徐光宪先生报告-北大学生科学年会-创新战术16法

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。42。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，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：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。113。分类研究法•例（1）动植物的宏观分类法--门，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。124。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“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。•135。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(WalterKohn)和英国数学家波普尔(JohnA.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奖的廷伯根[JanTinbergen]，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[SirJ.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，第一次蛋白质组学的国际会议已在1997年召开。176。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=IntegratedCircuits]，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[MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，将第一字母连起来称为Maser，译为微波量子放大器]。19Laser，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.Mailman]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[LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，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。217。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。228。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。249。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i＝1、2、3、4、、、14、15、16、17、、•例如H-CCCCCCCCCCCCCN。•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。2510。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