（科学技术哲学专业论文）科学模型的结构主义解读.pdf

中文摘要 本文围绕科学模型的两个问题展开讨论：1 模型为什么能够代替其模拟对象 一一理论与现象成为科学研究的对象，即模型如何表征了对象；2 模型如何连接 了理论与现象，并由此推动科学的发展。写作意义在于，全面梳理科学模型的概 念，详细介绍科学哲学的语法学模型观与语义学模型观，将结构主义的原则引入 到模型讨论中，运用“共享结构”概念为本文的两个问题寻求解答。为科学家提 供一种新的视角来看待模型与理论，模型与现象的关系，构造了基于“共享结构” 的科学发展图式，使科学研究更有效率。 本文主要阐释了模型的概念、本质、特征与功能，认为模型的本质和功能决 定了模型在科学研究中的意义。考察科学哲学界研究模型的历史脉络，详细阐述 了语法学的模型观与语义学的模型观，着重介绍两种模型观在模型与理论关系上 的论述。引出了结构主义的模型观，运用共享结构的概念构建理论一一理论模型 一一数据模型一一现象之间的路径探讨结构概念对理论拓展的意义。 本文的创新点在于通过结构的概念揭示模型的内在本质，运用模型的“共享 结构”作为科学研究背后的作用实体，揭示模型如何通过共享结构沟通了理论与 现象，并阐释了结构主义视角下，模型作为方法如何表征对象世界和科学理论。 最后利用共享结构概念，创新性地提出了科学发展的图式。 关键词：模型同构共享结构结构 a b s t r a c t t 1 1 i st h e s i sf o c u so nt w oi s s u e so ft h es c i e n t i f i cm o d e lt od i s c u s s ：1 w h yt h e m o d e lc a nr e p l a c et h eo b j e c 卜一t h et h e o r ya n dt h ep h e n o m e n o i l 一t ob et h e o b j e c to fs c i e n t i f i cr e s e a r c h t h a ti sh o w t h em o d e lr e p r e s e n tt h eo b j e c t ；2 h o wt h e m o d e lc o n n e c t e dt h et h e o r yw i t ht h ep h e n o m e n o n ，t h e np r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to f t h e o r y t 1 1 es i g n i f i c a n c eo ft h i si s s u ei s m a k i n ga l lo v e r a l le x p l a n a t i o no f t h ec o n c e p t o fas c i e n t i f i cm o d e l ，i n t r o d u c e si nd e t a i lo fs y n t a c t i cm o d e la n ds e m a n t i c sm o d e l ， i n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l eo ft h es t r u c t u r a l i s m i n t ot h ed i s c u s s i o n , u s et h ec o n c e p t o f “s h a r e ds t r u c t u r e ”t os e a r c hf o ra n s w e r sf o rt h et w oq u e s t i o n s f o rs c i e n t i s t st o p r o v i d ean e wp e r s p e c t i v et ol o o ka tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o d e l sa n dt h e o r i e s ， m o d e l sa n dp h e n o m e n o n u s et h e 。s h a r e ds t r u c t u r e ”t oc o n s t r u c to fs c i e n t i f i c d e v e l o p m e n ts c h e m at om a k es c i e n t i f i cr e s e a r c hm o r ee f f i c i e n t t h et h e s i se x p l a i n e dt h ec o n c e p t ，t h en a t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o n so ft h e m o d e l ，b e l i e v e st h en a