科学研究途径与方法谈2011

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1、科学研究途径 与方法谈 周立伟 北京理工大学 2011年10月15日,题记 科学发现、技术发明和科 技创新，没有一成不变的方法，也没有万无一失的共同模式，但它是讲究方法的。,科学是随着研究方法所获得的成就而前进的。 巴甫洛夫,科学研究途径 与方法谈,前言 （一）科学研究的途径，殊说同归 （二）科学研究：要提出问题和步 步有创意 （三）我的科学经历与体会 结束语,前言,（1）有提出问题、确定选题的能力 提出问题的基础是要具有坚实的基础理论和广博的知识。学问和经验是提出问题、创立假说的源泉； 主要是培养归纳能力阅读文献和收集资料后的思考和判断的能力. 好奇心、不墨守成规、敢于直面科学现实、敢于向权

2、威挑战也是不可缺少的品质。,科学研究培养年青学人创造能力,(2)有提出、阐述假说（假设、方案）的能力,有批评、判断种种假说（假设、方案）的能力； 这主要是培养思维能力逻辑思维 （分析、对比、推理）和形象思维的 能力。 (3) 有证明假说（假设、方案）的 是非真假的能力； 这主要是指实践能力设计能力、实验能力、深入考察、观察事物的能力。,人们要想进行有效的工作和科学研究，就要运用自己的思维进行思考。 所谓正确的思维方法就是能够正确使用各种逻辑形式与逻辑方法，符合思维各个层次上的规律，从而能够迅捷有效地反映各种事物的思维过程，作出正确的判断 正确的思维方法是指符合各种逻辑规律要求的科学的思维运动。

3、它善于在复杂事物当中抓住最本质的东西。因为这些最本质的东西支配了复杂现象的表现。,培养正确的思维方法更重要,（一）科学研究的途径， 殊说同归,“科学研究的途径是科学工作 者在科学研究中提出问题、思考问 题和解决问题的方式和过程，也是 认识事物客观规律的思维发展的过 程。”,1.科学研究的途径 （波普尔之演绎检验法）,波普尔认为，科学的进步在于不断批判旧的理论，大胆猜测新的理论，不断去除错误理论中的错误，其过程为： 1.科学始于问题，问题促进科学家思考； 2.思考的结果是，科学家作出各种各样的大胆的尝试性猜想，即假说或理论； 3.这些理论之间展开激烈竞争和互相批判，并经受观察和实验的严格检验，从

4、而筛选出最优越的理论； 4.这个新理论在科学的进一步发展中遭到证伪，从而导致新问题的出现。（但通过证伪导致知识增长的说法有点片面！）,波普尔科学发展（知识增长）的动态模式,波普尔提出“演绎检验法”（又称试错法、评判法）作为科学方法，可归纳为四个一组的图解： P1（Problem 1, 问题1） TT（Tentative Theory，尝试性理论） EE（Elimination of Error，排除错误） P2 （Problem2，问题2） 科学研究过程的图解表明，我们可以从某个问题 P1 开始，无论是理论问题还是历史问题；接着做出尝试性解答（推测的或假设性的解答，一种尝试性理论），然后把它提

5、交按照证据进行批评性讨论（即排除错误），如果得到确认的话，结果出现新的问题 P2 。波普尔把这个公式称为“四段图式”（tetradic schema），它构成了波普尔的著名的科学发展（知识增长）的动态模式。,由波普尔提出“演绎检验法”，我演 绎提出科学研究途径的框图。 1.疑难问题的提出 2.寻找突破口（切入点） 3.假说（假设，试验性理论） 4.前验评价（假说涵义的展开） 5.后验评价（实践检验，排除错误） 可将上述路线绘制成科学研究的途径框图。,科学研究的途径框图（基于波普尔）,线索,突破口,假说（假设）,前验评价（假说含义的展开）,后验评价（排除错误、确证、实 践检验）,问题的解决（新问

6、题的出现）,疑难问题的提出,疑问（疑难问题的由来）,假说的修正,2.西方实用主义的治学 （杜威关于认识过程的五步法）,杜威关于问题求解的过程或步骤可分为5步： （1）疑难的情境 他认为认识受激而产生于“疑难的情境” ， “对差异或困难的感受”就会迫使人们去追求认 识；“困难一旦产生”，认识活动就被激活了。 （2）“界定问题”或“界说困境” 即努力理清问题之所在，对所面临的问题做 出清晰的表达。因为“问题规定了思维的目的并 控制思维过程的方向”。这一步可比喻为中医师的“号脉”。,杜威关于认识过程的“五步法”,（3）“提出假说” 即提出种种可供选择的解决问题的方案或思 路。杜威强调，在提出假说这一

