科学研究的艺术科学方法论导论.ppt

李建会北京师范大学哲学与社会学学院,科学研究的艺术：科学方法论导论,今天，科学技术日益强大。我们的认识不仅深入到天体和宇宙的层次，而且深入到微观的夸克领域和宏观的复杂性领域以及生命世界领域；在技术上，我们不仅登上了月球，而且通过信息网络技术把世界变成了一个地球村。科学技术是怎样发展起来的，科学技术为什么会变得如此强大？五百多万年的认识史：五百万年人类一直处在旧石器时代，直到一万多年前人类才进入新石器时代，六千多年前进入铜器时代，三千多年前进入铁器时代，二百多年前进入机器时代。,科学出现的时间更短。两千多年前我们才知道杠杆原理和浮力定律，五百多年前我们才知道地球不是宇宙的中心，两百多年前我们才知道燃烧的基本原理，一百多年前我们才知道生命的结构、生物的进化及遗传的奥秘。科学虽然出现得很晚，但科学一经产生，便开始加速发展；科学的加速发展也推动了技术的加速发展。科学技术为什么在古代发展得那么缓慢，在近现代又发展得那么迅速呢？答案就在科学方法。正是科学方法推动了近现代科学的加速发展。,本章要目,科学方法的重要性科学方法论的内容科研选题方法获取科学事实的方法概括科学事实的方法形成和发展科学理论的方法评价科学理论的方法,一、方法的重要性,孔子：“工欲善其事，必先利其器”（磨刀不误砍柴工）；亚里士多德：思维方法最重要。撰写工具论：倡导逻辑方法严密思维的基础。欧几里德：几何原本；,弗朗西斯培根：“跛足而不迷路，能赶过虽健步如飞但误入歧途的人”（The lame man who keeps the right road outstrips the runner who takes a wrong one.Nay,it is obvious that when a man runs the wrong way,the more active and swift he is the further he will go astray.）培根的新工具：倡导实验方法精确经验的基础；,笛卡尔：“方法，对于探求事物真理是绝对必要的。”伽利略：“自然界这本大书是用数学语言写的”。强调实验的重要性。开创实验方法和数学方法相结合；狄德罗：“方法是把我们引向真理的向导，谁都不能不要方法，因为一旦忽略方法，就必然步入歧途。”,俄国生理学家巴甫洛夫说：“科学是随着研究法所获得的成就而前进的。研究法每前进一步，我们就更提高一步，随之在我们面前也就开始了一个充满着种种新鲜事物的，更辽阔的远景。因此，我们头等重要的任务乃是制定研究法。”拉普拉斯：“认识一个天才的研究方法，对科学的进步，甚至对她本人的荣誉，并不比发现本身更少用处。”,贝尔纳：“科学中难能可贵的创造性才华，由于方法的拙劣可能被削弱；而良好的方法则会增长、促进这种才华。”美国著名科学史家萨顿也指出：“在科学领域，方法至为重要。一部科学史，在很大程度上就是一部工具史，这些工具无形的和有形的由一系列人物创造出来，以解决他们所遇到的某些问题。每种工具和方法都是人类智慧的结晶。”皮尔逊：“科学方法是通向整个知识区域的惟一门径。”,总结：科学方法的重要性,科学方法是科学发现的工具，学习和掌握科学方法论有利于优化科研人员的知识结构和思维品质，提高科学研究人员的能力和水平。一些科学家之所以取得重大的成就，与他们运用正确的方法密切相关；科学教育工作者学习和掌握科学方法论，可促进教学质量的提高和全民族科学教育水平整体的发展。一般人学习和掌握科学方法，可以使我们在日常生活和工作中按科学方法办事，提高办事效率和办事的成功率。哲学工作者学习和掌握科学方法有利于坚持科学精神，提高自己哲学的科学性和合理性。,二、科学方法论的内容,科学认识和科学认识系统科学方法的涵义科学方法论科学研究的一般方法及方法的分类,1、科学认识和科学认识系统,科学实证性。能提供具体确定的知识,结论比较明确,可以验证。逻辑的严密性。深刻性。不停留在表面现象上,而力求揭示背后的本质,阐明其内部机理。创造性。实践基础上进行抽象思维,创建理论并指导实践创造出人工客体。科学认识系统主体:具知识经验、方法技能、价值标准和科学实践的特殊性的人。认识中处于主动地位,具有能动性。客体:进入主体认识和实践范围的客观事物。客观存在,认识受客体制约。现实认识系统关系中,作为主体的认识对象而存在,中介：物质性中介科研中所用仪器和工具等；精神性中介包括科研的一般程序,推理规则、语言和符号的运用等。中介即方法。,2、科学方法的含义,方法：“方法”（method）一词源于希腊语“沿着”（）和“道路”（），即meta和hodos的合成，其本意是“沿着某一道路”或“按照某种途径”，后意指达到某目标或做某事的程序或过程。