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第三章 马克思主义科学技术方法论,第三章 马克思主义科学技术方法论 第一节 科学技术研究的辩证思维方法 一、观察和实验 二、分析和综合 三、归纳和演绎 四、从抽象到具体 五、历史和逻辑的统一 第二节 科学技术研究的创新思维方法 一、思维的发散性与收敛性 二、直觉与顿悟思维 三、思维的逻辑性与非逻辑性 第三节 科学技术研究的数学与系统思维方法 一、数学方法及其作用 二、系统方法及其作用 三、复杂性思维及其方法 第四节 科学技术活动的方法 一、科学实践的方法 二、技术活动的方法,3,指人们通过概念、判断、推理等思维形式对客观事物辩证发展过程的正确反映，即对客观辩证法的反映。辩证思维最基本的特点是将对象作为一个整体，从其内在矛盾的运动、变化及各个方面的相互联系中进行考察，以便从本质上系统地、完整地认识对象。,第一节 科学技术研究的辩证思维方法,一、观察和实验,观察是科学认识主体通过视觉器官或借助于科学仪器，有目的、有计划地对科学对象进行观看和考察，从而获得关于科学对象的感觉经验的方法。,科学观察,直接观察间接观察,借助工具观察对象本身,借助工具观察对象在一定工具中引起的变化,科学认识主体在做实验时，也要通过肉眼或借助仪器对实验结果进行观察，这种观察是科学实验的一个环节，可称为“实验观察”获得感觉经验在特殊情况下对科学理论进行检验实证主义和逻辑经验主义哲学都认为“科学始于观察”。观察所获得的知识，是关于对象最初步的知识，一般来说也是最先获得的知识，是“原生知识”；理性认识是对感觉经验的概括，是“派生知识”。,科学问题也不是凭空产生的，有时也来自观察。比如：牛顿通过掉落的苹果发现万有引力。科学观察对科学的发展有重要意义，特别是在没有实验或实验很少的领域更是这样。在一定条件下，理论是否正确可以通过科学观察来检验。科学观察应遵守客观性原则，科学家应如实观察客观存在的现象，并用科学语言把观察结果正确表述出来。,观察法的局限性,观察只能使我们看到现象，却看不到本质观察有时无法区分真相和假象眼睛能产生各种各样的错觉，还会产生幻觉,用正确的理论来观察事物，是观察客观性的前提,实验是指科学家应用一定的科学仪器，使科学对象在自己的控制下按照自己的设计发生变化，并通过观察和思索这种变化来认识对象。研究性实验是原创性实验，事先不知道实验结果，实验的目的是为了探索自然奥秘学习性实验是重复性实验，这种实验已反复进行过多次，事先已经知道结果，目的是为了使实验者学习科学知识或掌握实验方法,观察是在不变革对象的情况下来观看和考察对象，实验则是科学家对对象进行主动变革，在变革中观察对象。在实验中，科学家人为制造一定的环境或条件，主动控制对象的变化。科学家在实验中观察到的不是对象的自然变化，而是人造变化，通过观察这些变化来认识对象的客观性质，对实验做出解释，而解释的前提是理解。科学家具有不同的理论观点，因此对同一个实验结果的理解可能相同，也可能不同。由于科学家的主观原因和科学仪器的客观原因，实验总会存在一定的误差。,实验的结果有时会受到设计以外的、科学家尚不知道的因素的干扰，使实验结果变形，这就会使科学家得到错误结论。实验既会产生正常的、预料之中的结果，也会出现反常的预料之外的结果。正常结果是对已有观念的验证，反常结果则可能会带来新的发现。,实验法的作用主要是两方面：获得感性经验和验证科学理论。自然事物具有多方面属性，有的属性是表层的，表现为外部现象的机会比较多，即显性属性；有的属性是内在的，表现为外部现象的机会比较少，即隐形属性。观察法所能获得的知识，是关于显性属性的认识，关于隐形属性的认识，观察法是得不到的。在自然事物自身的发展过程中，有些隐形属性会转化为显性属性，从不能被我们观察转化为能被我们观察，但这种转化往往需要经历很长时间。科学实验的目的，就在于人为使对象发生变化，从而获得原本属于隐形属性的认识。,科学实验由设计操作观察思考四个环节组成。对于科学认识活动来说，科学实验是检验真理的主要标准，科学观察只有在特定条件下才可以检验假说是否正确。判决一种假说的真理性需要反复多次实验。对同一个假说，应该做各种不同的实验，从不同的角度来验证。,自然科学假说,关于存在的假说关于规律的假说,可以用观察来检验,只能用科学实验来检验,可以在理想状态下研究自然。可以人为控制实验对象的变化。可以制造一些特殊状态，把对象放在这种状态下来认识。