科学研究和技术开发.ppt

,科学研究和技术开发,科学与技术的联系与区别 科学研究 技术工程方法,一、科学与技术的一般概念,学科知识领域 科学 技术 科学和技术的联系与区别 科学和技术一体化,三大知识领域,人文科学、社会科学、自然科学 从研究对象看 从研究方法看 从研究手段角度看 从研究目的角度看 从学科属性角度看,自然科学具有不依赖于主体而存在和发展的客观性和普遍性，科学研究活动中主客体界限分明，具有很强的实证性。人文社会科学的研究对象具有主观自为性和个别性，其中充满充满复杂的随机因素的作用，不具备重复性。研究对象本身是由有意志、有目的和有学习能力的人构成的、涉及变量众多、关系复杂，贯穿着人的主观因素和自觉目的，认识活动中的主客体界限模糊。,自然科学是以实证、说明为主导的理性方法，而人文社会学科更多地使用内省、想象、体验、直觉等非理性方法。,自然科学通常使用实验手段，普遍使用数学方法，而人文社会学科除了经济学和社会学等个别社会科学门类，采用数学方法作为辅助手段，很难以量化和纳入数学模型的方法。,自然科学主要是在认识论框架下展开，目的在于揭示自然界的本质与物质运动规律，追求认识的真理性，试图规范和指导改造自然的实践活动，造福人类。 人文社会科学主要是在价值论的框架下展开，目的在于通过对人类文化与社会本质、发展规律的研究，丰富人类精神世界，提升生活质量，指导改造社会的实践活动。,自然科学具有客观性和真理性，忽视价值判断，可以为任何阶级、民族和国家服务。 人文社会科学是真理性、价值性与艺术性的统一，多属社会意识形态，往往程度不一地打上阶级和民族的烙印，难以毫无差别地为一切阶级、民族和国家服务。,自然科学体现的是一种以探索、求实、批判、创新为核心的科学精神，人文社会科学体现的是以追求真善美等崇高的价值理想为核心，以人的自由和发展为终极目的的人文精神。,科学是什么,一种建制 一种方法 一种积累知识的传统 一种维持或发展生产的主要因素 一种重要的观念来源 贝尔纳，著名英国科学家、科学学创始人之一,现代社会不可或缺的一种社会职业,一套思维和操作规则,公认的客观检验标准,导致生产的发展和社会的进步,构成人们信仰、对宇宙和人类的态度的最强大势力,科学是一种高层次的人类活动,在人类的发展过程中，人类不愿听命于大自然的恩赐，从自然的人转变为自为的人，把自己的意志加诸于自然界，用自己的双手改变自然界的本来面目，由于自然界有本身固有的规律性，要改造自然首先要认识自然，把握自然的规律，于是人类怀着一腔好奇心，仰视俯察，穷究万物之理，逐渐演化为科学活动。,技术是什么,技术是知识或是一种知识形态，是关于一种怎样做的知识，是实践性的知识体系，是设计、制造、调整、运作和监控各种人工事物与人工过程的知识、方法与技能的体系。现代技术是对科学的应用。 技术是人类的行动或活动，是设计、制造、调整、运作和监控各种人工事物与人工过程或活动本身，是按照设计创造现实，也是一种发明过程。 技术工具论：技术是和目的的工具 技术本体论：技术即存在，是一种解蔽方式。技术是人审视人的生存状况的一个基点，是普遍存在的一个名称。,科学和技术的区别,从科学技术体系结构看，科学主要执行着认识世界的职能，技术则肩负着改造世界的职能。科学追求万物之理，关注事物是怎样的（how things are）；技术则要考虑事情应当怎样做(how things ought to be)。 自然科学的最终目的是认识支配物质世界的规律结构，技术则更强调实践，总是要具体实现完全特定功能的物质制品。（F.拉普） 科学注重客观正确；技术强调有效性、有用性。,现代科学的主要发展趋势,一方面，物质科学继续揭示自然界更深远、更广阔的层次和各种极限状态下的物质运动规律；另一方面，系统科学和生命科学正逐步阐明与人类有更密切关系的各类复杂系统的行为规律，重要性超过前者。 当代科学在高度分化的基础上产生了高度的综合，综合表现在多层次、多维度的学科交叉与渗透，横断学科和综合性的学科群不断涌现。,现代技术的主要发展趋势,以基础自然科学新成果为先导的高新技术成为现代技术体系的带头技术。信息技术的基础技术是微电子技术。 