自然辩证法-科学技术方法论(北大).ppt

1 第二篇科学技术方法论 科学技术认识方法论是关于科学技术研究中常用的一般认识方法的理论 是关于科学研究和工程技术研究一般方法的性质 特点 内在联系和变化发展的理论体系 2 一 科学认识和科学方法 1 科学认识相对于日常生活中的尝试性认识以及高度抽象的哲理性认识而言的 实证性 能提供具体确定的知识 结论比较明确 可以验证 深刻性 不停留在表面现象上 而力求揭示背后的本质 阐明其内部机理 创造性 实践基础上进行抽象思维 创建理论并指导实践创造出人工客体 3 2 科学认识系统 科学认识活动中各种要素的结合 主体 客体 中介 主体 具知识经验 方法技能 价值标准和科学实践的特殊性的人 认识中处于主动地位 具有能动性 客体 进入主体认识和实践范围的客观事物 客观存在 认识受客体制约 现实认识系统关系中 作为主体的认识对象而存在 中介 物质性中介 科研中所用仪器和工具等 精神性中介 包括科研的一般程序 推理规则 语言和符号的运用等 4 3 科学方法及方法的层次科学方法 科学认识主体把握客体的精神性工具和主观手段 通过科学认识主体的实践活动而表现出来的 方法的层次 具体科学 技术学科的特殊研究方法 光谱分析法 条件反射法 同位素示踪法等 本课程的重点 各门科学 技术的一般研究方法 观察实验 假说方法 技术预测和评估方法 系统方法 数学方法等哲学层次上的方法 具有普遍适用性 如归纳方法 演绎方法 矛盾分析方法等 5 二 科学问题和科研选题 1 科学问题问题 一种已知与未知的结合体 交界 科学问题 主体在当时知识背景下提出的关于科学认识和实践中需要解决而又未解决的矛盾 包含着一定的求解目标和求解范围 但尚无确定的答案 时代性 指向性 应答域从认识来源上看 科学认识归根结底来源于人们的社会生产实践和科学实践 从科研程序上看 科研是不断提出问题和解决问题的过程 发现和选定问题是科研的起点 6 2 科学研究从问题开始 归纳主义 科研始于观察和收集材料 然后归纳上升为理论 科学始于观察 培根 古典归纳主义学派 片面夸大归纳法对于科学发现的作用 突出了科学始于观察的观点 历史主义 波普尔 应当把科学设想为从问题到问题的不断进步从问题到越来越深刻的问题 科学发展的证伪模式 P1 TT EE P2 始于问题 P1 对问题的大胆猜测 TT 各种猜测 理论 在竞争中接受批判并遭到证伪 EE 新困难导致新问题 P2 7 科学活动是人的积极的创造性的能动活动 基础研究和应用研究 都是为了解决问题 探索未知 它非消极地等待客观对象 暴露 其自身规律 而是积极地探索自然的奥秘 积极地进行着合乎规律的发明创造 这就集中表现为提出问题和解决问题 3 正确提出问题对于科研有重要意义爱因斯坦 提出一个问题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的进步 海森伯 提出一个问题比解决问题更为重要 但是 科学问题的提出是非常复杂的过程 8 4 科学问题的来源 实践与理论的矛盾 原理论难解释新现象 同一事实进行多方面观察 实验 其结果无法给予统一解释 理论内部的矛盾 理论的推论中证明了两个矛盾命题 理论中有悖论 从理论中能推出它不能成立的结论 佯谬 不同理论 学派之间的矛盾 不同学派运用不同理论 不同学科领域的不同理论解释 社会需要而现有技术不能满足需要的矛盾 9 5 科学问题的分类 常规问题和反常问题常规问题 检验理论 理论应用 理论系统化和表达 反常问题 对已有理论质疑 如果说常规问题的解决是原有的理论获得新的发展 那么反常问题的解决就是新理论的发现 再如 为什么 研究并回答对象内部机理和规律性 是什么 研究并回答对象的识别 判定类型 性质 怎么样 研究并回答对象的运动状态及运动转化过程 10 6 科研选题 1 科研选题 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 作为科研启始步骤 万事开头难 关系到科研方向 目标和内容 影响科研途径 方法 决定成果水平 价值和发展前途 2 科学研究中的战略和战术战略 