自然辩证法课件第二篇科学方法论.ppt

第二篇 科学与科学方法论,主要内容： 一、科学的本质与科学方法 二、科学问题与科研选题 三、科学思维 四、科学假说与科学理论,第四章 科学的本质与科学的方法,第一节 科学的本质 一、科学概念的历史演变 在梵语中，科学指的是“特殊的智慧” 在希腊文中，本无科学这个词，但有知识一词。 在拉丁文中，“科学”一词即学问或知识的意思。 中国学者将“Science”翻译成“格物致知”。 格：推究；致：求得。穷究事物原理，从而获得知识。 礼记大学：“致知在格物，物格而后知至。” 康有为在介绍日本书目时，首先使用了科学 严复在翻译天演论、原富时，将“Science”译成科学。,科学学创始人贝尔纳在历史上的科学指出：“科学可作为 一种建制； 一种方法； 一种积累的知识系统； 一种维持或发展生产的主要因素； 构成我们的诸信仰和对宇宙和人类的诸态度的最强大势力之一。”,默顿认为， 科学是一个易于引起误解，涵义极为广泛的名词，它通常用来表示： 证明知识可靠性的一种独特的方法； 贮存从应用这些方法产生出来的累积知识； 一套支配所谓科学活动的文化价值和惯例； 上述各项的任何组合。,英国科学哲学家查尔默斯在科学究竟是什么的专著中，对科学性质的现代观点作了一个简单、明了和初步的介绍，但他对”科学究竟是什么“仍感迷惑，他说只是”始于迷惘，终于更高水平的迷惘”。,普利高津在从混沌到有序人与自然的新对话中指出：“现代科学特别是相对论和量子力学向我们表明了自然界不能从外面来加以描述，不能好像是一个旁观者来描述，描述是一种对话，是一种通信，而这种通信所受到的约束表明我们是被嵌入在物理世界中的宏观存在物。”,美国物理学家惠勒“20 个问题的猜谜”游戏 游戏的规则是有一种人作被试者，先退避一会儿，由其余的人（参试者）商定一个词，再把被试者请出来，由它发问猜这种词，参试者只能回答“是”或“否”。被试者能在20次提问之内猜中这个词为胜。游戏的另一种方式是参试者不事先约定任何答案，而只要求对所有问题的回答不能自相矛盾，通过提问和应答，不断缩小答案的可能范围，最终“逼出”答案来。,科学的一般规定,科学作为一种活动，它表征了人类探索自然的性质、规律的实践活动； 作为一种知识体系，它表征了科学认识活动的最终成果； 作为一种社会建制，它指科学活动具有自身的职业化的组织研究机构，是一项重要的社会事业； 作为一种生产力，它表征了人类利用自然、控制自然、驾驭自然的能力； 作为一种人与自然的对话，则是指主体的人参与同客体的自然的相互作用，而客体的自然也只有通过主体的人参加的活动来揭示。,二、自然科学的基本特性 1、自然科学是一种特殊的社会意识形态 自然科学是一种创造性的智力活动 ，其产品是观念形态的知识系统，因此，自然科学一般被看作精神现象，属于社会意识领域。当然，它不同于社会上层建筑中的政治、法律、哲学、道德、艺术、宗教等一般的社会意识形态。自然科学是一种特殊的社会意识形态. 自然科学研究的是自然事物和自然现象，揭示的是自然规律，它本身是没有阶级性的。在自然事物和自然现象面前，不同阶级的人可以总结出相同的自然规律，形成相同的理论。,2、自然科学是第一生产力 在知识形态上，科学是一般社会生产力；其二，当科学进入生产过程，它是直接生产力。 自然科学作为知识和智力因素渗透到生产力诸要素中，转化为直接的、现实的生产力。 现代科学为日益复杂的生产管理提供了方法和手段，通过科学管理转化为直接生产力，表现为生产效率的提高。 科学活动与生产活动相互渗透、相互溶合，使得科学成为现代生产中必不可少的因素。,第二节 科学发展的一般模式,一、科学发展的不平衡规律 1、科学中心转移论 1939年，贝尔纳在科学的社会功能一书中最先提出科学中心的概念，认为没有长盛不衰的科学中心。科学中心总是随着民族的经济文化的兴衰消长而转移的。 1962年，日本科学史家汤浅光朝在科学活动中心转移一文中运用历史比较法和数量分析法进一步揭示了科学中心转移这一规律性现象。,“汤浅”现象,如果把一个国家科学成果超过同期内全世界科学成果的25作为它成为世界科学活动中心的标志，那么，自近代科学诞生以来，世界科学活动中心是按以下序列作历史转移的：意大利（15401610年）英国（16601730年）法国（17701830年）德国（18101920年）美国（1920至今）。