科学技术方法论.ppt

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1、1,科学技术方法论,谷晓芸 guxiaoyun_,2,引 言,一、科学技术方法论 1、科学技术方法论 方法就是人们为探索客观世界而采用的手段或行为方式。 方法论是关于方法的理论体系。 科学技术方法论是关于科学技术研究中常用的一般方法的理论体系，是关于科学研究和工程技术研究一般方法的性质、特点、内在联系和变化发展的理论体系。,3,2、科学技术方法的分类 科学技术方法种类繁多。按其适用范围的大小可以区分为三类： （1）、适用于某些学科的特殊研究方法，如光谱分析方法、条件反射方法等； （2）、适用于各门自然科学或技术科学的一般研究方法，如观察实验方法、假说方法等； （3）、适用于自然科学、社会科学、

2、思维科学的普遍研究方法，如矛盾分析方法等。 自然辩证法学科主要研究第二类方法。,4,3、学习科学技术方法论的意义 （1）、可以提供科学认识途径上的启发和借鉴； （2）、可以提供科学技术研究方向上的指导； （3）、可以提高科学素养，增加才干，培养科学鉴赏力； （4）、可以早出成果、多出成果。,5,二、科学研究的一般程序,6,科学技术方法论,教学内容 科学问题与科研选题 科学事实与观察实验 科学思维方法与科学假说,7,科学问题与科研选题,一、科学研究的起点科学问题 (一)科学问题的含义 (二)理解科学问题应注意的问题 (三)科学问题的来源 (四)科学问题的解决 二. 科研选题及步骤 (一)科研选题

3、的含义 (二)科研选题的一般步骤 (三)科研选题的基本原则,8,一、科学研究的起点科学问题,波普尔 理论先于观察 波普尔认为归纳主义的科学始于观察与科学发展实际不符，因为漫无目的的观察并不存在。观察是有目的的选择性的，如1919年爱丁顿观察日蚀，其目的是检验广义相对论。 在观察中必须有理解：如格式塔中的鸭兔实验。 科学始于问题 理论是对大自然的普遍性猜测，大胆猜测。 爱因斯坦 提出一个问题往往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的或实验上的技巧而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看待旧问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。,9,(一)科学问题的含义

4、 科学问题是指一定时代的科学认识主体在当时的知识背景下提出的关于科学认识和实践中需要解决而又未解决的矛盾，它包含一定的求解目标和应答域，但尚无确定答案。 库恩常规科学时期，按照范例，解难题活动，Paradigm,Puzzle solving,Example,10,(二)理解科学问题应注意的问题,1、区别科学问题与无知性问题，科学问题与虚假问题 所谓无知性问题是指对科学背景的无知而提出的问题，这些问题不是产生于对知识的分析。 所谓虚假问题是既不能证实又不能证伪，不能由经验事实回答的问题。这类问题不是科学研究的范畴。 2、科学问题是一定历史时代的产物。 某个问题是否可以称为科学问题，是以整个时代科

5、学发展水平衡量的。 3、科学问题与科学认识主体的“欲求”以及智能状况相联系，自然界或自然物本身并不存在什么“问题”。 4、科学问题的提出并不是孤立的，而是有结构的，它蕴含着问题的指向、研究的目标和求解的应答域。,11,(三)科学问题的来源,1、从科学实践与科学理论的矛盾中产生问题 电子发现与原子不可再分的矛盾；黑体辐射的实验事实与经典物理学的能量连续理论不相容 2、从科学理论内部的矛盾中产生问题 悖论：无穷小悖论、康托悖论；佯谬：麦克斯韦妖佯谬、薛定锷妖佯谬、光度佯谬、引力佯谬 3、从不同理论之间的矛盾中产生问题 光的波动说与微粒说；原子理论；熵增与熵减；日心说/地心说；渐变论/灾变论 4、从

6、寻求经验事实之间的联系和统一解释的需要中产生问题 5、从各个知识领域的空白区产生问题 6、从社会需要与现有生产技术手段不能满足这种需要的矛盾中产生问题,12,(四)科学问题的解决,科学问题的转移 1、试探性的理论或假说被证实时 2、理论或假说被证伪时 3、问题被证明不可解时，引出新问题 4、研究过程出现新的线索和新的机遇，产生新的问题 5、一些被认为已经解决了的问题，被重新提出来而成为新问题,13,二. 科研选题及步骤,(一)科研选题的含义 科研选题是形成、选择和确定所要研究和解决的课题。 科研选题是科学研究的起始步骤，它关系到科学研究的方向、目标和内容，直接影响科研的途径和方法，决定科研成果