中文“方法”一词最早出现于墨子天志，原为量度方形之法，后转意为知行的办法、门路、次序等。,黑格尔：“在探索的认识中，方法就是工具，是主观方面的某个手段，主观通过这个手段和客体发生关系。”俄哲学词典（1996）：“是达到目的的方式，是按一定方式进行的有次序的活动。”；德哲学和自然科学辞典（1978）：“人的有意识、有目的活动的调节原则所组成的体系；达到业已精确陈述的目的的途径。”方法是：手段、工具、程序、规则、技巧等等。科学方法：科学认识主体把握客体的工具、手段、程序、规则、技巧等等,通过科学认识主体的实践活动而表现出来的。,3、科学方法论,方法论：以方法为研究对象的学问。也就是从认识论的角度总结人类认识世界和改造世界的经验，探讨各种方法的性质和作用以及各种方法之间的相互联系，总结各种方法的规律的理论体系。方法论的不同层次：比较具体的各门科学的特殊研究方法:光谱分析法,条件反射法,同位素示踪法等；各门科学的一般研究方法:观察实验、假说方法、技术预测和评估方法、系统方法、数学方法等；哲学层次上的方法,具有普遍适用性:如归纳方法、演绎方法、矛盾分析方法等。,居于中间层次的科学方法论是科学家和哲学家都感兴趣又都能有所作为的一个领域。科学方法论：是关于科学研究一般方法的性质、特点、内在联系、变化发展的理论体系，是关于获取科学认识的一般程序的系统理论。,4、科学研究的一般方法及方法的分类,科学研究的一般方法主要是指科学家在研究过程中所运用的各种思维方法以及操作工具的总称。科学家的科学研究过程实际上是一个不断地发现和提出科学问题、获取科学事实、整理科学事实、形成科学理论、对科学理论进行检验和评价等的过程，因此，科学研究的一般方法也就包括：发现和提出问题的方法（即选题方法）；获取科学事实的方法（比如观察和实验方法）；概括科学事实方法（比如比较、分类、归纳、抽象，灵感和顿悟等等）；形成和发展科学理论的方法（比如数学方法、假说方法、跨学科方法、系统科学方法）；对理论进行评价的方法（比如判决性实验、逻辑分析）等等。,三、科研选题方法,课题在科学研究中的重要地位如何提出科研课题科研选题的原则,1、课题在科学研究中的地位,科学研究是从科学问题开始的。发现和提出有前景的科学问题是科学研究的一个重要环节。每一个学科领域都有若干没有解决的问题；科学家在科学观察、科学实验和理论推导等科研过程中还可能不断发现新问题。如何发现有价值的问题并对之进行可行性分析，然后确定作为研究课题，是每一个科学工作者所要做的第一件事情。,问题选择得当，可能事半功倍；问题选择不当，可能事倍功半。很多科学家在非常年轻的时候就取得了巨大的科研成就，一个非常重要的方面就是他们选择了有科研价值的切实可行的研究课题。而一些科学家花费了大量的时间精力以及巨额的科研经费，但最后没有什么成果，一个可能的重要原因就是选题不当。事例：居里夫人，德布罗意，沃森、克里克；名师出高徒，原因是什么？科学研究是一个不断提出问题和解决问题的过程。波普尔：P1TTEEP2,爱因斯坦：提出一个问题比解决一个问题更重要。因为解决问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已,而提出新的问题,新的可能性,从新的角度看待旧的问题,却需要有创造性的想象力,而且标志着科学的真正的进步。因此，在整个科学研究活动中，科研选题具有战略的意义。,2、如何提出科学问题,搜集和整理；从新的和意外的观察和实验现象中发现问题；经验归纳和外推；从实验和理论的矛盾中提出问题；从理论自身的矛盾中提出问题；从学科之间的矛盾中提出问题；从对已有的理论、试验或方法的怀疑中提出问题；从争论中发现问题；从研究的空白区发现问题。,3、科研选题的原则,科学性原则价值性原则创造性原则可行性原则总的来说，应当满足：窄、小、精、深、新、特、奇,四、搜集科学事实的方法,文献方法观察方法实验方法,1、文献方法,查阅和鉴别精读和博览研究和构思文献综述,2、观察方法,观察方法及其特征：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。一种感性活动；一种有目的、有计划的活动；对于自然状态下客体的感知和描述。观察的种类：直接观察：通过感官直接考察客体。直观、生动；局限性，如：人的感官的阈值。间接观察：通过仪器(作为中介物)进行的观察。极大地克服了感官的局限。,观察在科学认识过程中的作用是形成新概念、新理论的基础。是对科学假说和科学理论进行评价的基本手段和基本依据。