科学活动中心转移现象，亦称为“汤浅”现象。它告诉人们，一个国家保持科学兴隆期平均为80年左右。,2、“指数逻辑曲线增长论” 普赖斯发现：科学期刊每隔50年数量增加10倍，据此，他得出一个科学知识“按指数增长的规律” 普赖斯在1963年出版的小科学，大科学一书中，提出了“指数逻辑曲线增长论”。按照“指数逻辑曲线增长论”，科学的发展是随时间呈S型变化的。其制约条件有：一是指数增长的基础，通常是零；二是增长的极限值。所谓极限值实际上是指科学发展进入一定阶段后，科学发展呈饱和状态，这标志着科学革命的临近。,3、带头学科更替论 所谓带头学科，即在一定时期，由于科学发展的不平衡性，而产生一门或一组学科发展较快，走在其它学科前面，并对其它学科以及整个科学的发展起着先导和带动作用，这一门或一组学科就称为带头学科。带头学科通过为其它学科输送新思想和新方法等而实现其带头作用。,带头学科三个特点： 更替性。某一门（或一组）带头学科完成了它对整个科学发展的带头作用之后，便让位给其它一组（或一门）学科。自近代科学诞生以来，其更替顺序是：力学化学、物理学、生物学微观物理学控制论、原子能科学、宇宙航行学 加速性。即指带头学科的更替周期不断加速缩短。从17世纪开始到20世纪70年代，各带头学科带头周期依次为200年、100年、50年、25年。由此，凯德洛夫归纳出一个更替周期的经验公式：Tn=200/2n-1 n为带头学科的顺序号，为第n个带头学科起先导作用的延续时间。 根源性。带头学科的出现，取决于社会实践的需要和科学自身发展的内在逻辑及其相互作用。,二、自然科学发展的一般模式 1、波普尔的证伪主义模式 波普尔认为，科学的发展是一个不断变化的历史过程，是通过“问题假说否证新问题”的四段认识模式而发展的，用公式表示则为： P1TTEEP2 P1表示问题（Problem）, TT表示试探性理论（Tentative Theory）， EE表示批判性检验、排除错误（Elimination）, P2表示新的问题。,2、库恩的历史主义模式 1962年库恩在科学革命的结构提出科学发展模式： 前科学常规科学科学反常科学危机科学革命新的常规科学。 在常规科学期间，科学的发展表现为平稳地积累事实，发展规范的细节，应用规范去解决科学中发生的问题。 在科学革命时期，科学家试探各种解决危机的办法，“什么都试试看”，新规范终于应运而生。,第三节 科学研究的一般程序,一、经验主义的科学研究一般过程： 亚里士多德： 观察归纳一般原理演绎解释、预言 罗杰尔培根： 增加了实验的环节 观察实验归纳一般原理实验演绎解释、预言,二、批判理性主义的科学研究一般过程： 爱因斯坦： 直接经验非逻辑思维假设演绎命题实验验证 波普尔： 问题创造性思维假设演绎命题检验证伪新问题,第五章 科学问题和科研选题,科学研究首先必须确定科研课题，而科研课题又来自于科学问题。正因为存在没有解决的问题，才需要我们去从事研究工作。,第一节 科学问题,一、科学问题及其规定性 科学问题是指一定时代的科学认识主体在当时的知识背景下提出的关于科学认识和科学实践中需要解决而又未解决的矛盾。科学问题包含着一定的求解目标和应答域，但尚无确定的答案。,二、科学问题的分类 常规问题，是指在维持原有理论框架的前提下提出的有待解决的疑难问题。这些问题的解决将使原有的理论体系更加充实、完善和系统化。 反常问题，是在拒拆已有理论框架的前提下提出的与原有理论不相容的有待解决的疑难问题。这些疑难问题的解决意味着科学理论一场深刻的革命。,三、科学问题的来源 1、实践与理论之间的矛盾 水星近日点摄动 每百年 13320” 万有引力 13227” 53” ？,2、理论自身内在的逻辑矛盾 悖论：A B B 佯谬：A A,3、不同理论、学派或观点之间的矛盾 4、现有理论不能满足社会需求产生的矛盾 5、交叉学科之间的空白区发现问题,第二节 科研选题,一、科研选题 科研选题就是依据选题原则和主客观条件，从众多科学问题中选择和确定符合一定要求的问题作为科研课题的活动。,二、科研选题的重要性 科研选题关系到科学研究的方向、目标和内容，直接影响科研的途径和方法，决定着科研成果的水平、价值和发展前途。 