第三讲+科学问题与科研选题

2020/4/241第三讲科学问题与科研选题陈发俊[e-mail]2020/4/242主要内容•一、科学问题及其结构•二、科学问题在科学中的地位•三、科学问题的产生•四、科研选题2020/4/243一、科学问题及其结构•（一）什么是科学问题？一定时代的科学认识主体在当时的科学实践水平和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得到解决的矛盾。2020/4/244屈原《天问》举例•遂古之初，谁传道之？•上下未形，何由考之？•冥昭瞢暗，谁能极之？•冯翼惟象，何以识之？2020/4/245屈原《天问》举例•圜则九重，孰营度之？•斡维焉系？天极焉加？•八柱何当，东南何亏？•夜光何德，死则又育？2020/4/246一、科学问题及其结构•（二）科学问题的结构•科学问题的要素：事实基础、理论背景、求解目标、求解范围•科学问题的基本特征：时代性、指向性、应答域2020/4/247科学问题的时代性（1）•科学研究总是在特定时代的知识背景下进行的。•希尔伯特（D.Hilbert）之所以能够提出对当代数学产生重大影响的23个数学问题，就在于他能够对但是数学的发展有一个全局的把握。2020/4/248希尔伯特的数学难题希尔伯特（1862-1943）：德国著名数学家，1900年，在巴黎召开的国际数学大会上，提出了23个数学难题，并预测其发展方向。后来数学界统称其为“希尔伯特23个数学问题”。此后，世界许多数学家为解决这些难题，做了艰苦的努力，取得了一大批研究成果。2020/4/249科学问题的时代性（2）•同一问题，在不同的知识背景下，其内涵深度是不一样的。•例：关于遗传本质的探讨——孟德尔时代：“遗传因子”——摩尔根时代：“基因”——1950S沃森、克里克：DNA分子结构问题内涵因知识背景不同而有所变化2020/4/2410科学问题的时代性（3）•不同时代的背景知识也决定着问题的性质和解决问题的途径。•如：宇宙起源——非科学问题，基督教用“创世纪”——爱因斯坦的广义相对论诞生——宇宙大爆炸学说——粒子理论学说介入科学问题2020/4/2411科学问题的指向性•科学问题不是漫无边际的问题，而应包含着一定的研究方向和求解目标。•大致指出问题之所在、研究应该朝哪里进行、研究应该或可能取得什么样的结果。2020/4/2412科学问题的应答域（1）•应答域是对答案范围的限定。•科学问题作为一种特殊的知识形态，它所提供的知识不仅表现在提出探索的对象，而且表现在提示答案的存在范围。2020/4/2413例1•“艾滋病是由什么病毒引起的？”研究方向和求解目标：“引起艾滋病的原因是什么？”应答域是“病因在病毒范围之内”2020/4/2414科学问题的应答域（2）•科学问题的应答域对科学认识同样具有重要的指导作用。在问题正确的前提下，应答域是否正确将决定该问题是否能将研究引向正确的解答。2020/4/2415科学问题的应答域（2）•错误的问题，能使研究工作失败，因为错误的问题提法本身是无解的；•正确的问题往往能使科学研究取得成功。例如，历史上脚气病病因的发现就是一个生动的实例。2020/4/2416例2脚气病病因研究•荷兰医学家埃伊克曼(C，Eijkman，1858—l930)：脚气病是由什么细菌引起的？两年——无结果脚气病由一种什么样的毒素引起的？——长期的研究无结果2020/4/2417例2脚气病病因研究波兰血统的美国生化学家芬克(C．Funk,1884—1967)：脚气病是不是由于机体缺少某种营养物质引起的？——研究结果证明，产生脚气病的原因是因为人体中缺少了一种营养物质——维生素（维生素B）。2020/4/2418科学问题应答域的类型•1）全域：对答案的范围没有给予任何限制。如：“DNA分子的结构是怎样的”——除了肯定DNA分子具有结构外，没有规定答案的范围。全域型的答案一般不会发生错误，但它对科学探索的指导作用较差。