t u r ea n df u n c t i o n so ft h em o d e ld e t e r m i n et h es i g n i f i c a n c ei n s c i e n t i f i cr e s e a r c h i n v o l v e si nt h es t u d yo fs c i e n t i f i cm o d e li nt h eh i s t o r yo f p h i l o s o p h yo fs c i e n c e ，d e s c r i b e si nd e t a i lo fs y n t a c t i cm o d e la n ds e m a n t i c sm o d e l f o c u s e so nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e o r ya n dp h e n o m e n o n u s et h ec o n c e p to f “s h a r e ds t r u c t u r e ”t oc o n s t r u c tt h ep a t ht h r o u g ht h e o d ，劬e o r e t i c a lm o d e l - d a t a m o d e l _ _ 呻h e n o m e n o n ，i n v e s t i g a t et h es i g n i f i c a n c eo fs t r u c t u r ef o rd e v e l o pt h e s c i e n t i f i ct h e o r y t h ei n n o v a t i o no ft h i st h e s i si s ，t h r o u g ht h ec o n c e p to ft h es t r u c t u r et or e v e a l s t h ei n n e re s s e n c eo f t h em o d e l ，m a k et h es h a r e ds t r u c t u r eo f m o d e l sa st h ee n t i t y b e h i n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h ，r e v e a l sh o wt oc o m m u n i c a t et h r o u g ht h e o r ya n d p h e n o m e n aw i t ht h es h a r e ds t r u c t u r eo fm o d e l s ，a n de x p l a i n st ob eam e t h o dh o w t h e m o d e lr e p r e s e n tt h ew o r l da n dt h et h e o r y f i n a l l y , r i s e st h ec o n c e p to fs h a r e d s t r u c t u r e ，p r o p o s eas c h e m af o rd e v e l o p m e n to ft h es c i e n t i f i ct h e o r y k e yw o r d s ：m o d e l ，i s o m o r p h i c ，s h a r e ds t r u c t u r e ，s t r u c t u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特i i i i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨奎态堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：记惹 签字日期： 盘。辟多月争p 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 讯蔼 导师签名： 签字日期：产月争日 签字日期：二册( 年6 月 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁记 模型是现代科学研究的重要工具，对于模型的研究不仅是科学家的任务，也 逐渐成为科学哲学界关注的领域。围绕科学模型这一主题，文章将考察模型在科 学研究中遇到的困境，研究模型的概念，回顾科学哲学界影响较大的两种模型观 一一语法学模型观和语义学模型观，最终运用结构主义的观点来解读科学模型。 1 1 问题的提出 在现代科学发展过程中，我们清晰的看到模型以及模型方法已经渗透到科学 天空的各个角落，物理学中玻尔原子模型，生物学中d n a 双螺旋结构模型，社会 科学中基于代理人和进化的模型以及经济学中开放市场下的一般均衡模型等等， 都是各自学科领域中最基本的研究方法。