7、步骤上，要放开 思路，要依赖于“既大胆又谨慎的心灵”，设想 出尽可能多样的方案或“解答式”，以供选择。 胡适曾把这一步骤概括为“大胆假设”。 （4）“合理的加工”或推演 即对已经提出来的用以解决问题的方案所蕴 涵的结果进行“合理的加工”或推演，尽量 揭示出它们所蕴涵的意义和结论。因为这些从 假设推演出来的结论或推论，仍然是假说性的。 往往具有虚拟条件句的形式，即它预言：如果出 现(或满足)某条件，那么就将有某结果(或事件或 性质)发生。但预言是否能够应验，仍不得而知。,(5)求证或证实 这一步骤就是对假说(或方案)所预期的结果 进行检验。“人们根据检验某一观念或假说的需 要，精心安排种种条件，

8、以了解该观念在理论上 所指明的结果是否实际发生”。杜威实际上提出 了如何检验和评价假说或方案，以便从中选择或 接受一种最可置信的假说，或者对于解决问题来 说是最佳的方案。 胡适曾把杜威这五步法中的第四、第五步两步合 起来，概括为“小心求证”。,杜威关于认识过程的五步法,线索,突破口,假说（假设）,前验评价（假说含义的展开）,后验评价（排除错误、确证、实 践检验）,问题的解决（新问题的出现）,疑难问题的提出,疑问（疑难问题的由来）,假说的修正,界定问题,疑难的情境,提出假说,合理的加工与推演,求证或证实,3.中国今人的治学 （王国维治学三境界 与科学创造四阶段）,治学三境界与创造四阶段,三种境界

9、 王国维 古今之成大事业、大学问者，必经过三种之境界： “ 昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路。”此第一境也。 “ 衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。”此第二境也。 “ 众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。”此第三境也。也。,治学的三种境界,迎着困难，勇于攀登，高瞻远望，苦苦思索, “ 独上高楼，望尽天涯路”；这是处于创造沉思中的情景。-第一种境界。 追求真理，百折不挠，无论多大挫折，终不后退, “ 衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”；这是研究探索中的情景。-第二种境界。 几经艰苦奋斗，突然受到启发，顿时恍然大悟，原来事物的奥秘，正隐藏在“ 灯火阑珊处”；这是直觉的顿悟、成功的欢悦的

10、情景。-第三种境界。,治学三境界对应创造三阶段,“三种境界” 之说正说明了在科学探索和艺术创作中存在着三个阶段： 高瞻远瞩、构想沉思的准备阶段-准备期 覃思苦虑、孜孜以求的探索阶段-探索期 不断追求、终有顿悟的收获阶段-豁朗期 王国维先生的这一论述蕴含着深邃的哲理，其真知灼见发人深思。,科学创造四阶段,从事科学研究的人似乎还需要一种境界，即：“行到水穷处，坐看云起时。”(王维诗)。“行到水穷处”可状实践检验，“坐看云起时”则是理论升华。科学研究中第四种境界： 实践检验、排除错误的实证阶段-验证期 创造性思维活动不能在顿悟阶段结束，因为思维豁然贯通仅仅是创造的端倪初露，茅塞顿开、灵感突现并不是完

11、整的创造，如果不加以完善验证、发展或加工扬弃，那么尽管这些思想火花十分可贵，可是浅尝辄止，仍可能功亏一篑，丧失了创造中本应得到的最有力的成果。故有必要对浮现出的新感想作出评价、验证和完善。,曹冲称象,三国曹冲把一个大象的重量称出来了。 曹冲聪明之处在于： 一有联想才能见过曹操海上练兵舰船装上兵员与武器后下沉。 “舰船”可以起到“秤”的作用。曹冲有举一反三的能力 二有逻辑判断能力大象是有重量的，石头虽小也是有重量的，多块石头代替大象可能的。 三有抽象能力玩过弹弓打鸟，以石计数的游戏。曹冲有以石代象，以石称重的抽象能力。反映了中国孩子的直觉能力。 但曹冲和先人没有把问题从理论上升华提高。曹冲一个聪