,观察是被动，实验是主动,同观察法相比，实验法有很多优点：,14,二、分析和综合 分析是把客观对象的整体分解为一定部分、单元、环节、要素并加以认识的思维方法。 运用分析方法，就必须把部分从总体中割裂出来，抽取出来，进行孤立地考察和研究。分析法能帮助我们深入了解事物的细节及其内在联系。正如恩格斯所说：“真正的自然科学只是从15 世纪下半叶才开始，从这时起它就获得了日益迅速的进展。把自然界分解为各个部分，把自然界的各种过程和事物分成一定的门类，对有机体的内部按其多种多样的解剖形态进行研究，这是最近400 年来在认识自然界方面获得巨大进展的基本条件。”,15,分析方法是思维常用方法。亚里士多德的传统逻辑主要关注“s是p”这样的直言判断，较少顾及其他命题；现代逻辑着眼于各种逻辑形式的构造，但却没有构造出分析方法的逻辑形式。因此，逻辑学还不能解释由分析所构成的思维现象。由分析所构成的命题在日常思维和语言中都是大量存在的。例如，“一米是三尺”就是一个由分析所构成的命题。它应当解释为：一米可以分成三个一尺或一米由三个一尺构成。数学中，与之类似的如“532”、“632”等也都是由分析所构成的命题。从中不难看出，数学中，加、减、乘、除、乘方、开方的运算，都是分析方法和与之相对应的综合方法的运算。,16,分析方法,定性分析.对象是否具有某种属性，“有没有”、“是不是”.定量分析.对象的各种成分数量，“有多少”.因果分析.引起某一现象变化原因，“为什么”.分析离不开综合。,孟德尔,18,综合是在分析基础上把对客观对象一定部分、单元、环节、要素的认识联结起来，形成对客观对象统一整体认识的思维方法。综合是建立科学体系的重要方法。 近代物理学的五次大综合： 牛顿力学体系的建立、 能量守恒与转化定律的提出、 电磁学理论体系的建立、 相对论的建立、 量子理论的建立、,19,开普勒行星三定律（打破天体正圆、匀速运动的信条）,哥白尼1543年发表天体运行论（地心到日心）,布鲁诺之宇宙无限论（打碎天球）,伽利略运动学（从思辨式的质的研究到数学化的量的研究）,托勒密体系,牛顿力学体系的建立,20,分析和综合是辩证地联系在一起的。 恩格斯说：“以分析为主要研究形式的化学，如果没有分析的对立的极，即综合，就什么也不是了。”分析与综合相互依存、相互渗透和相互转化，是形成科学概念、构建和发展科学理论体系的重要逻辑方法。,21,传统的还原主义分析方法着眼点是把事物分成各个细部，找出它们是由什么组成的。在近代自然科学的发展中起了重要作用，它使研究越来越深入；同时也容易只见树木，不见森林。 现代的新的系统分析方法着眼点正相反，主要是找出这些细部如何相互作用产生整体效应。这个整体是系统的、有组织的有机整体，是局部和整体、低层次和高层次的辩证统一。,三、归纳和演绎,（一）归纳,归纳推理的种类,归纳法,完全归纳法,不完全归纳法,简单枚举归纳法,科学归纳法,完全归纳推理,我们班第一小组的同学都是揭阳人，我们班第二小组的同学都是揭阳人，我们班第三小组的同学都是揭阳人，我们班第四小组的同学都是揭阳人，我们班共有第一、第二、第三、第四四个小组，,所以，我们班四个小组的同学都是揭阳人。,根据一类事物中所包含的各个对象都具有某种属性，推出一般性结论的推理。,完全归纳推理的逻辑形式,S1是P，S2是P ，S3是P ，Sn是P，S1 、S2 、S3 、Sn是S类的全部个体对象，,所以，所有S都是P。,完全归纳推理的特征,完全归纳推理不能用于分子无穷无尽的类，只适合于对有限数量的单称命题的综合，且不是对所有有限数量的单称命题组成的类都适用。,简单枚举归纳推理,硫酸中含有氧元素，硝酸中含有氧元素，碳酸中含有氧元素，硫酸、硝酸、碳酸等都是酸，,所以，凡酸都含有氧元素。,根据一类事物对象中部分对象具有某种属性，推出该类对象全体都具有这种属性的推理。,简单枚举归纳推理的逻辑形式,S1是P，S2是P ，S3是P ，Sn是P，S1 、S2 、S3 、Sn是S类的部分对象，观察中没有遇到相反情况，,所以，所有S都是P。,简单枚举法的特征,简单枚举法的可靠性虽不大，但日常生活中很多普遍性结论都是靠简单枚举法得来的。,30,例 费尔马猜想在素数分布规律的探寻过程中，人们发现如下形式的已知自然数都是素数，例如： n = 0 f (0) = 2 1 + 1 = 3 n = 1 f (1) = 2 2 + 1 = 5 n = 2 f (2) = 2 4 + 1 = 17 n = 3 f (3) = 2 8 + 1 = 257 n = 4 f (4) = 2 16 + 1 = 65537根据上述结果，费尔马归纳出一个结论：所有这类形式的自然数都是素数。