科學(xué)認識的形成

科學(xué)認識的形成第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一科學(xué)認識的形成過程，是一個提出科學(xué)問題、獲取科學(xué)事實、形成科學(xué)假說、創(chuàng)立科學(xué)理論的過程。本章主要討論科學(xué)認識過程中科學(xué)問題的提出以及科學(xué)事實、科學(xué)定律和科學(xué)假說形成的方法論問題。第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)科學(xué)問題的提出一、科學(xué)問題是科學(xué)研究的起點

1、科學(xué)問題的定義和結(jié)構(gòu)科學(xué)問題科學(xué)問題是指一定時代的科學(xué)家在特定的知識背景下提出的關(guān)于科學(xué)認識和科學(xué)實踐中需要解決而尚未解決的問題。

第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一一個時代所提供的知識背景決定著科學(xué)問題的內(nèi)涵深度和解答途徑。第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一科學(xué)問題的結(jié)構(gòu)它包含：問題的指向（問題所涉及的研究對象）、研究的目標、求解的應(yīng)答域。第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一科學(xué)問題的分類“是什么”問題

——如“原子是什么？”“遺傳基因是什么？”這類問題要求對研究對象進行識別或判定?！盀槭裁础眴栴}——例如，“牛為什么有四個胃？”“蘋果為什么會落地？”這類問題要求回答現(xiàn)象的原因或行為的目的，是一種尋求解釋性的問題。“怎么樣”問題——例如，“恒星是如何演化的？”“鐵元素的原子量有多大？”這類問題要求描述研究對象的狀態(tài)和過程，是一種描述性的問題。第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2、科學(xué)問題的主要來源從已有的科學(xué)理論與科學(xué)實踐的矛盾中產(chǎn)生問題從科學(xué)理論內(nèi)部因邏輯矛盾而產(chǎn)生的問題從不同理論學(xué)派之間的矛盾產(chǎn)生問題從社會需要與現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)手段不能滿足這種需要的矛盾中產(chǎn)生問題。第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一3、科學(xué)研究從問題開始第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一科學(xué)研究從問題開始希爾伯特說：“只要一門科學(xué)分支能提出大量的問題，它就充滿著生命力，而問題的缺乏則預(yù)示著獨立發(fā)展的衰亡或中止。”愛因斯坦也指出：“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是一個數(shù)學(xué)上的或者是實驗上的技能而已。而提出新的問題，新的可能性，從新的角度看待舊的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標志著科學(xué)的真正進步?！钡?頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一善于提出科學(xué)問題是科學(xué)家最重要的素質(zhì)

牛頓曾在他的《光學(xué)>提出了31個尚需研究的問題；德國數(shù)學(xué)家希爾伯特1900年提出了23個對20世紀數(shù)學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響的數(shù)學(xué)問題；伽利略的科學(xué)研究很多都是從問題入手：伽利略在教堂做彌散時，受蠟架擺動的啟發(fā)發(fā)現(xiàn)了單擺定律、對亞里士多德的懷疑發(fā)現(xiàn)了自由落體定律、慣性定律第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一二、科研選題及其步驟和基本原則

1、科研選題科研選題是為了實現(xiàn)某個特定目標而尋求、選擇和確定要研究和解決的科學(xué)問題的過程。科研選題是科學(xué)研究的起始步驟，是科學(xué)研究的重要組成部分。選題的重要性在于，它關(guān)系到科學(xué)研究的方向、目標和內(nèi)容，直接影響科研的途徑和方法，決定著科研成果的水平、價值和發(fā)展前途。第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一我的科研選題三原則鄒承魯

一、重要性選擇一個研究課題，首先考慮的是課題的重要性?？茖W(xué)研究貴在創(chuàng)新，重復(fù)前人結(jié)果不是科學(xué)研究，沒有創(chuàng)新就沒有科學(xué)的前進與發(fā)展。因此科學(xué)的重要性，首先考慮的是創(chuàng)新性第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一

