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1、1,科研创新16法,1。创新前的准备：中药铺的抽屉和知识 2。创新链和创新树 3。分类研究法 4。学科交叉法 5。移花接木法 6。四两拨千斤法 7。逆向思维法 8。柳暗花明法 9。天上人间法,2,科研创新方法学的探索,10。傻瓜提问法。 11。大胆假设小心求证法 12。意外机遇法 13。灵感培养法 14。虚拟实验法 15。综合集成法（系统科学的创新）。 16。接近于“无中生有”的原始大创新。,3,科研创新方法学的探索,1。创新前的准备：创新与知识积累中药铺的抽屉和知识框架 创新前的准备：就化学化工专业而言，必须有深厚的理化基础，特别是其中的基本概念必须正确深刻。知识面力求宽广，头脑中和计算机上
2、都要有一个知识框架。要熟悉计算机和计算机语言，善于上网搜索你需要的资料和信息。实验技能要精湛，为学要极为勤奋，要处理好人际关系，团队协作，要永远保持乐观开朗的性格。不迷信前人，敢于大胆創新。这是创新的前提。下面讨论如何创新的方法。,4,2。创新链和创新树,科学研究是接力赛跑，起跑点要在科学研究的前沿，要把前人的有关知识接过来。所以研究生的导师很重要，他把接力赛跑的棒交给你，你就可以在科学研究的前沿起跑。牛顿说：”我是站在巨人的肩膀上，所以能看得远一些”。这是创新和继承的关系。,5,“创新链” 和 “创新树”,科学研究既然是接力赛跑，所以每一项科学创新都有前因后果。把这些前因后果串联起来，就构成
3、一条“创新链”。创新链常有分支，于是构成“创新树”。建立创新树的方法，可以启发你的创新灵感,活跃你的创新思维，特别是在分枝点上，可以思考一下还有什么新路可走？下面以原子发射光谱为例，说明创新树的树苗，树根，树干和分支。,6,原子光谱和分子光谱创新树,（1） 创新树苗： 物体加热到高温可以发光。 （2） 创新树根：1762年德国矿物学家A.S.马格拉夫首次发现钠盐可使酒精灯火焰染成黄色，钾盐可染成紫色。 （3） 创新主树干：1859年G.R.基尔霍夫和R.W.E.本生以本生灯为光源制成第一台用于光谱分析的分光镜。,7,（4） 创新树的大分支：原子光谱分光镜的六大分支：,a 不同的研究对象-元素，
4、分子，凝聚态 b不同的激发手段。 c 不同的分光系统。 d 不同的检测系统。 e 不同的光谱模式：发射，吸收，吸收又发射等 f理论和实验的交错前进。氢原子光谱的研究导致玻尔提出氢原子模型和量子力学，而量子力学的建立大大推动光谱学的发展。,8,（5） 创新树的中分支：例如不同的激发手段可以分为：,a 本生灯光源，就是第一台原子光谱分析仪 b电弧光源：原子紫外及可见光谱。 c激光光源：高分辨紫外及可见光谱。 d阴极射线为光源：彩色电视的显象管。 e高能电子束照射重原子：原子的X-光谱。 f超高能的氪离子束撞击铅靶，产生第118号新元素等。,9,思考不同的光谱模式可以得到：,a 原子发射光谱的逆过程
5、：原子吸收光谱。 b把原子换成分子：分子的紫外及可见吸收光谱。 c把光源改为红外光：就得到红外光谱。 d如改为微波光源：微波谱。 e 微波谱强磁场：到顺磁共振谱.。 f把微波光源改为能量小一千倍的射电短波：核磁共振谱。 g改为X-射线光源：光电子能谱。 h吸收后又发射：拉曼光谱，荧光光谱等。,10,（6） 小分支：每一项中分支为出发点, 又可有许多创新小分支，,例如拉曼光谱，把光源改为激光，就得到激光拉曼光谱；把分光系统由棱镜改为光栅，并加上傅氏变换技术，就得到傅氏变换拉曼光谱；把研究对象改为银电极的电化学过程，就得到表面增强拉曼光谱等。,11,3。分类研究法,例（1） 动植物的宏观分类法-门