但在不久之后，人们就发现当n = 5时，f (5) = 2 32 + 1 = 4294967297 = 641*6700417是一个合数。,31,演绎方法是从一般到个别的认识方法。它从一般性的原理出发，对个别的或特殊的事物进行分析、推理，从而达到相应的结论。三段论是演绎方法最一般的形式。演绎方法派生出的一个重要方法是公理化方法。公理化方法是从尽可能少的基本概念、公理、公设出发，运用演绎推理规则，推导出一系列的命题和定理，从而建立整个理论体系的方法。任何公理化体系都是人类认识一个阶段的总结，都不可能是绝对严格、绝对完备的。,32,比如毛泽东在为人民服务一文中有一段著名的论述：“人总是要死的，但死的意义有不同。中国古时候文学家司马迁说过：人固有一死，或重于泰山，或轻于鸿毛。为人民利益而死，就比泰山还重；替法西斯卖力，替剥削人民和压迫人民的人去死，就比鸿毛还轻。张思德同志是为人民利益而死的，他的死是泰山还要重的。”这段话中就包含着一个完整的演绎论证。“为人民利益而死，就比泰山还重”，是普遍性原理，是论据，是“大前提”；“张思德同志是为人民利益而死的”，是已知的判断，是“小前提”；而“他的死是比泰山还重的”则是结论，也是论点。,在柯南道尔的福尔摩斯探案集中，福尔摩斯用的方法之一就是演绎法。,（二）演绎,演绎法的分类,三段论推理法,例子: 物质是永恒不变的 物质是可分的 恐龙是物质 粒子是物质 恐龙是永恒不变的 粒子是可分的,M 所以, S 是 P,a. 充分条件假言推理法逻辑规则：不能否定前件，不能肯定后件（可以肯定前件，否定后件）,如果P，那么q P ， 所以，q,例子： 如果地球上发射的物体速度超过每秒11.2公里，那么它就能摆脱地球的引力；长征3号火箭发射的物体速度超过每秒11.2公里，所以，长征3号火箭发射的物体摆脱了地球的引力（发射成功了）。 如果一个人体温升高，那么他就身体有病；小张的体温没有升高，所以小张身体没有病。（通过否定前件而达到否定后件） 如果是动物，能自己移动身体；猪笼草不能移动身体，所以猪笼草不是动物。,如果P, 那么q 非q 所以，非p,（2）假言推理法,b. 必要条件假言推理法： 逻辑规则：不能肯定前件，不能否定后件（否定前件，肯定后件）例子：只有自觉接受正确哲学指导，科研工作才能取得成就；这个科研小组蔑视正确哲学指导，所以这个科研小组科研工作不能取得成就。只有不畏艰难险阻，才能登上科学高峰；我不畏艰难险阻，所以我能登上科学高峰。（通过肯定前件而达到肯定后件）这块地只有水量合适，小麦才长得好；这块地水量不合适，所以小麦长得不好。,37,归纳和演绎的相互关系： 归纳是演绎的基础，归纳获得的结论可以成为演绎的前提； 演绎是归纳的指导，演绎得出的结论可以成为进一步归纳的事实来源。 恩格斯：“归纳和演绎，正如分析和综合一样，是必然相互依赖着的。人们不应当牺牲一个而把另一个捧到天上去，应当设法把每一个都用到该用的地方，而人们要能够做到这一点，就只有注意它们的相互联系、它们的相互补充。”,38,抽象与具体的方法是辩证思维的高级方法。人们的认识一般总是由感性的具体，经由抽象上升到思维中的具体。因此，掌握抽象和具体的方法，把握辩证思维运动的特点，对于我们更深刻地认识世界，具有十分重要的方法论意义。抽象过程： 完整的抽象过程包括思维运动的两次飞跃“感性的具体抽象的规定思维的具体”,四、从抽象到具体,39,感性的具体抽象的规定思维的具体,感性的具体：人们通过感性的认识而获得的关于事物整体的表象，是整个认识的基础抽象的规定：运用思维的抽象力，把事物分解为各个部分，逐一考察，形成简单的概念和判断思维中的具体：关于事物的各种抽象规定性的有机综合和多样性的统一,40,科学理论的建构,感性的具体是科学事实（如光波现象）抽象的规定是未经综合的概念、经验规律(如开普勒三定律)、科学假说等思维的具体是指经过辩证综合的、完整的理论体系。如牛顿力学。,41,例: 摩擦生热机械能转化为热能 （机械能与电能、电能与化学能等）能量守恒与转化定律光的生动的表象光的波动性、量子性以及光的速度等 光的波粒二象性,感性的具体抽象的规定思维的具体,42,抽象是人类理性思维的一个重要阶段，是形成科学概念的基础。从主体能力的角度来看，抽象是指主体思维能力的一部分，称为“抽象力”。从方法论的角度来看，抽象是作为认识世界的一种方法，也就是把事物的某一属性、关系、方面在思维中单独地抽取出来加以认识的方法。科学的抽象指的是在思维中抽取对象的各种本质属性，而舍弃一切非本质属性的逻辑方法。