第五讲科学研究的方法.ppt

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1、摘要幻灯片,第五讲 科学研究的方法1 获取科学事实的方法一、科学观察方法二、科学实验方法三、观察和实验中的认识论问题2 构建科学理论的方法一、逻辑与非逻辑思维方法（一）逻辑思维方法（二）非逻辑思维方法,摘要幻灯片续,二、科学假说与理想实验方法（一）科学假说（二）思想模型与理想实验方法三、系统分析控制方法四、科学理论系统化方法（一）公理化方法（二）历史与逻辑的统一（三）从抽象上升到具体,第五讲 科学研究的方法,科学研究的方法或称科学认识的方法，一般是指科学认识主体在探索自然现象、自然过程及揭示自然规律活动中所应用的方法。依据的标准不同，该方法的表现类型亦有所不同：从科学认识成果产生的整个过程看，

2、科学研究方法包括科学发现方法与科学证明方法；从其成果的层次性分析，又有获取科学事实与构建、检验和评价科学理论的方法之别。并且它们相互区别、相互联系性称有机统一的方法整体。,1 获取科学事实的方法,获取科学事实或感性材料的方法，同时也是检验和评价理论的最主要和最重要标准。这包括科学观察、测量，以及科学实验等等。,一、科学观察方法,（参见古祖雪.自然辩证法原理M.长沙:湖南科学技术出版社,1995.9,171177.张功耀.科学技术哲学教程M.长沙:中南大学出版社,2001.4,6667,251253.）科学观察方法是科学认识论与方法论的重要内容之一，是认识主体获取科学事实的主要工具，也是进一步构

3、建科学理论的基础。,1、科学观察方法概念,所谓科学观察方法指的是主体在一定理论指导下，通过感觉器官或借助科学仪器，有目的、有计划地考察和描述自然发生的自然现象，即感知客观事物，获取科学事实这一感性材料的一种科学研究方法。,2、科学观察方法的特征,（1）它是主体有目的、有计划的认识活动；（2）是在自然发生的条件下进行科学研究的一种方法；（3）客观性与主观性的统一。,3、科学观察方法的类型,（1）从主体与被观察对象的关系疏远程度看，可将其分为直接(肉眼)与间接(仪器)观察方法；（2）依据观察结果的陈述特征分为定性与定量观察方法；（3）根据其目的不同包括记录性(获取感性材料)与检验性(将结果与已有标

4、准对照)观察方法；（4）根据其是否与实验结合分为自然与实验观察方法。,4、科学观察方法的基本原则,（1）客观性原则；（2）系统性原则；（3）典型性原则。,5、科学观察方法的功能,（1）是科学认识的源泉；（2）是检验科学认识真理性的标准；（3）当研究对象的性质使主体暂时难以达到实际作用于研究对象时，即主体尚不能干预和控制对象时，观察就比实验成为更主要的方法。,二、科学实验方法,实验方法与观察方法都是科学认识主体作用于客体的基本方法。二者既相互区别，又相互依存：后者是前者的前提，前者是后者的发展。在现代科学认识过程中二者关系更加密不可分，而在主体对超宇观、宇观、微观以及超微观世界的探索中尤其如此。

5、,1、科学实验方法概念,此指主体根据一定研究目的，利用科学仪器和设备，人为地干预、控制或模拟自然现象和过程，并以纯粹、典型形式表现出来，从而有利于研究的科学方法。,2、实验方法的特点,（1）可以简化、纯化实验对象。如为证实李政道、杨振宁提出的“弱相互作用下宇称不守恒”假说，吴健雄于195657年所进行的Co原子核衰变实验。（2）可强化研究对象(创造在自然条件难以出现的环境条件,如超高低温度、压力、磁场等)。如1911年卡曼林-昂尼斯发现“超导”现象实验。（3）可使对象属性及其变化过程重复出现。（4）可模拟某些自然现象和过程。如1953年米勒模拟原始还原性大气条件下氨基酸产生过程实验。,3、实验

