第五讲 科学认识开始于问题.

第五章科学认识开始于问题主要内容科学认识科学方法科学问题科研选题一、科学认识的系统和过程认识系统：认识主体、认识客体、认识中介认识过程：认识主体通过一定的手段把握认识客体的本质和规律1、科学认识系统的要素及其相互关系（1）主体：科学家和科学家群体（2）客体：对象性；历史性；社会性（3）中介：仪器，工具，方法，符号，语言（4）科学认识的结构关系2、科学认识的特征（1）实证性（2）解释性（3）创造性（4）预见性3、科学认识的过程（1）宏观过程科学实践——科学理论——科学实践（2）微观过程a.确定科研课题b.获取科学事实c.进行思维加工，形成假说d.对假说进行检验e.建立理论二、科学方法与科学方法论1、科学方法及其层次定义：科学认识主体把握客体的主观手段按普适性划分：特殊研究方法层次：一般研究方法普遍研究方法按作用划分：获取科学事实的方法层次：整理科学事实的方法建立科学理论的方法2、科学方法论关于科学研究一般方法的性质、特点及其内在联系和变化发展的理论。3、科学方法论的对象和内容对象：科学研究的一般方法（单个方法；单个方法之间的联系）内容：感性方法；理性方法；假说和理论4、学习和研究科学方法应注意的问题科学方法不是教条，而是行动的指南费耶阿本德：《反对方法》，科学研究应提倡“怎么都行”的多元主义的方法胡适：“大胆假设，小心求证”从哲学的功能看科学方法论的作用冯友兰：“境界说”李泽厚：“希望说”爱因斯坦：“脚手架”爱因斯坦：伟大的科学家和哲学家主要科学贡献（1）光量子假说(1905)（2）测定分子大小的方法(1905)（3）相对论(1905;1916)1905年——爱因斯坦奇迹年思想史上的地位相对论的创立，从大的方面来说，完成了一次思想革命或科学革命（研究“范式”的转换）；从小的方面来说，则实现了“时空观的革命”。（爱因斯坦以其“相对时空观”取代了牛顿的“绝对时空观”）1952年，爱因斯坦为《纽约时报》撰文说：仅仅“用专业知识教育人是不够的。通过专业教育，他可以成为一种有用的机器，但是不能成为一个和谐发展的人。要使学生对价值有所理解并且产生热烈的感情，那是最基本的。他必须获得对美和道德上的善有鲜明的辨别力。否则，他——连同的专业知识——就更象一只受过很好训练的狗，而不象一个和谐发展的人。”重视哲学思考“认识论要是不同科学接触，就会成为一个空架子。科学要是没有认识论——只要是可以设想的——就是原始的混乱的东西。”“与其说我是一位科学家，倒不如说我是一位哲学家。”“哲学是科学之母”。研究方法的特点（1）自然科学的唯物论传统“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界，是一切自然科学的基础。”（2）坚持物质世界的统一性“逻辑上简单的东西，当然不一定就是物理上真实的东西。但是，物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西，也就是它在基础上具有的统一性。”狭义相对论揭示的是惯性系中空间、时间、运动的统一性，广义相对论揭示的是在所有参照系中，空间、时间、运动、物质的统一性。统一场论所要揭示的是自然界中的基本相互作用的统一性。（3）重视逻辑思维理论构造的公理化方法理论体系在“逻辑上的完备性和自洽性”（4）重视想象、直觉的作用“想象力是科学研究的实在因素”“概念是思维的自由创造”，思想实验以献身科学为使命的志业精神马克斯·韦伯“天职感”（calling）“志业感”（vocation）“在我们之外有一个巨大的世界，它离开我们人类而独立存在，它在我们面前就象一个伟大而永恒的谜，然而至少部分地是我们的观察和思维所能及的。对这个世界的凝视深思，就象解放一样吸引着我们，而且我不久就注意到，许多我所尊敬和钦佩的人，在专心从事这项事业中，找到了内心的自由和安宁。……通向这个天堂的道路，并不象通向宗教天堂的道路那样舒坦和诱人；但是，它以证明是可以信赖的，而且我从来也没有为选择了这条道路而后悔过。”