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第三章科研选题,观察实验及科学假说

第三讲科研选题、观察实验及科学假说的形成

感性认识到理性认识:选题→获取科学事实(材料)→对材料进行加工(思维)→最终获得理性认识的成果(假说→理论)

第一节科学问题的提出

一、科学问题

1.科学研究从问题开始

理论依据:总体看,旧理论的终点,新理论的起点。

具体过程看,问题的框架,问题驱动和引导研究。

一种观点以英国经验主义哲学家弗兰西斯培根为代表,认为科学研究是从观察和搜集材料开始的,然后经过归纳上升到理论。

另一种观点是以英国科学哲学家波普尔为代表,提出科学研究(或认识)始于问题而不是观察。

2.科学问题的含义

一定时代的科学认识主体,在当时的认识背景下,提出的关于科学认识和事件中需要解决而又未解决的矛盾,它包含着一定的求解和应答域,而尚无确定的答案。

(1)一定历史时代的产物。

“以整个时代的科学技术发展水平来衡量”

时代背景还决定着科学问题的内涵深度和解决途径。

第三章科研选题,观察实验及科学假说

(2)与科学认识主体的“欲求”以及智能状况相联系。

“自然界本身不存在问题” “需要研究者去认识、提出” ”科学需要更多仰望天空的人”

(3)科学问题是有结构的

问题的指向研究的目标求解的应答域。学会独辟蹊径。

3.科学问题的来源

“来源于科学实践和生产实践”

由科学理论和科学实践的矛盾能产生由科学理论体系自身的内在矛盾产生

由科学理论之间的矛盾产生经验事实累积到一定时候产生社会需求

1.来源于社会生产和实际生活的需要。

例如,卢瑟福为了解释a大角度散射现象,提出了原子的有核结构模型。

2.来源于理论体系之间的矛盾。

例如,爱因斯坦在普朗克的量子论基础上提出了光量子假说,认为光具有波动性和粒子性,将光的波动性和粒子性统一起来。

3.来源于现有技术条件与人们的实际需要之间的矛盾,

即来源于社会生产实践。

二、科研选题

就是形成、选择和确定所要研究和解决的课题(为实现某个特定的目标所需要研究的一个或一组科学问题)。

1.选题的意义

“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,却需要创造性的想象力,而且标志着科学的真正的进步。”——爱因斯坦

如果你从肯定开始,必将以问题告终,如果从问题开始,则将以肯定结束。——培根

2.科研选题的步骤

(1)文献调研和实际考察;

文献调研。准、新、全!实际考察,要知道:都有谁在说话,说了些什么话(2)提出选题;

文献综述;研究意义;研究的核心问题;

预期目标;研究路线(方法)研究步骤

(3)初步论证;

立题依据—合理性分析实施条件—可行性分析预期效果—可用性分析(4)评议和确定课题。

综合评价多轮、匿名有限资源的合理分配

科研选题的步骤:

第一、了解前任的工作和现实的需要,进行大量的文献调研和实际考察,初步选出课题。

第二、对初选的课题进行初步论证,即进行可行性分析。

第三、评议和确定课题。提出选题报告,经(同行专家)评议,选出最佳课题。

3.科研选题的基本原则

(1)需要性原则

科研选题必须满足社会需要和科学自身发展的需要。

基础研究:只有第一,没有第二应用开发研究:在国际市场上的竞争

王选:他是汉字激光照排技术的创始人和技术负责人,他所领导的科研集体研制出的

汉字激光照排系统为新闻、出版全过程的计算机化奠定了基础,被誉为“汉字印刷术

的第二次发明”。当代毕昇:结束了印刷技术的“铅与火”统治。

“评价科研项目首先要看项目的前景,即未来的价值。… …方正今天的成功,说明着眼

前景,着眼未来价值的选题原则的重要性。”王选

“无论基础研究还是开发研究,在选题时都要树立面向世界的观念,超前的观念。在基

础研究中只有第一,没有第二;在应用开发研究中不能在国际市场上竞争,最终也要

失去国内市场。对过去经常讲的‘填补国内空白’ 也应具体分析,” … …

王选

(2)创造性原则求新

选出的课题应是前人未曾提出或没有解决的问题。“吃别人嚼过的馍没味道”