爱因斯坦指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。因为解决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、新的可能性，从新的角度去看待旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步”,三、选题的基本原则 需要性原则 科学性原则 创造性原则 可行性原则,第三节 科学事实和观察实验,认识科学事实的特点和规律性，了解科学事实在科学认识中的地位和作用，掌握搜集科学事实的各种方法，分析这些方法的认识论意义及其问题，是科学方法论研究的重要内容。,什么是科学事实？ 汉森认为，科学事实不是一成不变的，因人而异。 科普宁认为，科学事实是可靠的，不变的，事实胜于雄辩。,一、科学事实的规定性 客观事实：客观存在的事件的现象和过程； 经验事实1：物质客体与科学仪器相互作用 结果的表征。 经验事实2：对表征的陈述与判断。 我们所说的科学事实就是经验事实2 .,二、科学事实的可错性 科学事实与物质客体的本性有关 科学事实与人所设置的认识条件有关 科学事实与人采纳的概念系统有关 所以，科学事实属于认识论的范畴，存在着可错性！,三、科学事实应该满足的条件 科学事实应该是个别性陈述 科学事实应该可重现可复核 科学事实应该比较精确系统,四、搜集科学事实的一般方法 1、调查研究方法 直接调查是获取生动直观的经验事实的基本方法 。到广阔的自然界中去搜集和积累天然资料，是获取第一手现实资料的重要来源。 间接调查主要指从科学文献资料中搜集科学事实的方法。文献资料的内容包括：教科书、专著、会议论文集、最近进展丛刊、期刊、学位论文、专利文献等。,2、观察方法 科学观察方法是在自然发生的条件下，有目的、有计划、有选择地对自然现象进行考察和描述的一种方法。,观察方法的特点： 在自然发生的条件下 具有明确的目的性 有计划的系统观察,观察方法的作用： 搜集科学事实 证明或反驳科学假说,光线通过大质量天体附近时被弯曲的示意图,1915年已在柏林普鲁士科学院任职的爱因斯坦把太阳边缘星光的偏折度修正为1.74角秒。 1919年5月29日发生日全食时进行检验光线弯曲的观测。英国人为那次日食组织了两个观测远征队，一队到巴西北部的索布拉尔（Sobral）；另一队到非洲几内亚海湾的普林西比岛（Principe）。爱丁顿参加了后一队。1919年11月两支观测队的结果被归算出来：索布拉尔观测队的结果是1.980.12；普林西比队的结果是1.610.30。1919年11月6日，英国人宣布光线按照爱因斯坦所预言的方式发生偏折。,还有一个故事也广泛流传，说的是当光线弯曲预言被英国人的日食观测证实的消息传来时，爱因斯坦正在上课，一位学生问他，假如他的预言被证明是错的，他会怎么办？爱因斯坦回答说：“那么我会为亲爱的上帝觉得难过，毕竟我的理论是正确的。”,科学观察的原则 客观性原则 全面性原则 典型性原则,3、科学实验方法 科学实验方法是根据一定的科学研究目的，运用一定的物质手段，在人为控制或模拟的条件下，排除干扰，突出主要因素，在有利情况下考察研究对象，探索研究其本质和规律性的一种方法。,科学实验种类 定量实验：是测定研究对象某些数值，或在此基础上求出某些因素间的经验公式、定律等的实验。如卡文迪什测定引力常数的实验。 定性实验：是指用来测定并判定实验对象是否具有某种性质、某种因素和因素间关系等的实验。如赫兹证明电磁波存在的实验 模拟实验：是指根据相似理论，构造出与自然现象或过程原型相似的模型，通过模型的实验研究，间接地研究原型规律性的实验。,模拟实验的种类： 物理模拟是以模型与原型之间的物理过程相似或几何相似为基础的一种模拟实验。 数学模拟是以模型与原型之间的数学方程式相似为基础的一种模拟实验。 功能模拟是以控制论为理论基础，以功能行为相似为目标的模拟实验。,实验方法的特点： 简化和纯化研究对象 强化研究对象 加速或延缓自然过程 模拟或重演自然过程,1957年吴健雄所做的Co60实验证明，这与自然现象是不符合的。吴健雄实验的原理其实非常简单。假定有一面镜子，镜子两边各有一个Co60 原子。然后每个Co60 原子各放在一个与镜面垂直的电流圈的中心。