03科学问题与科学研究

“科学问题”提纲一、问题的重要性科学研究从哪个环节开始“提出问题往往比解决问题更重要”二、对“问题”的理解与分析“问题”（科学问题）的含义科学问题的结构三、问题的来源提出问题的原则问题的条件与转换关于“科学认识的起点”1、提出问题；2、观察；3、好奇心；4、对自然界的思考；5、哲学；6、思辨的方式；7、社会实践；8、区分科学与伪科学；9、生存需求；10、生活经验；11、前人的工作；12、对事实的辨别。科学问题与科学研究一、问题的重要性1.科学研究从哪个环节开始?案例一：青霉素的发现英国科学家弗莱明（A.Fleming，1881—1955）在1928年9月，一次在实验室，偶然发现培养葡萄球菌的器皿里长出了绿霉。弗莱明没有简单地处理掉。他感到有些奇怪，因为在正常的葡萄球菌的繁殖区本应当呈现一种讨厌的黄色，可绿霉周围的培养基却清澈明净。他产生了疑问：是否由于绿霉有某种作用把它周围的葡萄球菌杀死了呢？值得注意的是，弗莱明所发现的事实，并不是他第一个在实验室观察到的。微生物学家斯科特和日本科学家古在由直都曾回忆说，在弗莱明之前，他们都曾在实验室里遇到过同样的情况，只不过他们都把这样的现象简单地处理掉了。案例二：X射线的发现德国物理学家伦琴（Rontgen，1845—1923）发现了X射线。他发现X射线的诱导事实是：放置在实验室阴极射线管附近的涂有亚铂氰化钡的硬纸板上，产生荧光以及放在实验室中的照相底片被莫名其妙地感光。有意思的是：这样的观察事实或类似的观察事实也不是伦琴第一个发现。美国的A.W.Goodspeed和英国的W.Crookes（1832—1919）在做阴极射线的实验时，都曾经发现过照相底片有异常现象。Goodspeed甚至在1890年2月22日无意中拍摄下了世界上第一张X射线照片。Goodspeed虽然实际上拍下了第一张X射线照片，但他把那张照片仍进了废相片堆。直到5年之后，当伦琴宣布X射线的发现，Goodspeed才从旧相片堆中把那张所谓的废照片找了出来。1896年2月22日，Goodspeed说：“我们不能要求首先发现伦琴射线的权利，因为我们并没有发现这种射线，我们所能提出的问题就是，你们记得，六年前，世界上第一张阴极射线的照片是某一天在宾夕法尼亚大学物理实验室里拍摄出来的。”Crookes发现一些照片底片模糊不清（其实是X射线造成的结果），认为是质量问题而退给了厂商。观察与问题只有从观察（结果）中引出问题，才使科学家进入研究。从这一角度上说，科学研究是从“问题”开始的。问题的产生与观察有密切的关系。但是要强调：观察如不引起疑问，产生问题，那绝不会导致探索过程。2.“提出问题往往比解决问题更重要”提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上的或实验上的一个技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。——爱因斯坦、英费尔德，物理学的进化，上海科学技术出版社，1962，66（1）从开拓研究方向的角度案例：光速测量伽利略提出问题伽利略对后人的启发1676年，丹麦天文学家罗默（OlafRǒmer,1644~1710）通过观察木星的卫星蚀，计算出历史上第一个光速为210000千米/秒。但误差比较大。法国物理学家菲索（ArmandFizeau,1819--1896）利用旋转齿轮装置测量光速。法国物理学家的付科（JeanLéonFoucault，1819~1868）采用旋转镜法测量光速。19世纪末，美国物理学家迈克尔逊（AlbertAbrahamMicheson,1852--1931）用一个正八面钢质棱镜代替了旋转平面镜。1926年，他得到：C=299796千米/秒。迈克尔逊的装置（2）从成果评价的角度提出问题比解决问题更为重要，也成了评价科学成果时一条标准。案例一：超导研究1986—1987年，超导研究取得了突破，获得了转变温度能稳定在液氮温区（77.3K）的超导材料。在这一轮突破中作出主要贡献的是：[瑞士]穆勒、柏诺兹；[中国]赵忠贤；[美]朱经武；[日]北泽宏一。穆勒、柏诺兹共享了1987年的诺贝尔奖。为什么赵忠贤、朱经武没有获奖？几方面的突破：①突破了保持13年之久的23.2K的记录；②突破了超导转变温度上限为40K的理论预言；③突破了平均每三年一度的增长率；④突破了超导只和金属及其合金结缘的局限，⑤突破了多年来超导必须用液氮做冷却剂的苛刻条件。这些突破都是谁作出的呢？第①、④方面是穆勒与柏诺兹作出的。自1911年[荷兰]昂内斯（H.K.Onnes）发现水银在4.2K出现超导现象，经62年探索，1973年由美国的泰斯塔迪(L.R.Testardi)用铌三锗将超导转变温度提高到23.2K。1986年1月，他们用钡镧铜氧化物（）材料30K发现了超导现象。OCuLaBa第②方面的突破是赵忠贤作出的。美国麦克米伦(W.L.Mcmillan)于1967年作出超导转变温度上限为40K的理论预言，之后18年未能超过23.2K。