第6章科学方法论(下)科学发现的逻辑

第六章科学发现的逻辑 第一节科学发现的逻辑起点 创新是一个民族进步的灵魂 是国家兴旺发达的不竭动力 一个没有创新能力的民族 难以屹立于世界先进民族之林 江泽民 问题是新知识 新学问的老祖宗 古往今来的一切新知识的产生与积累都是因为要解答问题 胡适在1932年6月为北大毕业生的赠语 1 科学发展始于问题 思维是从疑问和惊奇开始的 亚里士多德 问题是接生婆 它能帮助新思想诞生 苏格拉底 科学在每个时代都有它自己的问题 而这些问题的解决对于科学发展具有深远意义 只要一门科学分支能提出大量的问题 它就充满着生命力 而问题缺乏则预示着独立发展的衰亡和终止 德国数学家希尔伯特 希尔伯特发表了题为 数学问题 的著名讲演 他根据过去特别是十九世纪数学研究的成果和发展趋势 提出了23个最重要的数学问题 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 科学发展的四段式 P1 TT EE P2P1是研究最初所面对的问题problem 它是科学发展的开端 也是理论的对象 TT表示试探性理论tentativetheory 面对问题 科学家进行了各种大胆的猜测 试着去解答 并提出了各种假说 EE是排错 消除错误eliminationoferror 通过观察 实验或实践中的生产应用 加以检验 淘汰不合理的成分 正确的被保留下来从而使科学理论得到了发展 P2是新的问题problem 经过长期确认的理论一旦被证伪 就产生一个新问题 新问题的解决 又要求提出新的假说 理论 于是又需要新的检验 如此循环往复以至无穷 科学始于问题 英国著名科学哲学家波普尔 什么是问题呢 波普尔说问题就是 矛盾和不一致 哪里有没有解决的矛盾 哪里就有问题 人们对事物的某种现象 特性和规律或对生产领域 有了这些问题或不一致 人们就要对它们进行猜测 于是就有了理论 因此 他断言 科学和知识的增长永远始于问题 终于问题 愈来愈深化的问题 愈来愈能启发新问题的问题 有关问题 特别是科学问题 从逻辑上讲可分为三种 一种是 是什么 what 的问题 这类问题是关于研究对象的识别与判定的 如 原子是什么 遗传基因是什么 在显微镜下所观察到的某个斑驳陆离的图案是什么 等等 二种问题是 怎么样 how 的问题 这类问题是询问研究对象的状态及运动转化过程的 如 太阳系的结构是怎么样的 铁元素的原子量有多大 等等 三种问题是 为什么 why 的问题 提出这类问题是要求对某个事实进行解释 例如 为什么牛有四个胃 苹果为什么会落地 等等 一般来说 问题表现为一个疑问句 逻辑学家对疑问句的研究发现 疑问句在逻辑特征上不同于一般的陈述句 任何疑问句都存在一个或多个预设 如果问题的预设是真实的 则问题的提法是正确的 如果问题的预设是虚假的 那么问题的提法是错误的 问题有科学的问题和非科学的问题 逻辑问题 如 明天可能下雨 也可能不下雨 是真的吗 一些问题表面上不是逻辑问题 但实际上可化归为逻辑问题 如 生物是有生命的物体吗 因为其预设 生物是有生命的物体 实际上是一个重言式命题 数学问题 如 2 2 4吗 按照数学哲学的三个重要的学派逻辑主义 构造主义和直觉主义 这是一个非科学问题 形而上学问题 即有关讨论经验之外的物质与意识关系等传统的哲学问题 如 宇宙意识是否是一个实体 由于其预设是形而上学的知识 它们不涉及经验内容 不可能被证实和证伪 所以是非科学的问题 伪科学问题 它们虽然讨论经验问题 但用词含混不清 论断模棱两可 无法用经验证伪 宗教问题 如 上帝是善的吗 由于其预设涉及到超验的知识 因此应被列入非科学的问题中 非科学问题的类型 知识背景决定着科学问题的内涵深度和解答途径 同一问题 在不同知识背景下 其内涵深度是不同的 比如 探索遗传的奥妙是一个古老的问题 在19世纪的知识背景下孟德尔提出的是 体质 和 种质 的问题 20世纪初摩尔根提出的则是 基因 的问题 到了20世纪50年代 沃森和克里克则提出了生物大分子DNA的结构问题 科学问题与科学发展的背景相关 人们进行的任何观察 人们都要根据研究的目的选择观察对象和范围 总是在一定的理论指导下进行的 即所谓 观察渗透着理论 一旦某一观察现象与现有的理论发生矛盾或不一致 人们更多的是相信事实 旧理论就会发生危机 就需要对旧理论进行修改或彻底推翻 从而建立能够解释观察事实的新理论 达到科学的创新 例如 在我们在日常生活当中 人们总是觉得天圆地方 无边无际 但为什么远来的船只先见桅杆后见船身呢 太阳总是这样的东升西落 但为什么会有四季更替 正是这些经验事实与传统理论的矛盾 才促使人们去思考 去探讨 并提出假说 才有日心说的发端 2 问题的来源 第一 从已有的理论与经验或实验事实的矛盾中发现问题 牛顿认为 光是一种直线飞进的微粒流 而且 他用这种假说成功地解释了光的传播 反射和折射等一系列实验现象 格里马弟发现 光透过两个紧挨的小孔 在某些位置出现干涉现象 同时 他还发现在狭窄的光束路径上放一物体 其影子的边缘出现衍射现象 光的干涉和衍射实验现象显然与牛顿的粒子说相矛盾 光应是一种波 特别是法国科学家菲涅耳的双镜实验 有力地支持光的波动说 19世纪末20世纪初 科学家们在研究黑体辐射时 光的波动说对许多科学现象根本无法解释 以至于像爱因斯坦 