入到大脑，经过大脑的处 理，形成对外界的感知，就是观察。 n n 科学观察科学观察是通过是通过感觉器官或借助于科学仪器感觉器官或借助于科学仪器 ，有目的、有计划地感知和描述有目的、有计划地感知和描述客观对象，客观对象， 以获取科学事实的一种科学认识方法。以获取科学事实的一种科学认识方法。 一、科学观察方法及其特点 21 n科学观察虽然来源于日常观察，但二者有本 质的区别。 n日常观察是人们在日常生活中对事物的观察 ，目的是为了满足生活的需要。人只要睁着 眼睛，只要有光源，总是在看。日常观察是 有一定目的、注意力比较集中的“看”。 n科学观察的目的是为了求知，为了解题。日 常观察只用眼睛进行，科学观察则可能借用 工具。 22 n因为观察活动是一个主客体相互作用的过程 ，其中，观察活动的主体性难免造成观察结 果的主观性和片面性，所以，观察的事实是 易谬的。 n观察中的可错性，主要表现在： 误观察与未观察。均由科学观察的局限性所 致。 u科学观察的特点 具有可错性 23 n首先，科学观察很少是直接通过感官就可进行 的，一般需凭借一定的辅助工具与手段，有时 科学的观察实验还只能限于在思想头脑中的建 构（理想实验），即工具和观察背景知识的差 异所带来的观察结果的差异性。 n其次，表现在科学观察在微观领域具有不完备 的特点。 n最后，还表现在人的认识能力具有极限。 24 具有不确定性 n不确定性表现在同一个人对同一物体进行两次 “重复”的观察，以及两个人同时对同一物体进 行观察，均会得到不完全一致甚至是截然相反 的结果。观察所获得的结果要被“翻译”和表达 出来，这更是一个受到主观因素“污染”的过程 ，这也造成了观察结果的不确定性。 n可见，个别事实和为单个主体所拥有的事实通 常对科学的检验没有什么益处。 25 二、科学观察的类型 n直接观察是直接通过感官考察客体的方 法，它直观、生动，但有很大局限性。 n间接观察是人们借助于一定的仪器，观 察客体的方法，它扩大了感官观察的范 围，能提供更准确的观察结果。 n间接观察分为两种 26 1. 借助于工具观察对象本身，如用显微镜观 察微生物，用望远镜观察天体。 2. 借助于工具观察对象在一定的工具中所引 起的变化，通过对这种变化的观察来获得关 于观察对象的感觉经验，如粒子的运动眼睛 不可能直接观察，我们就应用云雾室，观察 粒子通过云雾室时所留下的痕迹，达到观察 粒子运动的目的。 27 云雾室 28 n实验观察：科学认识主体在做实验时，也要 通过肉眼或借助仪器对实验的结果进行观察 ，这种观察是科学实验的一个环节。 n纯粹观察：指不做实验的情况下的观察。 n这两种观察的区别在于，纯粹观察是不改变 对象的情况下所进行的观察，实验观察是对 对象进行操作干预情况下的观察。 n另外，按其性质和内容的不同，还可分为定 性观察和定量观察；按其目的和要求的不同 ，它可分为实验室观察和临床观察等。 29 三、科学观察的地位和作用 地位 n首先，科学观察有助于研究课题的形成。 n其次，探索性的观察有助于科学假说的建立。 n第三，观察可以为检验科学假说和科学理论提供事实根 据。 作用 （1）科学观察是科学认识的源泉和基础。 （2）科学观察是检验科学认识的重要手段。 （3）科学观察往往直接导致科学上的发现，为科学开 辟新的研究领域。 30 四、观察方法有一定的局限性 n首先，观察只能使我们看到事物的现象 ，却看不到事物的本质。 n其次，观察有时无法区分真相与假象。 n原因： 31 n观察的不全面 n客观事物都具有多方面的属性，是一个“多 面体”。在一定状态下，事物的属性只有几 个方面直接进入我们的视野，所以要达到观 察的全面性，就必须进行多方位、多视角的 反复观察。事物是个多层次的系统，有的层 次在表面，而大多数层次则在表层的内部， 还有的则隐藏在事物结构的深处，它们都不 可能直接展现在我们的眼前。所以，恩格斯 说：“单凭观察所得到的经验，是决不能充 分证明必然性的。” 32 观察者能力的限制 （1）频度限制：可见光的波长为390 750毫微米；观察的最远距离为360亿光 年，最小为210-8厘米；人耳只能接 受1620000赫兹的声波。 （2）精度限制： （3）错觉：原因有假象、感知错觉、颠 倒混乱的感受、主观错觉等。 33 谢泼德桌面 这两个桌面的大小、形状完全一样。 34 疯狂的螺帽 你知道直钢棒是怎样神奇地穿过这两个看似乎成直 角的螺帽孔的吗？ 35 （4）观察者知识与经验的渗透 同样的外部刺激，在不同观察者的大 脑中，从不同的经验基础、知识背景上 做信息加工，形成了不同的信息组合和 联系，就映现为不同的图象，从而做出 了不同的观察陈述。如著名的视幻图。 （5）感知渠道的限制 人的五种感知渠道（人眼的观察以及 耳、鼻、舌、身的感知）和感官数量， 对于认识客观世界来说是否足够。 36 视幻图 n长度与透视：线AB和线CD长度完全相等 ，虽然它们看起来相差很大。 37 五、科学观察中常用的方法 n有意观察法：有意观察就是针对所要了解的 问题，进行有的放矢的观察，以便从中发现 物证、找出规律。所以在进行有意观察时， 我们必须注意重点。 n长期观察法：自然事物或现象的发展变化微 妙曲折、周期长短不一。所以，只有坚持长 期观察，才能得出有价值的资料。 