选题时,不追求别人都认为高深的理论,也不热衷于占领热门的前沿阵地,只关注自己感兴趣的问题。只要我觉得确是科学上没有解决的问题,我又刚好对他有点想法,我就去做它。黄昆

有了新的想法,往往可以把一个当时似乎价值不大的方向变得充满生机,把不是热门的

领域,变成热门。在科研中只有发挥自己的长处,勇于标新立异,才能取胜。

(3)科学性原则求真

科研选题应以一定的科学理论或科学事实为依据,把课题置于当时的科学背景之下。

理论背景事实基础水变油,一个美丽的科学童话

(4)可行性原则

所选择的课题要与自己的主客观条件相适应,即根据自己已经具备的或经过努

力可以具备的条件进行选择。敢想,还要脚踏实地

第二节科学事实的获取

(复习)科学事实

1)含义:

“通过观察和实验获得的经验事实”。

“对客观事实的感知、描述和记录,结果反映到人们的意识中”。

2)本质

“认识论范畴,“客观事物在科学认识主体中的记忆和判断”。

“内容客观,形式主观”,存在可错性。

3)性质

直接的单称陈述,直接、个别

可重复、可再现

应比较精确,系统、全面反映客观事实。

——既是认识的来源,又是对认识成果的评价标准。

一、科学观察

1、“在自然发生的状态下,对所要研究的对象进行有目的的、有计划、有选择的感知活动”。

感知性;目的性

2科学观察分为直接观察和间接观察(通过仪器等)。后者能提供更准确的观测结果。

3科学观察在科学研究中具有重要作用。

二、科学实验

“人们根据一定的科学研究目的,运用科学仪器或设备等物质手段,在人为控制或模拟研究对象的条件下,获得科学事实的过程”。

特点:-简化和纯化研究对象-强化、激化研究对象

-再现、加速、延缓或模拟研究对象-经济可靠

作用:-检验原理真理性的标准

-获得新假说、新理论的直接来源,发展科学知识的手段

美国科学家米勒的“米勒模拟实验”是一种模拟在原始地球还原性大气中进行雷鸣闪电能产生有机物(特别是氨基酸),以论证生命起源的化学进化过程的实验。

科学观察与科学实验比较:

共同点:目的性、感知性(是否借助仪器)

区别:是否改变对象、主动或被动

观察仅仅是搜集自然界呈现给我们的东西,而实验则是人们主动的从自然界中索取所期望的东西。

三、观察和实验中的若干认识论问题

1、观察和实验与科学理论的关系

“观察渗透理论”a.有目的的感知活动,事先规划设计,b.不仅是接收信息,同时也是加工信息。c.陈述语言与特定的科学理论相联系

结论:把客观事物描述为科学事实时,理论框架一直在背后起作用。

“定向”,有选择的接收外界信息。

“加工改造”,理解到观察到的到底是什么。

培根以来的归纳主义者倡导独立于理论的纯粹的观察(中性观察),并认为只有经过这种

纯粹的观察才能进入形成理论的阶段。

汉森、波普尔、库恩等著名科学哲学则否认有纯粹的中性观察存在,明确提出“观察渗透

理论”。

只有理论,即只有关于自然规律的知识,才能使我们从感觉印象推论出基本现象。

从原则上讲,企图只根据可观测量区建立一个理论是完全错误的。在现实中恰恰相反,正是理论决定了我们能够观测什么。

2、实验对象与测量仪器的相互作用

实验者、实验对象、测量系统

—坚持微观客体的客观实在性。

—主体不可能离开测量仪器去研究客体的性质。

—判定“信息”时,必须充分考虑测量仪器与客体相互作用的因素。

1927年,海森堡在经过长期的探索后提出了测不准原理。他对此原理的解释是:设想一个电子,要观测到它在某个时刻的位置,则须用波长较短、分辨性好的光子照射它,但光子有动量,它与波长成反比,故光子波长越短,光子动量越大,对电子动量的影响也越大;反之若提高对动量的测量精度,则须用波长较长的光子,而这又会引起位置不确定度的增加。因而不可能同时准确地测量一个微观粒子的动量和位置,原因是被测物体与测量仪器之间不可避免的发生了相互作用。

3、观察的客观性

客观世界在认识主体中的正确反映,在一定的科学认识条件下的客观结果,科学观察能够达到。

(1)以正确的理论为指导(指导思想)