各门类技术相互渗透、相互促进，并在某些技术领域围绕一个大问题的解决和大目标的实现，形成庞大的综合性技术群，如光通信技术、空间技术。 综合各门类应用技术的复杂大系统的研制开发，成为技术发展的主要途径之一。航天技术的研制成功，涉及数千个技术开发项目。 管理技术、决策技术、经济运行宏观调控技术、大众传媒技术、广告技术等都超越了经验方法加随机应变的前技术化阶段，初步实现了理论指导下的优化和程式化的操作，实现了初步的技术化。 大多数技术创新出现于新产品的研制过程。,当代科学与技术,科学的技术化 技术的科学化 科学技术连续体形成，一体化。,早期的技术活动起决定因素的是人，工匠或艺人遵循处理过程的某些经验规则或诀窍，工匠的知识和技能通过人这个媒介口授流传，以师徒关系实现。在现代的技术中，靠纯经验的方法是不可能的，必须在采用一条经验有效之前弄清为什么有效，对技术规则的有效性做出科学地说明，找出科学依据，因此说现代技术是物化的科学知识。,当代科技新特点,科技发展的规模越来越大 科研经费投入以指数增长 科技知识的更新速度越来越快 科学发现和技术发明转化为生产力的周期越来短 现代科技具有巨大的社会经济效益 科学与产业的关系日益紧密,二、科学精神和科学方法,科学知识、科学思想、科学方法和科学精神之间的关系 科学精神的内涵 科学方法 如何从事科学研究,科学思想、科学知识、科学方法和科学精神,科学思想对于科学知识提供了一种具有认识论意义的总体性的理论框架。 科学思想对于科学方法提供了具有方法论意义的理论大思路。 科学精神是科学的灵魂，是科学活动的理性原则，是判断科学与非科学的准绳，是科学知识的客观性、科学思想的合理性以及科学方法的有效性的根本保障。,弘扬科学精神,科学精神是人类在长期科学活动中逐渐形成和发展的一种主观精神状态，最早的科学精神表现为一种理想化的认知态度，此后发展为理想化的社会关系规范。由于科学的建制化使得科学与社会的互动日益凸现，科学精神由此进入文化价值判断领域，成为科技时代一种重要的人类价值观。 在认知层面，科学精神的核心内涵是理性精神，即相信自然界存在一种内在的法则，人们可以通过科学方法努力寻找反映自然法则的自然规律。相信真理存在，坚持追求真理的态度。 在社会建制层面，科学精神是科学共同体的理想化社会关系准则。普遍性、公有性、无私性和有条理的怀疑主义等作为惯例的规则构成了科学的精神气质。 在文化价值层面，科学精神体现了作为先进文化的科学与社会的互动。,科学精神的内涵,理性精神 实证精神 分析精神 开放精神 民主精神 批判精神,科学方法,各门科学所特有的认识和方法 物理学中对太阳的化学元素的研究使用光谱分析法；化学中的反应速度研究使用催化方法。 整个自然科学的认识方法 实验方法、数学方法、系统方法等 自然科学、社会科学和思维科学普遍使用的方法 着重在世界观、认识论和方法论上,科学研究,科学研究始于问题 真正富有创造性地研究活动从提出问题开始 科学问题是在特有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尚未解决的问题，它包括一定的求解目标和应答域，但尚无确定的答案。 科学问题从形式上分为三种类型 是什么：对研究对象识别或判定 为什么：回答现象的原因或行为的目的 怎么样：描述所研究的对象或对象系统的状态或过程,科学问题的提出和解决,提出一个问题往往比解决一个问题更重要（爱因斯坦物理学的进化） 科学问题 解决科学问题的途径,经验问题 概念问题,未解决的问题 已经解决的问题 反常问题,内部概念 外部概念,通过进一步获取事实回答问题 通过引入新的假说解答问题 通过引入新的概念解决问题,科学观察与科学实验,在科学认识中，最基本的方法是观察和实验。科学认识首先建立在生产实践的基础上，在现代科学认识中，科学实验成为科学认识活动的直接的、重要的基础。 科学观察是在一定的思想或理论的指导下，有目的的、主动地观察。科学观察最基本的原则是“观察的客观性”，应努力避免观察的片面性、主观性。 实验是近代科学最伟大的传统，离开实验传统，科学之树就丧失了壮大成长的肥沃土壤。