在科学研究中模型表现出强大的解释力 和推动力，一方面模型作为科学认识的工具，帮助人们获得知识；另一方面模型 逐渐代替目标系统成为科学研究的对象：那么我们的问题在于： 1 、作为科学研究对象的模型如何表征了原型 模型是对对象系统的模拟，通常可以代替理论或者现象成为科学研究的对象。 作为一个实体模型本身并不能产生科学问题，科学家通过对模型的研究获得关于 其模拟对象的认识。然而现实表明，模型仅仅是对现象近似或者理想化的表示。 那么模型为什么能够代替理论或者现象成为科学研究对象呢? 模型与它所表征 的理论或者现象之间是怎样的一种关系? 对此，我们需要探讨模型的本质和功能， 并寻找到本质和功能的内在决定力量。 2 、模型如何连接理论与现象 图1 - 1 模型是沟通理论与现象的媒介，图卜l 函表明模型在沟通原型与理论时的逻 辑。一方面，可从理论( 假设) 出发，将其归约为模型，从而为原型提供解释的演绎 系统，另一方面，也可从原型出发将其简化为模型，从而为理论( 假设) 提供证明或 。章士嵘，科学发现的逻辑，北京：人民出版社，1 9 8 6 ：1 4 6 1 4 8 l 第一章绪论 部分证明。原型、模型、理论假设之间具有个转化机制，要求原型( 现象) 与 理论通过模型的连接可以“通约”，问题在于，模型如何发挥这种桥梁作用? 科学家和哲学家们能够在这个问题上达成共识，即科学理论的检验和拓展最 终要诉诸于经验事实，而模型则是这个检验与拓展过程的中间环节，在科学进程 中发挥着日益重要的作用。本文将通过探讨模型连接理论与现象的内在机制，寻 找到模型对科学理论发展的推动力。 1 2 文献综述和方法设计 关于模型的研究应当分为两个范式来讨论，一是科学家的范式，基于模型及 模型方法在科学研究中的实际应用，这其中包括模型的实际构建，模型的验证， 模型的操作，某一具体模型的建构方法和操作方法等问题。二是哲学家的范式， 基于理论、模型、现象之间的内在关系以及模型的认知功能，即模型的本体论与 认识论意义问题，这将成为本文主要的研究重点。 关于模型的哲学研究已经不是一个新鲜话题。早在2 0 世纪2 0 年代初坎贝尔 ( n r c a m p b e l1 ) 就在哲学高度上谈论模型，并坦称模型“是理论的一个完全必要 的部分”。在坎贝尔工作的基础上2 0 世纪6 0 年代，一大批科学哲学家将目光 投向了模型研究，其中最著名的有阿肯斯坦因( p a h c i n s e t i n ) 、布莱斯韦特 ( r b r a i t h w a i t e ) 、内格尔( e n a g e l ) 、赫斯( m b h e s s e ) 、卡特莱特 ( n c a r t w r i g h t ) 、苏佩斯( p s u p p e s ) 、蜡( f s u p p e ) 、范弗拉森( b v a n f r a a s s e n ) 等。通过这些学者的努力，有关模型的研究形成了两个分支：一个分支是将模型 理解为说明理论的抽象演算过程的句法规则系统，形成了语法模型研究传统：另 一个分支是通过考察理论的形式化语义解释，赋予模型以特定的理论解释意义， 形成了语义模型研究传统。2 0 世纪9 0 年代，在有关模型的哲学研究停滞了一段 时间之后，随着认知科学的发展以及科学哲学解释学研究的兴起，关于模型的哲 学研究重新成为哲学家讨论的话题。与以往的研究不同，哲学家主要关注模型在 科学概念形成中的生成作用、科学创造过程中模型化推理的溯因特征、模型的表 述功能、模型的解释意义等内容，也就是说将模型置于认知和解释意义上，更多 地注意模型在科学家具体认知过程中如何运用和发挥作用。进入2 l 世纪，模型 研究显现出新的特征，有关模型的研究重点转向模型的表征作用，探讨模型如何 表征经验世界的各个方面，通过表征关系，经验如何借助模型的介入获得命题的 真假解释。在这一研究转向中，科学哲学家方面针对传统模型研究中所关注 的相似性和同构性基础给予重新评价，引发了基于相似性和同构性之上建构的模 ：“d a n i e l am b a i l e r - j o n e s ，w h e ns c i e n t i f i cm o d e l sr e p r e s e n t , i n t e r n a t i o n a ls t u d i e si nt h ep h i l o s o p h yo f s c i e n c e ，2 0 0 3 ，v 0 1 17 ，1 ：5 9 - 7 4 2 第一章绪论 型是否具有表征作用的争论。另一方面，科学哲学家深入到科学案例中探讨模 型的表征作用，针对模型如何发挥表征功能给予具体说明。目前，有关模型表征 作用的研究已经初步成为模型研究的主攻方向。加拿大c a l g a r y 大学的l a n d r y 在 其最近发表的两篇论文中，将共享结构的概念引入到了科学理论结构的讨论中 并运用该概念分析了模型对现象世界的表征意义。 与国外相比，国内有关模型的专门研究主要是在翻译和介绍国外成果中有所 创新。