,43,在科学研究中，我们把科学抽象理解为单纯提取某一特性加以认识的思维活动，科学抽象的直接起点是经验事实，抽象的过程大体是这样的：从解答问题出发，通过对 抽象各种经验事实的比较，分析，排除那些无关紧要的因素，提取研究对象的重要特性(普遍规律与因果关系)加以认识，从而为解答问题提供某种科学定律或一般原理。,伽利略时代，人们还无法用物质手段创设真空环境来从事落体实验。伽利略就依靠思维的抽象力，在思想上撇开空气阻力的因素)设想在纯粹形态下的落体运动，从而得出了自由落体定律，推翻了亚里士多德的错误结论。,44,科学的抽象必须建立在实践的基础之上，并遵循着辩证思维的一般规律进行。具体来说应注意以下几点：第一，要善于从已知中把握未知的东西，敏锐地捕捉到新的不寻常的东西，从看似毫无联系的东西中找出它们的本质联系。第二，在科学抽象的基础上，发现事物之间的共同特点，并从中概括出规律性的东西。第三，高层次的抽象必能演绎出低层次的抽象，而被演绎出来的理论又能为实验所验证。即，通过科学抽象得到的一般性的认识，可以通过演绎推理的形式推出较为具体的结论。,45,认识发展的阶段,感性具体,知性抽象,理性具体,抽象,综合,46,科学抽象过程：充满着飞跃，这一过程除了要运用逻辑思维（主要是辩证思维），还特别需要形象思维和直觉思维的积极参与：既需要“思维的自由创造”，也需要直觉对经验的“共鸣”，是一种“科学研究的艺术”。科学抽象的成果：有科学概念、科学符号、思想模型等形态。广义上还包括科学判断、科学假说和理论等。,47,框架,真实系统,数学模型,科学抽象,映射,48,五、历史和逻辑的统一所谓历史，也就是客观事物本身发展的过程，它包含着两种含义：一是客观事物现实的历史发展过程，是事物在时间和空间上的展开过程，这一过程是现实的、历时态的，如自然史、地质史、宇宙演化史、生物进化史、人类历史等；二是认识的历史发展过程，即人类对客观事物发展过程的认识和把握，如哲学史、物理学史、数学史、化学史等等。历史的方法是通过考察对象的自然进程来揭示其内在必然性和规律性的方法。具有描述性、顺序性的特点。,49,逻辑是指人的思维对客观事物现实的历史发展过程和对人类认识的历史过程的概括反映，逻辑是历史的东西在理论思维中的浓缩和再现，逻辑的东西表现为概念、判断、推理所构成的科学理论体系。逻辑撇开了历史发展的复杂性、多样性、曲折性和偶然性，揭示了客观事物和人的认识历史过程中的本质、必然性和规律性。,50,逻辑的方法具有以下几个特点：第一，形式化。逻辑的方法是由一系列的逻辑定理和规则组成的，这些定理和规则都可以简化为一些由逻辑符号组成的形式系统。逻辑思维和推理过程必须遵循这些规则。第二，可操作性。运用逻辑的方法去证明问题和认识事物，就必须依据逻辑规则进行推理。逻辑的推理过程也就是运用逻辑规则进行推导而获得结论的过程，这是一个逻辑上的操作过程。第三，系统性。逻辑的方法不是一些零碎的个别的方法，而是一个形式化的系统方法。逻辑方法的作用在于：获得新知识、进行预见、论证和证明、辨析正误。,51,逻辑与历史统一的方法是：撇开有关认识对象历史发展的具体细节的描述，而以理论形态从总体上把握认识对象历史发展过程的内在规律性。 恩格斯在论述逻辑与历史统一的方法的实质时指出：“逻辑的研究方式是唯一适用的方式。但是，实际上这种方式无非是历史的研究方式，不过摆脱了历史的形式以及起扰乱作用的偶然性而已。历史从哪里开始，思想进程也应当从哪里开始，而思想进程的进一步发展不过是历史过程在抽象的、理论上前后一贯的形式上的反映；这种反映是经过修正的，然而是按照现实的历史过程本身的规律修正的，这时，每一个要素可以在它完全成熟而具有典范形式的发展点上加以考察。” （马克思恩格斯选集第二卷，人民出版社1972年版，第122页。）,52,逻辑与历史的统一包含着两种形式：一是逻辑与人类认识的发展史是一致的；二是逻辑与现实事物的发展史是一致的。前者是指一门学科的逻辑体系应反映人类对这门学科研究对象的认识发展过程，如热力学体系由三条基本定律组成，这个体系也反映了热力学发展的历史。19世纪40年代的热力学第一定律，50年代发现第二定律，20世纪初又发现第三定律，依次反映了人类对热本质认识的逐步深化。后者是指一门科学的逻辑体系应该体现这门学科研究对象的历史发展线索，例如有机化学理论体系的构建从最简单的脂肪烃化合物开始，到碳氢化合物再到它的衍生物直至生物大分子。,53,热力学第一定律能量不灭原理在热力学范围内的能量守恒定律。