03科學問題與科學研究

1、“科學問題”提綱一、問題的重要性科學研究從哪個環(huán)節(jié)開始“提出問題往往比解決問題更重要”二、對“問題”的理解與分析“問題”（科學問題）的含義科學問題的結構三、問題的來源提出問題的原則問題的條件與轉換關于“科學認識的起點”1、提出問題； 2、觀察；3、好奇心； 4、對自然界的思考；5、哲學； 6、思辨的方式；7、社會實踐； 8、區(qū)分科學與偽科學；9、生存需求； 10、生活經驗；11、前人的工作；12、對事實的辨別?？茖W問題與科學研究一、問題的重要性1.科學研究從哪個環(huán)節(jié)開始?案例一：青霉素的發(fā)現(xiàn)英國科學家弗萊明（A.Fleming，18811955）在1928年9月，一次在實驗室，偶然發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)葡萄

2、球菌的器皿里長出了綠霉。弗萊明沒有簡單地處理掉。他感到有些奇怪，因為在正常的葡萄球菌的繁殖區(qū)本應當呈現(xiàn)一種討厭的黃色，可綠霉周圍的培養(yǎng)基卻清澈明凈。他產生了疑問：是否由于綠霉有某種作用把它周圍的葡萄球菌殺死了呢？值得注意的是，弗萊明所發(fā)現(xiàn)的事實，并不是他第一個在實驗室觀察到的。微生物學家斯科特和日本科學家古在由直都曾回憶說，在弗萊明之前，他們都曾在實驗室里遇到過同樣的情況，只不過他們都把這樣的現(xiàn)象簡單地處理掉了。案例二： X射線的發(fā)現(xiàn)德國物理學家倫琴（Rontgen，18451923） 發(fā)現(xiàn)了X射線。他發(fā)現(xiàn)X射線的誘導事實 是：放置在實驗室陰極 射線管附近的涂有亞鉑 氰化鋇的硬紙板上，產 生熒

3、光以及放在實驗室 中的照相底片被莫名其 妙地感光。有意思的是：這樣的觀察事實或類似的觀察事實也不是倫琴第一個發(fā)現(xiàn)。美國的A.W. Goodspeed和英國的W. Crookes（18321919）在做陰極射線的實驗時，都曾經發(fā)現(xiàn)過照相底片有異?，F(xiàn)象。Goodspeed甚至在1890年2月22日無意中拍攝下了世界上第一張X射線照片。Goodspeed雖然實際上拍下了第一張X射線照片，但他把那張照片仍進了廢相片堆。直到5年之后，當倫琴宣布X射線的發(fā)現(xiàn)，Goodspeed才從舊相片堆中把那張所謂的廢照片找了出來。 1896年2月22日，Goodspeed說： “我們不能要求首先發(fā)現(xiàn)倫琴射線的權利，因

4、為我們并沒有發(fā)現(xiàn)這種射線，我們所能提出的問題就是，你們記得，六年前，世界上第一張陰極射線的照片是某一天在賓夕法尼亞大學物理實驗室里拍攝出來的?！盋rookes發(fā)現(xiàn)一些照片底片模糊不清（其實是X 射線造成的結果），認為是質量問題而退給了廠商。觀察與問題只有從觀察（結果）中引出問題，才使科學家進入研究。從這一角度上說，科學研究是從“問題”開始的。 問題的產生與觀察有密切的關系。但是要強調：觀察如不引起疑問，產生問題，那絕不會導致探索過程。2.“提出問題往往比解決問題更重要” 提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許僅僅是一個數(shù)學上的或實驗上的一個技能而已。而提出新的問題，新的可能