凡属带有要照顾各方面 各阶段性质的 研究全局的规律性的意图 计划 就是战略 战术 凡属只具有一个方面 一个阶段 研究局部的规律性的意图 计划 就是战术 战略与战术的既相互区别也相互联系 在不同层次 不同类型 不同时期发生着转化 11 3 科研选题一般步骤文献调研和实际考察 提出选题 初步论证 评议和确定课题 不断反馈调节的过程 常常需要反复调研 多次论证 12 7 科研选题的基本原则 需要性 与社会 经济发展密切联系 或是与学科发展本身需要密切联系 对于基础研究 发展研究和试验应用要区别对待创造性 科研是探索性工作 本质上要求创新 其生命在于创新 科学性 有一定的科学理论 事实的依据 把选题置于当时背景条件下 使之成为科学上可成立和探索的问题 可行性 与主客观条件适应 据已有条件或努力创造条件 取得预期或一定成果 注意 科研具有不确定性 不确定性由大到小的一般顺序 基础研究 应用研究和试验发展 13 二 科学事实和观察实验 科学事实是科学研究的基础 科学观察和科学实验是获取科学事实的基本手段1 科学事实 1 通过观察和实验获得的并经过整理和鉴定了的经验事实 是科学研究的基础 事实 客体与仪器相互作用结果的表征 如观测仪器上记录和显示的数据 图象等 与客体性质有关 也与人所设的认识条件有关 同一客体事件在不同仪器上的显示可以不同 事实 对观察实验所得结果的陈述和判断 与客体性质有关 又与人用以描述事实的概念系统有关 同一事件在不同概念系统中可能有不同描述 14 属于认识论范畴 体现客观实践在科学认识主体中的记述和判断 内容客观 形式主观 经验事实存在着可错性 同一客观事实 受测量条件的制约 同一客观事实的描述 受理论系统的制约 科学事实 应是个别存在陈述 应具可重复性 应具精确系统性 2 在科学认识过程中的作用是形成新概念 新理论的基础 是对科学假说和科学理论进行评价的基本手段和基本依据 15 2 科学观察 人们有目的 有计划地感知和描述处于自然状态下的客观事物 获取感性材料的基本手段 特点 一种感性活动 一种有目的 有计划的活动 对于自然状态下客体的感知和描述 直接观察 通过感官直接考察客体 直观 生动 局限性 如 人的感官的阈值 间接观察 通过仪器 作为中介物 进行的观察 极大地克服了感官的局限 观察者 观察仪器和观察对象之间的三项关系 16 3 观察和理论的关系 传统上 观察中性 理论依赖观察 而不受理论制约 现代发现 观察渗透着理论 因为观察不仅是接受信息的过程 也是加工信息的过程 所以必然与观察者的知识背景乃至生活经验 心理定势相联系 不同的观察者对同一过程可能会得出不同的结论 观察 就其是对被观察对象的反映 无疑具有客观性 但观察不可能绝对中立 又没有纯粹的客观性 但是 科学家渗透在观察之中的理论 主要是指经过实践检验过的理论 它反映着客观世界的规律 这与猜想和假说有区别 因此 重视观察渗透理论 与强调观察实验对于科学认识的形成和发展起基础性作用 本质上是一致的 17 4 科学实验 据一定科研目的 用一定物质手段 科学仪器和设备 在人为控制或变革客观事物的条件获得科学事实的基本方法 三项 实验者 实验对象 实验手段 一般地 也属于观察 是对于客体进行积极干预下进行的观察 特点 可以纯化和简化观察对象可以强化对象及其条件具有可重复性可以模拟研究对象的属性及其变化过程 一种经济可靠的认识和变革自然的方法 18 5 实验的种类 依测量手段 定性实验 发现对象某种属性 定量实验 精确测量属性的量值 依实验手段 直接实验 在实验仪器干预对象条件下观测对象所输出的信息 模拟实验 间接实验 设计出反映对象属性的模型 再用实验手段作用于模型 通过模型实验了解原型即对象性质 变化规律 19 6 模型和模拟实验 有学者指出 模型是科学方法的核心 孙小礼 自然辩证法通论 高等教育出版社 第六章物理模型 模拟 根据相似理论 构造出与对象相似的物理模型 通过模型实验了解原型变化的物理过程 数学模型 模拟 在原型与模型具有数学相似性的基础上 通过计算机求解来研究对象性质的一种模拟方法 功能模型 模拟 以控制论为理论基础 以功能相似为目标的模拟实验 