当然，也要强调理论思维，反对狭隘的经验主义，但重视理论思维有个必要的前提，就是首先重视科学的观察和实验。作为科学家个人可以在研究工作中偏重理论或实验，但如果不树立把自己的全部科学研究建立在实验结果的基础之上的思想，那是不可能有所发现的。,科学实验,科学实验是人们根据一定的研究目的，利用科学仪器设备，人为地控制或模拟自然现象，使自然过程或生产过程以纯粹、典型的形式表现出来，以便在有利的条件下进行观察、研究的一种方法。 科学实验的特点是简化、纯化以至强化自然过程，以便在人工条件下研究对象所具有的规律性。 科学实验中，人们常常建立对象系统的简化模型来研究真实的对象系统，从而获得有关对象系统的知识。 对科学实验的基本要求是具有可重复性。 定性认识使测量所得到的数据获得意义，而测量的定量结果使对客体的认识臻于准确、富有说服力。,科学抽象,理论建构需要科学抽象和辩证思维 科学抽象的过程 首先对观测和实验中所获取的科学事实进行或然性推论以做出科学的概括，然后以科学概括为媒介，深入到事物的本质中得到普遍的规律，最终完成从经验层次的认识到理论层次认识的飞跃。 科学抽象的意义 1）通过对现象的分析和鉴别，排除假相，撇开事物外部的非本质联系，使知识本质化 2） 通过区分基础的东西和派生的东西，由表及里，把决定事物性质的隐蔽的基础揭示出来，使知识层次化。 3） 科学抽象撇开次要过程、干扰因素和无关的内容，把事物的自然状态显现出来，使知识真实化。,科学思维,科学抽象有赖于正确的思维方法 科学思维的基本原则是： 在逻辑上要求严密的逻辑性，达到归纳和演绎的统一； 在方法上把握分析与综合两种思维方法，善于把他们辩证地结合起来； 在体系上使思想进程反映历史进程，实现逻辑和历史的一致 在科学抽象过程中，必须形成科学概念，提出科学假说，找到一些作为理论出发点的基本概念和基本假说，从他们出发，合乎逻辑地做出判断和推理，建立理论体系。,三、技术开发和工程技术方法,技术预测方法 技术方案构思方法 工程技术设计 软件工程,工程技术精神,科学研究中，直觉、灵感和创新思维是重要的。 因为技术是要具体实现完全特定功能的物质制品，所以必须着眼于行动。务实精神。 人类通过理性的实践活动总结出行之有效、受制于自然规律的技术规则，即为了导致预想结果的实现而应当如何去做的行动方式。技术规则是规范性的，也就是说，只有遵守技术规则，按照一定顺序采取一系列行动，才能保证达到预定的目标。,技术预测,根据科学技术发展的一般规律，对技术在未来发展的状态、趋势、成果及其影响的预见和推测 世界性的技术预测、国家性的技术预测、地区性的技术预测以及行业性和单位性的技术预测 技术的基础理论发展预测、技术原理突破性预测和技术产品更新预测 定性技术预测和定量技术预测 技术需求预测、技术设计预测、技术试验预测、技术应用预测,技术预测方法,由于技术发展的复杂性、特殊性，以及预测者所掌握信息的不充分性等原因，预测的经验色彩浓厚，准确性较差，其科学性有待提高 类比性预测方法 归纳性预测方法 演绎性预测方法,根据一个技术形态的发展，类比推演出另一个技术形态的发展趋势，从类推出得出结论。,从关于同一技术发展的若干个别预测中，概括出比较全面的未来发展趋势，通过归纳推理进行预测。德尔菲预测方法,根据技术预测对象的历史和现状资料，建构一个恰当的数学模型，或绘制出它的发展趋势曲线，从中推演出该技术的未来发展特征。趋势外推法和计算机模拟法,技术方案,技术方案是关于实现技术目标的途径、方式和程序的总体构想，是一种结构复杂、层次重叠的整体系统。 在技术开发过程中，技术方案把技术目标与技术原理结合起来，使技术目标明朗化、技术原理具体化、并为技术研制和实验提供具体指导，它不仅考虑了目标在原理上的可实现性，而且也考虑了实现目标的具体条件、途径、环节、程序和后果。 技术方案系统包括 技术方案实现的 目标功能 实现技术方案目标和功能的技术原理 技术方案实现技术原理的动作系统 实现技术方案工作的物质承担者的机构或构件,技术方案构思方法,技术方案的构思是一个技术再创造的过程，具有突出的探索性和创造性。 