长沙理工自然辩证法课件06科学研究的方法

第六讲第六讲 科学研究的方法科学研究的方法第一节第一节 逻辑方法逻辑方法一、归纳与演绎一、归纳与演绎1归纳方法归纳方法是从个别或具体特殊的事物、现象中概括出共同本质或一般原理的逻辑思维方法，逻辑学上叫归纳推理，这在19世纪以前是最基要的科学研究方法。（1）求同法（契合法）求同法（契合法）它假定有两个或两个以上的不同的场合，每个场合由若干情况和若干现象组成，如果某种情况出现，相应的现象也出现，那么，这种情况与现象之间就可能存在因果关系。求同法可用下列图式表示：场合1：有情况A、B、C，有被研究现象a场合2：有情况A、D、E，有被研究现象a场合3：有情况A、F、G，有被研究现象a 所以，A（可能）是a的原因。例例1：伽利略的单摆实验：伽利略的单摆实验例如，伽利略从观察教堂吊灯受到启发，进而作单摆实验。他用线、麻绳、铁链及大小相同、重量不同的物体进行实验，发现在具有共同振动周期的所有单摆中，尽管物质材料、形状不同，但有一个共同的条件，就是摆长相同。所以摆长相同是单摆振动周期相同的原因。求同法的局限性求同法的特点是异中求同，即通过排除事物现象的不相关因素，寻找共同的因素来确定被研究现象的原因。但这种方法只适用于比较简单的一因一果关系，对于多因一果等复杂的因果关系，这种方法的可靠性就比较低。因为先行现象中表面的“同”可能掩盖着本质的“异”，表面的“异”可能掩盖着本质的“同”。例例2：失眠的真正原因：失眠的真正原因一天晚上某人看了两小时书，并且喝了几杯浓茶，结果整夜没睡好觉；第二天晚上，他又看了两小时书，并且喝了几杯浓咖啡，结果又是失眠；第三天晚上，他又看了两小时书，并且抽了许多烟，结果还是失眠。按照求同法，连续三天失眠的原因应该是共同的因素“看了两小时书”，但这个结论显然不对。看书这种表面的“同”掩盖了真实的“同”。茶、咖啡、烟这些表面不同的因素实际上有着共同的本质，那就是都含有使人兴奋的成分，这种本质的同才是真正的原因。例例4：“彗星蛋彗星蛋”1682年，哈雷彗星对地球进行周期性的访问时，在德国马马尔堡尔堡有只母鸡生下了一只异乎寻常的蛋，蛋壳上布满星辰花纹。76年后，英国霍伊克霍伊克附近乡村的一只母鸡生下一个上面清晰地描有彗星图案的蛋。1834年，哈雷彗星再次在天空出现，在希腊科扎尼科扎尼一户人家，有只母鸡生下一个“彗星蛋”，这个蛋表面的彗星图案非常规则。1910年，当哈雷彗星又一次装饰天空时，法国人从报端获悉，一只母鸡为它的女主人产下了一枚“蛋壳上绘有彗星图案的怪蛋，图案如雕似印，可任君擦拭”。这一系列“彗星蛋”事件，迫使科学家思考：哈雷彗星造访地球与彗星蛋之间究竟有没有因果关系？苏联生物学家亚历山大涅夫斯基坚持认为二者之间肯定有某种因果关系。他是运用求同法这样考虑的：彗星蛋周期性出现的时间、地点、情况各不相同，但有一个唯一相同的情况，即每当哈雷彗星出现在天空时，地球上某个地方才有彗星蛋出现，这说明彗星与彗星蛋之间有因果关系。但是这个结论值得怀疑。首先，运用求同法探求彗星与彗星蛋之间是否有因果关系这一问题时，虽然发现了“当哈雷彗星出现在天空时，地球上某个地方才有彗星蛋出现”的情况，但是，彗星的出现也许不是“彗星蛋”出现的原因。因为无法排除其他因素引起彗星蛋的可能。其次，彗星与彗星蛋同时出现的场合比较少，场合少了就有可能是巧合，因此还必须作进一步的观察。第三，也是最重要的，要确立彗星出现与“彗星蛋”之间的因果关系，还必须给出充分的科学说明，以说明这样的因果关系到底是什么，否则，它就只能归于神秘现象甚至是伪科学而不能成为科学。（2）求异法（差异法）求异法（差异法）求异法又叫差异法，它是指在被研究现象出现和不出现的两个场合中，如果只有一个情况不同，其他情况完全相同，而且这个唯一不同的情况在被研究现象出现的场合出现，在被研究现象不出现的场合不出现，那么这个唯一不同的情况就可能是被研究现象的原因。