科研方法讲座

关于科研方法的思考戴世强上海市应用数学和力学研究所上海大学2008年11月21日科研方法讲座楔子•时代呼唤大批德识才学兼备的科技英才；•机遇只垂青于那些懂得怎样追求她的人；•工欲善其事必先利其器，方法极其重要；•正确运用科研方法可收到事半功倍之效；•学科带头人必须率先遵守科研道德规范。大纲一、引言二、科研工作者必备的素质三、科研工作的准备四、科研工作方法要点五、科研工作的组织六、结束语一、引言问题：•科研工作者为什么要掌握科学的方法论？•科研工作要取得优秀业绩应做怎样的准备？•科研工作的基本方法和技巧是什么？•作为学科带头人，怎样组织科研攻关？一、引言关于科学•定义——科学是由建立在经验和逻辑基础之上的关于自然界的各种现象及其相互关系的普遍性和精确性陈述构成的有组织的知识。•“科学是寻求我们感觉经验之间规律性关系的有条理的思想。它是直接产生知识、间接产生行动的手段。”——爱因斯坦一、引言关于科学•“科学就是整理事实，以便从中得出普遍的规律或结论。”——达尔文•science一词源于拉丁文scientia（求知、知识）；现译名“科学”源于日语（福泽谕吉）译法；由康有为引进（1893），原译名“格致”。一、引言关于科学•科学的内涵1、科学是系统化、理论化的知识体系；2、科学是创造知识体系的认识活动；3、科学是一种社会机制。一、引言关于科学研究•自然科学研究的任务：1、对未知的自然领域进行研究探索，以揭示和掌握自然界各种事物的本质和运行变化规律——基础研究；2、研究如何将科学研究的成果转化为生产力和物质产品——应用基础研究。一、引言关于科学研究名人名言：“观察自然，研究它们所生的万物；追求万物，推究其普遍或特殊的关系；再想法抓住自然界中的秩序，抓住它行进的方向，抓住它发展的法则，抓住那些变化无穷的构成自然界的秩序所用的方法；这些工作在我看来，乃是追求真实知识的唯一法门。这等工作还能给我们以真正的益处；同时还能给我们找出许多最温暖、最纯洁的乐趣，以补偿生命场中不能避免的苦恼。”——拉马克（J.Lamarck）一、引言关于方法：为达到某种目的采取的途径、手段或策略•方法（method）探源：希腊语μετα(沿着）+οδος（道路）Æμετοδ(途径、方法）Æmethod中文《墨子·天志》：量度方形之法Æ知行之法一、引言关于科学方法：•科学方法：认识自然或获得科学知识的程序或过程。是从科学认识过程中总结出来的规律，是具有普遍性的方法。一、引言科学方法的分类：按普遍程度分三个层次•第一层次：各个自然科学门类的特殊研究方法；•第二层次：各门自然科学中的一般研究方法；——本讲座的主要关注点•第三层次：普遍性的哲学方法。一、引言科学方法的分类：按本身特点分为•经验认识方法；•理论思维方法。两者无明确界限，相互交织。通过前者获得最基本的研究材料，通过后者从中提取相关信息，上升为科学假说或理论。一、引言科学方法的分类：按研究对象分为•物质科学方法（用于物质和非生命系统）•信息科学方法（用于信息和程序系统）•生命科学方法（用于生命系统）•意识科学方法（用于人类意识活动和人工智能系统）•人体科学方法（用于人体研究）一、引言名人名言“在探索的认识中，方法也就是工具，是主观方面的某个手段，主观方面通过这个手段与客体发生关系……。相反地，在真理的认识中，分析方法不仅是许多已知规定的集合，而且是概念的自在和自为的规定性。”——黑格尔（G.W.F.Hegel）一、引言名人名言“在科学领域，方法至为重要。一部科学史，在很大程度上就是一部工具史，这些工具——无论有形或无形——由一系列人物创造出来，以解决他们遇到的某些问题。每种工具和方法都是人类智慧的结晶。”——萨顿（G.Sarton)“科学是随着研究方法所获得的成就而前进的。”——巴甫洛夫（I.P.Pavlov）一、引言科学方法论的内涵：•研究探讨科学研究活动本身的一般规律及一般方法，以及人类认识客观事实的基本程序及一般方法。