6、，纲，目，类，科，亚科等。例（2） 生物的微观分类法-基因分类法。例（3） 萃取机理的分类。例（4）经济模式的分类自由资本主义经济（如美国），欧洲资本主义经济，中国特色社会主义市场经济等。 现代科学发展的大趋势之一是学科越分越细。例如1900年是500门学科，2000年是5000门。100年增加10倍。2100年可能到50000门，2050年到20000门，50年中创建15000门新学科，我们中国人至少创建3000门。你们要有创建3000门新学科的雄心壮志。,12,4。学科交叉法,学科交叉法：不同的学科之间，进行“比较”的研究方法 a“比较语言学”，例如英文的Crisis，中文是“危机”。又如
7、“做学问”一词，通常翻译为Learning，但后者只有学习的意思，没有问的含义。做学问要既学又问，学而不问则殆，问而不学则惘。 b“比较生物学”。 控制论的创建者维纳曾说：“在科学发展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的部门之间被忽视的无人区”。所以学科交叉的无人区是创新的生长点。,13,5。移花接木法 “移花可以接木，杂交可以创新”,科学可分为上，中，下游。数学，物理学是上游，化学是中游，生物，医学，社会科学等是下游。上游科学研究的对象比较简单，但研究的深度很深。下游科学的研究对象比较复杂。“移上游科学之花，可以接下游科学之木”。具有上游科学的深厚基础的科学家，移植到下游科学，往往能
8、取得突破性的成就。 例（1）量子化学是把量子力学移植到化学中来，因而产生的交叉学科。美国理论物理学家科恩(Walter Kohn) 和英国数学家波普尔( John A. Pople)，把量子力学的理论和计算数学的方法移到化学中来，解决了量子化学中的计算难题，获得1998年诺贝尔化学奖。,14,例（2）把数学方法移植到经济学,获 1994诺贝尔经济奖，1950年数学博士，1951-1958年任MIT数学讲师，副教授。1958年因精神分裂症退职。康复后，转而研究经济学。把数学中概率论之花，移到经济学中来，提出预测宏观经济发展趋势的“博弈论”。另外具有理学博士学位获得诺贝尔经济奖的还有：1969奖的
9、廷伯根Jan Tinbergen，1975年奖的库普曼T.C.Koopmans，1983年奖的德布雷G.Debreu，1984年奖的斯通Sir J.R.N.Stone等。,15,例（3）移花接木创新法：仿生学,例如第一架飞机就是模仿蜻蜓制造出来的。 流线型的喷气飞机和高速火车的造型是模仿鱼类的，特别是海豚的皮肤表面有一种可吸收能量的弹性结构，借以消除流体的阻力，使湍流变为平流。,16,例（4）生物学与化学的交叉,产生生物化学，分子生物学，生物物理学，结构生物学等，早已众所周知。现在后基因组时代已经到来，生物学与化学之间又有一个新的交叉学科-蛋白质组学（proteomics）已经形成，第一次蛋白
10、质组学的国际会议已在1997年召开。,17,6。四两拨千斤法,“力的放大”。例如杠杆，齿轮，千斤顶等。把一种已知的方法尽量推广拓展到未知的领域，这就是“创新”。 例（1）电流的放大-三极管的发明可以实现电流的放大，就是用栅极的微弱电流控制阳极和阴极之间的大电流。本世纪的三十和四十年代，是电子管的鼎盛时期。这是重大的技术创新。它曾为无线电，雷达，电子计算机和V型导弹的发明做出了贡献。1944年开始设计，1947年在美国IBM公司，完成了世界上第一台计算机，一共用了18000个电子管，全机总重30吨，运算速度仅333次/秒。,18,例（2）激光器的发明,1948年发明了晶体管，同样可以放大电流，但