已经在现代科学技术中起着重要的作用 思想模型和思想试验 参见后面 20 7 实验规划和设计的要点 实验规划 确定控制变量 尽量减少不确定性变量的干扰 确定变量的测定方法 尽量相对测量 较容易 选择适当试样 在各种实验中都十分重要 尽可能进行对比实验 注意消除实验者的心理定势的影响 特别是要考虑实验应该具有可重复性 实验设计 拟定实验的方案步骤 选择实验仪器 设备和材料 然后进入实验实施阶段和结果处理阶段 21 8 观察实验中的机遇 科学研究中由于意外事件导致科学上的新发现 称为机遇 相对于原来预定的目标而言 科学研究中 机遇 偶然发现 是大量存在的 能否发现并抓住机遇 从认识论上讲有一个辩证地理解必然性与偶然性的关系 同时也涉及到科学认识主体的科研敏锐性 或者是 新的 实验手段揭示了新的现象 等等 无论如何 正如巴斯德所言 在观察的领域里 机遇只偏爱那种有准备的头脑 22 三 科学抽象 1 科学抽象思维中对同类事物去除其现象的 次要的方面 抽取共同的 主要的方面 从而做到从个别中把握一般 从现象中把握本质的认知过程 科学抽象是科学认识从感性阶段向理性阶段飞跃的决定性环节 完整过程包括两次飞跃 感性的具体 抽象的规定 思维的具体 例 科学概念的制作 感性的具体指科学事实 抽象的规定指概念 或模型 的各个要素 思维的具体指这些要素辩证综合所形成的完整概念 或思想模型 科学理论的建构 感性的具体是科学事实 抽象的规定是未经综合的概念 经验规律 如开普勒三定律 科学假说等 思维的具体是指经过辩证综合的 完整的理论体系 23 科学抽象的成果 包括科学概念 科学符号 思想模型等狭义形态 也包括科学判断 科学假说和理论等广义形态 2 科学概念 1 科学认识中反映事物本质的思维形式 是科学思维的 细胞 思维结构的基本单位 是认识之网的钮结 科学通过概念之间的关系来反映事物的本质和规律 概念的外延和内涵 外延 概念所涉及的类的总合 内涵 概念中所思考的属性 关系和本质特征的总和 两者既相互联系又相互区别 24 2 科学概念的特征可确定性 指概念在逻辑上的可确定性 可接收性 因此 概念的制作中是允许科学猜想和假设成份的 可检验性 不仅要有逻辑上的可确定性 而且必须要有实践上的可检验性 包括直接检验和间接检验 可变动性 科学概念的生命力在于随着认识的发展而深化 变化 甚至更新 25 3 科学概念的制作 通过抽象法 抽取共同点 本质总是通过共同点而表现出来的 所以抽象首先要抽取共同点 限制思路 深入抽取本质 共同点不等于本质 需经过辩证分析 有选择地重点深入 着重把握共同点中的本质的东西 理想地复现对象 处理丰富内涵的概念 要对概念的要素进行辩证综合 或进一步理想化 在思维中理想地复现对象 如质点 刚性等 26 2 科学符号 认识论角度 符号是一定的可感知的物质对象 在贮存 传递另一对象的信息方面充当另一对象的代表物 物质性 可感知性 含义 自然语言符号系统 社会中历史地形成 交流 沟通 知识保存 传播 多义性 歧义性 语法结构不严格和统一 人工语言符号系统 科学语言系统 科学行话 各学科的专门科学术语 如元素符号 形式化语言 以数学 数理逻辑符号语言为蓝本的科学语言 如计算机语言 人工语言符号系统建立在自然语言符号系统的基础之上 27 3 思想模型 1 思想模型科研中建立的对原型高度抽象化了的思想客体或思想事物 如原子模型 NDA双螺旋模型等 它以最纯粹形式甚至某种极限状态体现对象本质属性和基础过程 广义上包括数学模型 2 理想模型思想模型的特殊类型 既具有高度抽象性 又具某种极限特征的理想客体或理想事物 如数学点 线 面 质点 刚体 理想黑体 卡诺循环 思想模型的提出 得益于逻辑方法和非逻辑方法的综合利用 是创造性思维的结果 28 3 科学认识过程中的作用 科学理论与现实原型之间的必要中介 成为理论研究的直接对象 科学规律只有在相应的思想模型中才有严格精确的体现 其认识功能 解释功能 对原型的摹写 样本 应与其实验基础相符 能借此对原型 观测和实验的结果做出科学解释 判据功能 以实践为基础建立的思想模型 可间接地起到关于原型知识真实性的判据作用 