热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。普遍的能量转化和守恒定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。热力学的基本定律之一。 热力学第二定律 热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体(不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化，这是按照热传导的方向来表述的)。 不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响(这是从能量消耗的角度说的,它说明第二类永动机是不可能实现的）。 热力学第二定律是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。,热力学第三定律对熵的论述一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是绝热可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是绝热可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。 在绝对零度，任何完美晶体的熵为零；称为热力学第三定律。在统计物理学上，热力学第三定律反映了微观运动的量子化。在实际意义上，第三定律并不像第一、二定律那样明白地告诫人们放弃制造第一种永动机和第二种永动机的意图，而是鼓励人们想方设法尽可能接近绝对零度。,第二节 科学技术研究的创新与批判思维方法,一、思维的收敛性与发散性,（一）收敛思维特性,例如，洗衣机的发明就是如此，首先围绕“洗”这个关键问题，列出各种各样的洗涤方法，如洗衣板搓洗、用刷子刷洗、用棒槌敲打、在河中漂洗、用流水冲洗、用脚踩洗等等，然后再进行收敛思维，对各种洗涤方法进行分析和综合，充分吸收各种方法的优点，结合现有的技术条件，制订出设计方案，然后再不断改进，结果成功了。,（二）发散思维特性,发散思维和收敛思维的优化综合是一切创造性思维的共性特征。创造力较高的人兼有发散思维和收敛思维两种能力。,（三）思维的收敛与发散,二、思维的逻辑性与非逻辑性,（一）创造性思维的特性,创造是科学研究和技术发明最重要的特性之一。 创造性思维的特点是思维方向的求异性、思维结构的灵活性、思维进程的飞跃性、思维效果的整体性、思维表达的新颖性等。 创造性思维特别注重逻辑思维与非逻辑思维的统一、抽象思维与形象思维的辩证统一。,（二）创造性思维的逻辑性,类比推理在科学研究和解决科学技术问题过程中具有启发思路、提供线索、借助于某种规范（范例）而举一反三、触类旁通的作用。,“电子蛙眼”就是研究能跟踪飞虫的非常完善的蛙眼而设计出的能跟踪天上的飞机、卫星的技术仿生系统。科学家还根据苍蝇翅膀后长着叫做楫翅的平衡棒的导航原理，研制成一种小巧的新型导航仪器“振动陀螺仪”，以此保持飞机、火箭飞行的稳定性。,仿生学（模仿鸟类）,人类仿生的行为,昆虫与仿生,开水壶的启示让瓦特发明火车,苍蝇与宇宙飞船,电子蛙眼,（三）创造性思维的非逻辑性,创造性的非逻辑的思维，是指不拘逻辑形式或没有逻辑形式的思维，其形式主要有：联想、想象、隐喻、灵感、直觉与顿悟等等。 在非逻辑思维方面，想象对于科学发现和技术发明的作用很大。直觉和顿悟在创造成果突现方面尤其突出。,（1）想象想象，是对过去存储在大脑中的知识、经验、方法进行重新组合的思维活动，它可以把这种大脑中的知识、方法的暂时思维组合与现存研究对象通过某种形式关联起来，形成新的联想。 爱因斯坦认为，想象力比知识更重要。想象常常触发“灵感”，做出科学发现和技术发明。,（2）直觉,科学史中一个关于直觉的典型例子来自美国著名的女遗传学家麦克林托克。她在大量观察和深思的基础上，凭借直觉得出了玉米籽粒的颜色发生变化的原因:在玉米籽粒发育的过程中，某些基因在染色体上或者染色体间“跳跃”而移动位置，使得控制颜色的基因表达发生了改变。不过麦克林托克无法清晰地说明自己的思维过程，而且也没有相应的实验证据，因此当她1951年首次提出“转座子”这一概念时并未被接受。随着科学研究的进展，1967年第一个有实验证据的转座子在大肠杆菌中被发现了，研究还表明其他物种的基因组中叶存在有转座子。麦克林托克的贡献终于在70年代得到了广泛的承认，并且获得了1983年的诺贝尔奖。