第7课科学技术活动的方法

第7课科学技术活动的方法•一、科学认识的形成与方法•二、科学理论的创立与评价•三、技术思维与技术活动方法一、科学认识的形成与方法•1、科学问题如何提出？•科学研究的起点：提出科学问题•现代神经心理学：在人的大脑中有一个驱动人们提出问题并进行探索的系统，即乳状体（mammillarybodies）、海马体（hippocamps）和林麦克（limic）系统。•科学问题是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科学实践中需要解决而未解决的矛盾。•爱因斯坦指出：“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能而已，而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看待旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”•例子——•法国数学家帕斯卡观察到气压计的水银柱随着海拔高度的升高而下降，便提出为什么水银柱离海平面越高它越下降的问题，从而引导到大气压力的发现。•科学问题的主要来源——（1）从新经验事实的解释中提出；（2）从科技的空白区和结合部中提出；（3）从新事实与旧理论的冲突中提出；（4）从相互并存的多种假说中提出；（5）从科学理论内部的逻辑矛盾中提出；（6）从不同学科理论观点之间的矛盾中提出；（7）从追求理论的普适性和逻辑简单性中提出；（8）从证实假说或事实的可靠性中提出；（9）从某一学科的概念、理论和方法向其他领域移植中提出；（10）从科学理论和方法的推广和应用中提出；（11）从社会需要与生产实践中提出。•科学问题：常规问题和反常问题、事实问题和理论问题——•常规问题是在常规科学时期提出的有待解决的疑难问题，与现有科学理论的基本概念和基本原理不发生根本性的冲突。可作为事实问题和理论问题处理。•反常问题是在科学革命时期提出的、已有理论无法解决的疑难问题，它是拒斥原有科学理论的框架而提出的，与现有科学理论的基本概念和基本原理有明显不同或尖锐对立。•反常问题的解决意味着一场科学理论革命。•科学问题的转换——•常规问题与反常问题之间的转换，事实问题与理论问题之间的转换。•科学问题的逆向转换、互补转换、发散转换、立体转换等。•“如何使贱金属变成贵金属？”“能使贱金属变成贵金属吗？”•“光是波还是粒子？”“光不能既是波又是粒子吗？”•“脚气病是由哪些细菌引起的？”“为什么食用精白米的人容易得脚气病？”•科研选题在科研中的作用——•科研选题是形成、选择和确定科研课题的全过程。它是科学研究过程中的决定性环节。•（1）定向作用；•（2）制约作用；•（3）关键性作用；•（4）培养思维能力和独立工作能力；•（5）它是科技管理工作中一个决策过程。科研选题的基本原则•（1）创新性原则•要求课题具有超前性、新颖性和突破性。•（2）科学性原则•选题要有科学事实根据和科学理论根据。•（3）可能性原则•选题必须根据主客观条件来确定。•（4）需要性原则•根据社会实践的需要和科技自身发展的需要来选择课题。•2、科学事实的获取方法——科学观察、科学实验•科学观察是通过感觉器官或借助于科学仪器，有目的、有计划地感知和描述客观对象，以获取科学事实的一种科学认识方法。•科学观察的基本原则•（1）客观性原则：首要原则•（2）全面性原则•（3）典型性原则•（4）辩证性原则•科学实验是根据研究目的，利用科学仪器等手段，人为地控制、模拟或变革研究对象，以获取科学事实的一种研究方法。•科学实验的基本要素：实验者、实验手段和实验对象。•科学实验的基本要求——•（1）确定误差范围，区分系统误差和偶然误差，并加以适当处理。•（2）实验结果可重复。•（3）有理论思维指导。•（4）遵循客观性、全面性、辩证性、目的性等原则。•科学实验的一般步骤——•（1）实验的构思和设计：确定实验目的、实验原理，选择实验材料，选择或研制适用的仪器设备，选择实验的类型等。