预见功能 对客体绝对化纯粹化后的产物 往往可以超越现实条件 揭示研究对象在理想条件下可能出现的情况 也是一个不断完善 修正 乃至被抛弃的过程 29 4 理想实验 运用理想模型在思想中塑造理论过程 并进行严密逻辑推理的一种思维方法 理想模型方法表现为科学认识主体对理想模型进行思想的操作 所以理想实验也是一种理想模型方法 具有一般实验的结构模式 但又具有假想的性质 如 伽利略理想惯性运动实验 反驳亚里士多德落体定律的逻辑推演 爱因斯坦关于同时的相对性实验 关于惯性质量和引力质量等效的理想实验 30 四 科学思维 科学思维是运用科学抽象的成果 概念 符号和思想模型所进行的深入的认知活动 是主体把握客体本质的认识活动和认识形式 科学思维的三类基本形式 逻辑思维 研究得比较多 分析 综合 归纳 演绎 类比 是运用逻辑思维最重要 最常见的一些科学方法 形象思维非逻辑思维直觉思维 31 创造性思维广义 创造过程中发挥作用的种种思维活动总称狭义 提出创新思想的思维活动 也就是 明朗期 直接起作用的思维活动 过程 准备期 酝酿期 明朗期 验证期 形态和特征 以非逻辑思维形式为主 想象 直觉 灵感 以逻辑思维形式为主一些共同的特征 逻辑思维与非逻辑思维的辩证统一 发散思维和收敛思维的优化综合 32 五 逻辑思维方法 1 分析 综合 1 分析方法将被研究对象整体分为各部分 方面 因素和层次等 并分别加以考察的认识方法 定性分析 对象是否具有某种属性 有没有 是不是 定量分析 对象的各种成分数量 有多少 因果分析 引起某一现象变化原因 为什么 分析是对一定综合体的分析 分析离不开综合 辩证的分析是剖析事物矛盾的思维方法 33 2 综合方法 将已有的关于研究对象各个部分 方面 因素和层次的认识联系起来 形成对研究对象整体性认识的认识方法 综合以分析为基础 探索研究对象的各个部分 方面 因素和层次之间的相互联系的方式 即结构的机理与功能 由此形成一种新的整体性认识 正如分析离不开综合 综合也离不开分析 辩证的综合不是各个要素的简单加和 它导致关于研究对象的新的知识 因此本质上是一种在分析基础上的创造 也导致科学上的新发现 34 2 系统方法20世纪系统科学和技术的发展 促进了科学的系统自然观和系统方法的形成 参阅 自然辩证法概论 pp 27 47 第二节 第三节 pp 224 253 第八章 1 系统相互联系 相互作用的若干要素构成的有特定功能的统一整体 关于系统的定义多种多样 而且在特定的学科 理论中往往有特定角度的定义 这里采取一种非常一般的定义 35 2 系统方法即把研究对象和过程视为系统来加以研究 包括 广义上 实际上是一组系统方法论形态 狭义上 系统分析方法 系统规划方法 从信息论的角度 信息方法 从控制论的角度 控制论方法 多种控制方法 黑箱方法 功能模拟方法 从系统动力学角度 等等 也可以说 系统方法就是系统科学的方法 是关于一般系统理论 控制论 信息论以及耗散结构理论 协同学和超循环理论等系统理论所形成的系统科学的一般方法论 36 3 系统科学方法原则 整体性 将对象看作有机整体 强调局部与全局 个别与一般 分析与综合的协调 动态性 将对象看作动态的活系统 联系其历史 现状与发展趋势 注意阶段性与连续性的结合 优化原则 统筹兼顾 大力协同 多利相衡取其重 多害相衡取其轻 进行综合优化和系统筛选 模型化 把真实系统抽象为模型 通过模拟实验 仿真实验 求得优化的结果 37 4 系统方法的作用和特点世界本来是复杂的 系统方法为人们提供了新的思维方式 是认识 调控 改造 创造复杂系统的有效手段 世界是一个具有统一性的整体 系统方法突破了传统的学科界限 从系统性角度探讨种种客观研究对象的共性 从而对助于促进学科间的交叉 有利于建立起统一的世界图景和文化图景 系统方法吸取了整体论从整体上看问题的长处 以及原子论 还原论深入分析的优点 注意克服它们各自的片面之处 试图将两者整合起来 在新的高度体现着部分和整体 分析和综合相结合的辩证法 38 3 比较和类比 1 比较比较是认识对象之间的相同点或相异点的逻辑思维方法 比较可以在异类对象之间进行 