求异法可用下列图式表示：场合1：有情况A、B、C、D，有被研究现象a场合2：没有情况A，但有情况B、C、D，没有被研究现象a 所以，A（可能）是a的原因。求异法的特点：同中求异，即通过排除两个场合的许多现象之中的相同情况，找出相异之处，来寻找被研究现象的原因。因此，与求同法比较起来，求异法的结论具有更大的可靠性。因为运用求异法时要求在被研究现象出现和不出现的场合中，只有一个情况不同，其他情况完全相同，这样就能比较准确地判明某个情况与所研究现象之间的因果联系。求异法结论成立的条件是：在被比较的两种不同场合之间，只有一个先行情况或伴随情况不同。这在实际生活中很难碰到，但在科学实验中却可以做到。因此，求异法在科学研究中常被采用。实验方法中的对比原则，实际上就是运用了求异法。例例1：声音传播与空气的关系：声音传播与空气的关系为了弄清声音传播与空气之间的因果关系，可以用求异法设计这样两个场合。一个是听得到铃声的正面场合，另一个是听不到铃声的反面场合。这两个场合的其他先行情况都是相同的，如相同的电铃都用玻璃罩住、玻璃的形状大小材料都相同、电铃的发声方式都相同，唯一不同的是，正面场合玻璃罩内不是真空，而反面场合玻璃罩内是真空。这样，通过这个实验就可以发现声音传播必须依靠空气，进一步研究就会发现空气振动是声音传播的原因。求异法的局限性第一，很难完全做到在两个场合只有一个情况不同，常常会有未发现的其他差异情况存在。在这种情况下，一些隐藏的差异常常是被研究现象的真正原因。例例2：头痛的真正原因：头痛的真正原因一个学生每到上课就头痛，不上课就没事，他以为自己头痛的原因是上课听讲，后来经医生检查，发现引起他头痛的原因，是他在上课时戴的那副眼镜不合适。这个学生只注意到上课与不上课这个差异，而没有注意到上课时戴眼镜和下课时不戴眼镜这个差异，因而没有发现引起头痛的真正原因。第二，对于“合因一果”的情况，差异法无法找出真正的原因。两个场合唯一不同的情况可能是被研究现象总原因的一部分，这样当总原因的一部分情况消失时，被研究现象也就不出现。例例3：光合作用：光合作用植物的光合作用，其原因是复合的。植物吸收太阳光、空气中的二氧化碳和水制成碳水化合物。如果没有阳光的辐射，植物的光合作用就会中断，但是，阳光的辐射供给能量只是引起光合作用的部分原因，并不是总原因，如果单凭差异法就会得出错误的结论。（3）求同求异并用法（契合差异法）求同求异并用法（契合差异法）如果在出现研究现象的几个场合中，都存在着一个共同的情况，而研究现象不出现的几个场合中，都没有这种情况，那么这种情况可能就是研究现象出现的原因。这就是求同求异并用法。求同求异并用法可用下列图式表示：正面场合：推理过程包括三个步骤求同求异并用法的特点是两次运用求同法，一次运用求异法。它的推理过程包括三个步骤：第一步：从正面事例组求同，把某种结果出现的正面场合加以比较，找出各个正面事例中存在的共同点A，而这个共同情况A可能是同一结果a产生的共同原因；第二步：从反面事例组求同，把某种结果不出现的反面场合加以比较，找出反面事例的共同点：所有反面事例中A都不存在，由此可以推知：A不存在可能是结果a没有发生的共同原因；第三步：从正、反两组事例之间求异，把前两步比较得到的结果再加以比较，找出正面场合和反面场合的相异点：在正面场合中有A就有a，在反面场合中，无A就无a。所以A是a的原因。（4）共变法）共变法如果某一事件发生变化时，另一事件也随即变化，那么就可以断定前一现象可能是后一现象的原因。这种推理方法就叫共变法。共变法可用下列图式表示：有情况A1、B、C、D，有被研究现象a1有情况A2，B、C、D，有被研究现象a2有情况A3，B、C、D，有被研究现象a3 所以，A（可能）是a的原因。例例1：水温与落水后坚持时间的长短：水温与落水后坚持时间的长短在一次讨论轮船遇难，落水人在水中最多能坚持多长时间的学术会议上，一位发言人列出了如下一组数据：水温02.551025坚持时间15分钟30分钟1小时3小时一昼夜以上这组数据表明，人在落水后坚持时间的长短与水温有直接关系。