赵忠贤等于1986年12月26日首先获得了48.6K的超导材料。第③方面是由瑞士、中、美、日等国的科学家为主共同作出的。1911~1986年，75年间只提高了19K，平均每年0.253K。从1986年9月穆勒和柏诺兹的论文发表到1987年2月赵忠贤等人获得100K以上的超导材料，时间不过半年，从23.2K提高到100K左右，打破了增长缓慢的局面。第⑤方面是朱经武、赵忠贤等几乎同时作出的。赵忠贤等在最先稳定地获得48.6K超导材料的同时，还最先观察到了在70K下有明显的超导现象。不到二个月，朱经武就宣布获得了98K超导体。第一个实现了液氮温区超导体，但他未公布材料组分。九天后，赵忠贤等独立地获得了100K的超导体，并公布了材料组分（钡氧铜钇）。OCuYBa不单纯以温度的高低作为标准。穆勒和柏诺兹的贡献就恰恰在于“提出新问题，提出新的可能性，从新的角度去看旧的问题”——改变了寻找高温超导体的路线。问题的比较：光速研究与狭义相对论超导研究与？？分析：光是辐射，超导研究的是物质的特性；对超导研究有什么期待吗？特别是对超导理论的期待。二、对“问题”概念的理解与分析1、“问题”（科学问题）的含义“科学问题是实质上是经验和理性之间的矛盾，它主要包括经验事实之间、经验与理论之间、理论自身、理论与理论之间等方面的矛盾。”（教材P109）“科学认识过程中需要回答而在当时的知识背景下又无法解决的矛盾。”（P113）矛盾：需要解决的矛盾表现为疑惑——不明白，又想弄明白的问题冲突——已有的知识和新的发现之间差距——理想与现有能力的差距矛盾表示的是认识主体的状态。当时的知识背景下提出的问题疑难（问题）有两种：知识性和探索性。案例：“奥尔伯斯佯谬”德国科学家奥尔伯斯（1758—1840）的问题：夜晚的天空为什么这么黑？星球无限多，并均匀分布，那么全部天空就不分白昼天与黑夜都是光辉夺目的。1826年，奥尔伯斯提出四条假定做为论证：①空间无限，恒星无限；②个体星有生有灭，宇宙密度为常数；③恒星发光强度L基本保持不变，光的照度，并处处相同（规律）；④时间无限，从总体上恒星可无限期存在。21rE由这四条假定得到结果：黑夜与白天一样亮。其简单推算：在相对于地面距离为至的球壳中星的数目为：地面接收的照度为：rrN24rlrLNE42在无限远处的星体的光，总可以通过无限长的时间传到地球。所以地面接收到的累积照度，无论何时都会是无限亮的0044drLdrE瑞典天文学家沙利叶修改第二条，认为宇宙密度不是常数，是的函数，提出了阶梯式宇宙模型。天体是逐级成团分布，从恒星到星系，再到星系团，再到超星系团。rrr爱因斯坦修改第一条。认为宇宙空间不是欧几里德的平直空间，而是一个有限无边的弯曲的黎曼空间。2、科学问题的结构科学问题的三要素问题的指向；疑项；应答域。案例：脚气病“脚气病是由什么细菌引起的？”等价于“引起脚气病的原因是什么细菌”“引起脚气病的原因”——问题的指向。“是什么”——疑项，表示问题的指向与问题的应答域之间关系的不确定。“细菌”——应答域，是指一个域限，问题的解就在这个范围中。问题的指向对于问题的求解带有指导性。求解就是寻找引起脚气病的原因。问题的应答域是预设了一个问题解的存在范围。明确地指出了问题的解的方向。应答域有两种。一种是限定的非常具体的类域；另一种是无所限定的全域。从逻辑上来说，应答域是一个全域也是成立的，但它在经验上的意义却很小。应答域是一种预设，使问题带有假说的成分。科学研究中所提出的有价值的问题，总是那些对应答域有明确限定的问题。应该重视问题的提法。由于问题的应答域是一种预设，一种假定，一旦出现了应答域预设错了，怎么办呢？三、问题的来源1、科学问题的来源（教材：第110-111页，五条）2、提问题的原则教材第111-112页，五条3、问题的条件与转换从一个新的角度提出问题常常是科研中造成突破的关键。案例：维生素的发现19世纪80年代，荷兰医生克里斯蒂安·埃杰克曼参加了研究防治脚气病的工作。交给他的课题就是寻找引起脚气病的细菌。线索：1896年，就在他做实验的陆军医院里养的一些鸡病了，这些鸡发病症状和脚气病症状相同。他决心从病鸡身上找出得病的真正原因。脚气病与白米有关。白米的谷粒中含有某种使人或鸡致病的毒素，而谷皮中有某种可以中和毒素的物质。由寻找细菌转变为寻找一种导致脚气病的有毒物质。1901年，荷兰医生格里内斯提出，可能是大米中缺少了谷皮里所含有的某种人体需要的东西，如果一味地吃去皮白米，就会得病。在这种思路下，脚气病被看作是一种“营养缺乏症”。1912年，英国化学家霍普金斯在对营养缺乏症研究的基础上，提出了维生素学说。他认为，食物中可能存在着许多种微量物质，人体一旦缺少了这些物质，就会造成疾病。缺乏各种不同的物质将导致不同的营养缺乏症，脚气病就是一种。问题的提法又一次得到转换，由寻找致病的有毒物质，转换到寻找缺少了它就会得病的物质。从新的角度提出问题，就是改变问题的提法，主要是改变问题的应答域（包括问题的指向）。德国物理学家海森堡，在《物理学与哲学》中，提出了一句名言“提出正确的问题，往往等于解决了问题的大半。”