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第六章科学研究中的程序《自然辩证法》讲义高亮华副教授清华大学科学技术与社会研究所Tel:82866697;13601234579Email:lhgao@tsinghua.edu.cn科学问题科学假说科学事实科学理论目录1科学问题的形成与科研选题2科学事实的获取与观察、实验3科学假说的形成及其检验4科学理论的评价1科学问题的形成与科研选题一、科学始于问题二、科学问题的来源三、科学问题的本质与结构四、科研选题及其基本原则一、科学始于问题•传统实证科学：科学研究从观察开始观察→理论–科研是从观察和收集材料开始的，然后经过归纳上升为理论。–因此，科学始于观察。•困境：1、观察受目标驱动，观察具有选择性；2、对观察事实的判断和理解依赖于已有的知识存量。•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。•科学始于问题（P1），对问题提出大胆猜测（TT），各种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）。•科学研究始于问题：–从理论发展过程看，只有发现了原有理论不能解决的问题，才会补充、修正或着手建立新理论；–人们总是以问题为框架有选择地搜集事实材料；–科学研究活动就是要解决尚未解决或尚未完全解决的活动。•鸡生蛋，蛋生鸡？–观察产生问题，问题引起观察，理论指导实验，实验引出理论–从认识的来源上看，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。–从科研的程序上看，科研则是从科学问题的提出开始的。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。•科学研究也好,一般的或普通的智力活动也好,都始于问题.一个小孩通常在好奇心的驱使下,对他未知的东西,提出种种问题。认识世界就需要提问。•正确提出问题对于科研有重要意义–科学活动是人的积极的富有创造性的能动的活动，无论基础研究还是应用研究，都是为了解决问题，都是探索未知的过程，它并不消极地等待客观对象“暴露”其自身的规律，而是积极地探索自然界的奥秘，积极地进行着合乎于规律的发明创造。这就集中表现为提出问题和解决问题。–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，而提出新问题，新的可能性，从新的角度看待旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”–海森伯•提出一个问题比解决问题更为重要–希尔伯特：•“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或中止。”二、科学问题的来源•科学问题的提出是非常复杂的过程。涉及研究的内部和外部。•理论与实践的矛盾–原理论不能解释新现象、新事实。–紫外灾难–迈克尔逊——莫雷实验–电子的发现与原子不可分理论的矛盾。•理论内部的矛盾–数学中的悖论–光度悖论–热力学第二定律与麦克斯韦妖。–力的概念–热的概念•理论之间矛盾–光的粒子说与波动说–燃素说与氧化说–热素说与热的分子运动论–天文学中的日心说与地心说，–地质学中的灾变论与渐变论。–生物进化论与熵增原理•与社会需求的矛盾–工农业生产；社会生活；健康；军备；战争–规范理论•两类根源–内部根源•逻辑裂缝gap–外部根源•知识空隙lacuna三、科学问题的本质与结构•一些典型观点：–科学哲学家波兰尼(M.Polanyi)认为,一个问题,就是一个智力上的愿望.–著名科学哲学家波普尔(K.Popper)认为,问题是背景知识中固有的预期与所提出的观察或某种假说等新发现之间的冲突.–另一个科学哲学家图尔敏(Toulmin)认为,科学问题即:解释的理想与当前能力之间的差距,其公式为问题=解释的理想—当前能力•存在两种难度性问题–一种问题难度是相对于人类整个科学技术背景而言的未解决的问题;–另一种问题难度是相对于特定解决问题者而言的未解决的问题.