6、方法的类型,根据实验目的、性质、作用包括如下类型：定性与定量实验；析因(探求因果联系)实验；对照实验(常用于生物,医学,农业科学等)；判决性实验(为判决同时并存且相互对立的假说之间孰是孰非所进行的实验);模拟(数学物理模型)实验；此外依据其手段、条件不同可分为直接与间接、实验室与野外、地面与空间、实物与思想或理想实验等；依据对象运动形式不同有物理、化学、生物、心理实验等。,4、实验的一般程序,制定实验方案实施操作结果的分析与处理,三、观察和实验中的认识论问题,科学观察和实验中主要包括“观察渗透理论”、测量问题、观察的客观性以及观察实验中的机遇等认识论问题。,1、“观察渗透理论”,（1）观察由感

7、知、判定和观察陈述三个要素所构成，三者缺一不可；（2）观察对象与理论或先行假设所启示的期待及观察者所受训练密切相关；（3）对观察对象的描述依赖于理论、观察者知识背景及其经验；（4）观察对象和观察场合的选择深受理论、观察者知识结构、心理倾向（兴趣爱好等）影响。Einstein认为，“是理论决定我们能够观察到的东西。只有理论即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”。,2、测量问题,即在宇观和微观领域测量中因主体(实验者)、工具(测量系统)与客体(实验对象)之间相互作用而产生的测量结果或信息是否真实的问题。测量系统即主体根据实验设计而选择的仪器、设备和测量手段等组成的系统，它既是主

8、体的延伸又是主客体间的中介；兼具主客体双重属性；其功能是将客体信息“编码”并传递给主体。随着其精确度、分辨率等性能的提高，它能(近似)真实地表征宏观客体的状况。但微观客体的特殊性容易导致测量信息的失真。如海森伯测不准原理等。,3、观察的客观性问题,此指由仪器等工具的介入所导致观察结果是否客观真实的问题。仪器表征着理论、假说，而理论可能被推翻、假说可能被证伪。因而应要求从以下几方面入手以增强并保证观察的客观性。（1）结果可以标准方法重演；（2）以科学理论为指导；（3）确保观察实验的高精密度。,4、观察实验中的机遇问题,观察实验的目的性和计划性是获取科学事实的必然性一面；由观察实验中意想不到的突发

9、情况或偶然事件所导致的重大科学发现和突破，即机遇或运气则是其中的另一面。但“机遇总是偏爱由准备的头脑”，即偶然中蕴涵着必然。科学史上这类事例不胜枚举。如1895年伦琴发现X射线；1896年贝克勒尔发现铀的天然放射性；吴健雄证实弱相互作用下宇称不守恒等。其中塞夫斯特穆以风趣笔调形容其1830年发现钒：“在宇宙极光处住着一位漂亮可爱的女神。一天有人敲响了她的门，女神懒得动，等着第二次敲门，谁知这位来宾一敲过后就走了。她急忙打开窗子张望，是谁家的冒失鬼呀？她自言自语说，啊，一定是维勒！如果他再敲一下不就见到女神了吗？过了几天又有人来敲门，一次敲不开，继续敲下去，女神开了门，是塞夫斯特穆，他们相晤了，

10、钒便应运而生了”。,2 构建科学理论的方法,依据性质、特点等不同，构建科学理论的方法主要包括：逻辑与非逻辑思维、科学假说与理想实验、系统分析控制与理论系统化方法等等类型。,一、逻辑与非逻辑思维方法,逻辑思维方法，是指主体在科学认识过程中借助于概念、判断、推理等思维形式，遵循一定逻辑规则而揭示事物本质或规律的理论思维或抽象思维方法，是最普遍、最基本的科学思维方法。非逻辑思维方法是指不受固定逻辑规则等制约的间断与跳跃式、突发与创造性的思维方式。,（一）逻辑思维方法,从历史发展看，逻辑思维方法经历了从形式逻辑到辩证逻辑、数理逻辑、模态逻辑等几个阶段的表现形式。其具体类型主要包括：类比、归纳、演绎、分