消除自然界中的假象,“眼见不一定为实”

(2)尽可能纠正人感官在生理上的局限性造成的错觉

(3)使实验结果用标准的方法重演,防止偶然的失误或故意的弄虚作假

黄禹锡和干细胞风波

2004年首次成功克隆出人类早期胚胎并从中提取出胚胎干细胞。2005年5月从患者体细胞克隆出了与病人基因相符的胚胎干细胞,这也是世界第一次。2005年8月4日,他又成功培育出世界第一只克隆狗“斯纳皮”,引发了世界科学界的震惊,认为韩国在干细胞研究方面已经领先于美国,并认为韩国可能因为此项研究而获得第一个诺贝尔奖。(4)保持严谨的实事求是的学风,谨防先入为主与偏见

巴斯德主张传染病是由微生物引起的

巴斯德并不是提出疾病细菌学说的第一个人,类似的假说以前就由吉罗拉摩·费拉卡斯托罗、弗里德里克·亨利及其他人提出过。但是巴斯德通过大量的实验和论证有力地支持了细菌学说,这种支持是使科学界相信该学说正确的主要因素。如果疾病是由细菌引起的,那么通过防止有害细菌进入人体就可以避免疫病,这看来是合乎逻辑的。因此巴斯德强调防菌方法对内科临床的重要性,他对把防菌方法引入外科临床的李斯特有着重大的影响。

有害细菌可以通过食品和饮料进入人体。巴斯德发明了一种消灭饮料中的微生物的方法(叫做巴斯德氏消毒法),这种方法在使用之处几乎把受污染的牛奶传染源彻底消除了。

年仅二十六岁的巴斯德因对酒石酸的镜像同分异构体的研究而一跃跨入著名化学家的行列之中。

我要做的是使我的愿望符合事实,而不是试图让事实与我的愿望调和。我们要像一个小学生那样坐在事实面前,准备放弃一切先入之见,恭恭敬敬的照着大自然指的路走,否则,就将一事无成。——赫胥黎

(4)观察与实验过程中的机遇

A:机遇的含义

“在科学实践过程中由于意外的出现导致科学上的新发现的现象”

分为完全意外机遇和部分意外机遇

B:机遇产生的客观根据

自然界本身是偶然性和必然性的统一

在19世纪末,发现阴极射线引起的轩然大波中,富于探索精神,并有高超实验水平和严谨工作态度的伦琴,也加入了对探究阴极射线的本质的行列。他在对阴极射线进行实验研究的

过程中,为了防止外界可见光的干扰,用黑纸将阴极射线管包了起来,并且在暗室中进行实验。

1895年11月8日的傍晚,一个偶然事件吸引了他的注意。当时房间里一片漆黑,他突然发现

在相距阴极射线管不到一米的桌上有一块亚箔氰化钡做成的荧光屏有荧光发出,更奇怪的是他

将荧光放到更远的地方,屏上仍有荧光可见。于是他意识到这不是阴极射线,而是一种新的穿

透性很强的新射线。

在接下去的6个星期里,他吃住在实验室,完全沉浸在对这种新射线的性质的进一步研究中。因为这种射线是全新的,来自人们完全未知的领域,伦琴把他命名为X射线。实验发现这

种新射线是沿直线传播,在磁场中也不偏转。还可使照相底片感光,尤其是具有很强的穿透性。

X射线的发现,是人类首次进入了微观世界,从此揭开了微观世界研究的序幕。1901年12月

瑞典皇家科学院为了表彰伦琴的这一杰出贡献,将历史上第一个诺贝尔物理学奖授予了他。

C如何正确对待机遇

—理解必然性和偶然性的关系—认识主体识别机遇、把握机遇的能力

李比希:溴的发现

敏锐的洞察力高度的判断力科学的想象力渊博的理论知识

中子发现的失之交臂

就在查德威克发现中子的5年前,科学家玻特和贝克用α粒子轰击铍时,发现有一种穿透力很强的射线,他们以为是γ射线,未加理会。韦伯斯特甚至对这种辐射做过仔细鉴定、

看到了它的中性性质,但对这种现象难于解释,因而未再继续深入研究。居里夫人的女儿艾

伦娜·居里和她的丈夫也曾在“铍射线”的边缘徘徊,最终还是与中子失之交臂。弗

莱明发现青霉素

机遇只偏爱那些有准备和头脑的人—巴斯德切莫真理碰到鼻子尖儿时让它溜掉

机遇偏爱有准备的头脑

我们应该检验电是否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响。——奥斯特(1812)