11、体积，重量，耗电量均比电子管减少了100-1000倍。1959年又发明集成电路IC=Integrated Circuits，从而产生了微电子学和微电子工业，导致20世纪的信息革命。 例（2）激光器的发明。电流的放大产生了如此重大的影响，于是人们联想到光是不是也能放大呢？1954年 汤斯 G.H.Townes首先实现了微波的受激辐射放大Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，将第一字母连起来称为Maser ，译为微波量子放大器。,19,Laser，译为激光,1960年从事红宝石微波量子放大器研究的年轻人梅曼T.H.M
12、ailman成功地研制出第一台红宝石激光器，实现了光波的受激辐射放大 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，缩写为Laser，译为激光。,20,化学合成的自动组装放大和克隆技术,例（3）化学合成的自动组装放大 例如用K.Ziegler 和 G. Natta催化剂，可使单体自动定向聚合为高分子。又如自组装化学，也是化学发展的方向之一。 例（4）生命的放大-从卵细胞到生命的发育成长，发展成为现代的克隆技术。 例（5）化工生产的放大技术。 从以上这些看来不相关的事物中找出共同的东西-放大的理论和实践。这也是一种科学方法。化学
13、工程中的“相似理论”就是一种放大理论。 在“四两拨千斤法”中，我们说的是“放大”，现在反过来，“缩小”也是一种科学方法。例如具有电流放大和无线电线路功能的器件的体积大幅度缩小，从电子管（三十年代），晶体管（1948），直到集成电路，大规模集成电路，超大规模集成电路。,21,7。逆向思维法,在飞机的设计中，要试验飞机的外型和材料在高速飞行中与空气阻力的关系。这种试验很难在空中飞行时进行。于是创造出“风洞”来模拟飞行。这是一种“反其道而行之 ”的逆向思维方法，即把飞机固定，让高速空气流向飞机，其效果是一样的。这就是在空气动力学和航空技术研究中常用的“风洞”实验室方法。 又如在轮船的设计中，可以做一
14、个缩小的模型，放在一个缩小的水槽中，用各种流速来测定船体阻力的大小。,22,8。柳暗花明法：山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村,例（1） “杂交水稻之父”袁隆平 按照经典遗传学的观点，水稻是自花授粉，不能杂交的。袁隆平在60年代初，发现一株优势非常强的水稻，如获至宝。第二年他把它种下去，希望品种成龙。结果大失所望，结果和上年选的植株完全不同，高的高，矮的矮，生长期长的长，短的短，面目全非，他就非常失望。 就在这个失望之余，他突然产生了震撼，为什么遗传会有这样大的分离呢？只有杂种才会有分离，纯种不会有分离。他于是大胆提出假设：他选的这株是天然杂交稻，推翻了经典遗传学认为水稻不能杂交的结论。当然这只是
15、大胆的初步假设，还有待做艰苦的研究工作，培养出人工杂交水稻来证实。为避免自花授粉，他选择雄性不育植株来受粉，取得了很大成功，使我国水稻由亩产300公斤提高到500公斤，对最重要的农业增产问题，做出了伟大的贡献。他被国际上称为“杂交水稻之父”。继矮杆水稻，杂交水稻之后，袁隆平正在研究第三代超级稻“培矮64S/E32”，经两年试种，均达到亩产800公斤。这是非常了不起的成就。,23,爱因斯坦的光子学说，1905,例（2） 光的本质是什么？是波动还是微粒？这个问题争执了200多年，互有胜负，不得解决，在20世纪初到了“山穷水尽疑无路”的地步。这是因为人们的思想受形式逻辑的限制。形式逻辑回答问题，非此