在日常生活和科学实践中，共变法被人们广泛使用着。许多仪表如体温表、气压表、水表、电表等都是根据共变法制成的。物理学中物体遇热膨胀规律也是应用共变法得到的。我们对一个物体加热，在其它条件不变的情况下，当物体的温度不断升高时，物体的体积就不断膨胀，由此可以得出结论：物体受热与物体体积膨胀有因果联系。应用共变法应注意的事项：第一，运用共变法时，只能有一个情况发生变化而另一情况随之变化，其他情况应保持不变。如果还有其他的情况发生变化，那么运用共变法就会出错。这也是经济学上常犯的一种错误。称之为“不能保持其它条件不变”（failure to hold other things constant）例例2：减税与政府收入的增加：减税与政府收入的增加有一段时间经济学家争论究竟是提高税率还是降低税率会导致政府收入的增加。一些美国经济学发现，1964年肯尼迪总统大大降低了税率，紧接着，1965年政府收入就有所上升。据此，他们认为降低税率可以提高政府的收入。但是这一推理仅仅考虑了税率变化和政府收入的变化，而没有考虑到其他因素的变化。事实上，它忽略了1964年到1965年期间的经济增长，由于人们的收入在这一时期有所上升，因此，尽管税率降低了，政府收入依然有所增加。进一步研究表明，如果1964年没有降低税率，那么1965年政府收入会达到更高水平。这一分析之所以出现错误就是因为没有坚持共变法“保持其它条件不变”的应用原则。第二，两个现象的共变有一定的限度，超过这个限度就会失掉原来的共变关系。例如，农作物的密植，在一定程度内可以增产，但如果超过这个限度，则不但不会增产，反而会减少产量。所以通过共变法发现的因果关系一定要注意它的适用范围。（5）剩余法）剩余法剩余法是指，如果已知一复合情况是一复合现象的原因，并且还知道复合情况中的某一部分是复合现象中某一部分的原因，那么复合情况的剩余部分就是复合现象剩余部分的原因。剩余法可用下列图式表示：复合情况（A，B，C，D）是被研究现象（a，b，c，d）的原因A是a的原因B是b的原因C是c的原因 所以，D（可能）是d的原因。例例1：氩气的发现：氩气的发现19世纪，人们对空气的成分还不完全了解。当时人们已经能够从其它化合物中分离出氮气。按理说，一定体积的氮气重量应该是相同的，但是在当时，从空气中分离出来的同样体积的氮气却比从其它化合物中分离出来的氮重5%。这多出来的5%是怎么产生的呢？经过测定，才发现，从空气中分离出来的氮不是纯的，其中还混有另一种气体氩。由于同体积的氩气比同体积的氮气重，因此，从空气中分离出来的含有氩气的同体积的氮气重量增加。应用剩余法应该注意的事项：第一，必须确认复合情况的一部分（A，B，C）是复合现象的一部分（a，b，c）的原因，而复合情况的剩余部分D不可能是复合现象这一部分（a，b，c）的原因，否则就无法断定D与d一定有因果联系。第二，复合情况的剩余部分D不一定是一个单一情况，还可能是个复合情况，在这种情况下，人们就必须进一步研究，以探求剩余部分的全部原因。例例2：钋和镭的发现：钋和镭的发现1898年，居里夫妇发现，从几吨沥青铀矿中分离出来的少量黑色粉末的放射性比同等数量的铀强400倍。这是什么原因呢？他们应用剩余法作出了这些铀矿石中一定还含有未知的放射性元素的结论。经过艰苦的工作，他们最终寻找到了这种未知的放射性元素，居里夫人把这种新发现的放射性元素命名为钋，以纪念她的祖国波兰。但是，他们进一步研究后发现钋的存在并不能使铀矿样品的放射性强400倍，钋只是使铀矿样品具有这样强放射性的部分原因。可能还存在另一种具有比钋更强的放射性元素。因此，居里夫妇把发现新元素的工作继续下去，又提炼出一些放射性比钋还强的物质，他们把这种放射性元素命名为镭（意为放射线的给予者）。至此，他们才真正弄清了铀矿样品具有强放射性的原因。居里夫人因为相继发现钋和镭获得了1911年诺贝尔化学奖。休谟的责难归纳的合理性首先受到休谟的责难。休谟认为，我们多次观察到某事件之后出现另一事件，但