科学思维方法与科学理论-第1讲.ppt

1、科学与工程思维方法,模块三 科学思维方法与科学理论,内容简介,第一讲 科学思维的理性思维方式 第二讲 经典科学思维方法导学 第三讲 现代科学思维方法与科学创新,内容简介,第一讲 科学思维的理性思维方式 一、科学思维的哲学基础与理性特征 二、科学思维的理性思维方式 三、科学理论的基本结构、建立和评价,一、科学思维的哲学基础与理性特征,理性主义,勒内笛卡尔（Rene Descartes，1596-1650，法国哲学家、科学家和数学家。近现代理性主义奠基人， “欧陆理性主义”的开拓者。 代表作：方法论、形而上学的沉思和哲学原理,核心思想 永不接受任何自己不清楚的“真理”怀疑一切； 复杂问题可分成若干

2、小问题分别解决； 按先简后繁原则解决已分解的小问题； 对已解决的所有小问题进行综合检验。,科学思维的理性特征 客体独立于思维主体而存在，且一定有着不以人意志为转移的内在规律和本质 人们总是可以认识和把握这些本质和规律 承认以上观点就是理性的、唯物的和科学的！,一、科学思维的哲学基础与理性特征,二、科学思维的理性思维方式,科学观察 （1）直接观察 通过人体感官直接与研究对象建立信息联系,优点：直观、生动、具体、避免了其他中间环节带来的影响。 缺点：作用和能力范围有一定局限 视觉占感觉信息的90%以上。只能看到可见光（400760nm），有视觉错觉 听觉2020000Hz 两神经刺激间的反映周期1

3、/50秒,二、科学思维的理性思维方式,（2）间接观察 通过科学仪器和设备观察客体 基本特点：客观化、精确化、高速化、自动化 优点：部分排除感官错觉和主观因素干扰。 局限：作为主客体间的中介，不同人对观察数据的理解和处理不同会影响感性认识的客观性、中立性 。,科学实验 自由落体实验（纯化、简化自然现象 ）,二、科学思维的理性思维方式,随着玻璃管中空气的较少，不同物体下落速度逐渐接近。 极限情况：真空中不同物体的下落速度相等。,声音传播实验空气是传声媒介,二、科学思维的理性思维方式,16021686盖里克(Guericke)德国物理学家，设计著名的马德堡半球实验和真空响铃实验 随着密闭容器中空气的

4、逐渐较少，铃声减弱。,人造金刚石 （强化和再现自然现象 ）,二、科学思维的理性思维方式,二、科学思维的理性思维方式,生命起源实验 （加速自然过程）,米勒正在重复他在1953年研 究生命起源时所做的试验,问题：猫从高处落下，即便肚皮朝天，落地瞬间也总是四脚着地毫无损伤！为什么？ 曾在100年中难倒了无数科学家！ 法国的Guyon根据动量矩守恒 四肢开合论 前苏联的洛强斯基 猫尾转动理论 20世纪60年代，美国Stanford大学的Kane教 授受兔子下落弯腰翻身的启发 双轴转动理论,高速摄影探究“猫旋之谜” （延缓自然过程）,二、科学思维的理性思维方式,高速摄影 猫落地前的瞬间动作（姿态改变仅需

5、1/8秒）,二、科学思维的理性思维方式,研究结果 Kane方程-多体系统动力学基本方程！,二、科学思维的理性思维方式,科学抽象 基本过程 A. 感性的具体抽象的规定,二、科学思维的理性思维方式,抽象规定1 光具有波动性,抽象规定2 光具有粒子性,B. 抽象的规定思维的具体,二、科学思维的理性思维方式,思维的具体光具有波粒二象性,科学抽象的结果概念 科学概念“帮助我们认识和掌握自然现象之网的网上纽结” 列宁哲学笔记 概念：内涵+外延,二、科学思维的理性思维方式,概念“太阳系的行星” 内涵：环绕太阳运行的天体 外延：九大行星等,科学抽象的理想化方法 A. 理想模型 为揭示事物特殊性质建立的高度抽象