1）塑造理想技术对象，为设计提供新思路， 使用缺点例举法或希望点列举法 2）变换思维方向 技术方案设计具有一定的规范性，而设计思路的酝酿却应灵活多样，从对立、变换、联想中获得启发，逆向思维、类推思考、联想思考等价变换思考可以找出消除技术对象的缺点，达到某些希望点的途径。 3）团队合作、互相激励 有智力激励法（美国创造工程学家奥本）和群辩法（美国心理学家戈登）,工程技术设计的重要性,技术方案构思只是实现技术目标的途径、方式和程序的总体构想，难于直接付诸实施，还必须进行细致且复杂的工程技术设计。 工程技术设计在技术研究和开发中起着重要的作用，他决定了生产什么样的产品（性能、寿命、效益）和如何进行生产（包括生产的工艺流程、施工过程、制造方法等），技术统计资料表明，产品生产成本的75%80%是由技术设计决定的，错误的设计一旦付诸实施，将会酿成灾难性的后果,现代工程技术设计的特点,在漫长的社会实践活动中，工程技术设计方法从主要依靠直觉和经验形成了一套严密的设计规范体系。 工程技术设计是技术性与艺术性的统一。 现代设计方法的主要特征是动态设计、优化设计和计算机辅助设计。,工程设计方法,工程设计应用设计理论和方法，把人们头脑中的技术方案构思规范化、定量化，并用标准的形式表示出来。 工程设计在技术工作原理的基础上进行观念运作，创造性地建构虚拟技术系统，并对其运行进行模拟、预测、修正和评估。设计者要围绕目的的实现，调动以往所积累起来的经验、知识、技术、艺术等多种资源，探求实现目的的技术原理，在思维中把多种技术单元综合、组织到一个目的性活动序列之中，最终形成一个可以实际建构和运行的实施方案。 工程技术设计分为初步设计、技术设计和施工设计三个阶段，包括总体设计、初步设计、详细设计和工作图设计等环节。,软件工程,软件工程三要素：方法、过程和工具 软件过程和软件生命周期 软件工程学 软件开发模型 软件过程 软件工程管理,软件计划 软件需求 软件设计 软件编码 软件测试 软件维护,软件危机,早期的软件开发所面临的问题域比较简单，从认识清楚要解决的问题，到用程序表达出来，都不是太难的事。随着计算机应用领域的拓广，问题域的复杂度急剧膨胀，软件生产规模不断扩大，软件产品功能需求不断提高，原有的软件开发方法造成了软件生产效率下降，进度无法预测，产品质量降低，成本增长失去控制，60年代初，出现了软件危机。针对软件危机，在1968年的NATO会议上，提出了“软件工程”的概念。,软件工程的定义,软件工程是研究软件开发和软件管理的一门工程科学。 把系统化的、规范的、可度量的方法应用于软件开发、运行和维护的过程，也就是把工程化应用于软件中。 IEEE，1993 软件工程是应用于计算机软件的定义、开发和维护的一整套方法、工具文档、实践标准的工序。国标（GB）,软件已经成为20世纪劳动力最密集的产品，同时也是最容易出错的产品，软件界在开发进度预告的成本计算的精确性以及质量控制上可谓是声名狼藉。绝大多数大型系统都延期完工、超出预算，很多项目在没有完成之前就被取消了。 软件评估、基准测试与最佳实践 美 Capers Jones著 韩柯译,据统计，世界上大约31%的项目在完成之前被取消，52%的项目的成本是他们原来预算的189%。,传统软件工程 面向对象软件工程 面向过程 面向构件 软件工程已进入到目前的第四代，正带着许多成就步入中年。今天，它已经被公认为一个重要学科，值得认真地研究、细心地学习和热烈地争论。在整个产业界，“软件工程师”已经替代“程序员”成为更受欢迎的工作头衔,软件危机的出现，促进了软件工程学的形成与发展。,软件工程学,如果把编程技术比作工匠的盖房技术，那么软件工程学就可比作一整套的现代建筑学体系，一群会盖平房的能工巧匠并不能建造摩天大厦。同样，一些只懂得编程技术的开发人员也远远不能胜任大型软件系统的开发任务，这需要一整套软件工程理论与技术体系。 从认识事物方面，软件工程学有一整套分析、认识问题域的方法、原则和策略，它使得软件开发人员对问题域的理解比不遵循软件工程方法更为全面、深刻和有效。 从描述事物方面，软件工程学有一套表示体系和文档规范，它比仅用自然语言来表达更为准确，更接近于后期的开发。