•（2）实验的实施：完成实验操作的各个环节，记录所有的反应、表现和数据。•（3）实验结果的分析整理和理论解释：确定所获得的经验事实。•科学仪器的作用：•讨论题：•科学观察实验与理论的关系如何？双向相互作用•“观察渗透理论”•科学观察实验中的机遇——•机遇是指出乎人们意料的新现象、新情况。•科学机遇：观察实验者在期待A现象出现时，却意外地发现了B现象；或在采取某种操作或措施后，却得到了意想不到的结果。•这个意外的B现象比期待中的那个一般只具有确认意义的A现象更有价值、更有意义。•机遇的特点：意外性、偶然性。•机遇的作用：先导作用、线索作用；对科学发展起加速或延缓作用。•例子——•德国的伦琴在实验室里偶然观察到密封得很好的照片底片被感光，从而提出了是什么射线引起底片感光的问题，最后发现了X射线。•在伦琴发现X射线之前，美国费城的古德斯和英国的克鲁克斯都观察到密封底片被感光的现象。•可以说，他们是最早拍摄到X光照片的人，但他们都没有进一步去探究下去。•捕捉机遇的条件和能力——•（1）必须具有留心机遇、重视机遇、随时准备捕捉机遇的强烈意识和穷追不舍的精神。•（2）要有丰富的专门知识、合理的智能结构和长期的实践经验的储备。•（3）要有敏锐的观察能力和高度的判断能力。•（4）要善于独立思考，富于想象，勇于摆脱已有的观念和成见、偏见的束缚。•3、科学假说的形成•恩格斯：只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。•科学研究从科学问题出发，以科学事实为基础，经过对科学事实的整理、加工和概括，就会产生科学假说。•科学假说经过实践的检验，就上升为科学理论。•科学假说的形成和科学理论的建立，以及二者之间的相互转化和促进，有力地推进科学的发展。•科学假说是根据已知的科学事实和科学理论，对所研究的自然现象及其规律性所作的推测性的说明和假定性的理论解释。•科学假说具有以下特征：•（1）科学性•（2）假定性•（3）易变性•经验定律型假说与原理定律型假说•科学假说在科研中的作用——•（1）科学假说是通向科学理论的桥梁；•（2）科学假说能够发挥思维的能动性和创造性；•（3）科学假说具有导向作用；•（4）不同假说的争论有利于推动学术的繁荣。•科学假说形成的基本条件——•（1）可解释性：假说要尽可能解释已有的科学事实；•（2）一致对应性：假说不应与原有理论中经过检验的真理部分相矛盾；•（3）逻辑简单性：假说应具有逻上的简单性，在假说体系中所包含的彼此独立的假设或公理最少。•（4）可预测性、检验性：假说原则上应能在观察、实验等实践基础上加以检验，从而判定其是否具有真理性。•科学假说只是科学理论的可能方案，科学假说向科学理论的转化是一个复杂的认识过程。•科学假说向科学理论转化的基本条件是看其能否经受得住科学实践的检验。二、科学理论的创立与评价•科学理论是经过科学实践检验的系统化的科学知识体系。•它反映了事物的本质和规律，能对已知事实做出解释，对未知事实做出预见。•科学理论特征：客观真理性、普遍性、系统性和逻辑性。•科学理论的基本要素（逻辑结构）：•（1）基本概念（逻辑出发点）•（2）基本原理或定律（判断）•（3）科学推论（逻辑结论）•科学理论的核心内容与辅助内容•科学理论的发展形式：•①理论的常规发展（量变）：修补理论的辅助内容。•②理论的创新（质变）：旧理论被新理论所代替。•爱因斯坦：物理学理论可区分为构造性理论和原理性理论。•构造性理论是“从比较简单的形式体系出发，并以此为材料，对比较复杂的现象构造出一幅图像”，如气体分子运动就是这样。•原理性理论“使用的是分析方法，而不是综合方法。形成它们的基础和出发点的要素不是假说构造出来的，而是在经验这里发现到的，它们是自然过程的普遍特征，即原理，这些原理给出了各个过程或者它们的理论表述所必须满足的数学形式的判据”，如热力学和相对论就是如此。•科学理论形成的两种基本模式——•归纳模式：在观察、实验的基础上得到一些单称命题，然后运用归纳方法推导出理论的全称命题。（通过归纳模式形成科学理论）•科学理论的形成不能完全从科学事实开始。