这两个电流圈除电流方向相反外其他完全相同。因此，在这镜子两边的系统(Co60 加电流圈)的初态，除左右相反外，其他也完全一样。这两个Co60 都衰变出电子。照通常想法，出来的电子数目向左右对称的方向应该一样多。但结果完全不是这样。,五、观察实验中的机遇 所谓机遇，就是科学实践中由于意外的偶然事件而导致科学上的新发现。 同向机遇：意外的偶然发现使遇到的难题迎刃而解，从而加快科研进程，达到预期的目的。 异向机遇：本来为了探索某一现象 ，但在实验过程中，偏离了原来的方向和目的，意外地得到了新的发现。 机遇的表现形式是偶然性，但是这种偶然性是内在必然性的表现。,第六章 科学思维,人们对自然事物的认识一般经过两个阶段：第一阶段是关于事物表面的、零散的感性认识，第二阶段才能达到对事物本质和规律性的认识。,第一节 逻辑思维方法,逻辑思维是在感性认识的基础上，运用概念、判断、推理等思维形式，间接而概括地反映客观对象的一种思维形式。,逻辑思维的发展历史,形式逻辑数理逻辑辩证逻辑 形式逻辑仅从形式结构这一侧面研究概念、判断、推断其正确联系的规律。 数理逻辑将数学符号系统引进逻辑领域，研究思维的逻辑结构和规律。 辩证逻辑思维是将辩证法原则引进逻辑领域，从形式和内容的统一上去研究概念、判断和推理等思维形式，从而揭示对象的辩证本质。,归纳方法,归纳方法是在个别中发现一般的推理方法 归纳法有完全归纳法和不完全归纳法之分 不完全归纳法又可分为简单枚举法、科学归纳法、概率归纳法 归纳法可以从个别事实的考察中看到真理的端倪，推出假说和猜想；归纳法也为合理安排科学实验提供了逻辑根据。 归纳法的局限：不能揭示事物的本质和规律。,演绎方法,演绎法是以两个或两个以上判断为前提推出新判断的间接推理。这是一种从一般到个别的推理方法。是一种必然推理。 演绎推理最简单的形式是“三段论”。它由大前提、小前提、结论三部份组成。大前提是已知的一般原理，小前提是研究的特殊场合，结论是将特殊场合归到一般原理之下得出新的判断。,演绎方法,作用： 为科学知识的合理性提供逻辑证明 反驳错误的假说。 局限： 创造性比较小 结论的可靠性受到大小前提的制约,第二节 理想化方法,理想化方法，就是人们运用理性思维的能力，完全排除次要因素的干扰，使研究对象处于理想的纯化的状态下进行研究的方法。,一、理想模型 理想模型是人们为了科学研究的需要而建 立的一种既具有高度抽象性具有某种极限特征的理想客体。 例如：“质点”，只有一定质量而没有一定形状和大小的点。 “刚体”，是在任何外力作用下都不会发生形变的物体。,理想模型的作用 简化作用，引入“理想模型”概念，可以使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。 预见功能，能够超越现有条件，指示研究方向，形成科学预见。,二、理想实验 理想实验就是人们在思想中利用理想模型塑造的理想过程，并进行严密推理的一种思维活动。也称思想实验和假想实验。,理想实验与科学实验的比较,理想实验 对象 理想模型 手段 逻辑推理 性质 思维活动 理想实验的结构与形式同科学实验的结构和形式非常相似，它需要在思维中设想,科学实验 物质客体 物质手段 实践活动 与科学实验相似的实验条件、实验过程、实验材料等。,理想实验的作用 理想实验可以克服科学实验中无法摆脱的物质条件的限制，是科学发现的重要手段。 自伽俐略之后，理想实验逐渐成为科学发现的重要方法。爱因斯坦在物理学进化一书中，阐述了20多个理想实验。,第三节 数学方法,所谓数学方法，就是根据研究对象质的特点，借助于数学所提供的概念、理论、形式、方法和技巧，对研究对象进行量的分析、描述、推导和计算，从而达到揭示事物本质和规律的一种研究方法。,一、数学方法的特点,1、高度的抽象性：撇开事物的具体内容，从纯粹形态上研究数和形的关系，使研究对象变成了一种完全脱离自己内容的抽象的符号形式系统。 Y=1/2 aX2 S=1/2 gt2 E=1/2 mv2 A=1/2r2,2、严密的逻辑性：一切数学结论都是由严密的逻辑推理导出，因而具有逻辑上的必然性和量的确定性。 例：求证三角形三个内角之和等于180 A同学，使用量角器、直尺，认认真真画了三个不同类型的三角形，然后，一一测量，得到了结果。 