16、即彼，非彼即此。爱因斯坦跳出了形式逻辑的框框，认为问题的答案可以“亦此亦彼”，于是“柳暗花明又一村”，达到了完美的创新境界。这就是他在1905年提出的光子学说。光子学说是一条非常重要的创新链的源头，由它导致德布罗意提出电子也有波粒二象性，再引出量子力学的波动方程。,24,9。天上人间法,有些物质是天文学家在天上先发现，然后由化学家把天上之花，移植到地球人间的。 例1 1868年天文学家在观察日全蚀时，从日珥的光谱中发现一种未知原子的谱线，命名为“太阳元素(Helium)”。28年后，化学家才从地球大气中把He元素气体分离出来。 例2 天文学家用射电天文望远镜研究分子的转动光谱，发现了几十种星际
17、分子，其中有些是地球上还没有合成的，有一类是直线形的 HCiN分子，其中i1、2、3、4、14、15、16、17、 例如H-CCCCCCCCCCCCCN。 化学家Smally想象宇宙中有闪电，空气中有氮气和氢气，企图用激光或电弧作用于石墨，在地球上来制备这类化合物，却意外地得到C-60，并获得诺贝尔奖。但这类HCiN分子，至今在地球上尚未合成。,25,10。傻瓜提问法,创新的第一步是“提出问题”。年轻人好奇提问往往是创新的开端。 例1三角形的内角之和一定要等于180度吗？ 其实，三角形的内角之和等于180度是平面上的几何学，即欧几里德几何学。人们发现用平面几何学经行大地测量，在范围较大时有偏差
18、。这是因为地球是球面的。在地球上距离较大的三点之间，作三条直线，组成一个三角形，它的三个内角之和大于180度。这就是球面几何学。反之，在凹面上的三角形的内角之和小于180度。由此建立了一门新的学科：非欧几何学。,26,例2 分形理论,例2 空间的维数是不是一定要整数？ 例如说一维、二维 或 三维空间。可不可以有分数的维度？这个看似傻瓜的提问，终于发展成为一门新科学：分形理论。弯弯曲曲的海岸线的维数就在一维和二维之间。,27,11。大胆假设、小心求证法,敢于好高骛远大胆假设，善于实事求是，小心求证。对于你的假设预期，要认真安排实验来小心求证。实验的结果不外四种： 1证明了你的假设，于是进一步去寻
19、求新的实验证明。证明越来越多，假设就能发展成为理论。例如1948年，伽莫夫在爱因斯坦于1917年提出的根据广义相对论对宇宙所作的考查的基础上,以现在的宇宙正在膨胀的观测事实哈勃定律,1929为根据，提出宇宙起源于热大爆炸的假设。这是一个很大胆的假设。这一假设后来得到越来越多的科学观察和理论支持，经过许多科学家的不断改进，发展成为现在的大爆炸宇宙理论。,28,11。大胆假设、小心求证法,2部分否定了你的假设，修改你的假设，使之更为完善。 3全部否定了你的假设，根据新的实验结果，提出新的假设。 4得到完全意外的结果。例如从设计合成一个新化合物的失败，到发现一个新的结构类型。如果你的运气好，可能发现
20、新现象或新效应，但必须有敏锐眼光才能抓住它。所以这四种可能性，在科学上都有收获。尤其是第四种，可能有巨大收获。这第四种方法也可叫做“种豆得瓜法”。,29,建立模型（Modeling）,“建立模型”就是“大胆假设”的方法之一。它是一个非常重要的创新方法，例如： 11857年开库来提出碳原子有四价的假设，1865年又提出苯分子的六角形开库来结构式。2 1874年范霍夫为了说明有机化合物的旋光性,大胆提出碳原子的正四面体模型。 这些模型的提出都是在几十年后才被分子结构的测定完全证实，但它们对有机化学的发展起了不可估量的推动作用。 31913年玻尔提出氢原子结构模型，这一模型后来虽被量子力学模型所替代