也可以在同类对象之间进行 还可以在同一对象的不同方面 不同部分之间进行 相同对象比较 同中求异不同对象比较 异中求同同异综合比较 求同求异 39 运用比较方法时的一些原则要点比较必须在同一关系下进行 对象是否具有可比性 但可比性也是一个历史范畴 选择与制定精确的 稳定的比较标准 定量比较的基础 也是定性比较所必需 在越是不同的对象中探求相同点 或在越是相同的对象中探求不同点 对于科学发现的意义就越大 40 2 类比 根据两类对象之间在某些方面的类似或同一 推断它们在其它方面也可能类似或同一的逻辑思维方法 逻辑学上又叫做类比推理 A有属性a b c 以及dB有属性a b c则B可能有属性d基本类型 质料类比 据性质类似 比较结果具较大或然性 形式类比 据因果关系或规律性 可靠性大为提高 综合类比 据综合模型之间的相似性 以数学模型的相似性为基础 41 类比的结论具有或然性 因此 应注意到 类比所根据的相似属性越多 类比的应用也就越为有效 类比所根据的相似属性之间越是相关联 类比的应用也就越为有效 类比所根据的相似数学模型越精确 类比的应用也就越有成效 类比推理思维过程 基本环节是联想和比较 首先 选取何种类比对象的联想和比较 其次 对研究对象在形态 属性 结构 功能方面 理论的原则 形式 方法 内容方面的联想和比较 从已知事物的判断过渡到未知事物的判断 42 4 归纳和演绎 科学认识是从个别到一般 又由一般再到个别的过程 通过个别认识一般的主要思维方法是归纳 由一般认识个别的主要思维方法是演绎 1 归纳从个别或特殊事物概括出共同本质或一般原理的逻辑思维方法 在逻辑上叫做归纳推理 亚里士多德 简单枚举法和直觉归纳 培根 改进 提出要考虑各种条件和环境的归纳 穆勒 因果关系的归纳五法 求同 求异 求同求异共用法 剩余法 共变法 43 归纳原理如果在各种各样的条件下观察过大量的S类对象 所有这些被观察到的S都毫无例外地有性质P 那么就可以断定所有S类对象都具有性质P 归纳法以归纳原理为根据 归纳问题古典归纳主义 只要把事实材料 观察陈述 放进这部归纳法 机器 中 就会创造出科学理论 科学始于观察 通过归纳建立理论 科学知识积累增长 但是 休谟对归纳合理性提出了质疑 44 归纳原理不能在逻辑上得到证明 在时间t1观察到天鹅x1是白色的 在时间t2观察到天鹅x2是白色的 在时间tn观察到天鹅xn是白色的 所以 一切天鹅都是白色的 归纳原理也不能从经验上证明 在x1场合运用归纳原理是有效的 在x2场合运用归纳原理是有效的 在xn场合运用归纳原理是有效的 所以 在任何场合运用归纳原理总是有效的 这说明 休谟的质疑具有合理性 暴露归纳法的局限性 决不能因此就否认归纳法的作用 许多低层次经验定律 大都是受归纳法启示而总结出来的 45 2 演绎 演绎是从一般原理推论出个别或特殊事物及其结论的过程 演绎主义 科学的基础是公理 天赋 直观 不证自明 公理是所有科学理论的原始前提 由此通过演绎方法可以导出整个科学理论系统 所以 科学的方法就是演绎法 古代开始 欧氏几何就是演绎系统的典范 近代科学 将时空的绝对性看作也是一种显而易见 不证自明的公理 演绎的三段论 大前提 小前提 结论 凡人皆会死 张三是人 张三也会死 46 对演绎法的责难 公理系统并不唯一 可有等价命题系统 挑选某公理系统时 也可能是其他因素 实践 教学甚至美学方面因素的在起作用 演绎法从一般到个别 不可能使人们的视野开阔到更一般的普遍认识上 演绎法的科研中的作用 论证理论 对某理论命题作出演绎证明 从而对理论 假说 作出某种评价 促使其逻辑严密性 解释事实或预见事实 从理论命题推导出事实命题 或解释已知事实 或是预见未知事实 对于发现疑难问题 如果H而且C 那么E 非E所以 非H或者非C 47 3 公理化方法 一般程序 选择只作公设的概念为基本概念 选择一类自明的陈述作为公理 无须证明而置入系统 制定推理 推导 规则 依据规则从原初概念推导出新的概念 从公理演绎出新的陈述 遵循同样规则 和步骤 从导出的陈述和公理中进一步推导出其他陈述 公理化方法有其局限性 系统本身应该具有一致性 