11、析、综合等。其在科学认识论和方法论都有极重要的地位和作用。,1、逻辑思维形式,形式逻辑和辩证逻辑式两种最主要的逻辑思维形式。系统的形式逻辑由亚里士多德首创，由培根、穆勒发展归纳法，由笛卡儿等发展演绎法，至19世纪发展出其现代形式数理逻辑或符号逻辑。辩证逻辑由黑格尔创立，经马恩列等得到发展。,2、逻辑思维方法类型及其特点,作为整理加工科学事实的基本方法，逻辑思维方法的特点通过其各类型方法特点体现出来。(1)类比法:由某些相似或相同推出其他方面的相似；(2)归纳法:由个别到一般；(3)演绎法:由一般到个别；(4)分析法:将整体分解成部分、方面、特性和因素；(5)综合法:将各部分、各因素有机联系成一

12、整体考察其本质规律。,3、逻辑思维方法的功能,逻辑思维也是一类创造性思维形式，它具有以下基本功能：（1）是扩大已有知识、获得新知的工具；（2）因规则严密确切而成为判断依据，并为科学知识的合理性立功逻辑证明；（3）是预见科学事实，提出和检验假说的工具；（4）既是使认识由现象到本质，并通向科学发现的重要条件，又是建构科学理论体系的重要工具。,（二）非逻辑思维方法,因具有间断性、跳跃性，或突发性、突变性和突破性等特点，该类方法主要包括：由意象、联想、想象等组成的形象思维，由直觉判断、灵感等组成的直觉思维，以及由发散性或发散式、聚敛式等构成的创造性思维方法。它们在科学认识过程中同样具有不可忽视的重要的

13、方法论作用。,1、形象思维方法,此指在形象地反映客体具体形状或姿态的感性认识基础上，主体通过意象、联想和想象等方式以揭示对象本质和规律的思维形式。与逻辑思维的抽象性相比，它具有形象性、意象性(经形象地分析综合把握事物形象的一般特征)等特征；并具有直观形象揭示对象本质规律、极度简化，以及纯化对象和意象性地创造对象(人工自然物等)等功能。其具体表现形式如下：,（1）联想,广义的联想系指由一失去想到另一事物的思维活动。它包括属于感性认识范畴的由知觉形象触发的印象联想，以及属于理性认识范畴的意象和概念的联想。后者又有形象与非形象之分。形象联想是从一个意象想到另一个意象的思维活动，非形象联想则指概念联想

14、。形象联想具有如下特点：通过反映意象间关系以把握其内容；是对意象有所断定的思维形式；通过类比揭示意象间差别、相似或接近。,（2）想象,想象是指主体在某些科学事实和已知知识基础上，让思维自由神驰，对头脑中的各种观念或思维元素进行整理、加工、改造和组合，从而领悟事物本质和规律的过程。其功能是使主体在没有逻辑思维所必需的充分的知识的情况下采取决定和得出结论，从已知对象联想到未知对象，从而构思出未知对象的鲜明形象。如Albert Einstein在创立狭义相对论过程中想象过人以光速运行；在创建广义相对论时设想光线穿过升降机发生弯曲。Thomason、Niels Bohr根据实验事实，运用想象建立了各种

15、原子模型。,2、直觉思维方法,直觉思维方法是指不受某种固定逻辑规则约束而直接领悟事物本质的思维形式。这种直接领悟事物本质的思维能力亦称直觉力或思维洞察力。这种思维形式具有（间断与跳跃的）非逻辑性、突发性和独创性等基本特征；而且具有寻找事物联系、优选和预见事实，以及构建科学理论的功能。其主要类型包括直觉判断(最基本形式)、想象和灵感。其具体内容如下：,（1）直觉判断,此指对客观事物及其相互关系的一种迅捷的识别、敏锐的觉察、直接的理解和综合的判断。由此所形成的能力即思维的洞察力。直觉判断不是按部就班的逻辑推理，而是从整体上直接把握客体。如美国化学家鲍林正是运用量子力学等知识，在对大量事实总和的思索