•科学探索性和知识性问题–所谓科学探索性问题,肯定是同时具有以上两种难度的问题,因为如果只具有对特定解决问题者而言的难度的问题,也许是其他地方和其他时间的人已经解决了的问题,对于这后种问题,我们称之为知识性问题.–原则上看,选择知识性问题是没有意义的.•定义–一定时代科学认识主体，在当时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未解决的矛盾，它包含着一定求解目的和应答域，但目前尚无确定的答案。•科学问题的结构：–科学理论和科学事实背景–求解目标–应答域与求解方法•科学问题的分类１．常规问题（检验理论、理论应用、理论系统化和表达）；２．反常问题（对已有理论质疑，原有理论无法解答的问题）。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。•根据问题求解的类型，可以把科学问题分为：–回答为什么的问题——研究并且回答对象机理；–回答是什么的问题——研究并且回答对象性质；–回答怎么样的问题——研究并且回答对象运动；四、科研选题及其基本原则一、科研选题–科研选题——形成、选择和确定所要研究和解决的问题–课题——为了实现某一特定目标所需要研究的一个或一组问题二、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。•实际上是一个不断反馈调节的过程，常常需要反复调研和多次论证。三、基本原则1、需要性原则；•社会需要；–与社会、经济发展密切联系，•学科发展需要–发展研究、应用研究和基础研究2、创造性原则；•科研是探索性工作，本质上要求创新，其生命在于创新•创新可有多种表现–概念、方法与应用3、科学性原则；•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–永动机4、可行性原则；•与主客观条件适应四、如何选题?–（一）科学内部的选题1.在空白点选题–注意学科之间知识的关联性，寻求和注意知识的相似与相异，常常能够发现一些新问题。–维纳：“在科学的发展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的部门之间的被忽视的无人区。”科学的空白、边缘区给有修养的研究者提供了丰富的发现机会。2.在争论点选题–科学研究是一种探索性活动,每一个研究者都可能提出自己的观点,所以科学研究中常常出现争论,出现争论不是坏事.它们常常揭示新问题,这是因为科学不争论那些已经确凿的可靠的事实与真理.因此,在争论点选题大有作为.3.在已知和未知的矛盾点选题–科学研究常常触及一个矛盾,那就是定论与发现之间的矛盾.不能把定论绝对化.–有两种选题方向:»保全定论，如从发现天王星偏离轨道保全万有引力理论后发现海王星。»彻底突破定论，如电子发现_“葡萄干+面包”模型_α粒子散射实验_卢瑟福太阳系原子模型。4.在理论内部逻辑联系点选题–理论本身的发展,不仅需要它对外部世界有经验对应的“证实”或“证伪”特性,而且要求它的内部具有逻辑的无矛盾性,又称为“自洽性”.»对一个理论,要求它的原理\公设\定理和命题组成的体系内部没有相互矛盾的命题;»对一个理论体系而言,除上述要求外，还进一步要求其体系中理论与理论之间没有逻辑矛盾.–(二)科学外部选题1.在技术工具点选题–科学进步有探索目的与手段之间的矛盾,对这种矛盾的研究和思索,导致在工具点进行选题»如天文望远镜研究的进步对天文发现的推动;2.在社会需求的供求点选题–社会常常提出各种需求,解决种种需求为选题提供了广阔天地.2科学事实的获取与观察、实验一、科学事实及其在科学研究中的作用二、科学观察三、科学实验四、相关认识论问题一、科学事实及其在科学研究中的作用•客观事实：–在时间和空间中实际存在着的事件、现象和过程。•可观察性，为人们所观察、反映与认识•科学事实：–人们对所观察到的客观存在的事件、现象和过程作出的真实描述。–可区分为：•事实Ｉ：对象客体与仪器相互作用的表征，如观测仪器上记录和显示的数据、图象等。它们与客体性质有关，也与所设置的认识条件有关。同一客体事件在不同仪器上的显示可以不同。