,软件工程的基本原理,B.W.Boehm于1983年提出： （1） 用分阶段的生命周期计划严格管理软件开发。阶段划分成：计划、分析、设计、编程、测试和运行维护； （2） 坚持进行阶段评审。上一阶段评审不通过，就不能进入下一阶段开发； （3） 实行严格的产品版本控制； （4） 采用现代程序设计技术； （5） 结果应能清楚地审查。因此，对文档要有严格要求； （6） 开发小组的成员要少而精； （7） 要不断地改进软件工程实践的经验和技术，要与时俱进； （8） 二八定律。对于软件项目进度和工作量的估计：一般人主观上认为已经完成了80%，但实际上只完成了20%；80%的问题存在于20%的程序之中；20%的模块，实现了80%的功能；20%的人，解决了软件中80%的问题；企业信息系统中80%的问题，可以用20%的资金来解决。,软件工程三要素,方法 过程 工具,从不同的方法学出发来认识事物都可以得到一些言之成理的结论，但却存在着难易、繁简、深浅、和优劣之分。例如中国道家的阴阳五行学说曾被用来解释物质的构成和转化，不如现代化学的解释更为透彻、更为明了。又如日心说诞生之前欧洲的天文学家以地球为中心计算行星的运行轨道，于是大圈套小圈，公式十分复杂，而日心说认为，行星的运行轨道是围绕太阳的一个椭圆，使计算运行轨道的问题变得简单了。面向对象方法在软件开发阶段可以提高开发效率20%，还可以大大改善以往75%以上的系统成本花费在维护阶段的问题。,任务思维 注重任务、设备、人员和组织结构等 过程思维 注重总体目标、各部分之间的协调和一致性。 规范化的过程是达到目标的最佳途径 成熟的过程 角色与职责规定明确 相互关系无重叠 有明确的目标和测量方法 都遵循一个规划好的文件化过程 可分享取得的经验 项目得到有效的控制和管理 项目进度和产品质量均可预见 软件过程：获得高质量软件所需要完成的一系列任务的框架，他规定了完成各项任务的工作步骤，主要包括计划、分析、设计、编程、测试和运行维护。,工欲善其事，必先利其器。 吾当终日而思矣，不如须臾之所学也，假舆马者，非利足也，而致千里；假舟楫者，非能水也，而绝江河，君子生非异也，善假于物也。（荀况） 计算机辅助软件工程 软件开发环境,软件工程的基本目标,付出较低的开发成本 达到要求的软件功能 取得较好的软件性能 开发的软件易于移植 需要较低的维护费用 能按时完成开发工作 能及时交付客户使用,软件生存期模型,软件生存期模型是跨越整个生存期的系统开发、运作和维护所实施的全部过程、活动和任务的结构框架。也称软件过程模型。 瀑布模型（线性顺序模型） 快速原型模型 增量模型 迭代模型,喷泉模型 螺旋模型 统一过程 使用统一建模语言UML,瀑布模型,教育软件的开发瀑布模型,计划 可行性分析 任务分析,教学软件的开发流程,项目定义和策划 需求分析 软件结构和教学设计 脚本编写 素材准备和制作 软件编辑 测试 维护和使用评价 形成产品,可行性分析，明确开发的目的、经费、设备、人员、时间限制、应用环境（课堂教学、课外辅助教学等）,了解用户需求，包括：使用对象的年龄、认知水平（小、中、大学；教育类型（普通、职业、老年、特殊教育）,系统和软件结构设计 功能设计、模块的划分 总体风格设计 模块和屏之间的关系 教学设计 教学内容和目标分析 制定教学策略，考虑到教学目标、学生特点和技术实现能力,素材准备、界面设计、媒体编辑,脚本编写,制订脚本写作规范，沟通和交流，编写 A脚本(Script)也称故事板(Story Board)、文字脚本 描述学生将要在计算机上看到的细节。它既是设计阶段的总结，又是开发和实施阶段的依据。 B脚本也称制作脚本 学习者将要在计算机的屏幕看到的细节,脚本格式,现实中的开发过程,迭代模型,迭代式生命周期分为4个阶段： 初始阶段。确定系统的业务用况（Use Case）和定义项目的范围。 精化阶段。分析问题域、细化产品定义，定义系统的构架并建立基线，为构建阶段的设计和实施工作提供一个稳定的基础。 构建阶段。反复地开发，以完善产品，达到用户的要求。这包括了用况的描述、完成设计、完成实现和对软件进行测试等工作。 移交阶段。将产品交付给用户，包括安装、培训、交付、