7、的水平、价值和发展前途。 因此，提出课题比解决课题更困难更关键。,14,科学问题与科研选题的联系和区别,1、科学问题和科研选题都需要探索研究，这是两者的共同之处，区别在于前者在不违背科学原则的前提下，凭着直觉和想象可以自由发问；而确定的研究课题，是从诸问题中遴选出来的付诸实践的问题，它要具体复杂得多。 2、问题的提出是多方面的、发散式的，但课题的确定则是收敛式的思考问题。 3、二者对科学工作者具有不同的责任感和使命要求。,15,(二)科研选题的一般步骤,1、搜集科技情报 这是科研选题的第一步。对所要研究的问题的产生、现状和发展前景进行详尽的考察，从而充分了解前人的工作及其经验教训，以免重犯他人

8、已指出的错误和重复他人已作过的工作，恰当的确定自己的研究起点。例：DNA双螺旋结构模型的发现 2、课题设计 在搜集科技情报的基础上，对研究材料进行分析、比较，概括出需要研究的课题并提出选题报告。课题设计的水平在很大程度上决定了研究成果的水平。例：链霉素治疗肺结核 3、课题论证 这是选题过程的最后关键环节。实际上就是对课题或方案进行可行性分析。例：美国的登月计划 4、课题确定 这是一个综合评估的过程。课题评估一般采用同行专家评议与管理部门决策相结合的方法。,16,(三)科研选题的基本原则,1、需要性原则 所选定的课题必须着眼于社会实践的需要获科学发展本身的需要。例：杂交水稻 2、创造性原则 所选

9、择的课题要有创新性，它应当是前人所没有解决或没有完全解决而预期能出新成果的科学问题。例：非欧几何的诞生 3、科学性原则 课题要有一定的科学理论和科学事实为依据。“珠子模型” 4、可行性原则 又叫现实可能性原则。指在选定科研课题时必须考虑完成课题的主观和客观条件。 例：爱因斯坦的“统一场论”,17,科学事实与观察试验,一、科学事实 二、关于科学事实发现的几个理论 三、获取科学事实的方法 观察与实验,18,一、科学事实,(一)什么是科学事实 人们通常在两种不同的含义上使用“事实”这个概念。一种是指在时间和空间中客观存在的、被观察到的事件、现象和过程。我们可以把这种含义的“事实”称之为“事实1” （

10、或“客观事实”）。另一种是指用某种语言描述被观察到的客观事件、现象和过程作出的经验陈述或观察判断。我们可以把这种含义的“事实”称之为“事实2” （或“经验事实”）。经验事实一般可分为两类（如图）： “科学事实”这一概念一般是在“经验事实”的意义上使用。但并非是一切观察陈述都是科学事实。 科学事实是指通过观察与实验所获得的经验事实，是经过科学整理和鉴定的确定事实。,19,事实 客体与仪器的表征 如观测仪器上所记录和显示的数字、图像，这类经验事实既与客体的本性有关，也与人所设置的认识条件有关。同一客体在不同仪器上的显示是不同的。 事实 对观察结果的陈述和判断 既与客体的本性、仪器的设置，也与人运用

11、描述事实的概念系统有关。同一事实在不同的概念系统中的描述可以不同。,事实2 （经验事实）,事实1 （客观事实）,事实,20,(二)科学事实的特点,1、个别性 来自于感性活动，是关于个别存在的陈述，如“铀具有放射性”，“水分子由二个氢原子和一个氧原子构成”。 2、可复核性、可重现性 重复实验的压力可以排除错觉和假象，消除谬误 3、精确性、系统性 科学事实比较精确、系统。如迈克尔逊莫雷实验 4、可靠性 科学理论具有变动性，但科学事实尽可能精确、稳定。如第谷的观测资料、加热氧化汞。,21,(三)科学事实在科学认识中的作用,1、科学事实是形成科学概念、科学定律和科学原理，建立科学理论的基础。 黑体辐射