6、的理想对象，是高层次概念，是在思维中把事物的某些属性引导到极限的结果。 “质点”：仅有质量而无体积形状的几何点 “理想气体”：无粘滞性，不可压缩的气体 “恒压源”：内阻为零的理想电压源 作用：突出主要矛盾，揭示事物的特殊性质；简化分析运算。,二、科学思维的理性思维方式,B. 理想实验（思想实验） 运用理想模型，使其在理想条件下运行，并经逻辑推理，以呈现事物本质的思想实验。 伽利略“斜面实验”,二、科学思维的理性思维方式,短路法求电源内阻,二、科学思维的理性思维方式,思想实验或设定条件下的原理验证性实验通常不能作为实际工程方法,三、科学理论的基本结构、建立和评价,“理论是我们撒出去抓住世界的网，

7、使得世界合理化，说明它，并且支配它。我们尽力使得这个网的网眼越来越小。” 卡尔波普尔 科学发现的逻辑,三、科学理论的基本结构、建立和评价,科学理论的基本结构 概念、假设（或公理、公设） 基本原理、定理 逻辑推理结果性质、定理和推论,三、科学理论的基本结构、建立和评价,【牛顿力学】 基本概念：惯性、质量、位移、速度 （理想模型：质点、刚体） 基本定律：牛顿三定律 逻辑推理结果：动量定理、角动量定理、质点组动量定理、简谐振动的动力学性质、波动方程,三、科学理论的基本结构、建立和评价,科学理论的基本特征 有限性人类经验范围和认识能力有局限 客观性真实反映事物本质及规律 普遍性揭示某一领域的共同本质且

8、普遍适用于该领域 系统性根据自然界的有机联系，由知识单元按系统性原则组成有内在性联系的知识体系 逻辑性理论概念明确、判断恰当、推理正确、论证严密,三、科学理论的基本结构、建立和评价,理论构建的基本方法 公理化方法 要求 无矛盾性逻辑上首尾一致 完备性所选择的公理应当足够 独立性所有的公理彼此独立，任何一个公理都不可能从其它公理中推出,三、科学理论的基本结构、建立和评价,【欧式几何】 公理（公设） 任意两个点可通过一条直线连接 任意线段能无限延伸成一条直线 给定任意线段，可以其一个端点为圆心，该线段作为半径作一个圆 所有直角都全等 若两条直线都与第三条直线相交，且同一边的内角和小于两个直角，则这

9、两条直线在这一边必定相交（著名的平行公设）,三、科学理论的基本结构、建立和评价,三、科学理论的基本结构、建立和评价,逻辑与历史相统一的方法 历史指事物发展过程或人的认识过程 逻辑与历史的一致指人们的逻辑思维过程（表现为知识的逻辑体系）是事物发展过程或认识发展过程的反映 方法1逻辑与自然史一致 有机化学：碳氢化合物脂肪烃化合物生物大分子 方法2逻辑与认识史一致 热力学：1940年代，热力学第一定律；1850年代，热力学第二定律；20世纪初，热力学第三定律,三、科学理论的基本结构、建立和评价,科学理论的评价 逻辑实证主义 代表：费格尔（维也纳学派） 主体间的可检验性公开，可重复 可靠性检验结果为真 精确性定量表述自然规律 系统性理论之间彼此关联 广泛性能最大程度说明自然现象,三、科学理论的基本结构、建立和评价,证伪主义 代表：卡尔波普尔（1902-1994 ） 理论不能证实只能证伪 多次验证不能保证普遍陈述的证实 证伪是找出理论的一个反例，从而否定理论，使其不能证实 科学与非科学的分界标准 从逻辑、可能性上不能被证明的理论非科学 如果一个理论列举了所有的可能性非科学,三、科学理论的基本结构、建立和评价,科学理论的一般评价标准 与经验事实一致真理性和客观性。 内在逻辑完备理论内部自洽且与公认的有关理论也应具有一致性。 简单体系中包含的彼此独立的基本概念和基