•事实ＩＩ：对观察实验所得到的结果的陈述和判断。它也是既与客体的性质有关，也与人用以描述事实的概念系统有关。亦与理论知识背景有关。–科学事实属认识论范畴，体现为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。•特点：–个别陈述性：•单称判断，如镭具有放射性•理论原理：表现为全称判断，如所有的物体具波粒两象性–选择性•一个经验事实被接受为科学事实是因为它有价值–真实性、精确系统•但科学事实是可错的，原因：Ａ，同一客观事实，受测量条件的制约；Ｂ，对同一客观事实的描述，受理论系统的制约。–可重复取证•科学事实应该可复核，可重现。•作用：1、形成新概念、新理论的基础。2、对科学假说和科学理论进行检验与评价的基础。单称判断单称判断全称判断科学事实证实或证伪推理•巴甫洛夫–事实是科学家的空气二、科学观察•概念：是人们在一定理论思维指导下，通过感官或借助科学仪器在自然发生的条件下有目的、有计划感知研究对象，从而获得科学事实的一种研究方法。–所谓自然发生的条件，就是说在观察时人们不干预自然现象，使其保持本来面目，按照固有的状况运动和变化。–观察不仅仅是接受外部世界的信息，还包括对外部信息的选择和初步加工。–科学观察不是单纯的感性活动，科学理论知识和科学思维方法渗透于观察过程之中。–特点：直接，不干预被研究对象，保持本来面目。用于天文学地理学、气象学动植物学等领域。•作用：–1、为假说的提出与理论的形成提供第一手的原始资料。–2、检验。–3、导致技术发明，仿生学研究。锯的发明–培根：“科学始于观察”–巴普洛夫：“观察，观察，再观察”•观察的类型–直接观察：凭借人的感觉器官直接从外界获取感性材料；–间接观察：借助科学仪器和其它技术手段间接地从外界获取感性材料；–定性的观察：又称质的观察；–定量的观察：有时又称测量。•观察中必须遵循的基本原则：–1、客观性原则：要采取实事求是的态度，努力避免主观偏见和谬误。•影响因素：–无意过失–先入之见，“观察渗透理论”–错觉：由感官和心理造成。–2、全面性原则：全面而系统地进行观察•追踪观察法：–例如：1976年美国心理学会获奖者特尔门等人，50年追踪观察研究超常儿童。•注意各个方面：–例如：地质学“水火之争”•注意细节：–3、重复性原则：保证客观性•特异功能问题–4、典型性原则：有代表性且易于观察。•例如：牛顿选择行星而不是马拉车；玻尔选择氢原子而不是铀原子摩尔根选择果蝇优点：生活史只有两周几十种易观察遗传特征4对染色体易识别•从肉眼观察到仪器观察–肉眼观察：今天仍离不开。•局限性：天然器官接受信息范围有限视觉：3900－7800A，分辨率有限错觉：色盲，心理学实验–仪器观察：改善认识能力：反映客观•宏观和宇观：–1609年伽利略望远镜，有划时代意义–1917年美国2.5米口径望远镜–射电望远镜：3度K微波背景辐射•微观：–17世纪虎克显微镜：细胞，细菌–电子显微镜：1933年发明，1986年获诺贝尔奖•观察方法的局限性：–受自然条件的限制：–单纯的观察不能证明必然性；–观察得到的只是现象，而不是本质。三、科学实验•概念：是人们根据一定的科学研究目的，运用一定的物质手段（科学仪器和设备），在人为控制或变革客观事实的条件下获得科学事实的方法。•三个要素：–作为主体的实验者；–作为客体的实验对象；–作为联系主体客体桥梁的实验仪器、设备和方法等。•分类：–定量与定性。–直接与模拟•间接，先设计模型，通过模型研究原型–探索性实验和验证性实验。•判决性实验是检验假说的一种特殊形式。•特点：–简化和纯化观察对象。–强化和激化强化对象及其条件。–再现、加速、延缓或模拟。–具有可重复性；–可以模拟研究对象的属性及其变化过程；–是一种经济可靠的认识和变革自然的方法。•观察与实验的异同实验方法观察方法条件人为控制状态自然状态对象模型可简化不可简化可靠性可靠、经济经济重复性可以重复不可重复人的能动性可以发挥受到限制作用：新假说、新理论的直接来源。检验•模拟实验–直接实验：•实验者←→实验手段←→实验对象–模拟实验：•实验者←→实验手段←→实验模型←→实验原型•模拟实验是一种间接实验，设计出反映