康普顿等许多著名的科学家不得不再次提出光是一种粒子流 直到1924年 法国科学家德布罗意提出任何实物粒子都有波动之后 科学家对光的本性有了明确的理解 光同时具有波动和粒子的特性 这是一个横跨200多年实验事实之间的矛盾终于有了明确的答案 波的粒说粒的波说 普朗克方程光电效应实验爱因斯坦对实验结果的解释原子线光谱和巴尔麦实验式玻恩氢原子模型量子力学 德布罗意方程电子束衍射实验海森堡不确定原理玻恩对衍射花纹的统计解释薛定谔方程和波动力学模型波动力学 1927年索尔维会议 任何一种科学理论内部应当在逻辑上是无矛盾的 这是一个科学理论的基本要求 如果理论内部出现了矛盾 一个理论可以推出互相对立的论断 则这个理论的逻辑前提必然有问题 抓住这种问题往往是科学发展的关键 例如 亚里士多德认为 在地球表面上 重物下落的速度比轻物下落的速度快 按照亚里士多德的理论 可以推出两个截然相反的结论 设想有两个小球为A和B A大于B A下落比B快 现在将A与B连在一起 再与A和B比较 由于A下落的快 B下落的慢 那么 A与B连在一起的下落的速度应该界于A B之间 即小于A而大于B 然而 连在一起的A和B重量又大于A 下落的速度应大于A 这样 就有连在一起的A和B下落的速度既有大于A又有小于A 同样的一个前提得出相反的两个结论 说明前提有问题 第二 从理论的内部中发现问题 在科学史上 象地心说与日心说之间 生命诞生的预成说与后成说之间 地质历史上的水成说与火成说之间 达尔文的进化论与居维叶的灾变说之间的论争等等 它们之间的矛盾曾左右着几十年甚至几百年 从而成了科学家们进一步探讨的科学问题 第三 从理论的对抗中发现问题 第四 从实践的需要中发现问题 社会一旦有技术上的需要 这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进 恩格斯 激光扫描输出系统的研制成功实现了印刷业的一次深刻的变革 而美国等西方发达国家尽管拥有先进的技术 大量高素质的计算机专家 但没有汉字处理的需求刺激 所以 提出问题迟 立项迟 其技术水平落后于北大方正8年之久 可见 从实践的需求中提出问题 往往是新技术 新发现的一个重要环节 第四 从实践的需要中发现问题 近代以来 科学的发展呈现出既分化又综合的趋势 许多有远见的科学家注意搜索科学中的交叉地带 边缘地带及空白区域 从中抓住有意义的研究课题 作出了开拓性的贡献 20世纪产生的许多横断性科学 如系统论 控制论 信息论 耗散结构论等 几乎都是从各学科的交叉地带中诞生的 第五 要提出科学的问题 还要密切关注各个知识领域的交叉地带 人与人之间只有很小的差异 但是这种差异却往往造成巨大的差距 3 问题的意义 著名心理学家希尔 提出一个问题往往比解决一个问题更重要 因为解决一个问题也许是数学上或实验上的技能而已 而提出问题 新的可能性 从新的角度看旧的问题 却需要创造性的想象力 而且标志着科学的真正进步 爱因斯坦 某类问题对于一般数学的进展的深远意义以及问题在研究者个人的工作中所起的重要作用是不可否认的 只要一门科学分支能提出大量的问题 它就充满生命力 而问题缺乏则预示着独立发展的衰亡和终止 德 数学家希尔伯特 强烈的问题意识 作为思维的动力 促使人们去发现问题 解决问题 直至进行新的发现 一般来说 显而易见的问题毋需发现 难的是发现蕴含在习以为常现象背后的问题 所以 发现表现为意识到某种现象的隐蔽未解之处 意识到寻常现象中的非常之处 从这个意义上说 发现问题是解决问题的关键 发现问题是创新的起点和开端 第一 问题是科学发展的起点 一门科学若问题接连不断 层出不穷 意味着有着丰富的创新内容 能够强烈地引起更多的科学工作者的注意 吸引更多的人参与研究和创新 投入的人越多 解决的问题也越多 创新的内容也就越丰富 从而能达到科学的繁荣 相反 问题一旦消失 那么一定是科学的停滞 第二 问题使科学发展充满活力 物理学危机与革命 1900年 著名的科学家开尔文 汤姆生 在总结近百年来物理学所取得的成就时说 在已经基本建成的物理大厦中 后辈的物理学家只要做一些修补的工作就行了 但是 在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的令人不安的乌云 这两朵乌云就是 黑体辐射 和 以太飘逸 的零结果 它们用当时的物理学理论是无法解释的 科学发展由问题而激发 问题的提出 是科学发展的真正起点 在科学发展中具有战略意义的环节 问题一旦确定 使科学发展有了明确的目标 才知道该做什么 不该做什么 需要调整那些知识结构 学习哪些技能 投入什么样的力量 同时 在思维上也会调动全部的内在思维活动 意识和下意识都被召唤来解决这一问题 我国 两弹一星工程 的成功堪称是由问题决定并推动科学发展成功的典范 第三 问题决定了科学发展的方向 我们中国也要搞原子弹 我们也要搞人造卫星 毛泽东 美国的 曼哈顿工程 从1941年至1945年 历时5年 共动员了50万人 15万名科学家和工程师 耗资20亿美元 用电占全美国电力的1 3 在1961年 仅安排给二机部的任务有83项 222个课题 其中包括在核燃料工业和核武器研制方面发挥重要 关键作用的铀矿地质 开采选冶 铀同位素分离 核燃料前处理后处理工艺 高效能炸药等一系列重大课题 科学发展不仅表现为向深度进军 同时也表现为向广度发展 