,麦克林托克,（二）顿悟,三、移植、交叉与跨学科研究方法,移植和交叉学科与跨学科的研究方法，是创造性思维的两种非常有效的研究方法。 当代科学研究和技术发明变得越来越复杂，进行移植与交叉，通过多学科或跨学科的研究，常常能够获得单一学科研究无法获得的创新成果。 多学科融合或通过跨学科研究问题也是当代科学和技术解决问题的创造性方法。体现了广泛联系和发展的辩证法。,（一）移植方法,（二）学科交叉方法或跨学科方法,1.所谓学科交叉方法，就是两门以上的学科之间在面对同一研究对象时，从不同学科的角度进行对比研究的方法。借鉴其他学科的研究，思考本学科的问题和对象，融合其他学科的研究方法，以达到对研究对象的新认识。 2.所谓跨学科方法就是通过多学科的协作共同解决同一问题的方法，跨学科也是一种多学科融合的方法，也可以称为多维融贯的方法。,第三节 科学技术研究的数学与系统思维方法,系统思维是把事物视为系统来处理的思维方法。系统思维是一种整体性和关联性很强的思维方法。,一、数学方法及其作用,数学方法是所有成熟的数理科学的基本研究方法之一。 数学方法注重抽象、模型化。数学方法包括多种形式，如数学方程方法、数理统计方法、数学建模方法、数学实验方法，等等。,（一）数学方程方法,77,例：一个模型抽象的过程两个物种竞争系统,捕食者y-被捕食者x模型(Lotka-Voltera model)考虑一个由两类动物组成的生态系统,其中一类被另一类所捕食.dx/dt=r1x-pxydy/dt=-r2y+pxy,78,捕食者-被捕食者相互作用的相空间行为是一个极限环行为,x,A(x1,y1),B(x2,y1),C(x2,y2),D(x1,y3),x1,x2,y3,y2,y1,此消彼长;竞争中最好的策略是合作的竞争而不是把对方淘汰出局.,y,据国外媒体报道，数学专家利用从野生动物那里学到的几何方程，已经预测了敌对帮派之间发生暴力冲突的位置，准确度高达将近99%。,（二）数学建模方法,数学建模方法主要表现在数学模型和运用数学模型的量的推演上。例如，伽利略所建立的自由落体定律数学模型S=1/2gt2和牛顿所建立的万有引力定律的数学模型F=Gm1m2/r2,把许多丰富而深刻的科学内容简明完美地表达了出来，这是只用自然语言不易表达的。,（四）数学实验方法,（三）反馈与控制方法,1.反馈与反馈方法,负反馈：是指受控部分发出反馈信息，其方向与控制信息相反，可以抑制或减弱控制部分的活动。比如激素的调节作用。正反馈：是指受控部分发出反馈信息，其方向与控制信息一致，可以促进或加强控制部分的活动。,负反馈的特点可以从“负”字上得到很好的理解，它主要是通过输入、输出之间的差值作用于控制系统的其他部分。这个差值就反映了我们要求的输出和实际的输出之间的差别。控制器的控制策略是不停减小这个差值，以使差值变小。负反馈形成的系统，控制精度高，系统运行稳定。 当人打算要拿桌子上的水杯时，人首先要看到自己的手与杯子之间的距离，然后确定自己手的移动方向，手始向水杯移动。同时人的眼睛不停观察手与杯子的距离（该距离就是输入与输出的差值），而人脑（控制器）的作用就是不停控制手移动，以消除这个差值。直到手拿到杯子为止，整个过程也就结束了。从上面的例子可以看出，由负反馈形成的偏差是人准确完成拿杯子动作的关键。如果这个差值不能得到的话，整个动作也就没有办法完成了。这就是眼睛失明的人不能拿到杯子的缘故。负反馈一般是由测量元件测得输出值后，送入比较元件与输入值进行比较而得到的。,87,反馈调节：在一个系统中，系统本身的某种变化结果，反过来作为调节该系统变化的因素，使系统变化出现新结果的过程，这种调节方式叫做反馈调节。如果新结果跟老结果呈负相关，则为负反馈调节；如果新结果跟老结果呈正相关，则为正反馈调节。 负反馈调节的例子：由下丘脑垂体甲状腺活动产生甲状腺激素的调节。 如果体内甲状腺激素比较少（老结果），而较少的甲状腺激素反过来会促进下丘脑和垂体的活动，使甲状腺激素分泌增多（新结果）。由于新结果跟老结果呈负相关，所以属于负反馈。 如果体内甲状腺激素比较多（老结果），而较多的甲状腺激素反过来会抑制下丘脑和垂体的活动，使甲状腺激素分泌减少（新结果）。由于新结果跟老结果也是呈负相关，所以还属于负反馈。正反馈调节的例子：有一个湖泊受到了污染，鱼类的数量就会因为死亡而减少，鱼类死亡的尸体腐烂，又会进一步加重污染，引起更多的鱼类的死亡。,2.控制与控制方法,（四）信息方法,信息方法是运用信息的观点，把系统的运动过程看作信息传递和转换的过程，通过对信息流程的分析和处理，获得对某一复杂系统运动过程的规律性认识的一种研究方法。 