自然辩证法-第三章-----科学方法论-观察与实验

第三章科学方法论观察和实验方法马院周延云第一节观察方法一、什么是观察方法二、科学观察的类型和特点三、科学观察的基本原则四、科学观察的地位和作用科学观察，是人们在科学认识中有目的、有意识地对事物和现象进行感知、描述和记载的方法。所以它是获取感性材料的一种活动。观察大都是在自然发生的条件下进行的。所谓自然发生的条件，就是说人们在观察时不干预自然现象，即使运用仪器，也可保证仪器不改变自然现象的基本形态和运动的原有进程。一、什么是观察方法二、科学观察的类型和特点（一）科学观察的类型1、根据观察的手段和方法不同，可划分为直接观察和间接观察。直接观察：感官直接作用于观察对象，有直观、生动的特点，但存在很大局限性。其优点是：运用方便、最少干扰，比使用仪器更具有直接的现实性。其缺点是：对于高难度的研究对象，在一定条件下要受到感官能力的限制。如对光线只能感知波长在0.39~0.77微米范围的电磁波，对0.39~0.04微米（紫外线）、0.77~1000微米（红外线）是感知不到的。人的耳朵只能听到频率在20~2万赫兹范围内的声波，对次声波、超声波是听不到的。人的感官对外界的刺激强度、变化频率以及量的精确度等方面的感受能力也是有限的。二、科学观察的类型和特点间接观察。也叫仪器观察。即人们借助于仪器或其它技术手段间接地从外部获取感性材料的一种方法。其优点是：延长了人类的感官，扩大了感知的范围和种类，提高了观察的精确度和反应能力，使人们对于自然界的认识能力得到了很大的提高。其缺点是：由于仪器本身的复杂性和干扰性，易带来一些认识上的错觉和误会（如法国仑德洛的N射线）。二、科学观察的类型和特点2、根据观察的性质和内容，又可分为质的观察和量的观察。质的观察，亦称性质观察。即考察事物具有或不具有某种属性和特征以及它与其它事物是否具有何种性质联系的一种观察方法（三棱镜：日光的赤橙黄緑青蓝紫;达尔文20多年对数千种生物的观察）。量的观察，即对研究对象的某些性质和特征进行数量描述和测定的一种观察方法（人体血浆PH值：正常7.35~7.45，PH值7酸中毒，PH值7.7碱中毒）。科学观察的类型和特点（二）科学观察的特点1、它是一种感性认识活动（现象、外在属性、外部联系；内在本质、规律性）。2、它具有目的性、计划性（对象、目的、方式、途径、条件）。3、观察与实验不同，观察所考察的研究对象处于自然状态，不施加人工干预。4、观察是一种多种感官同时参与的活动。三、科学观察的基本原则1、客观性原则。这一原则要求观察者必须客观的、实事求是地反映所观察到的事实，既不能随意增减观察到的事实，又不能臆造一些不存在的事实。影响观察客观性的干扰因素大致有以下几个方面：（1）事物的非本质现象混淆了事物的本质现象。（2）环境对观察的影响。不同的观察环境会对观察结果产生一定的影响。三、科学观察的基本原则（3）观察者的角度不同，会产生不同的观察结果。（4）受观察者生理或心理因素的影响（PPT25\26)。（5）观察渗透理论。所谓观察渗透理论是指在观察中掺杂着理性因素的影响。也就是说在观察研究对象过程中观察者会受到原有理论、知识、经验的影响以及对所使用的仪器原理的认识程度的影响。三、科学观察的基本原则受观察渗透理论的影响，一般可以从以下三方面去理解：（1）受先入之见的影响。所谓“先入之见”是指人们在从事观察活动之前就已在头脑中形成了关于对观察对象的某种认识或期望。（2）受观察者原有理论、知识、经验的影响。1830年德国化学家维勒发现某矿石中含有一种呈红色的金属化合物，他认为是铬Gr。同年瑞典化学家塞夫斯脱隆发现它是钒V。（3）观察仪器中蕴含着理性知识。三、科学观察的基本原则2、全面性原则。所谓全面性原则是指：在观察研究对象时，从空间上讲，要观察事物的各个方面、各个部分、各个层次；从时间上讲，要观察事物发展变化的各个阶段以及它的全过程；同时，要观察事物内部各要素之间以及该事物与外界其它事物的联系。