即不断开拓科学研究的新领域 其开拓方式同样是由问题引发而来 由问题引出问题 特别是对于一些关键问题 它像一根鱼网的纲绳一样 牵一发而动全身 一个问题可以引出一系列问题 从而拓宽了科学发展的领域 第四 问题能开拓广阔的创新领域 伦琴对这一现象进行研究 在1895年偶然地发现了X射线 贝克勒尔对X射线的进一步研究 又导致了1896年发现了铀的天然放射性 在铀的放射性这一新现象面前 又向人们提出了一系列新问题 既然铀有放射性 那么其它元素有没有呢 放射性元素放出的射线到底是什么呢 前一问题 吸引了居里夫人的研究热情 经过多年的努力 终于导致了钋 镭等放射性元素的发现 后一问题引起了卢瑟福的巨大注意 通过深入探索 于1902年提出了元素突变的假说 解释了放射性现象的本质 4 问题发生的机制是什么 怀疑是一种不确定 不稳定的心态 是一种迷茫 寻觅状态 然而这正是对旧束缚的解脱 对新路径的摸索 是人的成功之路上的最重要的十字路口 怀疑固然是一种否定 但它同时又是一种创生 没有怀疑 人在任何领域中都不可能摆脱旧窠臼 创造新事物 在科学领域中就更不可能突破旧传统 开辟新路径 第一 善于质疑 孔子就要求自己和学生 每事问 他高度评价问题的价值及意义 认为 疑是思之始 学之端 理学大师朱熹也说过 读书无疑者 须教有疑 有疑者却要无疑 到这里方是长进 这是对学习中的问题意识科学而辩证的阐述 宋代的另 著名学者陆九渊的观点则更精辟 他说 为学患无疑 疑则有进 小疑则小进 大疑则大进 这是对问题意识作用的充分肯定 近代著名教育家陶行知说得更生动形象 他在一首诗里写道 发明千千万 起点是一问 禽兽不如人 过在不会问 智者问得巧 愚者问得笨 人力胜天工 只在每事问 我国杰出的地质学家李四光也说 不怀疑不能见真理 所以我很希望大家都取一种怀疑的态度 不要为已成的学说所压创 这是他在总结自己的经验体会时所一再谈到的 爱因斯坦在谈思想成长和个人素质时也曾一再提到过马赫的怀疑主义对他的科学观念和科学生涯的重大影响 把它列为自己所受到的最为重大的影响力之一 对所有权威的怀疑 对任何社会环境里都会存在的信念完全抱一种怀疑的态度 这种态度再也没有离开过我 这种怀疑精神的可贵 就在于它是否定旧事物 迎接新事物的环节 是生长 创造 发展的环节 科学的本性是自由的 科学不是奴隶们的事业 对一切传统的 既成的东西都循规蹈距 虔诚笃信的人 对一切权威 信条都顶礼膜拜 诚惶城恐的人 是不可能有所开拓 有所创造的 是与科学的本性不相容的 因而也就不会提出那些富有挑战性的问题 得到那种突破性的成功 穷根问底的好奇心是富有创造性的科学家的重要特征 人与动物的最大区别 就在于人类有 求智的倾向 这种倾向引导人们渴望解开自然之谜 不断地求解新的难题 这种精神贯穿在整个人类文明史之中 是科学进步的重要动力 第二 有好奇心 古往今来人们开始哲理探索 都因起于对自然万物的惊异 他们先是惊异于种种迷惑的现象 逐渐积累一点一滴的解释 对一些较重大的问题 例如 日月与星的运行以及宇宙之创生作出说明 亚里士多德 1928年9月的一天 细菌学家弗莱明走进实验室 偶然发现培养葡萄球菌的器皿里长了绿霉 按照通常的判断 这种情况说明培养基被污染了 实验失败了 但弗莱明发现 在绿霉的周围 培养基清澈明净 而在正常的葡萄菌的繁殖区本来应当呈现一种讨厌的黄色 他感到很奇怪 这是怎么回事呢 由此进一步提出疑问 是不是绿霉有某种作用把它周围的葡萄球菌杀死了呢 于是带着这个问题 他进入了研究 不到一年就发现了青霉素 弗莱明也曾经强调指出 如果他当时拘泥于既定计划的课题 而对意外现象没有足够的敏感的话 他也就发现不了青霉素 丁肇中教授在实验室仪器旁一守就是几天几夜 置其它一切于不顾 当有人问他苦不苦 他的回答是 一点也不苦 正相反 我觉得很快乐 因为我有兴趣 我急于要探索物质世界的秘密 他还说 任何科学研究 最重要的是要看对于自己所从事的工作有没有兴趣 换句话说 也就是有没有事业心 可见 好奇心 兴趣和事业心 有着密切的联系 达尔文说 我的成功不管多大 我认为重要的一点是 爱科学 在长期思考任何问题上的无限耐心 在观察和事业上的勤奋 巴甫洛夫说过 科学是要求人们为它贡献毕生的 就是有两次生命仍不够用 在你的工作和探索中一定要有巨大的热情 所以 对于科学家由于好奇心产生的兴趣和热情 一定要给予充分的理解和尊重 尤其在科学前沿的探索 好奇心永远是极其可贵的禀性 爱因斯坦说过 有许多人之所以爱好科学 是因为科学给他们以超乎常人的智力上的快感 科学是他们的特殊娱乐 他们在这种娱乐中寻求生动活泼的经验和雄心壮志的满足 我没有什么特别的才能 不过喜欢寻根刨底地追究问题罢了 爱因斯坦在四五岁时便对指南针产生了强烈兴趣和好奇心 心想 一定有什么东西深深地隐藏在事物后面 成年后 他将自己对自然界里显示出来的 崇高庄严和不可思议的秩序 的惊奇 转化为强烈的 科学的宗教感情 他信仰 客观存在的世界中的完备定律和秩序 相信世界在本质上是有秩序的和可认识的 因而以一种自由的放荡不羁的思辨方式去把握这个世界 以享受那种认识到客观世界先定的和谐性和统一性的 壮丽感觉 他的科学思想的伟大创造 正是不断满足这种纯粹好奇心的自然产物 爱因斯坦在 探索的动机 一文中 分析了人们探索科学的不同动机 有人为着纯粹功利目的 有人为着寻求智力上的快感 有人为着消极避世 