在2 0 世纪9 0 年代初，由江天骥先生主编的科学哲学和科学方法论译 著中涉猎了坎贝尔、布莱斯韦特、范弗拉森、苏佩斯等科学哲学家有关模型论 述的文章，将模型运用于阐述科学理论的结构。国内科学哲学界对模型的相关研 究散见于各种有关逻辑推理的著作和文章中，模型被看作类比推理的一种必然结 果而附带涉及。国内较著名的关于模型的论著是张琼、于祺明、刘文君三位先生 于1 9 9 1 年合著的科学理论模型的建构一书，认为理论的形成是通过建构理 论模型来实现的，论述科学理论模型的基本特征和建构方式，比较系统地阐明了 类比、抽象、演绎、归纳等模型建构方法，实际上是讨论科学家在科学研究中如 何利用模型方法的论著营；r 哈雷著，李静翻译的科学逻辑导论用一章的 篇幅探讨了模型的科学说明功能，揭示了模型的分类，形式化与非形式化区分 模型在理论发展中的作用等问题。郑祥福和洪伟先生在2 0 0 1 年出版的科学的 精神一书，谈到科学理论的结构时，涉及了模型对理解科学理论结构的意义、 实在世界与模型的关系、模型与真理概念属于语义学领域三个话题 。2 0 0 5 年刘 华杰翻译的科学哲学进阶教程一书，介绍了理论公理化进路中模型的意义， 语义学模型观的主要观点，探讨了理论与模型的关系，认为“模型”在科学探究 的许多语境下取代了理论。山西大学博士生阎莉的博士论文整体论视域中的科 学模型观较为全面的考察了科学哲学家们在模型问题上的主要立场一一类比模 型观、语义模型观、认知模型观，并提出了整体论的模型观，在此视域下考察了 模型的本质、构成和功能，尝试建构了科学发展的整体论模型观。 本文的研究方法主要是通过对于文献的阅读，梳理模型的概念和本质，总结 模型的特征和功能，剖析模型的内在本质。探讨科学哲学家对模型的理解，以及 对于本文两个问题的解答，着重探讨结构主义的模型观，用结构主义的观点来建 构模型在推动科学发展中的作用。 m a u r i c i os u a f e z ，s c i e n t i f i cr e p r e s e n t a t i o n ：a g a i n s ts i m i l a r i t ya n di s o m o r p h i s m i n t e r n a t i o n a ls t u d i e si nt l l e p h i l o s o p h yo fs c i e n c e ，2 0 0 3 ，v 0 1 17 3 ：2 2 5 2 2 4 3 张琼，于棋明，刘文君。科学理论模型的建构，杭州：浙江科学技术出版社，1 9 9 1 2 郑祥福，洪伟，科学的精神，上海：上海三联书店，2 0 0 1 3 第一章绪论 1 3 主要内容 任何研究都始于问题，要利用结构主义哲学的方法来解读科学模型，探讨作 为原型模拟物的模型何以成为研究对象，模型如何连接了理论与现象这两个问题， 需要从模型本身和科学哲学的模型观两方面入手，完成我们的研究。以此为导向， 本文涵盖了以下四个部分的内容： l 、阐释模型的本质与功能。从作为科学工具和作为研究对象两个层面梳理 模型的概念，获得对于模型的一个较为全面的认识，进而对模型的本质进行阐发， 论证模型本质上是对原型的理想化表征与基于原型的开放性系统。 模型的本质外在表现为模型的特征，本文结合科学模型的一些实例总结出模 型的特征为：相似性、抽象性、可转换性、动态性。 科学研究中模型的重要作用是通过模型的功能得以实现的，本文将模型的功 能归纳为：解释说明、模拟实验、导向功能和表征功能，并认为表征功能是模型 所有功能中最基本、最重要的功能。 2 、考察科学哲学界研究模型的历史脉络，主要阐述语法学模型观与语义学 模型观。二十世纪在对科学理论结构问题的研究中，语法学与语义学两种视角曾 占据重要的地位，在对理论结构的探讨过程中产生了这两种模型观。本文对这两 种模型观的基本立场进行了梳理，着重介绍了它们在模型与理论关系上的论述， 探讨语法学模型观与语义学模型观对本文两个问题的解答及其困境。 3 、引入对科学模型的结构主义解读，该部分为本文的重点。结构主义发端 于语言学并在社会科学广泛应用，然而自二十一世纪以来，结构主义开始向科学 界延伸，产生了科学结构主义哲学，本文以此为出发点，以结构主义的方法来解 读科学模型。在该部分中，简述了结构主义视角下的模型以及模型与理论的关系， 认为模型本质上就是结构。着重介绍以结构主义解读模型的重要概念一一共享结 构 ，以此概念来解释模型对现象与理论表征的合法性，构建理论一一理论模型 一一数据模型一一现象的路径，解答模型如何连接理论与现象的问题。本文认为 以结构概念来理解模型对理论拓展有推动意义。 4 、该部分是本文的一个理论延伸，用结构的概念构造了一个科学理论进步 图式。 综上，本文旨在通过这样一个研究过程，以结构主义的原则解读科学模型， 运用结构的概念来启发人们对模型的理解、运用和开发。 