•假说—演绎模式：首先构想一种假说或理论，再通过科学事实对其进行检验。（通过假说—演绎模式获得科学理论）•科学的发现是在经验的基础上由科学家提出试探性的假设而开始。•自然科学就是沿着“经验事实——理论——新经验事实——新理论‥‥‥”的道路不断发展的。•假说——演绎模式实际上是利用公理化方法建立科学理论的。•爱因斯坦的狭义相对论——•根据从科学事实中抽象形成的两条基本假定：相对性原理和光速不变原理，推演出时间具有相对性、质速关系、质能关系以及“钟慢尺缩”等科学推论。•时间的相对性：不存在与惯性系关系的绝对的时间，在一个惯性系中同时发生的两个时间，在另一个相对前一个惯性系运动的惯性系中可以不同时发生。建立科学理论的公理化方法•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，推导出一系列命题和定理，从而建立一个完整的逻辑体系的方法。•其目的是把一门学科建立为一个演绎理论体系。•古希腊欧几里得《几何原本》的几何学体系是最早运用公理化方法建立的理论体系。•构建公理化体系的条件：无矛盾性、完备性和独立性。公理化方法在科研中的作用和局限性•①公理化方法是概括和整理已有的科学知识，建立和发展科学理论体系的有效手段；•②公理化方法是在理论上探索事物发展的逻辑规律，做出新的发现和预言的重要方法；•③公理化方法为人工智能的开发和利用创造了有利条件。•但公理化体系的完备性和无矛盾性在本体系内无法证明；•公理化体系的真理性程度有赖于其它科学理论或实践的证实和检验。•科学理论的评价：主体对理论的一种主观评判——•（1）科学理论的评价：对理论的真理性和价值性的评价。•（2）理论评价的标准与评价的复杂性•理论与经验事实是否一致；•理论的逻辑评价（相容性、自洽性、简单性）；•理论的预见性。•科学理论的实践检验：确证、否证、判决性检验。•爱因斯坦1946年提出评价科学理论的两个标准：•一是理论不应当同经验事实相矛盾，所涉及的是用现成经验事实来证实理论基础；•二是涉及的不是关于科学理论同观察材料的关系问题，而是关于理论本身的前提问题。•爱因斯坦分别把这两个标准称为“外部的确认”和“内部的完美”，而且认为内部标准在选择和评价各种科学理论时起着重要的作用。•评价科学理论的外部标准是最高标准，“一个希望收到应有信任的理论必须建立在有普遍意义的事实之上”。三、技术思维与技术活动方法•1、技术思维•技术思维是工程师进行技术活动的思维。•技术思维的特点：•技术思维更关注可行性，而科学思维更关注普遍性；•技术思维更关注价值性，而科学思维更关注创造性；•技术思维是限制性思维、联系性思维，而科学思维没有限制。•2、技术活动的方法•技术认识的基本程序：课题规划阶段，方案构思阶段，试验和实施阶段。•技术活动方法是人类在技术活动中使用的各种方法、程序、规则、技巧的总称，它是改造自然的方法。•（1）技术构思方法：对技术思维中考虑的设计对象进行结构、功能和工艺的构思的方法，包括经验方法（模仿创新、技术改制）和科学方法（原理推演、实验提升、模型模拟、移植发、回采法）。•（2）技术发明方法：创造出原本自然没有的人工创造物的方法。•（3）技术试验方法：对技术思想、设计、成果进行探索、考察、检验的方法。•技术试验与科学实验有共性，也有区别。•（4）技术预测方法：根据要预测的技术的过去和现在状况，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的方法。•（5）技术评估方法：对技术系统、技术活动、技术环境，包括技术计划、项目、机构、人员、政策等可能产生的作用、效果和影响进行测算和评估的方法。【案例】1、青霉素的前兆——技术预测法1897年，杜契斯发表了运用霉菌提炼物治病的论文；1928年，弗莱明观察到霉菌的抗菌效应；1939年，盘尼西林被分离出来。•屠呦呦发现青蒿素：•受到中医古典书籍的启发。•2、拷问伽玛刀（GammaKnife）技术——技术评估法•伽玛刀是一种特别的放射外科手术刀，属立体定向放射外科技术。它主要用于治疗神经外科疾病，是当今世界