5、性，從新的角度去看舊的問題，卻需要創(chuàng)造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。 愛因斯坦、英費爾德，物理學的進化，上?？茖W技術出版社，1962，66（1）從開拓研究方向的角度案例：光速測量伽利略提出問題伽利略對后人的啟發(fā)1676年，丹麥天文學家羅默（Olaf Rmer, 16441710）通過觀察木星的衛(wèi)星蝕，計算出歷史上第一個光速為210000千米/秒。但誤差比較大。 法國物理學家菲索（Armand Fizeau,1819-1896）利用旋轉齒輪裝置測量光速。 法國物理學家的付科（Jean Lon Foucault，1819 1868）采用 旋轉鏡法測量光速。 19世紀末，美國物理學家邁克爾遜

6、（Albert Abraham Micheson,1852-1931）用一個正八面鋼質棱鏡代替了旋轉平面鏡。1926年，他得到：C=299796千米/秒。 邁克爾遜的裝置（2）從成果評價的角度提出問題比解決問題更為重要，也成了評價科學成果時一條標準。案例一：超導研究19861987年，超導研究取得了突破，獲得了轉變溫度能穩(wěn)定在液氮溫區(qū)（77.3K）的超導材料。在這一輪突破中作出主要貢獻的是： 瑞士穆勒、柏諾茲； 中國趙忠賢； 美朱經武； 日北澤宏一。穆勒、柏諾茲共享了1987年的諾貝爾獎。為什么趙忠賢、朱經武沒有獲獎？幾方面的突破：突破了保持13年之久的23.2K的記錄；突破了超導轉變溫度上限

7、為40K的理論預言；突破了平均每三年一度的增長率；突破了超導只和金屬及其合金結緣的局限，突破了多年來超導必須用液氮做冷卻劑的苛刻條件。這些突破都是誰作出的呢？第、方面是穆勒與柏諾茲作出的。自1911年荷蘭昂內斯（H.K.Onnes）發(fā)現(xiàn)水銀在4.2K出現(xiàn)超導現(xiàn)象，經62年探索，1973年由美國的泰斯塔迪(L.R.Testardi)用鈮三鍺將超導轉變溫度提高到23.2K。1986年1月，他們用鋇鑭銅氧化物（ ）材料30K發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象。第方面的突破是趙忠賢作出的。美國麥克米倫(W.L.Mcmillan)于1967年作出超導轉變溫度上限為40K的理論預言，之后18年未能超過23.2K。趙忠賢等于1

8、986年12月26日首先獲得了48.6K的超導材料。 第方面是由瑞士、中、美、日等國的科學家為主共同作出的。19111986年，75年間只提高了19K，平均每年0.253K。從1986年9月穆勒和柏諾茲的論文發(fā)表到1987年2月趙忠賢等人獲得100K以上的超導材料，時間不過半年，從23.2K提高到100K左右，打破了增長緩慢的局面。 第方面是朱經武、趙忠賢等幾乎同時作出的。趙忠賢等在最先穩(wěn)定地獲得48.6K超導材料的同時，還最先觀察到了在70K下有明顯的超導現(xiàn)象。不到二個月，朱經武就宣布獲得了98K超導體。第一個實現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導體，但他未公布材料組分。九天后，趙忠賢等獨立地獲得了100K的超

9、導體，并公布了材料組分 （鋇氧銅釔）。 不單純以溫度的高低作為標準。穆勒和柏諾茲的貢獻就恰恰在于“提出新問題，提出新的可能性，從新的角度去看舊的問題”改變了尋找高溫超導體的路線。問題的比較：光速研究與狹義相對論超導研究與？分析：光是輻射，超導研究的是物質的特性；對超導研究有什么期待嗎？ 特別是對超導理論的期待。二、對“問題”概念的理解與分析1、“問題”（科學問題）的含義“科學問題是實質上是經驗和理性之間的矛盾，它主要包括經驗事實之間、經驗與理論之間、理論自身、理論與理論之間等方面的矛盾。”（教材P109 ）“科學認識過程中需要回答而在當時的知識背景下又無法解決的矛盾。”（ P113）矛盾：需要