二、可能性在確定了一個設(shè)想的重要性后，還要著重考慮設(shè)想是否與現(xiàn)有的知識相矛盾。要在開題前進行文獻查閱，了解前人的成果和結(jié)論?？茖W(xué)創(chuàng)新是建立在前人成果基礎(chǔ)上的。從前人的結(jié)果中吸取經(jīng)驗，從前人的失敗中吸取教訓(xùn)，才能超越前人，取得成功。第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一

三、現(xiàn)實性有了一個好的科研選題，還必須要有一個既是現(xiàn)實可行、又是可望成功的具體方案。沒有一個現(xiàn)實可行的實施方案，任何設(shè)想都是空想。有了現(xiàn)實可行的實施方案，應(yīng)組織力量、全力以赴，一般來說都是可以成功。第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一卡文迪許實驗室在科研選題方面五次重大的調(diào)整。第一次，1871——1919年從電磁學(xué)的電標準研究轉(zhuǎn)向輻射研究第二次，1919——1938年，從輻射研究向原子核物理研究。第三次，1938——1954年，從核物理轉(zhuǎn)向多研究方向，形成了核物理、分子生物學(xué)、射電天文學(xué)、晶體物理、超導(dǎo)物理等研究方向第四次，1954——1971年，從多研究方向轉(zhuǎn)向以固體物理為主的研究。第五次，1971年——今天，從固體物理向凝聚態(tài)物理為主要研究方向轉(zhuǎn)變。第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2、科研選題的步驟第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一3、科研選題的基本原則第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一百年物理學(xué)的啟示路甬祥

第一、我認為是實驗和理論之間的矛盾催生了科學(xué)概念科學(xué)歸根到底是證實知識體系，一旦理論與嚴密的實驗結(jié)果出現(xiàn)不了一致，無論理論權(quán)威如何，無論這種理論曾經(jīng)得到過多少人多少年的信奉，作為一名科學(xué)家，都有理由去質(zhì)疑這個理論本身，并且努力地去完善它，或者創(chuàng)造新的理論去代替它。第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一

第二、我以為重大的科學(xué)突破往往始于凝練出重要的科學(xué)問題。提出問題，可能比解決問題更重要愛因斯坦在否定以太學(xué)說的基礎(chǔ)上，提出了同時的相對性這一關(guān)鍵的科學(xué)問題。愛因斯坦以其相對論研究的三部曲向物理學(xué)同行展示了他非凡的科學(xué)思維創(chuàng)造力和挑戰(zhàn)傳統(tǒng)理論體系的勇氣。第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一

第三、我認為科學(xué)的想象力需要嚴謹?shù)膶嶒炞C據(jù)支持。要勇于挑戰(zhàn)已有的科學(xué)理論，勇敢地提出質(zhì)疑，但是這種質(zhì)疑絕不是胡思亂想，絕不是毫無根據(jù)地狂妄地去挑戰(zhàn)已有的真理，而是需要嚴謹?shù)膶嶒炞饕罁?jù)。第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一

第四、物理學(xué)包括其它的自然科學(xué)，都需要數(shù)學(xué)語言。因為數(shù)學(xué)是對形與數(shù)的簡捷的概括和優(yōu)美的表達方式，所以物理學(xué)的規(guī)律，往往需要用數(shù)學(xué)語言來表達。第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一思考題1、結(jié)合實例，說明實驗和理論之間的矛盾是怎樣促進科學(xué)認識發(fā)展的。2、如何提出科學(xué)問題？為什么說提出問題往往比解決問題更重要3、鄒承魯先生根據(jù)自己的親身體會提出了科研選題的“三原則（重要性、可能性、現(xiàn)實性）”，請結(jié)合“三原則”談?wù)勛约旱捏w會。第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)科學(xué)事實的獲取科學(xué)觀察和科學(xué)實驗是獲取科學(xué)事實的兩種主要途徑一、科學(xué)觀察

1、科學(xué)觀察：在一定理論思維指導(dǎo)下，通過感官或借助科學(xué)儀器，在自然發(fā)生的條件下對研究對象所進行的觀察。第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2、科學(xué)觀察可分為

直接觀察和間接觀察直接觀察是直接通過感官考察客體的方法它生動、直觀，但有局限性間接觀察是作用于一定的儀器觀察客體的方法，它擴大了感官知覺的范圍，能夠提供更準確的觀察結(jié)果和科學(xué)事實第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一3、科學(xué)觀察在科學(xué)研究中的作用