B同学，只用一支笔，十分随意地画了一个三角形，然后，通过演绎法，推理证明。,3、普遍的适用性：数学及其方法原则上可以普遍适用于一切科学。 19世纪，生物学的数学应用是零？,二、数学方法的应用,1、数学模型方法，就是通过建立和研究客观对象数学模型来揭示对象本质特征和变化规律的方法 。 建立数学模型的一般过程 现实原型 数学抽象 数学模型 解释评价 数学分析运算 数学模型的解,哥茨尼堡七桥,数学模型应用举例,A B D C,数学模型的种类,确定性数学模型确定性的自然现象 随机性数学模型随机性自然现象 模糊性数学模型模糊性自然现象 突变性数学模型突变性自然现象,2、公理化方法 公理化方法就是从尽可能少的几个原始概念和不证自明的公理出发，应用演绎推理规律，通过逻辑推理建立整个理论体系的方法。,第一个古典的公理化体系,公理化方法首先产生于数学，欧几里德几何学体系是第一个古典的公理化体系。他在几何原本中以23个定义、5 条公设和5条公理作为出发点，推演出467个数学命题，将古代关于几何学的知识系统化为一个逻辑上完美、严密的体系。几何原本不仅奠定了几何学的基础，而且提供了公理化方法的范例。,公理化方法建立的一般原则,无矛盾性。在公理化体系中，要求逻辑上首尾一致，不允许出现相互矛盾的命题。 完备性。即所选择的公理应当是足够的，从它们能推出有关本学科的全部定理、定律；若减少其中任何一条公理，有些定理、定律就会推导不出来。 独立性。即所有公理彼此是独立的，其中任何一个公理都不可能从其它公理中推导出来，这样就可使公理的数目减少到最低限度。,哥德尔不完备性定理,1962年，哥德尔提出不完备性定理，任何一个公理化体系不可能既是完备的，又是无矛盾的。因为，任何公理化体系都是人类在一定历史时期、一定认识水平下的认识成果，不可能是绝对严格、绝对完备的。,第五节 非逻辑方法,一、形象思维 形象思维是在形象地反映客体的具体形状的感性认识基础上，通过意象、进行联想和想象，从而揭示客观对象的本质及其规律性的思维形式。,意象：被感知的对象在意识中保留下来并 通过回忆可再现出来的具体印象。 联想：由一种已知意象唤起另一种已知意象的思维活动。 想象：在联想的基础上加工原有意象而创造 出新意象的思维活动。,想象同联想的区别,联想是将头脑中的意象联系在一起，由一种已知的意象唤起另一种已知的意象，但不创造新意象； 想象则在联想的基础上加工原有意象，创造出新意象。,形象思维与逻辑思维的区别,形象思维 思维细胞；意象 思维过程：运用意象进行联想和想象,逻辑思维 思维细胞：概念 思维过程：运用概念进行判断和推理,形象思维的方法论意义,可以直观形象地揭示对象的本质和规律； 可以在思维过程中将意象再生和组合，能突破现实的局限，抓主要矛盾，对研究对象进行极度纯化和简化，从而揭示对象的本质和规律； 有助于建立理想模型、构思理想实验、形成科学假说。,二、直觉思维 直觉思维是指不受某种固定逻辑规则约束而对事物本质直接领悟的一种思维形式，直觉思维有时还伴随着被称为“灵感”的特殊心理体验和心理过程。直觉与灵感度包含着使问题一下子得到澄清的顿悟。,直觉思维的特点,突发性。直觉的出现迅速短暂，稍纵即逝，是一种突如其来的心理活动； 突变性。直觉与灵感不是按人们正常的逻辑进程进行的认识活动，表现为逻辑上跳跃的突变形式。 突破性。直觉思维突破了思维定势和既定逻辑规则的束缚，称为突破性成果的催生婆。,直觉思维的方法论意义,创造性思维的重要形式，直觉力之大小，决定了创造力之多少。 是产生新概念、新思想和建立假说、提出模型的重要途径之一。,第七章 科学假说与科学理论,恩格斯指出：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”,第一节 科学假说,一.何谓科学假说 所谓科学假说，就是根据已知的科学原理和科学事实，对未知自然现象及其规律性所作出的一种假定性说明。具有两个特点： 第一、科学性。科学假说要以一定的科学事实和已知的科学知识为依据，具有科学性。 第二、推测性。科学假说常常是在根据不足、资料不完备的条件下，对问题提出的一种推测。,二、科学假说的作用,通向科学理论的桥梁 具有先导作用 动力作用,三、科学假说的形成,1.经验主义的方法 2.批判理性主义的方法,四、建立科学假说的原则,解释