21、，但对推动原子结构理论的发展，曾起了很大的作用。,30,12。意外机遇法,1 Fleming 发现青霉素 2 X射线的发现 3 宇宙的微波背景辐射,31,13。灵感培养法,王国维在词话中写到治学的三个境界： 第一境界：“昨夜西风雕碧树，独上高楼，望尽天涯路”，是治学或研究的开始，要找到学科发展的前沿，作为你科研创新的起点。 第二境界：“衣带渐宽终不悔，为伊人消得人憔悴”，科学研究的紧张阶段，遇到困难，不知如何解决才好。 第三境界：“众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”，正在山穷水尽的时候，忽然灵感到来，蓦然回首，伊人（这里指你希望得到的结果，或解决困难的方案和办法）出来了，却在忽明忽
22、暗的灯火阑珊处。,32,三点启发和灵感的培养,（1）开题的重要性。 （2）勤奋是成功的关键。 （3）创新除了勤奋外，还要有一定的“灵感”。现在要问：“灵感”有没有方法来培养？当你在科研中已“进入角色”，“身心投入”后，如果仍然遇到难题，百思不得其解。这时你可以忘掉它，轻松愉快地去做其他的工作，或看电影，或散步，或听音乐，然后好好睡一觉。在睡眠中你的大脑电波4-7赫和电波0.5-3赫就会运转起来，把白天困扰你的问题进行知识的反刍好像牛胃的反刍，酝酿和陈化aging process的慢波处理，早上一觉醒来，往往就忽有所悟。不知你有无这个经验？听说开库勒就是在早上一觉醒来时，悟到苯分子的六角形结构的
23、。,33,培养灵感的秘诀，需要“勤奋”,每个人在什么状态下最富有灵感，各不相同，要你自己去体会。例如Strauss在翠堤春晓中产生作曲的灵感。有的人在学术沙龙喝下午茶时产生灵感，有人在科学讨论会上得到启发，有人在散步或洗淋浴时得到灵感，我自已是早上醒来后忽有所悟？但重要的一条是白天对你的问题，已经过深思熟虑，否则晚上睡眠时，没有足够的“知识”供你反刍，酝酿和陈化，那么早上醒来也不能忽有所悟。所以培养灵感的秘诀，还是需要“勤奋”和上面提到的一些方法的运用。,34,14。虚拟实验法virtual reality,提出一个理论模型，用计算机 虚拟现实，得到希望得到的结果。 1 虚拟大气温度、湿度、气
24、流的未来变化，做出近期和中期的天气预报。 2 计算机辅助设计（Computer-Aided Design = CAD)，例如计算机辅助药物合成设计，计算机辅助功能材料设计等。 3 建立模型，虚拟小浪底水库放水冲洗黄河的泥沙，提供最优化实际放水时间和流量等参数。,35,14。虚拟实验法virtual reality,4 虚拟原子弹爆炸过程，代替实际爆炸实验，为原子弹设计提供基础。 5 北京大学在稀土分离研究中，以串级萃取理论为模型，用计算机模拟“摇漏斗”的实验，获得稀土工艺设计的“一步放大专家系统”，并在全国推广应用，取得了很大的经济效益和社会效益。,36,15。综合集成法:系统科学的创新,系统
25、科学（或称横断科学）是从传统科学中提出带有共性的问题来研究，因而产生的科学。它是最广泛的交叉学科。如果把自然科学，技术科学，社会科学看作科学分类的经线，那么系统科学就是横跨自然科学，技术科学，社会科学的纬线，所以也可称为横断科学。它包括系统论，控制论，信息论，耗散结构理论，非线性科学，协同学，运筹学，混沌理论，分形理论，突变论，超循环论等。下面仅以控制论为例，说明它是怎么发展起来的。我们希望中国的年轻学者，也要有扎实的基础，敏锐的眼光和远见，在下一世纪，去开创和建立新的学科。,37,15。综合集成法:系统科学的创新,控制论(Cybernetics）是把自动调节，通信工程，计算机技术，以及神经生