12、、固体比热、光电效应量子理论 贝纳德花样、化学振荡、激光自组织理论 2、科学事实是对科学假说和科学理论进行评价的基本手段。 假说和理论的有效性必须通过与科学事实相比较。 如：元素周期律 3、科学史事能促进科学理论和科学假说的完善和发展。,22,二、关于科学事实发现的几个理论,(一)古典经验主义的“纯观察说” (二)逻辑经验主义的“中性观察说” (三)历史主义的“观察渗透理论” (四)科学事实的发现有赖于科学理论背景的转换 一个重要的方法论思想,23,(一)古典经验主义的“纯观察说”,培根认为，观察是一种纯粹的感官反应活动，它不受任何理论因素的影响，在观察中也应该排除任何理论的影响，纯粹客观地进

13、行观察。 培根在 新工具中认为，人类当务之急是清除扰乱人心的“四种偶像”，使“理智完全得到解放和刷新”。 “种族的偶像”（把人的本性加于自然事物，如目的论） “洞穴的偶像”（人所受教育、社会环境的影响及个人习性形成的偏见） “市场的偶像”（在交往中，语词流行的庸俗用法产生的歪曲） “剧场的偶像”（盲目信仰权威、教条、传统的哲学体系和方法）。 其次是改善人们在科学研究中的手段，采用实验归纳法。 自然的奥秘在实验中往往比在自然发生时更易暴露出来，因此，在获得知识方法，要靠观察和实验，而在整理和发展知识方面，需用归纳法。,24,洛克把观察看成是消极、被动、纯感官的生理反应过程，观察就是人们对客体的感

14、觉过程。他提出了有名的“白板说” 。“如果某人的视网膜上有正常形成的太阳映象，则他就看到了太阳”。 赫胥黎：“你们要象一个小学生那样坐在事实面前，准备放弃一切先入之见，恭恭敬敬地照着大自然指的路走，否则，就将一无所得。” 纯观察说实质上把观察过程等同于纯粹的生理反应过程，即把观察看作类似于摄影机镜头的物理成像状态。,(二)逻辑经验主义的“中性观察说”,逻辑经验主义者卡尔纳普的关于科学知识的“两层语言模型”，集中体现了这一看法。 观察名词 观察语言 观察陈述 “观察语言运用标示可观察属性和关系的语词来描述可观察的事物或事件”，由观察名词（红的、木头、椭圆轨道）和观察陈述（这朵花是红的，这张石蕊试

15、纸浸入此溶液后成红色）组成。它是单称经验命题，反映个别对象的性质。 理论名词 理论语言 理论陈述 理论语言由理论名词（不可观察的，如电子、电荷、夸克、电磁场）和理论陈述（“所有的物体都相互吸引，吸引力的大小与它们的质量成正比，而它们之间的距离平方成反比”）组成。理论语言必须借助一个解释语义的语义规则系统，从观察语言获得其意义。,科学语言,26,逻辑经验主义者相信，观察语言是不受任何理论影响的，因为理论语言的意义依赖于观察语言。 在没有从观察语言中获得经验内容之前，理论语言是没有意义的。 现在我们已经知道，中性观察者忽视了观察主体的理论结构对观察活动的深刻影响。,27,(三)历史主义的“观察渗透

16、理论”,1958年美国科学哲学家汉森在科学发现的模式中认为，持不同的理论观点的人可能会对同一对象形成不同的观察结果。如开普勒和第谷看到的并不是同一个太阳。这是因为： 眼睛从观察对象得到光刺激而形成视网膜印象，这是物理过程，而“看到”是一种观察经验，属于心理过程，它已把外来刺激与过去认识（包括理论和经验）溶为一体。 人们对感觉材料首先的反应，是有意无意地以一种概念模式去套，使它适用于自己过去较为熟悉的材料，从而使各人对同一对象的反应有各种程度的差异。类似于格式塔心理学（完形心理学）。,28,29,30,31,哲学分析：,观察作为一种认识活动，存在着观察主体和观察客体的相互关系。一方面，观察主体影

17、响着观察中主体与客体的一致，即观察主体不是通过视觉器官被动地接受客体的信息刺激，观察主体如何接受，接受那些客体信息及如何整理客体的信息，都受着观察主体中理论结构的影响。（需要说明的是，观察客体本身与观察主体所认识的观察客体的界限。观察客体本身并不会因理论结构的改变而改变，改变的只是观察主体所认识的观察客体。）另一方面，客体是观察主体进行观察活动的对象，观察主体与观察客体的一致是观察的客观要求。这里，客体是第一性的，主体是第二性的。 客观上观察是受理论结构的影响的观察；主观上又要求在观察中排除理论的消极影响，这两者在具体观察认识活动中的结合与相互作用，则体现了真实的观察认识活动的发展过程。,32