38 n细微观察法：事物的变化有时是细微的和偶 然的，而细微的变化中往往蕴藏着质的飞跃 ，偶然的变化中包含着必然性。所以，对偶 然观察到的奇怪现象也不能轻易放过。许多 重要发现虽然常常在特定的条件下带有偶然 性，但在偶然性观察中也会发现必然的规律 。 n精确观察法：观察贵在精确，既要注意事物 状态的变化，又要注意事物量的变化，这样 才能更有效地揭示物质的变化规律。 39 n归纳观察法：反映物理现象、物理过程的本 质属性，总结物理现象和物理过程的一般规 律或研究变化因素较多的问题时，通常采用 的是归纳观察法，即通过对个别现象的分别 观察，得到一些个别的结论后，再归纳概括 得出一般的规律。 n对比观察法：将两个事物、现象进行对比， 或对某一现象发生变化的前后情况进行比较 是人们认识物理世界的重要方法。 40 六、科学观察的基本原则 1、客观性原则。（1）必须排除假象和 错觉造成的干扰；（2）必须排除先入 之见的干扰；（3）必须要有详细而确 实的观察记录。 2、全面性原则。 3、辩证性原则。注意观察的（1）条件 性；（2）典型性；（3）机遇性。 41 第三节 科学实验方法 科学实验方法及其类型 实验方法的优点和作用 科学实验的特点 科学实验的一般程序 科学实验的基本要求 42 一、科学实验方法及其类型 n科学实验是根据研究目的，利用科学仪器等手 段，人为地控制、模拟或变革研究对象，以获 取科学事实的一种研究方法。 n科学实验的基本要素有实验者、实验手段和实 验对象。 n常见的科学实验有：定性实验、定量实验、结 构分析实验、析因实验、对照实验、模拟实验 （理想实验）、验证性实验、演示实验、中间 实验、数学实验、动物实验、人体实验等。 43 实验设计应注意的要点 1.要根据对象的属性确定对象的控制变 量。 2.确定参量的测定方法。 3.要选择适当的试样。这在各种实验中 都十分重要。 4.尽可能进行对比实验。 44 二、实验方法的优点和作用 优点 1、可以在理想状态下研究自然。 2、可以人为地控制实验对象的变化。 3、可以制造一些特殊状态，把对象放在这种状态下 来认识。 作用 是检验在科学认识中得到的理论原理的手段。是发 展科学知识的手段。 45 三、科学实验的特点 （1）科学实验有纯化和简化自然现象的 作用。 （2）科学实验是检验假说和理论的最重 要手段。 （3）科学实验可通过模拟实验对自然过 程进行间接研究，有加速或延缓自然过 程的作用。 （4）科学实验有强化和再现研究对象的 作用。 46 四、科学实验的一般程序 （1）实验的构思和设计。确定实验目的、实验 原理，选择实验材料，选择或研制适用的仪器 设备，选择实验的类型等。 （2）实验的实施。完成实验操作的各个环节， 记录所有的反应、表现和数据。 （3）实验结果的分析整理。确定所获得的经验 事实。 （4）实验结果的理论解释。 47 五、科学实验的基本要求 （1）确定误差范围，区分系统误差和偶 然误差，并加以适当处理。 （2）实验结果可重复。 （3）有理论思维作指导。 （4）遵循客观性、全面性、辩证性、目 的性等原则。 48 n科学实验与科学观察一样，都是科学认 识的基本活动。它们相互依存，观察是 实验的前提，实验是观察的发展。 n一般说来，实验方法比单纯的观察方法 有显著的优点，它能克服单纯观察的局 限性。只有到了对自然的研究开始广泛 地运用科学的观察和实验手段的时候， 自然科学才最终与神学、与自然哲学分 道扬镳，成为真正的科学。 49 第四节 科学观察和实验中的 几个认识论问题 关于观察与理论的关系 关于测量问题 关于观察的客观性 关于观察与实验中的机遇 50 一、关于观察与理论的关系 在观察与理论的关系上，有两种不 同观点 n培根以来的归纳主义者倡导独立于理 论之外的纯粹的观察，并认为只有经 过这种纯粹的观察才能进入形成理论 的阶段； 51 n而波普尔、汉森、库恩等人则否认有纯粹 的中性观察存在，明确提出“观察渗透理论 ”。从科学研究的实际进程看，后一种观点 显然是合理的。 n爱因斯坦认为，“是理论决定我们能够观察 到的东西”，“只有理论，即只有关于自然 规律的知识，才能使我们从感觉印象推论 出基本现象。”每一次观察总是离不开理论 ，即使是非常粗浅的理论。 52 n这是因为 1、观察不仅接收信息，同时也是加工信息 的过程。理论在观察中既起到“定向”作用， 引导观察者有选择地接收外界信息，又起 着“加工改造”作用，帮助观察者理解观察到 的究竟是什么。 2、观察陈述是用科学语言表述出来的（通 过语言，来自客体的信息被编码记载下来 ），而科学语言总与特定的科学理论联系 着。 53 n科学实验通常由三个要素组成：实验者（主 体），实验对象（客体）和测量系统，亦即 根据实验设计而选择的仪器、测量手段等组 成的系统（主体的延长）。 n测量系统是主体的延伸，是主体与客体之间 的中介，也有人认为这是主体的一部分。 二、关于测量问题 54 n测量的实质是对事物即认识对象的某些性质 做定量的比较性的研究。为了便于比较，常 常采用一定的计量的基准，如长度、时间、 电荷单位的基准等。 n测量总是在主客体相互作用中进行的。测量 系统在与客体的相互作用中，对来自客体的 信息进行“编码”，然后又将经“编码”后 的信息传递给实验者。这就出现了一个重要 的认识论问题，