有人为着渴望看到客观世界的 先定和谐 并得到 普遍的基本定律 在所有这些出发点或动机中 惟有纯粹的好奇心和了解真理的渴望 才是科学探索的原动力 才能给探索者无穷毅力和耐心 才能导致真正的科学发现和创造 人类的高级思维自惊奇和疑问开始 永不满足的好奇心是创造力的不竭源泉 好奇心的枯竭意味着创造力和智力生活的衰败 任何人在任何时候要想在科学上取得成功 都少不了好奇心和创新精神 为当官 赚钱和虚荣而做研究 永远得不到科学真谛 致力于激励 培养好奇心 永远保持对科学研究的好奇心 兴趣和热情 鼓励支持科学家好奇心驱动的自由研究 乃通向科学繁荣之大道 科学是一种精神劳作 对人类的精神压抑和控制最强的就是迷信 迷信是扼杀问题的利剑 在科学活动中尤其如此 大体说来 科学中的迷信及怀疑对它的冲击大约有三种形式 其一是对人的迷信 科学史上 有不少百科全书式的科学巨匠 如泰利斯 德漠克里特 亚里土多德 达 芬奇 黑格尔 罗蒙诺素大等等 他们以自己渊博的知识 恢宏的理论 博大精深的思想获得了众望所归的声誉 他们受到祟拜 信奉 甚至被视为神明 不可否认 科学界的权威与社会中的其他权威并不相向 他们总是凭借自己的智慧 才能和贡献而获得自己的殊荣的 但是 学术权威一旦达到被迷信的程度 也同样会成为科学的阻力 至少 在某一方面 某一问题上会变成这样 第三 不盲目迷信 亚里土多德384 前322 是古希腊哲学与科学的集大成者 是最负盛望的百科全书式的人物 他本身就不是一个因循守旧的人 他虽然是柏拉图 前427 前347 的学生 但却严厉批判了怕拉图的理念论 提出了 四因说 质料因 形式因 动力因 目的因 确立了数学和物理学中极限 无穷数 力的合成等许多概念 出版了 形而上学 物理学 工具论 伦理学 政治学 范畴学 分析前篇与后篇 等等与身齐高的整批著作 他在数 理 生 医和人文科学领域的卓著贡献 他对当时几乎一切能谈到科学日程上来的重大问题的精辟研究 使他超越了柏拉图 成了人们心目中的 圣人 他的著作中的各种观点和结论 也被人们奉为金科工律 成了千年不变的信条 包括他凭直观经验和理性思考得出的 物体运动的速度与物体受力的大小成正比 重物下落的速度与物体的重量成正比 这一落体定律也不例外 但这样一来 它便成了科学继续前进的阻碍因素 直到17世纪初 意大利杰出的科学家 近代实验科学的奠基者伽利略 1564 1642 才通过著名的落体实验指出了它的错误 得出了新的正确结论 如果任何人都对伯拉图笃信无疑的话 那就不会有亚里士多德 如果任何人都对处里士多德驾信无疑 那也就不会有伽利略 因而对科学权威敢于怀疑 敢于挑战 这是卓越科学家的最宝贵的品质 第二种迷信是对科学理论的全盘笃信 不容置疑 而理论的发展和科学的进步 却要求我们必须要敢于反其道而行之 由于迷信而导致科学停止甚至倒退的例子比比皆是 中世纪对宗教的迷信导致科学不发达 宗教对科学的负效应是明显的 从总体上看来 宗教至少在以下两个方面阻碍着科学的发展 其一 一些宗教宣传从根本上否定了人们通过社会实践活动能动的认识世界和改造世界的必要性 也就从根本上否认了科学活动 这与科学家从实际出发认识客观事物固有规律的理念是针锋相对的 其二 宗教宣传轻视现实生活 迷信幻想 在充满激烈社会冲突的阶级社会中 这种思想必然阻碍科技工作者正确认识社会 正确认识 经院哲学往往争论一些荒唐的问题 如 天堂里的玫瑰花有没有刺 上帝能否制造出自己举不起来的石头 天使吃什么 一根针尖上能站多少天使 到世界末日 死人复活时 是青年还是老年 鼹鼠有没有眼睛 等等 都是一些脱离实际 烦琐空洞的抽象议论 第三类迷信是对经验的盲从和偏信 其实 经验是易谬的 经验并不等于真知 在经验与事实之间 往往有很长的距离 甚至会歧路亡羊或恰相反背 虚像 假像 幻像是大量存在的 扭曲的现象 歪曲的现象 失真的现象更是屡见不鲜 习以为常 海市蜃楼一般的幻影使我们知道了眼见未必为实 而未眼见 也未必不为实 天上的一颗闪闪发光的星星 其实可能已死灭了几十亿年 但它的光线仍在漫漫长途中跋涉 故而你见它依然在焰焰闪光 反之 另一颗星里在大空或许业已存在了几十亿年 但我们却可能一无所见 因为它的光线尚未穿越可能有百亿光年的迢远距离来到地球 故而我们就什么都不能发现 一场车祸 一件窃案 尽管人已逃之天天 但我们仍然可确凿地判断那件事情的发生 而我们亲见其发生 其实却并非真有的 弄虚作假也同样太不足为奇了 马克思说 如果现象和本质可以直接地合二为一 那么一切科学就为多余的了 经验是一种感性知识 经验只能把握现象 但本质却是隐藏在现象的背后 不是经验可以把捉的东西 科学的使命 正是要透过现象揭示本质 因此 片面地轻信经验 是与科学的使命不符的 对经验的执迷 是省害的 科研选题是科研过程中具有战略意义的环节 在科研中 能否提出或选择有创新的 有价值的科研课题 对科研能否顺利并获得有意义的成果 具有关键作用 因而 科研选题在科研中具有重要意义 可以说 科研课题的选择过程就是一种科研活动 二 科研课题的选择与评价 1 选择科研课题的意义 科研选题制约着科研的方向 目标和主要任务 科研的方向和目标是通过所选择和确定的科研课题展示的 科研课题一旦确定也就规定了科研方向和目标 如果不选定科研课题 面对广阔的未知领域 科研没有方向和目标 就根本无法开展研究 在科研的具体进程中 