26、理学和病理学等学科，以数学为纽带联系在一起而形成的新学科。它是1948年美国数学家维纳（N.Wiener)创立的。他在二次世界大战期间，接受了研制防空火力的控制系统的任务，尝试用机器来模拟人脑的功能。 他总结了这些思想，在1948年出版了控制论一书，把控制论定义为“关于机器和生物的通讯和控制的科学”。 钱学森在1954年在美国出版的工程控制论一书，是这个学科的奠基性著作。同年艾什比发表大脑设计，建立了“生物控制论”。 中西文化的交融和互补：例如中西医的结合,38,16。接近于“无中生有”的原始大创新,例如量子力学,第一步是“提出科学问题”。正确敏锐地提出科学问题，本身就是重大的创新。例如191
27、3年玻尔用经典力学加量子化条件，发表了他的氢原子理论后，思想敏锐的年轻人就提出一个科学问题：“经典力学是建筑在物理量可以连续变化的基础上的，它和量子化条件是矛盾的。这是为什么？” 接着1923年德布罗意提出电子和光子一样也有“波粒二象性“。于是又提出一个科学问题：“光子的运动是由Maxwell的电磁波方程来描述的，电子的运动能否也可由类似的波动方程来描述呢？”薛定谔等哥本哈更学派的理论物理家们提出了这两个科学问题，从而导致他在1926年建立量子力学。,39,量子力学的原始大创新,第二步是要有敏锐的直觉和灵感，提出一些前所未有的新概念，并重新审视旧理论中的概念。具体说来，量子力学有三个基本概念：
28、（1）力学量：在经典力学常用的时间，位置，质量，动量，角动量，势能，动能，总能等力学量，在量子力学中也是经常用到的。与经典力学一样，这些力学量被认为是体系的可测性质。在经典力学中，广泛使用微积分来计算这些力学量。但对力学量做微分，要求力学量必须连续变化，而实验已显示许多物理量不是连续变化，而是量子化的。这就要求开创新的方法。（2）由于微观体系具有波粒二象性，所以微观运动的状态要有波函数（或状态函数）来描写。（3）为了使状态函数与可观测的力学量联系起来，量子力学又提出了“算符”概念。,40,量子力学的原始大创新,第三步是要建立新理论的基本方程。既然微观粒子与光子一样具有波粒二象性，它们的基本运动
29、方程也应相似。于是薛定谔把光的Maxwell电磁波方程与德布罗意关系式结合起来，得到量子力学的基本方程，即著名的薛定谔方程。,41,量子力学的原始大创新,第四步是要有深厚的数学基础，从基本方程推导出可以由实验来检验的结果。薛定谔具有深厚的偏微分方程功底，把氢原子的薛定谔方程的繁复的数学解全部求出来，得到与实验符合的结果。 在他的数学处理中，无须添加人为的量子化条件，因为微分方程的解本来就是一个一个分立的。在氢原子解得到以后，有又用于振子的处理，也非常成功。 后用于处理氢分子和其它更复杂的体系，却很难得到精确解。但这不是理论本身的缺点，而是求解偏微分方程的困难。于是又提出变分法等近似处理法。这样
30、量子力学就建立起来了。,42,四。小结我的座右铭,*知识创新都有前因后果，来龙去脉。故而勤奋学习，建立知识框架，积累深厚基础；加上追根到底，万事必问为什么的好奇心，就是创新的源泉。前者是学，后者是问。学而不问则殆，问而不学则惘。学而问，问而思，思而行，行而果，这就是创新。所以创新就是做学问，认真做学问，自然能创新。,43,四。小结我的座右铭,*我的科研理念是：立足基础研究，面向国家目标。 *我的处世原则是牛顿第三定律：作用反作用，推己及人，考虑别人和考虑自己一样多。 *“近交远攻”原则：把团队看作自己的家，与国内兄弟单位互相协作，互相支持；把竞争的目标放在国外，要“人无我有，人有我优”（温总理语）。,44,四。小结我的座右铭,*青少年是祖国的未来，培养学生超越自己，是导师的最大责任，最大成就和最大贡献。只有一代超越一代，中华才能和平腾飞，世界才能和谐发展。人与自然界也要和谐相处，不能过度向自然索取。,45,谢谢！,