观察的可错性：误观察、未观察如何保证科学观察的客观性客观性原则典型性原则系统全面原则借助于仪器避免先入之见要有正确的理论指导,3、实验方法,定义：人们根据一定的科学研究目的，运用一定的物质手段，在人为控制或变革客观事物的条件下获得科学事实的方法与观察方法的显著区别：实验是在人为控制或变革研究对象的条件下进行的；是有意识、有目的的，研究者的主动性得到了充分的显示。,实验方法的特点可以简化和纯化研究对象，排除各种偶然、次要的因素和外界干扰可以强化研究对象可以使对象的属性或变化过程在人为控制下重复出现可以在模拟的情况下对时过境迁或无法直接对其进行实验的对象进行实验科学实验的作用在实验的基础上可以提出假说的基础实验还可以对假说进行检验,观察实验中的机遇：机遇的两种形态：机遇导致原来的目标的实现；机遇导致改变研究方向如何捕捉机遇：机遇只偏爱那些有准备的头脑；机遇只提供研究的阶梯，能否获得科学突破，还需要艰苦的科学探索。,观察和理论的关系：观察是理论的基础：理论需要观察的支持；观察渗透理论：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，就其是对被观察对象的反映,无疑具有客观性。但观察不可能绝对中立，又没有纯粹的客观性。但是,科学家渗透在观察之中的理论，主要是指经过实践检验过的理论，它反映着客观世界的规律。这与猜想和假说有区别。因此，重视观察渗透理论，与强调观察实验对于科学认识的形成和发展起基础性作用，本质上是一致的。,五、概括科学事实的方法,逻辑思维的方法比较和分类归纳和演绎分析和综合形象思维直觉、灵感、顿悟如何捕捉灵感和顿悟,1、比较和分类,比较是认识对象之间的相同点或相异点的逻辑思维方法。相同对象比较：同中求异不同对象比较：异中求同同异综合比较：求同求异分类：根据比较的结果，把相同的事物分为一类；把不同的食物分成不同的种类。,2、归纳和演绎,科学认识是从个别到一般，又由一般再到个别的过程。通过个别认识一般的主要思维方法是归纳，由一般认识个别的主要思维方法是演绎。归纳：从个别或特殊事物概括出共同本质或一般原理的逻辑思维方法，在逻辑上叫做归纳推理。亚里士多德：简单枚举法和直觉归纳。培根，改进：提出要考虑各种条件和环境的归纳。穆勒，因果关系的归纳五法求同、求异、求同求异共用法、剩余法、共变法。,演绎是从一般原理推论出个别或特殊事物及其结论的过程。演绎主义：科学的基础是公理(天赋、直观、不证自明),公理是所有科学理论的原始前提,由此通过演绎方法可以导出整个科学理论系统。所以,科学的方法就是演绎法。古代开始,欧氏几何就是演绎系统的典范。近代科学,将时空的绝对性看作也是一种显而易见、不证自明的公理。演绎的三段论：大前提，小前提，结论。（凡人皆会死，张三是人，张三也会死。）,3、分析和综合,分析方法：将被研究对象整体分为各部分、方面、因素和层次等,并分别加以考察的认识方法.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？综合方法：将已有的关于研究对象各个部分、方面、因素和层次的认识联系起来，形成对研究对象整体性认识的认识方法。,分析和综合的关系分析是对一定综合体的分析。分析离不开综合。综合以分析为基础，探索研究对象的各个部分、方面、因素和层次之间的相互联系的方式，即结构的机理与功能，由此形成一种新的整体性认识。正如分析离不开综合，综合也离不开分析。辩证的综合不是各个要素的简单加和,它导致关于研究对象的新的知识。因此本质上是一种在分析基础上的创造,也导致科学上的新发现。,4、形象思维,38,在形象地反映客体的具体形状或姿态的感性认识基础上,通过意象、联想和想象来揭示对象的本质及其规律的思维方式.形象思维与逻辑思维的区别,前者是利用意象进行联想和想象,后者是运用概念进行判断和推理.,39,意象：对同类事物形象的一般特征的反映,通过印象、表象这些还处于感性阶段的关于对象的生动形象或“内心图画”。联想:广义指从一事物想到另一事物的思维活动.（非形象联想,形象联想)想象:在联想基础上加工原有意象而创造出新意象的思维活动.在原有意象的基础上,经过联想,加工已有意象以创造出新意象,也要使用形象分析、形象综合等思维方式.仿造想象:模仿引发物,设想出类似的创造物。跳跃想象:引发物诱发下,创造地推测出原理或定律(假说),构想出与引发物不同类的创造物。复合想象:仿造想象和跳跃想象的综合运用。,想象在作出科学发现中具有重要的作用,40,爱因斯坦：想象力比知识更重要,因为知识是有限的，而想象力概括了世界上的一切,推动着进步，而且是知识进化的源泉，严格说，想象力是科学研究中的实在因素。