人们总是以所选定的科研课题为框架来搜集和整理事实资料的 科学观察和实验也是在所选择的科研课题规定的方向和目标的指导下 有计划 有步骤的构思 设计和进行的 在科研中 漫无目的地搜集资料 进行观察和实验 是不存在的 科研选题直接影响着科研的途径和方法 科研的途径和方法不是独立于研究目的 研究内容和研究对象以外的 科研选题决定着科研的前途和价值在科研中如果选定了科学 合理并有重大意义的科研课题 科研就会事半功倍 取得预想的科研成果 科研工作就是有价值的 第一 需要性原则需要性原则是指选择科研课题必须着眼于社会实践的需要和科学实践的需要 选择那些对社会发展和科技发展有重要影响的课题 经济建设必须依靠科技 科技工作者必须面向经济建设 从社会和经济建设的需要出发选择和确定科研课题 是由发展科学的根本目的决定的 科研的根本目的是满足社会和经济发展的需要 离开这一目的 科研活动也就失去了明确的方向 2 选择科研课题的原则 第二 科学性原则科学性原则是指科研选题必须有一定的科学理论和科学事实为根据 并运用科学的研究方法 科学的发展具有继承性 继承是创新的前提 科学理论定的科学理论根据 而明显地与已被证实的科学相违背的问题不应作为选择的对象 科学事实是科研的基础 因而 选定的课题要具备一定的科学事实根据 毫无事实根据的问题不是选择的对象 缺乏必要科学事实根据的问题一般不应作为选题的对象 选题遵循科学性原则 体现了课题选择的客观性和可靠性 第三 创新性原则创新性原则是指选定的课题必须具有创造性 所谓选题的创新性是指没有人提出过 没有人解决或没有完全解决的问题 而对这些问题的研究将会获得预期的学术价值和实用价值 科研的灵魂在于创新 选定具有创新性的课题是科研的基本要求 第四 可行性原则研究课题的可行性是指是否具备顺利地进行这一课题研究的条件 可行性包含以下三方面的条件 客观条件 研究的客观条件包括与课题相关的资料 设备 时间 经费 技术 人力 理论准备等方面的条件 同时也包括进行课题研究的科学上的可能性 选择具有充分的科学依据的 而不是盲目的不具备研究可能性的问题 主观条件 指研究者本人原有的知识 能力 基础 经验和专长 所掌握的有关这个课题的材料以及对此课题的兴趣 研究时机 选题必须抓住关键时期 什么时候提出具体的研究课题要看有关理论 研究工具及条件的发展成熟程度 提出得过早 问题会攻不下来 而错过时机 好的问题也有可能失之交臂 第五 宜已性原则 第六 灵活性原则科学研究是一种探索性的活动 选择和确定科学研究的课题 须注意灵活性 要从具体情况出发 发挥优势 扬长避短 量力而行 3 选择科研课题的技巧 课题宜小不宜大 尽量选择小课题 课题越小 目标越集中 就越容易把问题讲清楚 要以小见大 做深做透 课题宜实不宜虚 要选择实实在在的具体的问题 切忌抽象空泛的问题 如 关于素质教育的研究 就是一个过于抽象空泛的问题 课题宜活不宜僵 要随着改革的发展灵活选题 也可根据实际研究的需要对原题作适当调整 切忌故步自封 僵化不变 课题宜重不宜轻 所谓 重 就是指与教学实践的密切程度 意义的大小以及所选课题是否与教学实践密切相关 是必须重视的问题 而不是可有可无或与教学关系不大的问题 课题宜准不宜偏 选题的方向要明确 角度要准确 内容要确切 明确要解决的主要问题 所选问题不能偏离教育改革与发展的方向 立意宜深不宜浅 从纷繁复杂的教育现象和变化莫测的教学情境中发现和提出有意义的课题并进行从特殊到一般的提炼 逐层深入挖掘问题 认识不能肤浅 角度宜宽不宜窄 广泛地占有资料 对问题进行多角度分析 旁征博引 并把握其内在的联系 中心宜集不宜散 要突出问题的中心和主要方面 突出聚焦点 不能面面俱到 领域宜熟不宜生 选题不要超过自己力所能及的范围 要 取熟避生 即是要选择自己比较熟悉且有一定基础的问题当课题 见地宜新不宜旧 提出新的问题 新的可能性 或从新的角度来看待旧的问题 获得突破性进展 或展示新的见地 不能人云亦云 简单地重复别人的研究 或简单的经验堆积 结论要有新的指导意义 第一 评价目的课题评价是选题的关键环节 是科研价值的判断过程 其目的是对若干备择课题进行利弊得失的分析 从中选出最佳课题 以保证科研的正确方向 课题评价一般分初始评价 过程评价和最终评价三个阶段 4 科研课题的评价 第二 评价准则在课题初始评价阶段 要从可以选择的若干课题中选出有价值的课题 必须有一个合适的选择标准 选题的准则主要依据选题的基本原则 尤以创新性为主要评价准则 满足或接近选题准则的课题便成为选定的最佳课题 由于受主客观条件的限制 最佳课题是不容易达到的 只能选择比较满意的课题 第三 评价标准 立题依据 立题依据主要是评价课题 根据各类课题选定的具体要求 考察课题选定的基础 是否具有明确目标 先进性 以及价值如何等 实施条件 实施条件着重评价实施方案 课题研究者的人员组成和智力结构 国内外文献资料 实验手段和仪器设备物质条件 经费以及研究周期等 后果预计 后果预计着重考虑研究成功可能性大小 研究成果在科学上有什么突破 可能达到的水平 以及对经济 社会所能产生的影响或作用 第四 评价程序第一阶段对课题备择方案依照立题依据 实施条件 后果预计依次分析论证 作出决择 第二阶段是综合评价 综合评价是在分析论证的基础上综合各项评定情况 对课题整体方案作出判断 为课题选定提供参考意见 对课题评价的具体方法 