16、中，借助于直觉创立了关于化学键的共振论，“我怀着一种好奇心一种直觉，感到可以用化学键来解释物质的性质。”此外，如Einstein创立狭义相对论等。,（2）灵感,这是指主体对于曾经反复进行探索而尚未解决的问题，由于受到某种偶然因素的激发而产生顿悟，从而使问题得以解决的思维过程。在科学(与文学艺术相通处)史上，许多伟大的科学家在作出杰出科学发现时，都曾冥思苦想、穷竭智力和心力反而未得，却在不经意间灵光乍闪而实现质的飞跃。如在创立狭义相对论时，Einstein曾深受难以解决间断的质点(Newton)力学与连续的电磁场(Maxwell)理论之间矛盾的困惑，虽冥思苦想而未得，但突然灵感显现，领悟到“同时

17、性的相对性”问题。在短短的5-6周内就完成了科学史上的不朽篇章“论动体的电动力学”(1905年9月发表于物理学杂志)。,2、创造性思维方法,从广义上看，形象思维与直觉思维方法同样隶属于创造性思维方法。以上区分只是为了便于理解和把握其各自的本质和作用。其他创造性思维方法主要包括逆向思维法、综摄法、移植法、试错法、强制联想法、偶然联想链法、智力激励法、发散与聚敛思维法等等。具体参见：(1)杨斌.软科学大辞典M.北京:中国社会科学出版社,1991.4,343,347,349,352,355,406,416.(2)张功耀.科学技术哲学教程M.长沙:中南大学出版社,2001.4,308333.(第十章)

18、,二、科学假说与理想实验方法,尽管科学假说与理想实验是两种性质截然不同的思维方法，然而二者之间又有着较为密切的联系：其目的和作用都是为构建科学理论服务；在未经科学事实证实之前都仅仅是一种猜想或假设。,（一）科学假说,其内容主要包括科学假说的特征与作用、评价与选择，以及科学假说的命运等。详细内容请具体参见：张功耀.科学技术哲学教程M.长沙:中南大学出版社,2001.4,286293(第九章第七节).,（二）思想模型与理想实验方法,思想模型与理想实验，是主体在科学认识活动中建构科学理论较常使用的方法，并具有特别重要的意义。,1、思想模型,此指主体未从事科研而建立的对原型高度抽象化了的思想客体和思想

19、事物。如原子模型、层子模型、DNA双螺旋结构模型、弯曲时空模型、板快构造模型、大气环流模型等。广义的还包括数学模型。理想模型是其特殊类型。它是将对象本质属性和基本过程以最纯粹形式甚至以某种极限状态呈现出来，即经科学抽象的产物，是逻辑与非逻辑方法综合运用即创造性思维的结果。其具有流动性、互补性和条件性等特征。它具有解释、判据和预见功能。,2、理想实验方法,理想实验是主体运用理想模型在思想中塑造理想过程，并进行严密逻辑推理的一种思维方法。它是进行思想操作的理想模型法，是一种假想的实验方法。其建立必须以科学事实为基础，并充分发挥三类思维方法的综合功能。如Galileo关于惯性运动的理想实验；Eins

20、tein相对论中的同时性的相对性、惯性质量和引力质量的等效性等理想实验等，它们都具有解释、判据和预见功能。,三、系统分析控制方法,详细内容参见：张功耀.科学技术哲学教程M.长沙:中南大学出版社,2001.4,276285.即第九章第六节的内容。,四、科学理论系统化方法,详细内容参见：张功耀.科学技术哲学教程M.长沙:中南大学出版社,2001.4,286307.即第九章第九节的内容。,（一）公理化方法,详细内容参见：张功耀.科学技术哲学教程M.长沙:中南大学出版社,2001.4,298301.即第九章第九节第一部分的内容。,（二）历史与逻辑的统一,详细内容参见：张功耀.科学技术哲学教程M.长沙:中南大学出版社,2001.4,298301.即第九章第九节第二部分的内容。,（三）从抽象上升到具体,详细内容参见：张功耀.科学技术哲学教程M.长沙:中南大学出版社,2001.4,298301.即第九章第九节第三部分的内容。,