科學(xué)觀察是直接獲取科學(xué)事實的一種重要手段。許多科學(xué)理論的產(chǎn)生都是來源于觀察所提供的科學(xué)事實。第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一觀察能力的培養(yǎng)

作為科學(xué)研究人員，要注意事物的細節(jié)；要能夠觀察到常人所觀察不到的東西。第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一4、科學(xué)觀察的基本原則第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一選擇典型的客體、典型的環(huán)境第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一二、科學(xué)實驗

1、科學(xué)實驗科學(xué)實驗是根據(jù)一定的科學(xué)研究目的，運用一定的物質(zhì)手段，包括科學(xué)儀器和設(shè)備，在人為控制或模擬自然事物或現(xiàn)象的條件下獲得科學(xué)事實的方法?？茖W(xué)實驗系統(tǒng)有三要素：實驗者、實驗對象、實驗手段第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2、科學(xué)實驗在科學(xué)研究中的作用第一，簡化和純化研究對象第二、強化、激化研究對象，在極端的條件下揭示對象的本質(zhì)和規(guī)律第三、使研究對象及其變化過程重復(fù)出現(xiàn)第四、模擬研究對象的運動過程，從而認識對象的本質(zhì)第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第31頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一3、模擬實驗方法模擬實驗是一種間接實驗，即先設(shè)計出反映對象屬性的模型，然后用實驗手段作用于模型，通過模型實驗了解原型的性質(zhì)及其運動規(guī)律包括物理模擬、數(shù)學(xué)模擬和功能模擬。第32頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一物理模擬：根據(jù)相似性理論，構(gòu)造出與對象相似的物理模型，通過模型實驗了解原型變化的物理過程

第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一數(shù)學(xué)模擬：在原型與模型具有數(shù)學(xué)相似性的基礎(chǔ)上，通過計算機求解來研究對象性質(zhì)的一種模擬方法功能模擬：以控制論為理論基礎(chǔ)，以功能相似為目標的模擬實驗，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中起著重要的作用第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一三、觀察實驗中的重要認識論問題

1、觀察滲透理論在觀察與理論的關(guān)系問題上，有兩種對立的觀點：“觀察中性說”“觀察滲透理論”。第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一觀察中性說：只有經(jīng)過不帶某種不帶先驗傾向的中性觀察，才能使科學(xué)的經(jīng)驗基礎(chǔ)變得牢固和可靠

培根倡導(dǎo)獨立于理論的純粹觀察，并認為只有經(jīng)過這種純粹的觀察才可能進入理論階段第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一觀察滲透理論：觀察要受到觀察者擁有的背景理論的支持和影響不同理論觀點的人對同一觀察對象可能會形成不同的觀察結(jié)果

漢森、波普爾、庫恩等著名科學(xué)家否認有純粹的中性觀察存在，明確提出“觀察滲透理論”第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一從科學(xué)的發(fā)展過程來看，觀察滲透理論更合理，更符合實際第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一兩可圖第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一氧氣的發(fā)現(xiàn)第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2、微觀領(lǐng)域中儀器的影響問題在經(jīng)典物理學(xué)實驗中，測量是對固有性質(zhì)的記錄，是可以精確測量的。在微觀領(lǐng)域中，實驗儀器對微觀客體的“干擾”卻不能忽略。德國物理學(xué)家海森堡提出的“測不準關(guān)系”表明，由于微觀粒子的波粒二象性，原則上不可能同時精確地確定微觀粒子的位置和動量。第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一對微觀粒子的觀察仍然具有客觀性，“測不準原理”沒有否定微觀領(lǐng)域中觀察的客觀性海森堡說：“測不準關(guān)系所討論的是在量子理論中同時測量幾個不同量的精確度問題，這一關(guān)系對單獨測定位置或速度的精確性并無限制?！钡?2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一３、觀察中的偶然性與機遇問題在科學(xué)實踐活動中由于意外的事件導(dǎo)致科學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)，稱為機遇。機遇是相對于原來預(yù)定的研究計劃和目的而言的，它最大的特點就是意外性。1960年諾貝爾生物醫(yī)學(xué)獎得主、澳大利亞生物學(xué)家伯內(nèi)特說：“在所有的科學(xué)領(lǐng)域中，比起邏輯推理和堅持不懈來，機遇和懷疑精神顯得更為重要?！谏飳W(xué)中，偶然發(fā)現(xiàn)有價值東西的才能總是發(fā)揮著重要作用。”