2020/4/2419科学问题应答域的类型•2）类域：对答案的范围给出程度不同、范围大小不等的限定的应答域。如：“DNA分子是怎样由四链构成的？”——解限定在某一具体的类中。问题的应答域限定得越具体，它对科学研究的指导作用就越强，同时其发生错误的可能性也越大。2020/4/2420科学问题应答域的类型•3）特域：应答域限定为某个具体答案。•这类问题虽然已经给出明确答案，但仍然是问题，因为其答案是假定性的——科学假定。2020/4/2421二、科学问题在科学研究中的地位爱因斯坦：“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仅是一个数学上的或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性和想像力，而且标志着科学的真正进步”。2020/4/24221.科学始于问题波普尔的科学进化模式：问题1假说证伪问题2……问题nP1TT1EE1P2……PnEliminateerrorsTentativetheory2020/4/24232.确定研究方向•决定研究集体或研究者个人在较长时间内进行科学探索的主攻方向和目标。•选题是科学研究的起点，在整个科研过程中占有战略性的地位。•在一定程度上规定了科学研究应采取的方法和途径。•选题得当与否往往是决定科研成败和成果大小的首要环节。2020/4/2424例：阴极射线是什么？•1857年，高真空(10-4大气压)的真空放电管1858年，德国普吕克(JuliusPlűcker，1801—1868)发现了“阴极射线”2020/4/2425例：阴极射线是什么？•1878年，英国克鲁克斯(WilliamCrookes，1832～1919)制出了更高真空度的真空放电管(10-7大气压)—“克鲁克斯管”，对阴极射线做了更深入的研究。•发现放在克鲁克斯管附近的底片被感光,认为是质量问题，与厂商进行调换。2020/4/2426例：阴极射线是什么？•1895年11月8日，伦琴在实验室里研究阴极射线时也发现与克鲁克斯遇到的同样的情况,但伦琴敏感地提出：“什么使底片感光？”——发现了X射线2020/4/24272020/4/2428•3．科学问题是不断推动科学家发展科学的动因和动力2020/4/2429三、科学问题的产生•1．主观因素•2．客观基础2020/4/24301．主观因素•（1）科学家的问题意识•什么是问题意识？•所谓问题意识，是指科学家在科学领域中不论遇到什么事情都要在头脑中打上几个问号，尤其是对那些隐蔽较深的问题也能及时觉察，并且能将察觉到的问题正确地加以表述。2020/4/2431陶行知先生培养学生问题意识小诗•我有几位好朋友，曾把万事指导我，你若想问真姓名，名字不同都姓何：何事、何故、何人、何如、何时、何地、何去。还有一个西洋名，姓名颠倒叫几何，若向八贤常请教，虽是笨人不会错。2020/4/2432李四光谈科学发现规律•规律是不容易找的，必须观察所有的一切现象，即客观事实，一步步追寻问个究竟。在发现了现象之后，我们还必须问一问，那些现象是在什么场所、什么条件、什么时候发生的？更要问为什么会发生这些现象？我们不该停留在仅仅描述现象的阶段。2020/4/2433（2）科学家的怀疑和批判精神•不怀疑不能见真理•狭义相对论的创立是出于爱因斯坦对牛顿力学绝对时空观等方面的怀疑•非欧几何的创立是出于数学家对欧氏几何的“平行公理”的怀疑2020/4/24342．客观基础•科学问题产生的客观基础，即问题产生的背景和源泉。•1）社会生产和实际生活的需要•2）实践与理论的矛盾•3）科学理论与理论的矛盾•4）寻求经验事实之间的联系和统一解释的需要•5）某一理论自身的矛盾•6）各个知识领域的空白区•7）为了验证假说和新发现的事实，而提出对它们进行检验的问题2020/4/24351）从社会生产和实际生活的需要中产生问题•当社会生产生活实践中提出某种需要而现有的生产技术手段不能满足这种需要时，就会提出这类问题。