周立伟院士报告—科学研究方法谈.ppt

科学研究方法与治学谈北京理工大学周立伟2008年1月4日题记科学研究没有一成不变的方法，也没有万无一失的共同模式，但它是讲究方法的。科学研究方法与治学谈•前言•治学三境界与科学创造四阶段•科学研究的途径•中国古人之治学•科学研究方法之三例•治学之道•结束语前言•所谓科学研究，广义地说，就是创造知识和综合整理知识的工作，在科学技术的现有水平上前进一步。•科学研究必须以取得新的结果作为衡量成功与否的标准。这是一种创造性劳动。新的结果可能是新的发现、新的理论，或是新的方法、新的工艺；也可能是一种新材料，或一个新的器件等等。•科学研究必须在前人的基础上有所创新。科学研究全过程中贯穿创造性。前言科学史有无数创造性的例子：•有的人埋头于实验，通过细心观察，发现了新的现象，如伦琴发现X射线；琴纳通过接种牛痘防治天花，从而奠定了免疫学•有的人按预定的概念与计划去实验，取得了预期的结果，如居里夫人从大量的沥青铀矿中提炼出放射性元素钋和镭；•有的人通过广泛的观察、体会，“悟”出新概念，从而提出新理论，如达尔文的进化论；科学研究有各种不同的方法和途径•有的人由纯粹的数理演绎，提出新概念，预见新现象的存在，如麦克斯韦的电磁场理论；还有人修正旧的理论，提出新的假说，这些假说在当时似乎都违反常识，如爱因斯坦创立相对论；•有的人将不同学科联系、组织起来，建立起新领域而取得了成功，如维纳建立控制论。所有这一切都说明，获得创造性成果的途径是多种多样的，显然不存在什么一成不变的方法。人才的标准•品德、知识、能力、业绩作为衡量人才的主要标准。不唯学历，不唯职称，不唯资历，不唯成分。•在大学阶段，要进行“品德、知识、能力”的培养，而能力培养作为人才培养的重点。（1）有提出问题、确定选题的能力提出问题的基础是要具有坚实的基础理论和广博的知识。学问和经验是提出问题、创立假说的源泉；主要是培养归纳能力—阅读文献和收集资料后的思考和判断的能力.好奇心、不墨守成规、敢于直面科学现实、敢于向权威挑战也是不可缺少的品质。科学研究培养年青学人三个能力(2)有提出、阐述假说（假设、方案）的能力,有批评、判断种种假说（假设、方案）的能力；这主要是培养思维能力—逻辑思维（分析、对比、推理）和形象思维的能力。(3)有证明假说（假设、方案）的是非真假的能力；这主要是指实践能力—设计能力、实验能力、深入考察、观察事物的能力。有了这三种能力，研究生将来到社会上，便能具备：1.敏锐的感应能力;即对各种变迁局势作出快速而恰当的反应；2.弹性的适应能力;即行为模式具有可塑性、不墨守成规，能快速适应环境的变迁；3.丰富的创意能力;即能不断产生新颖(Idea)思路和方案。•关于学习能力、创造能力学习能力主要体现在如何快速达到前人的水平，创造能力主要体现在如何超过前人的水平。研究生主要培养创造能力（提出问题和解决问题的能力）•培养正确的思维方法更为重要。若单纯进行知识和技术的灌输，而没有一种正确的思维方法指导，难于成为四化建设的高级科技人才；它只能培养头脑僵化、缺乏应变能力的人。学习能力、创造能力和正确思维•科学方法不要单纯地理解为吸收具体知识的技巧。科学方法实际是科学哲学的一部分，它讲的是一般原则、一种战略和一些例子，它需要意会，需要自己灵活应用。•科学方法中还包括:在众多未吸收的知识类型中如何判断和选择自己应学的知识，应攻读的知识，在自己已经学习的知识中如何进行是否继续学习的取舍，如何评价各类知识与自己所应具备的知识结构之间的关系等等。结论是：正确的思维是最重要的。治学三境界与创造四阶段治学三境界与创造四阶段三种境界王国维古今之成大事业、大学问者，必经过三种之境界：“昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路。”此第一境也。“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。”此第二境也。“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。”此第三境也。也。