12、明的孩子。,阿基米德称王冠,“ 阿基米德称王冠”由“现象”（物体浸入水中水溢出的现象）到提出“假说”（重量相同、密度不同的金属溢出的水是不同的），解决了实际问题，再进入验证期，将现象升华, 归纳为“原理”（后人认为是“定理”、“定律”） 阿基米德不但找到了辨别金王冠中是否掺入了其他金属的方法，而且在他的著作论浮体中进一步总结了液体静力学的基本原理后人称为阿基米德定理。,科学研究要重视验证期 和理论升华,阿基米德不但有联想能力、逻辑判断能力、抽象能力，还有理论升华能力提高到理论高度来认识的能力。这是作为一个科学家必须具备的能力。阿基米德科学家，浮力定律的创始人。 对“曹冲称象”，仅停留在某一实际

13、问题的解决上。我们没有将问题从理论上升华，也没有发现先人对“曹冲称象”的现象有进一步阐述的记录。,直接称出大象是人们办不到的事，但一块块石头的重量是可以称出来的 1.曹冲用大船的沉浮先把象的重量变换成石头的重量，这一步用L表示 2.再称石头的重量，这一步用A表示 3.又将石头的重量变换成大象的重量。这一步跟L交换恰好相反，我们用L1表示。三步连起来可以写成L1AL. 它表示先实行L，再实行A，最后实行L1。这样就把大象重量称出来了。,“曹冲称象”今人总结的 共轭控制方法的先祖,数学上将L1AL称为与A共轭的控制方法，它通过L变换和L1变换，把我们原来不能控制的事变为我们可以控制的A过程去完成。

14、A的控制范围在施行了L和L1变换后扩大了。例如：一种混匀固体的方法。 L将固体溶于某种液体， A控制液体混匀的方法， L1 L的反变换，将溶液蒸干。 这样L1AL过程就使混合液体的方法扩大了控制范围，用于混匀固体。,科学研究要重视理性思维， 重视理论升华，重视验证期,关于验证期，举爱因斯坦建立和验证广义相对论的例子。19131915年爱因斯坦在导出协变形式的引力场方程后，等待着实验验证的曲折历程。 爱因斯坦预言，从远处的恒星发出的光线，如果经过太阳表面，光线必被引力场所折弯。而证实这个理论的最后证据只能来自在日蚀过程中拍摄的靠近太阳的星星的照片。 1919年5月，英国的爱丁顿爵士领导的两个观测

15、队分别在巴西和西非拍摄的日全蚀照片，其观测结果分别为1.61(0.30)和1.98(0.12) 秒弧度。实验与爱因斯坦的预言吻合，,科学创造四阶段,与文学艺术创作不同， 科学探索还需要第四个阶段： 高瞻远瞩、构想沉思的准备阶段-准备期 覃思苦虑、孜孜以求的探索阶段-探索期 不断追求、终有顿悟的收获阶段-豁朗期 实践检验、排除错误的实证阶段-验证期,科学创造四阶段,线索,突破口,假说（假设）,前验评价（假说含义的展开）,后验评价（排除错误、确证、实 践检验）,问题的解决（新问题的出现）,疑难问题的提出,疑问（疑难问题的由来）,假说的修正,验证期,酝酿期,探索期,顿悟期,4.中国古人的治学 （中庸

16、之治学）,中庸之治学：学一问一思一辨一行,中庸、大学成文约在秦、汉之际(公元前300年)，按西方的说法，中国没有逻辑学、几何学（仅希腊有），更没有由实验找因果关系等。“现代科学”的方法、概念和思想是牛顿以后的事。无论中外，所谓“科学方法”无从谈起。 但中国的先人有自己一套完整的做学问的基本步骤和方法。,中庸一篇第20章最后三段：系统论述了古人的治学，表达了中国传统文化的精华。读后，可以说是茅塞顿开，不由不佩服我国古代学者在治学方法上的严谨周密，表达文词之精美简洁。 “博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之。” “博学知识，详问原由，慎密思考，辨论明理，实践笃行。” 学、问、思、辨、行中庸传授研究学问之道,“有弗学，学之弗能，弗措也。 要么不学，学就要学能掌握，绝不半途而废 有弗问，问之弗知，弗措也。 要么不问，问就要问个清楚，绝不轻易罢休 有弗思，思之弗得，弗措也。 要么不思，