,5、创造性思维：直觉、灵感和顿悟,直觉灵感顿悟如何捕捉灵感和顿悟,治学三境界,三种境界 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。,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。这是第一种境界。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。这是第二种境界。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、成功的欢悦的情景。这是第三种境界,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验证期 创造性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。科学研究要重视理性思维，重视理论升华，重视验证期,六、形成和发展科学理论的方法,数学方法假说方法系统方法、跨学科方法建立科学理论的方法,1、数学方法,什么是数学方法通过建立和研究客观对象的数学模型来解释对象本质特征和变化规律的方法科学数学化的历程：一门科学只有当它成功地运用数学时才是真正的科学案例：进化论与数学；遗传学与数学如何运用数学方法建立数学模型推导和求解解释和预见,2、假说方法,假说及其特点假说是根据已有的事实和理论对新的事实提出试探性的解释的假设特点：科学性，假定性，可变性假说的作用通向科学理论的桥梁激发思维创造性的媒介假说的争鸣有利于科学的发展,如何建立假说：猜测和论证大胆猜测严密论证假说的检验实验检验：需要通过演绎得出若干可以直接验证的推论（预见），然后用实验加以验证。证实和证伪：逻辑实证主义；批判理性主义；范式论；科学研究纲领方法论（精致的证伪主义）假说的发展有些假说经实验检验转化为理论有些假说不断被实验否定，最后被完全推翻有些假说在实践中不断被完善还有一些假说在很长时间内即没有被证实，也没有被否证，假说仍然是假说,三、建立科学理论的方法,公理化方法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。公理化方法产生于数学；但很快就从数学推广到其它科学一个严格的公理化体系需要满足如下条件：无矛盾性（一致性要求），完备性（完整性要求），独立性（简单性要求）哥德尔定理说明，公理化方法有其局限性,逻辑和历史相统一的方法历史是指客观事物的发展过程或人类对它的认识过程；逻辑是指人的思维对客观事物发展规律的概括反映，即历史的东西在理性思维中的再现。可以按逻辑发展程序和自然事物的历史发展进程相一致的原则建立理论。一般来说，经验性比较强的自然科学理论体系采用这种方法：化学的理论体系从元素开始到化合物也可以按逻辑发展程序和人类认识自然历史的过程相一致的原则来建立理论体系。一般说来，数学和数学化的自然科学采取这种方法建立理论体系较多，比如物理学从力学一直到相对论的学科体系。,从抽象上升到具体的方法构成逻辑起点的概念开始时比较简单、抽象的，随着逻辑的展开，概念的规定越来越复杂、具体和丰富，最后把事物的各种联系在思维中完整的复制出来，即把事物作为整体在思维中完整的再现出来，达到思维中的具体。例如，经典电磁理论的体系的建立方法。,七、科学理论的评价方法,科学理论是经过实践检验的系统化的科学知识体系,它是由科学概念、科学原理以及对这些概念、原理的理论论证所组成的体系.其基本知识单元：基本概念:思维基本单位,反映自然事物本质属性的思维形式,构成理论的基石；基本原理或定律:联系基本概念的判断,对所研究对象的基本关系的反映,科学理论赖以建立的基础.由这些概念与原理推演出来的逻辑结论,即各种具体的规律和预见.执行着理论解释和预见的功能.科学理论的评价：在理论竞争中选择更合理、更可靠、更有前途的理论。,科学理论评价的基本标准,同经验事实的一致性：表明理论具真理性和精确性;符合得越好、越广泛,被接受的可能性就越大。内在逻辑完备性：理论具相对独立性和自主性,仅外部证实作为评价标准不充分,许多新理论是先构造理论,列方程,推演出结论,再由实验验证。逻辑简单性：基本概念、定律少,体系逻辑完备性易判定,无矛盾性易实现；规律表述得简单,易检验,重复；理论的基本概念、定律尽量少,意味着包含的经验内容尽可能多,才具广泛应用性；简单性也与追求统一性、追求理论形式的简单、和谐、对称以及数学美有关.理论的预见性：解释已知,更要预见未知;历史表明:一个理论揭示的自然规律越深刻、普遍,预见性就越强;预见现象越多,理论和实践意义越大。,