如工农业生产、社会生活健康的需要、军事和战争需要等都可提出大量问题。（湖南儿童医院周小渔使用机器人完成腹腔镜手术、蒸汽机转轴的发明）2020/4/24362）从实践与理论的矛盾中产生问题•理论从实践中来，又须回到实践中去为它服务并接受它的检验。在科学实践中发现的新事实，与原有理论不相容。原有理论解释不了这些事实，就面临难题或危机，或者说暴露出它的局限性，于是也就产生了问题。“基因突变学说”遇到的问题和原子的“卢瑟福模型”遇到的问题都是这类问题的典型之例。2020/4/243720世纪40年代，缪勒曾对肿瘤发病学提出“基因突变学说”，并得到大量实验结果的认可。但是，有人在医学实验中看到，有的早期肿瘤，用常规染色方法或用新的分析方法都不能发现有任何模型异常，临床上也能见到个别肿瘤患者能够自然痊愈，这些事实再用“基因突变学说”就不能做出合理的解释了，科学事实与现有的科学理论间出现了矛盾，这就是科学问题。后来，为了解决这个问题，Comings于1973年提出了“基因调控学说”，使人们对肿瘤发病机制的认识向前迈进一大步。资料12020/4/2438在人们发现了电子和原子核存在之后，1910年，英国物理学家卢瑟福(ErnestRutherford，1871—1937)根据经典电动力学理论提出了原子结构的“小太阳系”模型：原子核位于原子中央，像一个太阳，电子围绕原子核旋转像行星。这一模型简洁易懂，但深入的逻辑分析立即发现这一模型存在逻辑矛盾：按经典电动力学理论，在这种模型中，绕核旋转的电子将不间断地向外辐射电磁波而连续地失去能量，电子的轨道半径将越来越小，最后将沿一条螺线落到原子核上，电子在轨道上存在的时间不超过10-8秒，这与原子的存在是矛盾的。由于这一逻辑矛盾，卢瑟福自己就对自己的“小太阳系”模型提出怀疑，由此产生的问题所引起的科学探索使他的学生玻尔(NielsHenrikDavidBohr，1885～1962)提出了原子量子化轨道结构，后经许多学者的努力，经多次质疑和改进，终于建立起量子力学理论。资料22020/4/2439卢瑟福和玻尔建立的经典原子模型2020/4/24403）理论与理论之间的矛盾中产生问题•这种方式包括两种情况：一是对一个学科领域内的共同对象有不同的理论；二是对不同的学科相同的对象有不同的理论。2020/4/2441例１：光的波动说与微粒说•荷兰科学家惠更斯(ChristianHuygens，1629—1695)最先明确地提出光的运动是媒质的运动即波动(1690)，英国科学家牛顿(1saacNewton，1643～1727)则提出微粒说：光是一种微粒(1704)。这两种理论各有自己的实验依据，各能解释一些经验事实。对两种理论的矛盾产生的怀疑形成的问题促进人们对光的本质的长达几个世纪的探索。直到20世纪“光量子”理论和“物质波”理论揭示了光的波粒二象性才告一段落。2020/4/2442例２.生物进化论和热力学第二定律•生物进化论(以及相应的天文学、地质学理论)认为具体的物质系统在不断地进化，即不断由简单向复杂、由低级向高级发展，也就“自发地从无序向有序发展”，即物质系统的发展过程是一个有序化和组织程度不断提高的过程。•按热力学第二定律，任何封闭系统的“熵”将不断趋于极大，即物质系统的发展过程是一个无序化和组织程度解体的过程，这两个理论各自都是严格的科学理论并解释了广泛的现象，都是19世纪重大的科学成就，但对自然界却提供了两种互相矛盾的图景，引起人们对这两者的怀疑，提出了如何使二者统一起来的问题。经过长期努力，比利时科学家普里戈金(IlyaPrigogine，1917年生)提出了耗散结构理论（参见教材P.360），沟通了无序向有序转化的途经，才使这一问题得到初步的解决，为此，普里戈金获得1979年诺贝尔奖。2020/4/24434）从寻求经验事实之间的联系和统一解释的需要中产生问题•在科学上，当某一领域的经验事实积累到一定的数量时，由于科学本身发展的需要，要求对它们进行整理和概括，寻求这些经验事实之间的联系和统一解释。这