负责任的科学研究要使科学造福于人类，而不成为祸害培养独立思考、和谐发展的人要领会科学家的研究方法和精神丁肇中的科研工作及启示验证“诺贝尔奖”获得“诺贝尔奖”奇想震动物理界第一次集聚世界军团诘问“诺贝尔奖”第一个故事：测量电子的半径1948年，理论物理学家根据量子电动力学的理论，得出电子是没有的体积的结论。1964年，实验物理学家经过实验得到电子半径为10-13厘米实验结果。随后，多个物理学家同样得到电子半径为10-13厘米实验结果，即得到了实验与理论不相符合的结论。1966年，他重做当时这一世界上最重要的实验实验，得到的实验结果与理论相符合，证明他们以前做的实验结果都错了。他体会做实验物理，不要盲从专家的结论。第二个故事：J粒子家族的发现70年代初，物理学家认为，世界上只有三种夸克，用三种夸克的理论就能够解释世界上所有的现象。1974年，他提出了“寻找新粒子与新物质”的实验方案，但未被许多物理学家重视。他执著求索，终于在实验中发现了新粒子——质量为3.1GeV的J粒子，它的寿命是通常粒子的1万倍。这一实验结果证明了当时三种夸克的理论是错误的。他体会到：做基础研究要有信心，你认为是正确的事，就要坚持去做。不要为多数人的反对而不做，也不要去管其他人怎么看。第三个故事：胶子的发现理论上认为夸克之间的力是胶子传递的。如果胶子是存在的，那么在高能正负电子对撞的实验中就会出现三个喷注的现象。如果胶子不存在，那么实验上只有二喷注现象。实验中，他果然发现了三个喷注的现象，证明了胶子的存在。他告诫大家，做实验物理要对意外的现象有充分的准备。第四个故事：关于国际合作他介绍了过去20年中在西欧核子中心开展的富有成效的国际合作研究工作。合作组有十九个国家的六百多个科学家参加工作，其中三分之一来自美国，三分之一来自欧洲，三分之一来自前苏联。这个国际合作实验组发表一大批学术论文，75人获得的博士学位。他认为，国际合作为什么那么多的国家会支持你？最主要的是选择世界上最重要的、最有兴趣的题目，引起科学家的兴趣。没有兴趣，就没有意义。第五个故事：国际空间站上AMS实验这一实验，是经过大量竞争后现在国际空间站上唯一的实验。反物质的存在，是1928年由Dirac推测出来的，1933年他因此获得诺贝尔奖。假如宇宙是大爆炸来的，有物质，也有反物质。由反物质组成的宇宙到哪里去了？所有的粒子都有反粒子，有没有由反物质组成的宇宙？这是实验要回答的问题。这一由15个国家合作的实验，在2006年11月用美国128号航天飞机将AMS送到国际空间站，实验为期3～5年。他深有体会地说，对一个做实验物理的人来说，要实现你的目标最重要的是要有好奇心，对自己做的事情要有信心，同时要去努力工作。三、科学问题问题意识提出一个问题往往比解决一个问题更重要。（爱因斯坦）1、科学发现从问题开始归纳主义：科学发现始于观察（培根）归纳观察、实验||搜集资料理论证伪主义：科学发现始于问题（波普）P1——TT——EE——P2问题1—尝试性理论—消除错误—问题2问题是科学发展的动力理论发展的总体过程：只有发现了原有理论不能解决的问题，人们才会修正旧理论或建立新理论。科学研究的具体过程：人们总是以问题为导向有选择地搜集资料，问题对实验具有定向作用。要善于提出正确的问题提出正确的问题往往等于解决了问题的大半。（海森堡）自己会不会提出正确的问题是科研工作者最重要的能力。（李政道）博学而笃志，切问而近思要学会做“学问”，而不要做“学答”。一条船上有75头牛，32头羊，问船长多少岁？在法国，有64％的学生得出答案：75－32＝43岁。而在中国的小学和初中测验，竟有超过90％的学生得出这个答案。学生之所以这么回答，是因为他们已经习惯了所有问题都是有标准答案的。一位美国教育家因此评论说，这就是学校把学生越教越笨的典型事例。2、科学问题的特征什么是科学问题？科学认识和实践中需要解决而又未解决的矛盾。