3、典型性原则所谓典型性是指在选择观察对象时要注意选择那些能够集中反映一类事物的共性，其自然现象表现的过程较纯粹、最少干扰、最易于观察的事物作为观察对象。4、同时在观察中还要注意细心原则。科学观察的客观性原则感官的错觉，尤其是已有的偏见是造成观察谬误的根源。离开了客观事物本身，是主观的反映。所谓观察的客观性，列宁指出，不是实例，不是枝节之论，而是自在之物本身。由此可见坚持观察的客观性是进行科学观察的一个重要原则。感官的错觉实验探索发现：你的感官欺骗了你科技之光：观察误区实验四、观察方法在科研中的作用1、它是收集科学事实，形成科学认识的基础。（奥地利耳科医生巴雷尼：眩晕、眼球急速转动、耳朵灌水三者之间有必然联系。1910~1914《半规管的生理学与病理学》、《前庭装置的机能实验》，1914获诺贝尔生理学与医学奖）2、它是检验假说和理论的重要标准。哥白尼“日心说”、牛顿万有引力定律（理论）之后，1845年法国勒维烈预言“天王星之外有一颗行星”（假设），1846年德国加勒发现海王星。“巴雷尼检验”奥地利耳科医生巴雷尼在临床试验中发现，许多耳科病人在用水冲洗化脓的耳朵时，常常会发生眩晕、眼球急速转动的现象，医学上叫做“眼球震颤”。但是，眩晕、眼球震颤和耳朵灌水三者究竟有什么联系呢？经过反复实验，巴雷尼终于发现，用高于或低于体温的水来冲洗耳朵都会引起病人或正常人的眩晕和眼球震颤。由此得到启示，巴雷尼发明了一种简便易行的测试前庭机能的“热检验”方法。由于“热检验”的推广，大大促进了前庭疾病的早期诊断，人们把这个热检验称为“巴雷尼检验”。主体在观察中的能动作用尽管人们只能在大自然给他提供的那种形式下进行研究，但是，若否认主体在观察中的能动作用，是十分错误的。科学观察要求提出任务、作出假设并导出能与观察结果相比较的各种推论；还要组织观察的实施，选择和充实仪器装置，记录观察结果等等。不能认为观察者在自然现象面前纯粹是被动的。令人哭笑不得的实验贝弗里奇在其《科学研究的艺术》中，还描述过这样一个哭笑不得的实验：曼彻斯特市有个医生，在教学生的时候，用手指沾糖尿病人尿的样品来尝味。然后他要求全体学生重复这个动作。学生们勉勉强强愁眉苦脸地照着做了，而一致同意尿是甜的。这时医生笑着说：“我这样做是为了教育你们观察细节的重要性。如果你们看得仔细就会注意到我伸进尿里的是拇指，舔的却是食指。”令人哭笑不得的实验观察中的思维是不可缺少的。但是导致非客观观察结果的主观因素也是存在的。曼彻斯特市医生所做的实验中，学生们的感觉器官并没有充分发挥作用。首先是视觉，没有看到由拇指到食指的变化；其次是味觉，并不一定真实地品尝出了糖尿病人尿的味道。这时感官为什么会失去作用?主要在于学生的脑子里存在着先入之见的主观因素。或者完全从主观的想象出发或者过分地相信自己已有的经验或者从某种条条框框出发，都会给观察结果打上鲜明的主观印记，而使结果不可靠。所以马克思指出，不带偏见的考察是不会受迷惑的，结果才有可能是客观的。排除生理原因造成的错觉为了避免主观臆想代替科学事实，必须尽力排除可能来自两个方面的观察错误：首先，要排除由生理方面原因造成的错误。人们的感觉器官，不论是“眼、耳、鼻、舌身”中哪一个，都在一定的情况下有很大的局限性，因而产生错误。为了避免各种生理上造成的观察错误，一方面是加强训练，可以避免一定的错觉。更重要的是靠科学仪器来延伸和完善自己的感官。排除心理方面造成的错觉在心理学史上有这样一个例子：在德国哥廷根的一次心理学会议上，突然从门外冲进一个人，后面还有另一个人紧跟着，手里拿着枪。两个人在会场中混战一场，最后响了一枪，又一起冲了出去。从进门到出去共20秒钟。大会主席立即发下调查表，请所有到会者填写他们目击的经过。这件事是预先安排、经过排演并全都录了像。当然，与会者并不知道这是一次测验。在交上来的40篇观察报告中，只有一篇在主要事实上错误少于20%，有14篇观察报告中的错误在20％一—40％之间，在25篇中错误超过了40％。