既研究个别特殊研究方法的规律性，也研究这些方法整体上的相互联系。一、引言科研方法论的发展历程：•科学研究无坦途，科研方法发展过程漫长而艰难：“我相信在科学上并没有平坦的大道……。在我们前进的道路上荆棘丛生，只有经历了不断试探，一再失败，才能寻找出合适的方法，开辟出赖以前进的道路。”——玻恩（M.Born）一、引言科学方法的发展历程：•观察方法在实践中产生（古天文学）；•逻辑方法的创始（公元前6－3世纪，古希腊：泰勒斯、德谟克利特、亚里士多德、欧几里德）。运用演绎推理，从经验观察上升到理论认识。亚里士多德创立形式逻辑上的科学方法论和公理方法；导致欧几里德《几何原本》问世；一、引言科研方法论的发展历程：•数学方法开始形成（公元前5－2世纪，古希腊：毕达哥拉斯、帕拉图、阿基米德）。首先提出自然界的规律可用数学把握，提倡用数学解释万物。阿基米德首次把实验的经验研究与演绎推理结合，建立杠杆定理、浮力定律。一、引言科研方法论的发展历程：•实验方法逐渐形成13世纪的罗吉尔·培根率先提出实验科学；15世纪的达·芬奇和吉尔伯特强调实验在认识中的作用；15－16世纪，伽利略为现代实验科学的奠基人；16世纪弗朗西斯·培根成为实验科学的哲学代言人，他的《新工具》的问世是标志；一、引言科研方法论的发展历程：•逻辑方法的发展：两条主线*16世纪弗朗西斯·培根发展了归纳逻辑方法，建立了逻辑分析中的求同法、差异法和共变法；17世纪波义耳、18世纪林奈将其拓广到化学和生物学；*17世纪笛卡儿发展了演绎逻辑方法，构建了数学新体系——解析几何；17世纪牛顿将力学整理成演绎体系，《自然哲学的数学原理》问世。一、引言科研方法论的发展历程：•假说方法的普遍应用（17世纪由笛卡儿提出，洛克、莱布尼兹丰富和发展；19世纪后普遍应用）。假说方法突破了传统方法。著名的假说有：宇宙演化的星云假说、生物学的进化论、物理学的热素假说、化学中的物质结构假说等。假说本身是理论知识的一种形态，一旦验证成立，就上升为科学理论或定律。一、引言科研方法论的发展历程：•自然辩证法方法的创立。19世纪马克思、恩格斯创建了自然辩证法，为正确研究自然科学方法论奠定了理论基础。恩格斯的《自然辩证法》对观察、实验、归纳和演绎、分析和综合、历史与逻辑的统一、科学假说等科研方法都做了深入考察和分析。一、引言科研方法论的发展历程：•系统科学方法的形成。朴素的系统科学方法由亚里士多德、莱布尼兹、黑格尔等提出，近几年才逐步形成。此方法摆脱了传统方法的束缚，将事物联系起来，系统地、动态地考察，从整体上考察复杂系统，将定量方法（如动态模拟法、信息方法、反馈方法、综合集成方法等）引入各个学科，使科研方法产生质的飞跃。一、引言科研方法论的发展历程：•数学方法的发展。亚里士多德－欧几里德－伽利略－牛顿－莱布尼兹发展的数学方法近年来取得了长足的进步，对宏观、微观特性的描述发挥了很大的作用。随着计算机技术的发展，数学已渗透到所有的自然科学领域以及部分社会科学领域。一、引言科研方法的特征：•科研方法来源于科研实践；•正确的科研方法引领科学的发展；•科研方法的适用性和作用超越具体领域；•正确的科研方法呈现美学特征。一、引言方法论的重要性：名人名言“跛足而不迷路的能赶过虽健步如飞但误入歧途的人。”——培根（F.Bacon）“科学方法是通向绝对知识或真理的唯一入口和唯一道路。……整个科学的统一是在于其方法而不在于材料”——皮尔逊（K.Pearson）一、引言方法论的重要性：名人名言：“吾尝终日而思矣，不如须臾之所学也；吾尝歧而望矣，不如登高之博见也。登高而招，臂非加长也，而见者远；顺风而呼，声非加疾也，而闻者彰。假舆马者，非利足也，而致千里；假舟楫者，非能水也，而绝江河。君子生非异也，善假于物也。”——荀况一、引言1.科学研究必须有正确的方法探索科技领域的未知问题，如同在崎岖小道上攀登，必须有正确的科研方法来引领。名人名言：“我们的任务是过河，但是没有桥或没有船就不能过。不解决桥和船的问题，过河就是一句空话。