第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一能否抓住機遇主要取決于兩個因素：其一：科學(xué)認識主體對待機遇的態(tài)度，這種態(tài)度取決于他對偶然性與必然性及其關(guān)系的理解；第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一其二：科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)還取決于科學(xué)認識主體能否及時發(fā)現(xiàn)問題，并且敏銳地看到問題背后的深層次的東西。第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)科學(xué)假說的形成各門科學(xué)在發(fā)展的過程中都要運用假說。提出和檢驗假說是科學(xué)研究的主要活動?？茖W(xué)假說包括經(jīng)驗定律型假說和原理定律型假說，它們具有不同的特點和不同的形成方法。第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一1、形成科學(xué)假說的方法論原則對應(yīng)原則：在新假說轉(zhuǎn)化為新理論并取代舊理論時，它應(yīng)繼承舊理論中被實踐檢驗過的合理內(nèi)容，并把舊理論作為特例或極限形式包含起來第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一解釋性原則

假說不僅能夠解釋個別事實，而且能夠解釋該領(lǐng)域已知的全部事實第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一可檢驗性原則提出的假說必須能夠用觀察、實驗加以檢驗，從而判定它的真?zhèn)危豢蓹z驗的假說是不科學(xué)的第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一2、經(jīng)驗定律型假說的特點及其類型經(jīng)驗定律是對某類現(xiàn)象共同性質(zhì)和特征或者是若干類現(xiàn)象之間因果聯(lián)系的普遍化描述。第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一經(jīng)驗定律在科學(xué)理論知識系統(tǒng)處于低層次的地位，它描述的是事物表面的、可以看見的運動規(guī)律。它雖然揭示了現(xiàn)象之間聯(lián)系的普遍性，但不能理解這種規(guī)律的原因何在。第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一經(jīng)驗定律的兩個特征：第一、經(jīng)驗定律大都采用描述性的詞語來引伸出有關(guān)的科學(xué)概念，這些概念的性質(zhì)大都能夠通過觀察和實驗來測量。第二、每個經(jīng)驗定律一旦成為科學(xué)的基礎(chǔ)，就會成為科學(xué)理論中比較牢靠的組成部分。因為在實驗基礎(chǔ)建立的理論是相對穩(wěn)定的。第52頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一3、原理定律型假說的形成方法原理定律型假說是對事物內(nèi)部必然聯(lián)系的反映或解釋。它尋求的是對經(jīng)驗定律的解釋在科學(xué)領(lǐng)域，經(jīng)驗定律形成后隨即就帶來了如何解釋這些經(jīng)驗定律的問題。對于經(jīng)驗定律問題的解答就形成了原理定理。

第53頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一原理定律和經(jīng)驗定律的關(guān)系經(jīng)驗定律能夠說明相關(guān)的科學(xué)事實（怎么樣？），原理定律能夠解釋經(jīng)驗定律（為什么？）。所以，經(jīng)驗定律直接與可觀察現(xiàn)象相聯(lián)系，而原理定理與經(jīng)驗定律相聯(lián)系。由于自身的高度抽象性、深刻性，使原理定律處于科學(xué)定律的高層次地位，被認為是科學(xué)體系中最核心、最重要的部分。第54頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一原理定律型假說是通過

溯因方法獲得的由結(jié)果回溯到原因的方法就是溯因方法例：經(jīng)驗定律波義耳—馬略特定律原理定理氣體分子運動論

第55頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一怎樣才能通過溯因推理猜測出

因果機制呢？不僅與科學(xué)家的個人素質(zhì)以及所屬的科學(xué)共同體的團體因素有關(guān)，而且與一定時代的背景知識有關(guān)第56頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一要善于