无矛盾性 哥德尔 不完全性定理 表明数学公理系统的无矛盾性和完全性是相斥的 48 六 非逻辑思维方法 1 形象思维 在形象地反映客体的具体形状或姿态的感性认识基础上 通过意象 联想和想象来揭示对象的本质及其规律的思维方式 形象思维与逻辑思维的区别 前者是利用意象进行联想和想象 后者是运用概念进行判断和推理 49 意象 对同类事物形象的一般特征的反映 通过印象 表象这些还处于感性阶段的关于对象的生动形象或 内心图画 联想 广义指从一事物想到另一事物的思维活动 非形象联想 形象联想 想象 在联想基础上加工原有意象而创造出新意象的思维活动 在原有意象的基础上 经过联想 加工已有意象以创造出新意象 也要使用形象分析 形象综合等思维方式 仿造想象 模仿引发物 设想出类似的创造物 跳跃想象 引发物诱发下 创造地推测出原理或定律 假说 构想出与引发物不同类的创造物 复合想象 仿造想象和跳跃想象的综合运用 50 2 想象在作出科学发现中具有重要的意义 爱因斯坦 想象力比知识更重要 因为知识是有限的 而想象力概括了世界上的一切 推动着进步 而且是知识进化的源泉 严格说 想象力是科学研究中的实在因素 51 3 科学想象中应注意两条原则 科学想象提出的理论必须能够解释事实 意外的事实使C被观察到 假设H就能解释C 所以 有理由想象H实际是溯因法推理形式 想象某个理论必须遵循 想象提出的理论必须是可检验的 意外的事实C被观察到 假设H就能够解释C 假设H能够推测C意外的事实C C 为可观察的事实 所以 有理由想象H即不仅要解释已考察过的事实 还要能演绎出更多有关实际事实的新结论 52 七 数学方法和科学计算 1 数学方法指以数学为工具进行科学研究的方法 即用数学语言表达事物的状态 关系和过程 经推导 演算和分析 以形成解释 判断和预言的方法 1 数学方法的基本特征高度的抽象性 逻辑的严格性和结论的确定性 即精确性 应用的普遍性 53 2 数学模型方法数学模型方法 通过建立和研究客观对象的数学模型来揭示对象本质特征和变化规律的方法 建立数学模型的过程 就是对实际问题进行具体分析的科学抽象过程 3 数学方法在科学认识中的作用为科学技术研究提供简洁精确的形式化语言 提供了一种抽象思维的工具 为科学技术研究提供数量分析和计算的方法 为科学技术研究提供逻辑推理的方法 54 2 科学计算 第三种科学方法 是把所要研究问题的数学模型 转换为能输入计算机进行数值运算的形式 或直接建立计算机仿真模型 在计算机上通过系统地变换参数作大量数值计算 经过分析比较从而作出某种结论或科学发现 随着计算机技术发展 科学计算 在科学和工程研究中的越来越重要 还有 计算机实验 数学实验 等不同说法 有学者指出 科学计算已经成为与观察实验 数学并列的第三种基本的科学方法 石钟慈 第三种科学方法 计算机时代的科学计算 清华大学出版社 暨南大学出版社 2000 55 八 科学假说及其检验 1 科学假说据已知科学事实和科学原理 对所研究对象及其规律提出的假定性的推测和说明 是科技理论思维的一种重要形式 1 科学假说的基本构成要素 事实基础 背景知识 包括推理规则 关于对象本质的猜测 推演出的预言和预见 56 2 假说的一般特征科学性 以一定科学事实为依据 科学理论为前提 与幻想 神话等相区别 假定性 包括对事物本质和规律的猜测 未来可能被证伪而淘汰 也可能被确证或部分被确证得到完善 易变性 对同一自然现象 可能提出多种不同的假说 会随着实践过程中的新发现而变化 随着争论的发展而修改 57 3 科学假说的作用 通向科学理论的桥梁 科学是沿着假说 理论 新假说 新理论 的途径 不断地向前发展的 激发思维创造性的媒介 凭借假说的形式进行大胆的探索 提出创新见解 不同假说的 争鸣 有利于学术的繁荣 争论有利于揭露矛盾 启发思考 相互补充 从而更全面更深刻 58 4 科学假说的形成 假说形成的两阶段 初始 尝试性和多元性 进行推理和初步检验 完成 以已经确立的初步假定为重心 应用科学理论进行论证和寻求经验证据的支持 从而充实和扩张为一个结构稳定的系统 最后还要整理假说的全部内容 使它严谨化系统化 