10、解決的矛盾表現(xiàn)為疑惑不明白，又想弄明白的問題沖突已有的知識和新的發(fā)現(xiàn)之間差距理想與現(xiàn)有能力的差距矛盾表示的是認識主體的狀態(tài)。當時的知識背景下提出的問題 疑難（問題）有兩種：知識性和探索性。案例： “奧爾伯斯佯謬”德國科學家奧爾伯斯（17581840）的問題：夜晚的天空為什么這么黑？ 星球無限多，并均勻分布，那么全部天空就不分白晝天與黑夜都是光輝奪目的。 1826年，奧爾伯斯提出四條假定做為論證：空間無限，恒星無限；個體星有生有滅，宇宙密度 為常數(shù)；恒星發(fā)光強度L基本保持不變，光的照度 ，并處處相同（規(guī)律）；時間無限，從總體上恒星可無限期存在。由這四條假定得到結果： 黑夜與白天一樣亮。 其簡單推

11、算：在相對于地面距離為至的球殼中星的數(shù)目為： 地面接收的照度為： 在無限遠處的星體的光，總可以通過無限長的時間傳到地球。所以地面接收到的累積照度，無論何時都會是無限亮的 瑞典天文學家沙利葉修改第二條，認為宇宙密度 不是常數(shù)，是 的函數(shù)，提出了階梯式宇宙模型。天體是逐級成團分布，從恒星到星系，再到星系團，再到超星系團。愛因斯坦修改第一條。認為宇宙空間不是歐幾里德的平直空間，而是一個有限無邊的彎曲的黎曼空間。2、科學問題的結構科學問題的三要素 問題的指向； 疑項； 應答域。 案例：腳氣病 “腳氣病是由什么細菌引起的？” 等價于 “引起腳氣病的原因是什么細菌”“引起腳氣病的原因”問題的指向?！笆鞘裁?/p>

12、”疑項，表示問題的指向與問題的應答域之間關系的不確定。“細菌”應答域，是指一個域限，問題的解就在這個范圍中。 問題的指向對于問題的求解帶有指導性。 求解就是尋找引起腳氣病的原因。問題的應答域是預設了一個問題解的存在范圍。明確地指出了問題的解的方向。應答域有兩種。一種是限定的非常具體的類域；另一種是無所限定的全域。從邏輯上來說，應答域是一個全域也是成立的，但它在經驗上的意義卻很小。 應答域是一種預設，使問題帶有假說的成分?？茖W研究中所提出的有價值的問題，總是那些對應答域有明確限定的問題。應該重視問題的提法。由于問題的應答域是一種預設，一種假定，一旦出現(xiàn)了應答域預設錯了，怎么辦呢？三、問題的來源1

13、、科學問題的來源（教材：第110-111頁，五條）2、提問題的原則教材第111-112頁，五條3、問題的條件與轉換 從一個新的角度提出問題常常是科研中造成突破的關鍵。 案例：維生素的發(fā)現(xiàn) 19世紀80年代，荷蘭醫(yī)生克里斯蒂安埃杰克曼參加了研究防治腳氣病的工作。交給他的課題就是尋找引起腳氣病的細菌。線索： 1896年，就在他做實驗的陸軍醫(yī)院里養(yǎng)的一些雞病了，這些雞發(fā)病癥狀和腳氣病癥狀相同。他決心從病雞身上找出得病的真正原因。腳氣病與白米有關。白米的谷粒中含有某種使人或雞致病的毒素，而谷皮中有某種可以中和毒素的物質。由尋找細菌轉變?yōu)閷ふ乙环N導致腳氣病的有毒物質。1901年，荷蘭醫(yī)生格里內斯提出，可能是大米中缺少了谷皮里所含有的某種人體需要的東西，如果一味地吃去皮白米，就會得病。在這種思路下，腳氣病被看作是一種“營養(yǎng)缺乏癥”。 1912年，英國化學家霍普金斯在對營養(yǎng)缺乏癥研究的基礎上，提出了