18、,(四)科学事实的发现有赖于科学理论背景的转换 一个重要的方法论思想,我们承认观察渗透理论，就必然进一步认识到人们决不能脱离理论背景而抽象的看待科学事实的发现。 氧化说 瑞典药剂师舍勒1773年首先通过分解硝酸盐、氧化物、碳酸盐等制得了氧气。由于坚持燃素说，他认为燃烧是空气中的这种“火气”与燃烧物中所含燃素相结合的过程。 1774年英国化学家普里斯特利独立分解出氧，但命名之为“脱燃素空气”。 拉瓦锡：摆脱燃素说，认为燃烧是可燃物与氧发生化合的反应，于1777年正式提出燃烧的氧化学说。 库恩认为，在哥白尼之后的天文学家，由于理论框架不一样，他们实际上生活在不同的世界里。 视而不见与先入之见。,3

19、3,三、获取科学事实的方法 观察与实验,(一)观察方法 1、观察方法的含义和分类 观察是人们有目的、有计划地通过自己的感官去反映自然状态下事物现象的一种经验方法。 按观察的方式来分，有直接观察和间接观察。 直接观察：凭借感官直接进行的观察 、优点：简单、直接、受客观条件限制少、可随地进行等。 、局限性：感知范围极有限；精度低；观察速度受限：高速或低速变化人无法感知；感官错觉 间接观察：引入仪器,34,2、观察方法的作用,(1)科学观察是获取第一手科学材料的重要手段。 (2)通过观察可以导致科学发现和技术发明，并为科学研究开辟新的道路。 (3)科学观察可以作为检验科学理论的一种手段。,35,3、

20、科学观察应坚持的基本原则,(1)坚持科学观察的客观性原则 排除先人之见的干扰。例：维勒的教训 排除假象和错觉造成的干扰。例：温差错觉 (2)坚持科学观察的全面性原则 避免和克服片面性。 做到观察的系统性 注意观察的条件性。例：王清任的错误 (3)坚持科学观察的典型性原则 例：摩尔根的贡献,36,无论是直接观察还是间接观察，本质上都是自然观察。由于自然观察是在不改变对象的自然状态下进行的观察，这就使得观察对象的许多重要的、隐蔽的、内在的属性无法显示到科学仪器上或者直接呈现到人的感官面前，因而它们就不能为观察者所认识。自然观察只适合用于那些能够重复出现或变化不太急剧的现象和过程，而对于那些事过境迁

21、、转瞬即逝或不能重复的自然现象和过程，则不能单纯使用它。观察的这两个局限性，在实验中得到了克服。,37,二、实验方法,(一)科学实验及其分类 实验是根据科学目的，运用科学仪器和设备等物质手段，人为地控制或模拟所研究的自然现象，以便在有利的条件下进行观察的一种经验方法。 居维叶：“观察者听命于自然界，而实验者则质问自然界，并迫使自然界坦露她的奥秘”。,38,实验的分类,、实验按目的和在整个科学认识中的作用来分，有探索性实验和验证性实验。 、实验按实验中研究对象的质和量来分，有定性实验和定量实验。 、实验按实验手段是否直接作用于被研究的现象或对象来分，有直接实验和模拟实验。,39,直接实验 模拟实

22、验,40,实验规模的发展,作为科学认识的重要手段，真正系统的科学实验是在16世纪开始的。随着生产的发展和科学技术的进步，科学实验的深度、广度以及手段、规模发生了深刻的变化。 一直到19世纪初，当时最卓越的化学家柏齐里乌斯的实验室还在他在厨房，化学与烹饪一起进行；1817年格拉斯哥大学建立第一个供教学用的化学实验室，1824李比希在吉森大学建立另外一个更出名的化学实验室，至此，实验成为科学家训练必要组成部分。到1870年代剑桥卡文迪许物理实验室成立，爱迪生主持芝加哥“发明工厂”，科学实验的规模才有了突变。20世纪，科学实验进一步社会化，由小集团到国家，甚至国际规模。例如美国的曼哈顿计划，耗资23

23、亿美元，而欧洲核子研究中心实验室，集合了欧洲12个国家的人力和资金。 实验设备和技术是衡量科技发展水平的重要指标。,41,(二)实验的特点和作用,1、简化和纯化自然现象 吴健雄检验弱相互作用下宇称不守恒假说实验； 温伯格、格拉肖等对于检验电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统一的假说实验 2、强化和再现自然现象 超导性的发现；模拟原始地球大气层的闪电实验 3、延缓或加速自然过程 大气模拟试验,42,1、简化和纯化自然现象,实验可以利用各种手段，把所研究的对象从复杂的联系中分离出来，排除次要的、偶然的和附属的因素，使事物现象的发展变化以简化的、纯粹状态显现出来。 为检验电磁相互作用、弱相互作用和