目前大多采用同行评议和管理部门决策相结合的方法 同行专家评议为管理部门决策提供依据 同行专家评议大多采用评分法 对社会需要的信息调查 对研究领域的情报搜集 目标符合需要程度 目标达到的科学依据 目标达到的先进程度 目标实现的可靠程度 研究人员的科技水平 目标实现的复杂程度 经费物资的利用效率 研究过程的组织管理 研究周期和研究进度 研究成果的科学意义 成果应用价值与经济效益 满足人体心理美学因素 适用的普遍性与通用性 对社会生态环境的影响 安全概略的综合估算 必要性 科学性 先进性 可靠性 可能性 经济性 价值性 安全性 适用性 时间性 课题实施的仪器设备 研究过程的综合效益 成果潜力或技术生命周期 立题依据 实施条件 后果设计 通用课题的可行性论证评价 综合评价 分析论证 第二节科学发现的思维形式 一 科学发现的形式思维 一 归纳与演绎 归纳从个别事物概括出一般原理的逻辑推理方法 分为完全归纳法和不完全归纳法两大类 1 完全归纳法根据某类事物中的每一个事物都具有某种属性 推演出该类事物都有此属性的一般结论的推理方法 公式 S1 PS2 P Sn P S P 不完全归纳法通过对某类事物中的部分对象所具有的某种属性的考察 而推演出该类事物共有的属性的一种推理方法 1 简单枚举法通过简单枚举某类事物中的部分对象都有具有某种属性 而无一反例 由此推出全体 概括出该类事物的所有对象都具有此种属性的方法 公式 S1 PS2 PS3 P S P 3 判明因果联系归纳法根据事物的因果联系 推出该类事物中所有对象都具有某一属性的推理方法 又叫穆勒五法 例 金受热会膨胀银受热会膨胀铜受热会膨胀铁受热会膨胀 所以 凡金属受热都会膨胀 求同法 契合法 从不同场合中找出相同因素以判定某种现象产生原因的方法 基本原理 在不同场合下考察相同的对象 如果这些场合里只有一个共同的因素 那么这个因素就是这种现象产生的原因 公式 场合有关因素被考察对象 A B C a A D E a A F G a 所以 A是a的原因口诀 结果相同 因子相异 异中求同 契合求解 例如 在上一个世纪 人们还不知道为什么某些人的甲状腺会肿大 后来人们对甲状腺肿大盛行的地区进行调查和比较时发现 这些地区的人口 气候 风俗等状况各不相同 但有一个共同的情况 即土壤和水流中缺碘 居民的食物和饮水也缺碘 A 由此作出结论 缺碘 A 是引起甲状腺肿大的原因 a 考察彩虹的成因 差异法 求异法 从两种场合之间的差异中寻找因果联系的方法 基本原理 如果某种现象在第一场合出现 在第二场合不出现 这两个场合只有某一个因素不同 那么这个因素就是这种现象产生的原因 公式 场合有关因素被考察对象 A B C a B C 所以 A是a的原因口诀 结果相异 因子类同 同中求异 差异求解 研究候鸟迁移的原因场合有关因素被考察对象A组笼养 冬天气温 不北飞B组日照 笼养 冬天气温 北飞 所以 日照是候鸟迁移的原因 选两块相邻的土地 它们的土壤成分 地势高低等情况相同 在浇水 施肥 防治病虫害和田间管理等措施上也大体相同 不同的是一块田地选用优良麦种 另一块田地用的仍是普通麦种 结果选用优良麦种的那块田地收成好 另一块田地则收成不好 由此可以得到结论 选用优良麦种是麦田收成好的重要原因 求同差异共用法 将求同法和差异法结合起来寻找因果联系的方法 基本原理 如果在被考察对象出现的几个场合中 都存在着一个共同的因素 而在被考察对象不出现的几个场合中 都不存在这个因素 那么这个因素就是这种现象产生的原因 公式 场合有关因素被考察对象 A B C a A D E a A F G a1H B C 2K D E 3O F G 所以 A是a的原因口诀 两批实验 情况相反 各各契合 求其初解 两相比较 差异求真 共变法从某一现象变化所引起的另一现象变化中 找出两个现象之间的因果联系的方法 基本原理 如果某种因素发生变化 被考察的对象也发生变化 那么这种因素就是被考察对象产生的原因 公式 场合有关因素被考察对象 A1 B C a1 A2 D E a2 A3 F G a3 所以 A是a的原因 口诀 严格实验 单因改变 观察共变 判定因果 分析上海地面下沉的原因 所以 大量抽取地下水是上海地面下沉的原因 剩余法 排除法 除去已知原因 探求剩余原因的方法 基本原理 如果已知被研究的复杂现象是由另一复杂原因引起的 那么除去其中被确认为因果关系的部分 剩余部分也必属因果关系 或者说原因的剩余部分就是结果的剩余部分的原因 公式 场合有关因素被考察对象 A B C a b c B b C c 所以 A是a的原因口诀 分析结果 因果对应 果有剩余 必有隐因 居里夫人和她的丈夫为了弄清一批沥青铀矿样品中是否含有值得提炼的铀 对其含铀量进行了测定 令他们惊讶的是 有几块样品的放射性甚至比纯铀的还要大 这就意味着 在这些沥青铀矿中一定含有别的放射性元素 同时 这些未知的放射性元素只能是非常少量的 因为用普通的化学分析法不能测出它们来 量小放射性又那样强 说明该元素的放射性要远远高于铀 1898年7月 他们终于分离出放射性比铀强400倍的钋 该元素的发现 应用的是剩余法 归纳方法的特点 1 是从个别到一般的逻辑过程 2 具有较大的创造性 但结论不完全可靠 4 归纳的合理性问题归纳问题 第一 从已观察到的事例中能否推得还没有经验到的事例 第二 