形成假说的指导准则应以科学原理为指导 但不受传统观点的束缚 应以经验事实为依据 但不受原有事实材料的限制 应有可检验性 但不局限于当代的技术水平 应使假说内容的结构简明而严谨 但不求立即构成公理演绎体系 59 5 假说的检验 逻辑分析 分析假说在逻辑上的合理性 以对假说进行初步筛选 概念是否具有精确性 明晰性与简单性 逻辑结构是否具有一致性 是否得到已有科学理论与事实的支持等 实践检验过程中 也常常伴随着逻辑分析 如实验方案的设计 实验过程的调节和实验数据的处理等 用以检验假说的事实都是具体的 个别的观察结果 被检验的假说则常常是普遍的 抽象的命题 一般与个别 普遍与特殊的关系 只有通过逻辑分析 才能使之建立起联系 从而确证或反驳某种假说 另外 单纯的实践检验只能说明假说与事实是否一致 只有通过立即分析才能阐述清楚假说被确证或被证伪的原因 所以 人们常常不满足实践的确认 而力图求得对假说的逻辑证明 如 四色定律 早已在地图绘制实践中千百万次地被证实过 直到1960 s用计算机作出逻辑证明 才满意 60 实践检验 通过观察和实验对假说及其推论进行验证 假说中包括着对事物本质的猜测 往往以全称判断的形式出现 具有抽象性和普遍性 是无法直接验证的 假说中演绎出若干可以直接检验的推论 然后与观察实验结果进行对照 预言和预见并也不总是可以直接检验 需要演绎出若干推论和实践结果进行对照 例如 相对论预言的引力波 总体上说来 逻辑分析只是辅助性的检验方法 假说最终必须由科学实践检验和裁决 61 九 证实与证伪 1 证实通过观察实验对于假说 理论 的肯定 证实的复杂性 一个假说 理论 应与已知的经过实践复核的事实相符合 从假说 理论 所假定的规律与先行条件 边界条件与初始条件 的合取中应推演出被解释的现象 即如果H 一般定律 而且C 先行条件 那么E 被解释现象 但是 以下并非一个普遍的推理形式 后件为真不能保证前件为真 如果H而且C 那么EE 即E为真 所以 H 即H为真 62 2 证伪通过观察实验对于假说 理论 的肯定 证伪的复杂性如果由演绎法推出的结论与经验不符合而出现相反的事实 反例 不一定是理论假说的过错 也许是背景知识的过错造成的 如果H而且C 那么E非E所以 非H或者非C理论核心和保护带 受反驳时 总是想法维护原有理论框架 而通过个别部分的调整和适当修改尽量 消化 反常的经验事实 63 3 正确理解证实和证伪科学实践作为检验假说 理论 具有客观性 从而具有真理性 但是 理论与实践的统一却是历史的具体的统一 证实和证伪是假说检验中的两种判断 二者既对立又统一 将对立绝对化 从而肯定一个而否定另一个的做法是片面的 科学假说有复杂结构 是关于对象的逼真性描述 不可能全真也不全假 其自身也会不断发展 任何个别的活动都不足以作为判定其真理性的完备根据 每次实践活动所获证据都不可能是绝对的 严格无误的 经验证据的可错性 观察实验手段的历史制约性 反驳一个理论的经验证据要依靠另一个理论来解释 要把静态分析与动态分析统一起来 从实践的历史发展和理论竞争的历史发展中探讨科学理论的合理性 判定科学假说 理论 真理性必然是历史发展过程 64 十 科学理论及其合理性 在科研中 发现科学问题 根据科学事实 提出科学假说 形成科学理论 反之 理论又指导新实践 1 科学理论科学理论是经过实践检验的系统化的科学知识体系 它是由科学概念 科学原理以及对这些概念 原理的理论论证所组成的体系 其基本知识单元 基本概念 思维基本单位 反映自然事物本质属性的思维形式 构成理论的基石 基本原理或定律 联系基本概念的判断 对所研究对象的基本关系的反映 科学理论赖以建立的基础 由这些概念与原理推演出来的逻辑结论 即各种具体的规律和预见 执行着理论解释和预见的功能 65 2 科学理论的特征 客观真理性 即正确地反映了客观事物的本质及其规律性 这是其基本特征 与假说的根本区别 一个科学理论必须具备三个基本条件 所凭借的事实材料经过实践复核且证明其真实 此基础上的假定得到实践确认 经得起进一步检验 所作出的科学预见已在实践中得到证明 普遍性 通过揭示某一领域的共同本质而普适于该领域 