治学的三种境界•迎着困难，勇于攀登，高瞻远望，苦苦思索,“独上高楼，望尽天涯路”；这是处于创造沉思中的情景。这是第一种境界。•追求真理，百折不挠，无论多大挫折，终不后退,“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”；这是研究探索中的情景。这是第二种境界。•几经艰苦奋斗，突然受到启发，顿时恍然大悟，原来事物的奥秘，正隐藏在“灯火阑珊处”；这是直觉的顿悟、成功的欢悦的情景。这是第三种境界治学三境界对应创造三阶段“三种境界”之说正说明了在科学探索和艺术创作中存在着三个阶段：•高瞻远瞩、构想沉思的准备阶段-准备期•覃思苦虑、孜孜以求的探索阶段-探索期•不断追求、终有顿悟的收获阶段-豁朗期王国维先生的这一论述蕴含着深邃的哲理，其真知灼见发人深思。科学创造四阶段从事科学研究的人似乎还需要一种境界，即：“行到水穷处，坐看云起时。”(王维诗)。“行到水穷处”可状实践检验，“坐看云起时”则是理论升华。－科学研究中第四种境界－验证期创造性思维豁然贯通仅仅是创造的端倪初露，茅塞顿开、灵感突现并不是完整的创造，如果不加以完善验证、发展或加工扬弃，那么尽管这些思想火花十分可贵，可是浅尝辄止，仍可能功亏一篑，丧失了创造中本应得到的最有力的成果。曹冲称象曹冲把一个大象的重量称出来了。曹冲聪明之处在于：一有联想才能－见过曹操海上练兵时舰船装上兵员与武器后下沉。曹冲有举一反三的能力。二有抽象能力－玩过弹弓打鸟，以石计数的游戏。曹冲有以石代象，以石称重的抽象能力。反映了中国孩子的直觉能力。但曹冲和先人没有把问题从理论上升华提高。曹冲－一个聪明的孩子。阿基米德称王冠“阿基米德称王冠”－阿基米德不但找到了辨别金王冠中是否掺入了其他金属的方法，而且在他的著作《论浮体》中进一步总结了液体静力学的基本原理－后人称为阿基米德定理。阿基米德不但有联想能力、逻辑判断能力、抽象能力，还有理论升华能力－提高到理论高度来认识的能力。这是作为一个科学家必须具备的能力。阿基米德－科学家，浮力定律的创始人。科学研究要重视验证期和理论升华“阿基米德称王冠”－由“现象”（物体浸入水中水溢出的现象）到提出“假说”（重量相同、密度不同的金属溢出的水是不同的），解决了实际问题，再进入验证期，将现象升华,归纳为“原理”（后人认为是“定理”、“定律”）对“曹冲称象”，仅停留在某一实际问题的解决上。我们没有将问题从理论上升华，也没有发现先人对“曹冲称象”的现象有进一步阐述的记录。直接称出大象是人们办不到的事，但一块块石头的重量是可以称出来的1.曹冲用大船的沉浮先把象的重量变换成石头的重量，这一步用L表示2.再称石头的重量，这一步用A表示3.又将石头的重量变换成大象的重量。这一步跟L交换恰好相反，我们用L－1表示。三步连起来可以写成L－1AL.它表示先实行L，再实行A，最后实行L－1。这样就把大象重量称出来了。“曹冲称象”－今人总结的共轭控制方法的先祖数学上一般把L－1AL称作A过程的共轭过程。我们将L－1AL称为与A共轭的控制方法，它通过L变换和L－1变换，把我们原来不能控制的事变为我们可以控制的A过程去完成。A的控制范围在施行了L和L－1变换后扩大了。例如：一种混匀固体的方法。L－将固体溶于某种液体，A－控制液体混匀的方法，L－1－L的反变换，将溶液蒸干。这样L－1AL过程就使混合液体的方法扩大了控制范围，用于混匀固体。科学研究要重视理性思维，重视理论升华，重视验证期•关于验证期，举爱因斯坦建立和验证广义相对论的例子。1913－1915年爱因斯坦在导出协变形式的引力场方程经历短暂的欢乐后，等待着实验验证的曲折历程。•由广义相对论，爱因斯坦预言，光线必被引力场所折弯。他在1914年算出，从远处的恒星发出的光线，如果过太阳表面，光线偏转的角度是0.87秒弧度,而在1915年11月8日他修正为1.75秒弧度。•爱因斯坦认为证实这个理论的最后证据只能来自“在日蚀过程中拍摄的靠近太阳的星星的照片，我希望在1914年的日蚀年做出最后的抉择。”•爱因斯坦在给德国天文学家弗罗因特里希的信中说：“为了进一步证实这个理论的正确性，我们需要得到一个可靠的证据，否则，我们的理论就会夭折。”表达了他对验证理论的焦急心情。