不解决方法问题，任务也只是瞎说一顿。”——毛泽东一、引言1.科学研究必须有正确的方法名人名言：“初期研究的障碍，乃在于缺乏研究方法。无怪乎人们常说，科学是随着研究方法所获得的成就而前进的。研究方法每前进一步，我们就提高一步。因此我们头等重要的任务是制订方法。”——巴甫洛夫一、引言1.科学研究必须有正确的方法名人名言：“未来的研究工作者多数不是天才，给这些人以若干科研方法的指点，较之听任他们凭借个人经验事倍功半地去摸索，应有助于他们早出成果。”——贝弗里奇（W.I.B.Beveridge）一、引言名人名言“如果在实践中有可能通过研究方法的指导来缩短科学工作者不出成果的学习阶段，那么，不仅可以节省训练的时间，而且科学家做出的成果也会比用较慢方法培养出来的科学家多得多。”——贝弗里奇一、引言2.掌握方法比掌握知识更重要爱因斯坦的观点“方法比知识更重要”充分说明了掌握科研方法的重要性。名人名言：“认识一位天才的研究方法，对于科学的进步并不比发现本身更少用处，科学研究的方法经常是极富兴趣的部分。”——拉普拉斯（P.S.Laplace）一、引言2.掌握方法比掌握知识更重要名人名言：“良好的方法能使我们更好地发挥运用天赋的才能，而拙劣的方法可能阻碍才能的发展。因此，科学中难能可贵的创造性才华，由于方法拙劣可能被削弱，甚至被扼杀；而良好的方法则会增长、促进这种才华。”——贝尔纳(C.Bernard)一、引言2.掌握方法比掌握知识更重要素质教育要点：教给学生知识，不如教会学生掌握和应用科研、学习方法重要。名人名言：“科学知识是点成的金，最终有限；科学方法则是点石成金的手指，可以产生无穷的金。”——蔡元培一、引言2.掌握方法比掌握知识更重要名人名言：“教，关键在于‘授之以渔’；教书，关键在于教给学生一种思考问题的方法。也就是说，教师给予学生的，不应是‘鱼’，而应是捉鱼的方法。教学的过程，就在于让学生搞清‘模型’的意义。因为‘模型’反映的是事物的本质，是对客观事物的近似描述。我们要引导学生提出‘模型’，通过抓‘模型’，教给学生提出问题、分析问题、解决问题的方法。”——钱伟长一、引言3.完善自身知识体系从事创造性科研的必由之路具有必要的科学知识积累是进行创造性科研工作的必要条件，而学习和研究科学研究的思维方式和方法，则是充分条件。而知识积累过程中，正确的科学方法更是必不可少的。一、引言3.完善自身知识体系从事创造性科研的必由之路名人名言：“我们每个人手中都有一把自学成材的钥匙，这就是：理想、勤奋、毅力、虚心和科学方法。”——华罗庚一、引言3.完善自身知识体系从事创造性科研的必由之路名人名言：“具有丰富知识和经验的人，比只有一种知识和经验的人更容易产生新的联想和独到的见解。”——泰勒（E.L.Taylor）一、引言案例1：近代科学方法奠基人伽利略的科研方法伽利略在力学研究中以实验方法为中心，还综合运用逻辑方法、观察方法、抽象方法、数学方法等基本方法，为近代力学和物理学开了先河。以自由落体研究为例，这是伽利略力学研究的突破口。亚里士多德的错误观点：落体以匀速下落，速度与落体的重量成正比。一、引言案例1：伽利略的落体研究方法•步骤一：伽利略采用逻辑方法，设计了一个“思想实验”：用短绳系住重量不同的大小石块，使之自由下落，按亚里士多德观点导得矛盾；•步骤二：伽利略采用观察方法，1589年进行了比萨斜塔落体试验，观察到10磅的球与1磅的球同时落地；一、引言案例1：伽利略的落体研究方法•步骤三：伽利略进一步采用实验方法，设计了一个“冲淡引力”的斜面滑落实验。因比萨斜塔仅56米，落体落地过快不易看清。在斜置光滑槽内滚下，引力“减少”，实验发现，大小球滚动速度相同，且与斜面夹角无关。•步骤四：伽利略做了单摆实验，发现只要摆长相同，摆动速度就相同.与摆重无关；一、引言案例1：伽利略的落体研究方法•步骤五：伽利略运用数学方法，确定了下落高度与加速度、时间的依赖关系。从而彻底否定了亚里士多德的错误观点；•步骤六：伽利略进一步运用实