科学问题的特征时代性：知识背景；前瞻性（希尔伯特23个问题；《科学中的100个难题》）可解性：问题本身存在科学的解结构性问题的指向——求解目标、预设解问题的应答域——论述问题所确定的域限问题提法中所设定的应答域有可能是错误的例：寻求“第五公设”的直接证明问题“平行公设”？求解目标：直接证明第五公设应答域：欧氏几何学3、科学问题的分类（1）根据科学问题的性质（劳丹）未解决的问题经验问题已解决的问题反常问题科学问题内部概念问题概念问题外部概念问题（2）根据问题求解的类型What型：回答是什么的问题（陈述性问题）识别与判定Why型：回答为什么的问题（因果性问题）因果关系；内部机理How型：回答怎么样的问题（过程性问题）状态与过程；运动规律（3）科研课题的基本类型跟踪性研究与原创性研究基础性研究与应用性研究交叉性研究4、科学问题的主要来源（1）从科学实践与科学理论的矛盾中产生的问题“黑体辐射”、“光电效应”与“能量连续性观念”的矛盾——量子理论水星近日点的摄动与牛顿引力理论的矛盾——广义相对论（2）从科学理论内部的矛盾中产生的问题这种理论内部的矛盾，在数学中称为“悖论”，在物理学、天文学中称为佯谬。数学中的悖论理发师悖论：“我给并且仅仅给不自己理发的人理发”。问题：他该不该给自己理发？物理学、天文学中的佯谬双生子佯谬；麦克斯韦妖佯谬（1871）光度佯谬（奥尔勃斯，1826）；引力佯谬麦克斯韦假想实验AB（3）从不同学派理论的矛盾中产生的问题微粒说与波动说燃素说与氧化说水成说与火成说；渐变论与灾变论生物进化论与热力学的矛盾（4）对假说和新发现进行检验的科学问题检验假说的真理性例如：对物质波假说的检验检验事实的可靠性例如：对“引力波”的检验（5）从社会需要同现有技术手段不能满足这种需要的矛盾中产生的问题从社会需求与已有生产技术手段的差距上发现问题。例如：如果社会现有的生产技术手段不能满足人们的需求，自然就会提出许多问题，其中有一些则会转化为科学问题。四、科研选题选题的战略意义选题的一般程序选题的基本原则1、选题的重要性科研选题：就是形成、选择和确定着手研究和解决的问题战略地位和意义研究方向目标、内容研究途径、方法研究水平、价值研究成败、前途“课题的形成和选择，无论是作为外部的经济技术要求，抑或作为科学本身的要求，都是科研工作中最复杂的一个阶段。一般来说，提出课题比解决课题更困难。所以评价和选择课题，变成了研究战略的起点。”（贝尔纳）2、选题的一般程序可行不可行1）问题调研2）提出问题3）课题论证4）选定课题问题调研提出问题课题论证课题决策选定课题3、选题的基本原则（1）需要性原则课题应面向社会需要和科学理论发展的需要。基础研究科学研究应用研究发展研究贝尔研究所科研人员：1万多人年发表论文：2200的多篇获诺贝尔奖：7人次从实际需要选择科研课题鼓励自由探索（2）创造性原则选出的课题应是前人没有解决的或没有完全解决的疑难问题。新现象的发现概念和理论上的创新创新性的方法上的创新科技成果应用上的创新新产品的开发自主创新原始性创新（个人，发现和发明）集成创新（团队，工程，系统科学）引进消化吸收再创新美国垄断诺贝尔科学奖原因分析“鼓励创造性和具有挑战性的构想”美国的大学教育提倡“独立思考”，注意培养“创造精神”（精英教育，）国家重视基础研究“外援”支撑（国外媒体分析）当代国际的间竞争是制度的竞争“随便做什么事情，都要跳到最前线去作战，问题不是怎么赶上，而是怎么超过。要看准人家站在什么地方，有些什么问题不能解决。不能老是跟，那就永远跑不到前面去。”问题是怎样才能“跳到最前线去作战”？大师指导，“名师出高徒”李政道——费米杨振宁——泰勒海森堡，泡利——玻尔“做学问要找最好的老师，做事情要找最管事的人。”（陈省身）学术交流（3）科学性原则选出的课题要有一定的科学理论和科学事实作为根据。明显与已经确证的科学理论相违背的课题不应作为选择对象。例：牛顿论证“上帝的存在和全能”；克鲁克斯研究“降神术”；否定相对论（4）可行性原则选出的