24、强相互作用统一的假说，温伯格、格拉肖、萨拉姆等人在美国克利夫兰市以东40公里的一个废弃的盐矿，在地下600米的深处，建造了一个能灌入1万吨纯水的大洞，以寻找质子衰变的闪光，从而验证了三个相互作用的统一性假说。之所以如此，是为了排除宇宙射线和水中其他杂质的干扰，使整个研究工作在纯粹状态下进行。,43,2、强化和再现自然现象,人工控制状态下，可以使被观察现象重复出现，以保证观测资料和数据的准确性。 超高温、超低温、超真空、超强磁场、超导电性。 1953年美国芝加哥大学研究生米勒用甲烷、氨、氢、水汽混合成一种与原始大气相同的气体，放入真空玻璃瓶，对它进入火花放电来模拟原始地球大气层的闪电，结果只用了

25、一星期，便在其中得到了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天门冬氨酸等四种构成蛋白质的重要氨基酸。而这个过程在自然条件下却需要数百万年时间。,3、延缓或加速自然过程 有些自然现象极为短暂，转瞬即逝，如基本粒子的寿命一般为10-1010-8秒，而共振态粒子的寿命仅为10-2410-23秒，而有的极为缓慢，如天体演化。,44,三、观察和实验中的认识论问题,1、科学仪器的认识功能及其局限性问题 (1)科学仪器的认识功能 科学仪器具有延伸人的感觉器官的功能 科学仪器能帮助人们改进认识能力 电子计算机使观察和实验更加智能化 (2)科学仪器认识功能的局限性 科学仪器的间接观察不如直接观察直观 运用仪器观察也可能导致错

26、误的观察结果 运用仪器还可能干扰观察对象,45,2、观察实验中的机遇,科学观察实验是人们在一定的理论指导下认识未知的实践活动，具有明确的目的性、高度的组织性和严密的计划性；另一方面由于人们的观察只能建立在已有的认识基础上，难免具有一定的不确定性、意外性。而这种意外，有时却能导致重大的科学发现。 （1）、机遇 即能够导致发现的机会。 是一种意外和偶然。,46,1839古德义尔橡胶的硫化技术。 1844贝尔电话 1895伦琴X射线。 1899年冯梅林与明可夫斯基：胰脏与糖尿病。 袁隆平：野生稻种/杂交水稻。,47,（2）、机遇性发现的类型,、同向性发现 与原有理论（假说）相一致的发现。如海王星，填

27、补化学元素周期表空格的各种元素的发现，正电子的发现等等 、背向性发现 与原有理论或预言相反的发现。如迈克尔逊莫雷实验，卢瑟福a粒子散射实验。 、异向性发现 与原有理论或假说预言毫不相干的发现，射马得獐。伽伐尼关于生物电的发现，伦琴关于X射线发现，彭齐亚斯的微波背景辐射的发现。,48,（3）、机遇性发现的条件,要有严密观察的良好习惯和较强的洞察力 达尔文观察野鸭和家鸭/ 密立根1910年油滴实验，测量电荷，但他指出有一个电荷为电子电荷的2/3是不是一个夸克？ 要有广博的知识和经验 1609里波斯/伽利略的望远镜 有敏锐的思想，丰富的想象力和判断力 巴斯德“在观察的领域，机遇只偏爱那种有准备的头脑”。 弗莱明青霉素/伦琴/约里奥居里误把中子当成高能r射线 勇于探索、勤于尝试，不局限于传统观念和步骤 詹纳并不是第一个给人种牛痘以预防天花的人，达尔文并不是第一个提出进化论的人；巴斯德也不是第一个提出疾病的细菌学说。哥白尼,49,在科学史上，为什么有人抓住了机遇，有的人与机遇失之交臂，原因复杂，但从认识论上来说有两点需要注意： 第一，在机遇面前，一个科学家采取何种态度，在很大程度上取决于他对偶然性和必然性的理解。 第二，科学认识主体有无及时发现问题的认识能力上的准备。 在观察的领域里，机遇只偏爱那种有准备的头脑。 巴斯德,