这个问题,我考虑了20年之久,而您却认为,我坐着不动,5个戈比1行、个戈比1行

地排列着,突然就成功了?事情并不是这样。——门捷列夫

第三节科学假说的形成

一.形成科学假说的方法论原则

1、对应原则:一般来说假说不应与经过检验的科学理论相矛盾。在新假说转化为新理论并取代

旧理论时,它应继承旧理论中被实践检验过的合理内容,并把旧理论作为特例或极限形式包含进来。

牛顿力学与爱因斯坦相对论的关系

牛顿力学体系概括了物体机械运动的基本规律,这些定律有一个不容忽视的前提,即物质运动是在低速情况下,这些定律才适用。

相对论否定了牛顿的绝对时空观,提出时空不是绝对不变的,而是随物质的运动而变化,物质质量随运动的速度的变化而变化,并提出了质能转化原理,奠定了利用原子能的

理论基础,加深了人们对物质和运动的认识,在科学、哲学上有重大意义。

相对论发展了牛顿力学,把牛顿力学概括在相对论力学中,牛顿力学知识相对论力学

在低速运动状态时的一个特例。

2解释性原则:假说应当与已知的经过实践复核的事实相符合,不仅能解释个别事实,而且能解释该领域已知的全部事实。

原子结构的行星模型

原子结构模型的科学假说的创立就经历了一个新旧假说更替的过程。1911年卢瑟福根据ɑ粒子散射实验提出了原子结构的行星模型。但是这一模型和原子发射不连续的分离光谱、原子的稳定性等事实相矛盾。1913年,波尔提出了轨道量子化的原子结构模型。

3 可检验性原则:提出的假说必须能用观察、实验加以检验,从而判定它的真伪。不可检验的假

说是不科学的。

1956年李政道、杨振宁提出弱相互作用下宇称不守恒的假说时,就设计了五种实验方案来探索宇称守恒原理在衰变现象中是否正确。同年,吴健雄组成的一个实验小组在华盛顿美国国家标准局的低温实验室用钴做了其中的一个实验,确证了他们的假说。

二.经验定律型假说的形成方法

门捷列夫:门捷列夫的元素周期律,不仅能够说明元素的化学性质,还能预言一些新的化学元素

自由落体定律是一条经验定律,它说明了自由落体下落的距离与时间之间的关系,但不能解释原因。

经验定律描述的是事物表面的规律,揭示了现象之间某种普遍联系(共同特征),但限于揭示表面联系,不能理解这种联系的普遍性,“知其然而不知其所以然”。

经验定律型假说的特征

其一,采用描述性的语词(具体的科学概念);

其二,相对稳定。

经验定律可分为性质描述型的和关系描述型的。

性质描述型经验定律是对某类现象共同性质和特征的普遍化描述,是对已有经验知识的总结和推广(例如,描述液体表面张力的经验定律)。

关系描述型经验定律是对两类现象或若干类现象之间因果关系的普遍化描述(例如,波义耳-马略特气体定律)。

三、原理定律(理论定律)型假说的形成方法

原理定律型假说是对事物内部必然联系的反映或解释。它寻求的是对经验定律的解释(说明“为什么”)。在科学知识体系中,原理定律处于比经验定律更高的层次。经验定律能够说明相关的科学事实,原理定律能够解释经验定律。

原理定律型假说的形成方法:溯因方法与科学猜想。

原理定律型假说是通过溯因方法获得的

溯因方法的基本模式为:(1)相关的经验定律L (2)若H(设定的原理定律型假说)为真,则L 可被解释。(3)所以有理由认为H为真。

科学猜测是发挥想象力的产物。想象力在提出假说的过程中发挥着重要作用

想象力比知识更重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界上的一切,推动着进步,而且是知识进化的源泉。严格的说,想象力是科学研究中的实在要素。——爱因斯坦

思考:

什么是科学问题?在科研选题中应该注意哪些问题?

在观察和实验过程中应该注意哪些问题?