信息方法的优点是不割断系统的联系，通过流经系统结构的信息考察系统的结构和功能，以及变化发展，用联系的、全面的、功能化的观点去综合分析系统运动过程。,三、复杂性思维及其方法,（一）复杂性思维,复杂性科学不仅引发了自然科学界的变革，而且也日益渗透到哲学、人文社会科学领域。英国著名物理学家霍金称“21世纪将是复杂性科学的世纪”。复杂性科学在研究方法论上的突破和创新。在某种意义上，甚至可以说复杂性科学带来的首先是一场方法论或者思维方式的变革。复杂性科学的理论和方法将为人类的发展提供一种新思路、新方法和新途径，具有很好的应用前景。黄欣荣认为尽管复杂性科学流派纷呈、观点多样，但是复杂性科学却具有一些共同的特点可循：(1)它只能通过研究方法来界定，其度量标尺和框架是非还原的研究方法论。(2)它不是一门具体的学科，而是分散在许多学科中，是学科互涉的。(3)它力图打破传统学科之间互不来往的界限，寻找各学科之间的相互联系、相互合作的统一机制。(4)它力图打破从牛顿力学以来一直统治和主宰世界的线性理论，抛弃还原论适用于所用学科的梦想。(5)它要创立新的理论框架体系或范式，应用新的思维模式来理解自然界带给我们的问题。复杂性科学主要包括：早期研究阶段的一般系统论、控制论、人工智能；后期研究阶段的耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变论、混沌理论、分形理论和元胞自动机理论。,（二）复杂性科学方法,复杂性方法着重从如下特性考察事物：,1自组织性：强调事物的自组织演化特性，在对研究对象进行认识与控制时，注意事物的自我发展演化的特性，不过分和直接干预对象的演化。（突变论、耗散论、混沌论）,2多样性：注意从多个侧面认识和把握对象；注意对象的多样性关系；注意事物多样性联系。,3融贯性：把对事物的历史考察和逻辑认知统一起来，把多样性与统一性联系起来，把整体与部分统一起来，进行连贯、系统的认识。,4整体性：首先把事物作为整体考察，力图超越还原论，从事物的整体出发，认识事物的存在、演化的复杂规律与特性。（1+12）,第四节 科学技术活动的方法,一、科学实践的方法,（一）科学观察,科学观察是人们有目的、有计划地感知和描述处于自然状态下的客观事物、获取感性材料的基本手段。,科学观察的基本特点：它是一种有理性目标的感性活动；它是一种有目的、有计划的活动；它是对于自然状态下客体的感知过程，它不干预自然状态下的研究对象。,100,1910年的一天，年轻的德国科学家魏格纳躺在病床上，目光正好落在墙上一幅世界地图上。“奇怪！大西洋两岸大陆轮廓的凹凸，为什么竟如此吻合？”回家以后，魏格纳展开了调查研究。他把一块块陆地都进行了比较分析，又对海岸线的形状进行观察，结果发现，地球上所有的陆地都能连在一起。这时，他脑海里掠过一个惊人的想法：在古石炭纪以前，各大陆曾经是连在一起的完整的海岸线，因为只有这样它们才会有着惊人的吻合。,（二）科学实验,1. 科学实验,是科学研究者依据一定的科研目的，用一定的物质手段（科学仪器和设备），在人为控制或变革客观事物的条件获得科学事实的基本方法。,科学实验中既有观察的内容与任务，也有介入自然对象的可控实践任务。它不仅提供观察资料，它为理论的发展提供基础和导引。实验是科学介入世界的重要手段和工具。,2.科学实验的特性,（三）机遇在科学发现中的意义,106,微波炉给烹饪带来了许多方便，然而鲜为人知的是，微波炉是由美国高级工程师珀西 斯潘塞 “无心插柳柳成荫”意外发明出来的。斯潘塞是电子方面的天才，曾供职于为美军制造雷达设备的国防承包商 雷神公司。1946 年，斯潘塞在麻省理工学院辐射实验室工作时，试图发明一种功能更强大的微波发射磁控管这是一种用于雷达设备的真空管。一天，当他站在一个测试模型前面实验时，他发现自己口袋中发出了咝咝的异样声音，他马上停下实验检查口袋，结果发现口袋中的一根巧克力棒居然融化了。斯潘塞立即意识到可能是磁控管的微波辐射烤化了巧克力，他又将一包玉米粒摆到了测试模型上，结果玉米很快被烤成了爆米花，炸得满屋子乱蹦。斯潘塞意识到这项技术能在烹饪上派上大用场，世界上第一台微波炉就这样诞生了。如今，微波炉已经走进千家万户的厨房，成了急性子和单身一族的必备厨房用具!,科学史上的意外发明,机遇产生的根源：,1）客观根源：自然界本身是偶然性与必然性的对立统一。机遇表现为偶然性，但他背后却隐藏着自然规律的必然性。 2）认识论根源：来源于主体的目的性与客体的复杂性之间的矛盾。,如何捕捉机遇？ “在观察的领域里，机遇只偏爱那种有准备的头脑。” 