不是通过形式上的 去异存同 的抽象来达到 而是通过对深刻本质的揭示而实现的 系统性 不是各种孤立概念 原理的堆砌 也不是不相关的论点 论据的机械组合 而是立足于自然界的有机联系 由理论的知识单元 概念 原理 定律 组成的有内在结构的知识体系 其中必须概念明确 判断恰当 论证严密即合乎逻辑 66 3 科学理论的评价 人们如何接受和选择理论的问题 目的是促进科学知识的增长 在理论竞争中选择更合理 更可靠 更有前途的理论 假说检验 关注的是假说与观察事实之间是否一致 假说的内在逻辑是否自洽的问题 理论评价 而评价涉及到假说 观察事实和科学家三者之间的关系 不仅要立足于假说检验 而且要讨论科学家对于科学目标的追求 评价和选择理论的准则 67 4 科学理论评价的基本标准 同经验事实的一致性 表明理论具真理性和精确性 符合得越好 越广泛 被接受的可能性就越大 内在逻辑完备性 理论具相对独立性和自主性 仅外部证实作为评价标准不充分 许多新理论是先构造理论 列方程 推演出结论 再由实验验证 逻辑简单性 1 基本概念 定律少 体系逻辑完备性易判定 无矛盾性易实现 2 规律表述得简单 易检验 重复 3 理论的基本概念 定律尽量少 意味着包含的经验内容尽可能多 才具广泛应用性 4 简单性也与追求统一性 追求理论形式的简单 和谐 对称以及数学美有关 理论的预见性 解释已知 更要预见未知 历史表明 一个理论揭示的自然规律越深刻 普遍 预见性就越强 预见现象越多 理论和实践意义越大 68 5 科学的目标 1 近代以来的一些观点近代 科学提供绝对确定的可证明的知识 科学就追求这种绝对无误的知识 逻辑经验主义 具有一定预言值的命题体系 淡化为假说的确证度 批判理性主义 波普尔 猜测和反驳的试错过程 严格讲科学理论没有一个是真的 历史主义 劳丹 目的在于解决问题 在于获得具有较高解决问题能力的理论 避开科学理论的真理性问题 69 2 马克思主义 认识论 的观点科学是一种理性事业 目标是追求科学真理 即对自然本质或规律的正确认识或理论 在特定阶段上获得的科学理论具有相对真理性 将随着实践的不断深入而不断被检验 修改或发展 不断增加它对自然规律反映的逼真性 被证实的理论包含绝对真理成分 科学认识是一个不断从相对真理走向绝对真理 对真理的不断追求的辩证发展的历史过程 70 十一 技术方法 寓于技术研究和技术开发活动中 是技术研究和技术开发过程所采取的手段 途径和行为方式中的可操作的规则或模式 技术的发展经历了由以经验为基础到以科学为基础的历史发展过程 技术方法多种多样 大致可以分为技术决策方法和技术创造方法两大类 技术方法与科学方法有许多共同之处 也有自己的一些特点 71 1 技术方法特点 比较科学方法 更强的实践性 技术研究的进程则是实现人类认识过程中的第二次飞跃 其最终成果主要是物质形态的东西 更强的社会性 技术两重性 技术方法受此影响 方法的选择要考虑各种社会因素 更强综合性 工程技术的研究对象是特定的现实自然物包括人工自然物 须恢复许多在科学研究中舍弃的因素和关系 而且技术方法常常是多种自然科学原理的综合应用 还要综合社会科学的成果 72 需要对社会某种需求的响应为起点发展预测预测方向和突破点目的设定问题 课题 社会需求 技术目标后果评估技术的价值 可能后果 以确认目标原理构思所要创造的对象赖以运行的基本原理方案设计原理付诸实践并检验 选择方案评价多种方案 深入甚至定量评价 以优化技术研制进入技术研制 技术试验 技术鉴定等技术试验环节 通过技术鉴定后就可以进行实技术鉴定施 否则视情况反馈前面阶段修改 实际上每个阶段都可能向前反馈 实施 2 技术创造活动的一般程序 73 3 技术预测方法 根据技术过去和现在的发展和状态 寻求技术发展所遵循的规律性 并借此预先推测技术未来发展和状态的一种科学认识活动 现代技术预测于20世纪中叶首先于美国发展起来 到现在 技术预测得到了广泛应用 已发展起来百余种预测方法 74 预测类型的逻辑分类类比性预测 利用两技术系统具相同或相似特征 已知其中一个的发展过程 先导技术 类推另一种技术系统的发展趋势 类推预测 归纳性预