由单称陈述过渡到全称陈述是否合理 问题 1 能否因为看到许多只白天鹅 就能证明所有的天鹅都是白的 答 不能 从逻辑的观点看 从个别的陈述中 不管它有多少 推论出一般陈述来 是显然不合理的 因为用这个方法得出的结论 总是可以成为错误的 所以 不管我们看到多少只白天鹅 也不可能证明这样的结论 所有的天鹅都是白的 2 由于归纳结论是可错的 是否在科学研究中不能使用归纳法 答 否 归纳推理能为我们提供一种可能性的结论 虽然归纳结论不是必然性结论 但毕竟为我们提供了一种选择 一种可供参考的意见 大大减少了工作的盲目性 因此 归纳法在科学认识中仍然是一种有用的方法 它不但过去是 今后仍然是科学发现和科学理论确认的重要方法之一 但在科学研究中 应将归纳法与其他科学方法结合起来使用 这样可克服运用归纳法带来的局限 演绎从一般原理推演出个别结论的逻辑推理方法 例 凡金属受热都会膨胀铁是金属 所以 铁受热会膨胀 演绎推理的主要形式 三段论式 1 结构大前提 已知的一般原理 小前提 已知的个别事实与大前提中的全体事实的关系 结论 由大小前提中通过逻辑推理获得的关于个别事实的认识 2 公式M PM 非PP MP 非MS MS MS 非MS M 或 S PS 非PS 非PS 非P 3 运用条件 前提正确 必须遵守逻辑规则A 大前提必须包含小前提B 如果有一个前提是否定的 结论也应该是否定的 C 两个否定的前提不能推出结论 2 演绎方法的特点 1 是从一般到个别的逻辑过程 2 可靠性大 但创造性小 二 类比与溯因1 类比根据两个 或两类 对象之间在某些方面的相似或相同 而推断出它们在其他方面也可能相似或同一的逻辑推理方法 1 公式 A对象具有a b c d属性B对象具有a b c 属性 所以 B对象可能有d 属性 卢瑟福的原子结构行星模型 太阳系 太阳太阳行星太阳与行星之间的太阳系是行星体积小质量大质量小引力是万有引力环绕太阳构成mm F G r2原子 原子核原子核电子原子核与电子之间体积小质量大质量小的引力是库仑力qq f K r2 所以原子可能是由电子环绕原子核构成的 1 并存类比如果A对象有a b c d并存 而B对象有a b c 并存 则B中可能还有d 并存 2 因果类比如果A对象中a b c与d有因果联系 而B对象中有a b c 则B中可能也有d 如日本人铃木根据在合成树脂 塑料 中加入发泡剂 使合成树脂中布满无数微小的孔洞 使泡沫塑料用料省 重量轻又有良好的隔音隔热性能而联想到在水泥中加入一种发泡剂而发明了具有隔热 隔音性能的气泡混凝土 3 对称类比如果A对象有a b两种属性 a与b是对称的 而B对象有a 属性 则B可能有与a 相对称的属性b 英国物理学家狄拉克从描述自由电子运动的方程中 得出正负对称的两个能量解 一个能量解对应着电子 那么另一个能量解对应着什么呢 狄拉克运用此法从电荷正负的对称性 提出了存在正电子的见解 结果被证实了 4 协变类比如果A对象中的a b c d有协变关系f a b c d 0而B对象中有a b c d 则B可能也有协变关系f a b c d 0 协变类比的两种形式 从属性相似推出数学式相似热传导 热量 Q 温差 T 比热 C Q Cm T 电传导 电流 I 电压 V 电阻 R VI R 从数学式相似推出属性相似几何光学 b1费尔玛原理 T ds minaV光具有波粒二象性 经典力学 b莫泊图原理 w Vds mina所以 物质粒子也具有波粒二象性 由于光具有波粒二象性 其波长h p而物质粒子也具有波粒二象性 所以其波长应与光波长相似 即h mv 5 综合类比运用相似原理 按相似关系对两个对象进行比较 按相似判据进行推导 以得出更可靠结论 相似判据 ML idemFt2S F M L t S F M L t FMLtMF MM ML Mt F M L t MLM L Ft2F t 2 特点 1 是从个别到个别的逻辑过程 2 创造性大 但可靠性小 但是 从异中求同 从同中见异的类比发明法也有缺点 就是运用这种方法推导出来的结论 或提出的创造设想 成功的可靠性不高 有时会把人引人迷途 尽管如此 它仍然是一种最大的创造性的发明方法 2 溯因溯因也称逆推 用于阐明新假说 新观念是如何产生的 是从结果反推出原因的一种推理方法 有果必有因 可以从结果中推出原因 科学史上有大量的科学发现实际例子都是逆推模式的 例如 开普勒的椭圆轨道假说 开普勒从第谷的观测性资料出发 也就是从解释对象出发 追溯到解释性的假设 三 科学抽象与理想化方法1 科学抽象及其意义 抽象 一词 来源于希腊文 abstraction 是排除 抽出 提取等意思 科学抽象是在思维中对同类事物去除其现象的 次要的方面 抽取其共同的 主要的方面 从而做到个别中把握一般 从现象中把握本质的认知过程和思维方法 完整的抽象过程包括思维运动的两次飞跃 由感性的具体上升到抽象的规定 再由抽象的规定上升到思维的具体 就科学概念或模型的制作而言 感性的具体指科学事实 抽象的规定指概念或模型的诸要素 如果在科学理论制作的更高层次上描述这个过程 抽象的规定是指未经综合的科学概念 经验规律 科学原理等 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 科学抽象的实质是从 感性上的具体 上升到 抽象的规定 