法国化学家和微生物学奠基人巴斯德,“有准备的头脑”？留心意外事件，对新现象抓住不放，追究到底严谨的态度。 具有敏锐的观察能力和识别能力； 具有诚实的科学态度； 具有娴熟的理论分析能力和观察实验的实际经验。 尼科尔：“机遇只垂青那些懂得怎样追求它的人。”,（四）观察、实验与理论的关系,“观察渗透着理论”,理论帮助选择观察实验对象理论帮助选择测量系统理论帮助处理观察实验结果,科学观察受到观察者理论的影响和支配，不同理论观点的人可能对同一对象形成不同的观察结果。,有伤风化！,真美！,一个残废！,观察之所以渗透着理论，因为：观察不仅是接受信息的过程,也是加工信息的过程,所以必然与观察者的知识背景乃至生活经验、心理定势相联系,不同的观察者对同一过程可能会得出不同的结论。观察陈述是用科学语言表述出来的，而科学语言总与特定的科学理论联系着。,思考：,“是理论决定我们能够观察到的东西”，“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。” 爱因斯坦,（五）科学仪器的作用,1.科学仪器、工具和设备对于科学技术发展有重要的推动作用。,2.丰富了马克思主义科学技术观和方法论的实践观点。,（六）科学实验室与人工自然,实验室不仅仅是科学家的研究空间。科学实验室的实践对于科学研究有如下作用：,第一，建构特定的微观人工世界。科学家通过实验室，构建了一个特定的人工简单化“世界”，从而规避了现象本性所包含的巨量的复杂性。,第二，隔离和突出研究对象。它把外部的任何可能的影响隔离开来，并且把建构现象中的若干要素突出出来。,第三，操纵和介入。建构这样的一个在实践上被隔离开来的微观世界的目的，是为了能够以特定的方式操纵它。科学家有意地引入一个人工微观世界，让事件在实验室里运动。,第四，追踪微观世界。,二、技术活动的方法,技术活动方法：是人类在技术发明等活动过程中所使用的各类方法的总和。通过对人类技术发明等活动的历史与现实的总结，形成了今天马克思主义技术活动方法论。有多种多样的技术活动的方法，其主要核心是研究技术活动的不同阶段、过程和方面，以及如何实现技术活动目标。技术活动的方法主要包括：,1技术构思方法,技术构思是指在技术研究与开发中，对思维中考虑的设计对象进行结构、功能和工艺的构思。,技术构思方法包括经验方法和科学方法。,技术构思的经验方法是在劳动者的直接经验的基础上，以原有技术或产品为基础，渐进的改进技术的方法，包括模仿创新和技术改制两类。,技术构思的科学方法是以科学知识和实践的理论成果为基础，主要有原理推演法、科学实验提升法、模型模拟法、移植法、回采法等。,2技术发明方法,技术发明是创造人工自然物的方法。技术的发明是人类在自然客体的基础上，利用自然物质、能量和信息，创造出来的原本自然没有的人工创造物。,技术发明有许多种方法。目前比较流行的技术发明创造的方法主要有TRIZ方法。这是俄罗斯发明家阿里特舒列尔等人通过对10万份专利研究归纳总结出1200多种技术措施，并提炼出40种基本措施，和53种较有成效的成对措施和成组措施的方法。,3技术试验的方法,技术试验是在应用研究或技术开发中，对技术思想、技术设计、技术成果进行探索、考察、检验的实践活动。,技术试验与科学实验是科学技术领域中两个不同的实践活动。两者既有共性，又有区别。,思考1：怎么拍掌拍的最响？思考2：大家都知道我们国家的载人航天的成就让我们每一个中国人感到骄傲和自豪，那么为什么只有神舟5号、6号、7号、9号、10号、11号真正的载人上天，神舟1、2、3、4、8号又干什么去了呢？一项新产品设计生产出来后，其设计是否合理，性能和质量是否符合要求，都需要通过技术试验来验证，同样的航天火箭发射也一样，我们开始不能保证我们的火箭能载人航天，所以我们分别进行了神舟号到号火箭的发射，这四枚火箭相对神舟号号7号而言都可以说是在进行技术试验。其他技术试验举例：医院青霉素皮试、药品小白鼠实验、汽车性能测试,4技术预测的方法,技术预测指对未来的科学、技术、经济和社会发展进行系统的研究，包括利用已有的理论、方法和技术手段，根据要预测的技术的过去、现在状况，推测和判断该技术发展的趋势或未知状况，确定具有战略性的研究领域，选择对经济和社会利益具有较大贡献的技术群。,技术预测的基本类型有：类比性预测归纳性预测演绎性预测。,技术预测遇到的科学和哲学问题有一些是非常棘手的问题：如事物的发展如若是混沌类型的，如何预测？技术的长期预测是否可能？技术预测与事物的演化方式是怎样的关系？,5技术评估的方法,技