•弗罗因特里希1914年7月率队远征到克里米亚做日蚀实验，当时德俄战争正在进行中，8月初，弗伦特里希被俄国人当做间谍抓起来。实验没有做成，爱因斯坦非常沮丧。•直到1919年5月，消息传来，英国的爱丁顿爵士领导的两个观测队分别在巴西和西非拍摄的日全蚀照片，其观测结果分别为1.61(±0.30)和1.98(±0.12)秒弧度。实验与爱因斯坦的预言吻合，爱因斯坦这才松了一口气。•与牛顿一样，爱因斯坦成为人类历史上最伟大的科学家。文学艺术的创造与科学探索求知的过程，是很复杂的。客观的观察和分析，深入的思考和创造的想象力，对于文学艺术与科学研究的创造，过程大致是相同的。凡是革命性的科学研究，原创性的艺术创新，都会探究或描写自然界实在的本性，这也是共同的。但科学实验自然，科学家必离我与自然；文学描写自然，文学家必融我于自然。科学与文学艺术的异同文学艺术重灵感、重形象思维；而科学重实证、重抽象思维，从逻辑方法以及从已有之经验，寻求问题的解答。只有经过验证的事物，证明了它的正确性，才能算是完成了一个科学研究的全过程。李白诗：“白发三千丈。”众人感觉诗人的浪漫，夸张。明知不符合现实，并不指责诗人。科学家连白发三丈都不能讲，因为没有根据，拿不出证明来。科学是讲究实证的。科学与文学艺术的异同文学艺术主要关注内在精神世界,如情感、虚构和精神,是相对主观的;读李清照的诗:生当为人杰,死亦为鬼雄,至今思项羽,不肯过江东。她抒发的是对一名悲剧英雄的情感和追思。她期盼有项羽这样宁死不逃避责任的英雄，重振大宋王朝雄风的愿望科学,例如物理学关注的是运动、物体和力的客观世界。无论科学或是文学艺术,都有灵感勃发的问题,但物理学家在灵感以后,就需不可缺的数学证明,展现出来的物理学框架是序列的、抽象的数学方程搭建起来的。科学关注客观世界的实在文学艺术关注内在精神世界总结：科学创造四阶段•“昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路。”玉韫珠藏，秋水欲穿，不知伊人何处寻？•“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。”抱朴唯恒，欣戚两忘，触物皆有会心处。•“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。”心有灵犀，意所偶会，皇天不负苦心人。•“行到水穷处，坐看云起时。”格物致知，究极穷理，悟乾坤真机真境。•科学创造四阶段的提法，其立意是想说明科学创造中经历的过程和境界。•一个科学家，只要自己身临其境，亲身经历过完整的科学研究的过程，都会体会到创造过程中的四种境界，感受到问题的彷徨（酝酿期），求索的炼狱（探索期），顿悟的欢欣（顿悟期）和证实的煎熬（验证期）。•孔子曰：“朝闻道，夕死可矣。”以前我很难理解而后来慢慢能体会。我的体会是：“一个人只要一生中体验过哪怕一次科学创造中的彷徨、炼狱、欢乐和煎熬，死而无憾矣。”科学研究的途径科学研究的途径楔子•一个侦破故事:1996年“京城劫钞案”京城2.8”“6.3”8.27”三起劫钞案•作案手法类似：盗车－抢劫－弃车－换车－逃逸。•破案突破口：米黄色尼桑桥车被盗案乃是前兆。找车是突破口。•结论是：突破口找对了，正确的思维导致正确的结果。•搞科学研究颇像搞侦破，都是运用自己的思维去分析、去推论。科学工作者最重要的一点是要有“创造性智慧”（Creativeintelligence），要有“思想（创意、点子）”即Idea。•科学研究中必须要有自己的Idea，否则就是复制，就是模仿；不是创新，更不是创造。•什么是Idea呢？Idea是用已知的事物作根据，由此推测到别种事物的作用。也就是说，具有推论的作用。•推论的作用是从已知的事物推及未知的事物。有前者作根据，作基础，而对后者发生作用，这是有条理的思想作用。•Idea的特点是：(1)须先有一种疑惑困难的情境做起点；如：接连三次运钞车抢劫案的发生；(2)须有寻思搜索的作用，要寻出新事物、新方法、新手段来解决这种疑惑困难，即寻找突破口。如：盗车－抢劫－弃车－换车－逃逸的规律，找被盗车是一个突破口。•Idea的基本条件是：严格合乎逻辑，概念