特别值得—提的是，在半数以上的报中，10％或更多的细节纯属臆造。所以科学观察要借助仪器．坚持观察的客观性。五、观察程序科学观察法是收集第一手材料的最基本、最常用的方法。在科学研究上，第一手原始材料具有极其重要的价值，它是一切科学研究的起点，科研往往从问题开始，进而进行观察、调查和实验，从这个意义上讲，科学源于问题。然而，由于人们的一切认识，包括产生的一切问题，归根到底发源于观察所得到的事实，从这个意义上讲，科学始于观察。科学家法拉第曾说过：“没有观察就没有科学，科学发现诞生于仔细的观察之中。”五、观察程序科学观察的一般过程可分为准备、实施观察、整理资料三个阶段，具体步骤包括：（1）明确观察目的，（2）制订观察计划，（3）做好物质准备（上述为观察准备阶段），（4）进行实际观察，（5）整理观察资料。第二节试验方法1、实验方法及其类型2、不可无条件轻信实验数据3、实验的一般程序4、科学实验在科学研究中的作用同学们说说自己做过的难忘的实验一、实验方法定义、特点及其类型所谓实验方法是指人们根据课题确定的目的和需要，通过仪器和设备，人为地变革、控制或模拟研究对象，在有利的条件下，获取科学事实，探索研究对象的本质和规律的研究方法。实验与观察都是科学认识的基本方法，但实验方法比单纯观察方法有明显的优点，它克服了单纯观察的局限性。一、实验方法定义、特点及其类型实验方法的特点1、实验方法源于观察，又高于观察。2、实验方法源于生产，但高于生产。目的不同：物资财富、探索认识；内容不同：重复体劳、创造脑劳一、实验方法定义、特点及其类型1、定性实验。这是确定研究对象是否具有某种属性；事物之间是否具有某种联系以及物质的定性组成的实验。2、定量实验。这是测定事物某些属性、某些因素的量的规定性或某些属性或因素之间的数量关系的实验。3、结构分析实验。即主要研究事物内部空间构成的实验。4、析因实验。即已知结果而去寻找产生这一结果的原因的实验（詹纳接种牛痘预防天花的实验）5、探索性实验。即富有冒险精神，勇于揭示自然界的奥秘的实验。例如：海洋探索、月球、火星等太空探索。一、实验方法定义、特点及其类型6、对照实验也称比较实验。这是通过设立对照组和试验组，确定两组事物之间的异同，以揭示研究对象具有某种属性或产生于某种原因的实验。其中对照组是作为比较的标准，试验组是作为研究的对象。对照实验最基本的要求是：对照组和实验组仅在需比较的单个因素方面有差异外，其余比较项目则应基本相同或相似，否则，就会失去意义。7、验证性实验。这是为检验某个假说或某种新理论是否成立而设计的实验。8、模拟实验。即通过设计与原型相似的模型，利用模型来间接研究原型，然后再将结果类推推到原型上去的实验。实验方法定义、特点及其类型实验方法定义、特点及其类型（1）物理模拟，是指模型与原型的物理过程相似，即结构或功能相似。米勒实验、飞机、船舶、设备模型实验。（2）数学模拟，是指原型与模型在数学形式上相似。例如：电流在电路中的传导与热传导规律在数学形式上具有相似性。二、万万不可无条件轻信实验数据！有一句名言是这样说的：“除了观察实验者本人，人人都会倾向于无条件地相信观察实验所得到的数据；除了假说的提出者以外，人人都会倾向于否定甚至反对新出现的假说。”然而，科学史却提醒我们：万万不可无条件轻信实验数据！只有对这个实验及其结果和解释进行周密的分析并使之重复显现后，实验数据才能够被采纳。密立根的弥天大谎1910年，美国物理学家罗伯特·密立根进行了一项世界知名的“滴油实验”，第一次测出了氢比一个电子重1836倍。与此同时，比他更有名望的物理学家埃伦菲尔德也在进行相同的实验，但没有得到相应的结果。密立根实验所得出的数据实在太漂亮了，任何一个从事过物理学实验的人都有体会，理论上计算出的数据和实验中测量出的数据，一般不会那样近似。为此，埃伦菲尔德曾提出疑议，并由此而引发了物理学的一