当思维从具体的东西上升到抽象的东西时 它不是离开真理 而是接近真理 列宁 科学抽象的过程和具体步骤 第一步 去伪存真 核实材料 即鉴别材料 第二步 去粗取精 选择材料 第三步 由此及彼 揭示事物之间各种复杂的联系 第四步 由表及里 透过现象揭示出内在的本质及其规律 科学抽象条件 材料丰富 科学抽象必须在实践的基础上 掌握了充分的 必要的和可靠的感性经验材料善于抽取 发挥主观能动性 对客观世界进行一番去粗取精 去伪存真 由此及彼 由表及里的改造和加工过程 去掉事物的伪装和假象 撇开事物的偶然现象 忽略事物的非本质特征 从而获得对研究对象普遍的 本质的认识 科学抽象在科学发展中的主要作用 可以帮助人们撇开许多次要的或无关的因素 使研究对象和研究过程得到比在实验条件下还要彻底的纯化和简化 帮助我们撇开不同事物的不同形态和不同内容 从而抽象出事物的共同特性 第一 科学抽象可以使人们的知识本质化 如果事物的表现形式和事物的本质会直接合而为一 一切科学就都成为多余的了 马克思 第二 科学抽象可以使人们的知识真实化 为了考察事物的各种内部的过程 必须暂时地 有条件地撇开与当前考察无关的内容 撇开次要过程和干扰因素 把事物的自然状态 即具体而复杂的表象形态变成比较纯粹的形态 让其主要的发展过程充分在思想中显现出来 予以精细的研究 从而把握事物的基本规律 使人们的知识真实化 第三 科学抽象可以以使人们的知识层次化 列宁指出 人的思想由现象到本质 由所谓初级的本质到二级本质 这样不断地加深下去 以至于无穷 感性直观通常可以把握派生的东西 而基础的东西则比较隐蔽 往往不能从感性上直接把握它 需要通过科学抽象 借助理论思维 逐步地认识它 把握它 例如 门捷列夫通过科学抽象 制定的元素周期律告诉人们 是化学元素原子量的变化引起了化学元素性质的周期性变化 因而原子量是基础的东西 其他性质是派生的东西 在人们了解了原子结构以后 又找到了更为基础的东西 弄清楚是原子核中的质子数 中子数以及原子核与核外电子的相互作用方式决定元素的化学性质 第四 科学抽象可以使人们的知识系统化 事物往往总有多种属性和多种关系 这些属性和关系又是相互联系着的 我们要认识事物的本质 就应当将事物的各种属性和关系 在分析的基础上加以综合 从而把事物的本质作为一个整体完善地抽象出来 这个由此及彼的过程是一个由简单到复杂 由低级到高级的上升过程 开普勒发现的天文学三大规律 就是科学抽象的一个典型例子 丹麦天文学家布拉赫 第谷是一位非常出色的天文观察家 他三十多年如一日地进行天文观察 积累了十分丰富的资料 相当准确地测定了行星的位置 纠正了原有星表中一系列错误 成了当时著名的 星学之父 他长于观察 但短于思维 因而未能浩瀚的观察资料中发现天体运行的规律 有幸的是 在第谷逝世前一年 即1600年 他招来了德国年青的天文学家开普勒当助手 使他的未竟事业得以完成 就观察才华来说 开普勒不如他的老师 但就抽象思维而论 则 青出于蓝而胜于蓝 师徒二者 相辅相成 相得益彰 1601年 第谷去世 全部珍贵的天文观察资料都留给了开普勒 开普勒以此为基础 充分发挥他理论思维的能力和数学才能 终于在1609至1619年间 总结出行星运动三大定律 2 理想化方法 所谓理想化方法 是人们在观察和实验的基础上 运用抽象思维能力 把研究对象置于比较理想的纯粹的状态下 简化复杂因素 纯化主要因素 忽略偶然因素 撒开次要因素 用理想化客体代替实在客体进行科学研究的方法 理想化方法是科学抽象的基本形式 它在科学发展中的应用 主要体现为思想模型的建立和思想实验的设计 思想模型构建模型是理解世界和科学解释的世界的基本方式 理想模型是思想模型的特殊类型所谓理想模型 就是为了便于研究而在思想上建立的一种高度抽象的理想客体 理想模型是对事物或过程等原型的高度抽象 如构想出无摩擦的平面 理想气体 理想固体 理想溶液 理想晶体等 在中国的东汉时期张衡对星月斗转 日起日落 天文现象提出一个唯象的模型 浑天说模型 浑天如鸡子 天体圆如弹丸 地如鸡中黄 孤居于内 天大而地小 天表里有水 天之包地 犹壳之裹黄 天气各乘气而立 载水而浮 3000年前的西周 盖天说 模型 大地不是平整方形 而是拱形 天空如一个斗笠 大地犹如一个倒扣的盘子 古希腊天文学宇宙天体的几何结构模型 存在一个宇宙中心 星球围绕中心做匀速圆周运动 不同的模型由于方法的不同 在后来经历了不同的命运 张衡的理论没有能导致进一步的研究 而古希腊模型却不断得到修正和发展 公元2世纪 亚历山大里亚学派的托勒密 为了处理亚里士多德地心模型与观察不符的问题 设计了一个本轮 均轮的模式 根据这种模型 行星沿本轮作圆周运动 本轮的圆心沿均轮绕地球作圆周运动 这样他就能够通过一系列匀速圆周运动的叠加来计算行星运动的轨迹 公元16世纪 哥白尼推翻了当时占统治地位的地心说 对太阳系的构造模型进行了重大修改 把太阳安放在宇宙中心 并提出了地球自转的思想 不久 开普勒在经过长时间的计算后 终于将行星运动的圆形轨迹改变成椭圆 由此近代真正科学的天文学理论开始形成 对于原子的结构的认识也是如此 在卢瑟福以前 人们已经积累了大量的有关原子光谱的实验数据 并对线状光谱做了很多精确的唯象分析 但是 并没有能够形成量子理论 当卢瑟福用a粒子撞击原子 发现散射后的a粒子运动的方向有很大的改变 于是 提出了原子结构的有核模