k a t h e r i n eb r a d i n ga n de l a i n el a n d r y ，s c i e n t i f i cs t r u c t u 俺l i s m ：p r e s e n t a t i o na n dr e p r e s e n t a t i o n ，p h i l o s o p h yo f s c i e n c e2 0 0 6 ，v 0 1 7 3 ：5 71 5 8 0 4 第一章绪论 1 4 研究的意义和创新点 在科学研究中，模型的应用日益广泛，人们对于模型的认识也各不相同。国 内对于模型作为一个理论研究对象的探讨并不多见，对科学哲学模型观的介绍也 仅仅散见在一些书籍中，并没有全面系统的研究，本文旨在给予科学模型一个全 面的概念梳理，详解模型的本质、特征和功能，同时，通过概述科学哲学的模型 观，获得关于模型的深刻认识，并从不同的哲学角度回答本文提出的两个问题。 基于以上研究，本文的理论意义在于： l 、深入探讨了科学模型的概念，给予模型的本质、特征、功能一个全面、 深入、有条理的阐述，将模型作为一个整体加以研究，而不是仅限于某一类或某 一个模型的介绍。 2 、介绍语法学模型观与语义学模型观的基本立场和主要观点，并探讨这两 种模型观在解题中的困境。 3 、将结构主义哲学引入到模型研究中来，运用结构的概念构造理论一一理 论模型一一数据模型一一现象的科学认识路径，将理论到现象分解为由高级到低 级的层级系统，分析模型在这个层级系统中扮演的角色。 4 、详细介绍模型的“共享结构”概念，分析共享结构如何支配各个层级模 型之间的互动，运用该概念解答本文的两个问题。 在实际应用方面： 1 、构造了基于共享结构的科学发展图式，通过模型结构之间的映射关系， 搭建从经验为真的理论到新的科学假说之间的桥梁。 2 、用结构主义的观点来解读模型，可以为科学家们提供一种新的视角来看 待模型与理论，模型与现象的关系。将模型定义为一种结构，认为同一理论范式 下，模型之间共享同种结构，将使科学发现、科学推理更有效率。 文章的创新点在于对模型的结构主义解读，这种解读是对语义学模型观的深 入和拓展，通过结构的概念揭示模型的内在本质，运用模型的“共享结构”作为 科学研究背后的作用实体，揭示模型如何通过共享结构沟通了理论与现象，并阐 释了结构主义视角下，模型作为方法如何表征对象世界和科学理论。最后利用共 享结构概念，创新性的提出了科学发展的图式。 需要提出的是，本文的工作主要是站在科学哲学的立场，对于模型进行的一 种结构主义解读，这种解读并不是要证明某一理论的正确与否，而是为我们对模 型的认识提供一种新的视角。 第二章模型的本质与功能释义 第二章模型的本质与功能释义 2 1 模型的概念与本质 现代科学研究向三个方向发展，在空间方向，从宏观领域深入到微观领域： 在时间方向，从现存的自然物延伸到自然的起源和演化的全过程：在水平方向科 学技术综合的趋势日益增强，呈现出“大科学”的状态。可以说，科学研究的对 象已经成为了一个复杂的系统工程，直观观察，简单实验己经不足以完成这些复 杂，庞大的工作，随着现代科技的迅猛发展，特别是电子计算机的广泛应用，模 型和模型方法越来越多地被应用并产生了巨大的经济和社会效益。模型被认为是 联系科学理论( 主观认识) 与客体( 现实世界) 的桥梁，成为了科学研究的重要 工具和方法。h 霍兹认为，模型是认识主体借助于类化( 同源) 或其他物质系 统和理想系统中对这些类化( 同源) 的运用，对可能和现实的过程、关系和功能 的物质的或观念的再现的产物。在现代的科学实践中，大多表现为科学家采取一 定的策略通过抽象和简化，构建不完全等同于真实客体的模型，然后对模型进行 研究。科学研究的程序由现象一实验( 或观察) 一理论，转变为现象一模型一实验 ( 或观察) 一理论的路径，模型的应用成为科学研究的重要一环。 2 1 1 模型的概念 “模型”一词，起源于拉丁文“m o d u l u s ”，其初始含义是样本、标准和尺度。 随着历史的发展，它的内涵不断被拓宽。在现代科技文献和日常语言中，“模型” 一词通常有两种用法：一指某一对象( 原型) 的复制品或样本，在该用法下模型 具有科学研究工具的意义。二指与某一对象( 原型) 具有一定相似性的系统，在 该用法下模型成为了科学研究的对象。 l 、工具层面 是指真实对象( 原型) 的复制品或样本，这类模型中较常见的是比例模型，是 科学家出于方便、经济或安全的考虑，根据原型的外形、结构特征，按比例放大 或缩小得到的实物，我们最熟悉的一种模型是缩尺模型，即按照某物重新建造它 微小的形状。模型a 以某种确定的方式与其母本a 保持着联系，根据某些规则， 模型与母本之间的尺寸可以相互转换，我们把这类模型总称为缩微模型，它们中 有些被用来充当原型的象征或标志，如航模、电动机车模型、高层建筑模型，还 有一些是作为原型的替代物被应用于特定的实验研究，如风洞实验室中的微型飞 机、水工实验室中的模型河床等等； 6 第二章模型的本质与功能释义 这类模型经常出现在技术或工程专家的设计中，或用于科学实验中，其性质、 结构等是已经被获知的，主要是在工具层面上被使用，即或者作为原型的替代物， 或者作为研究工具。 2 、作为研究对象 是指与某一对象( 原型) 具有一定相似性的系统，它包括：( 1 ) 以物质的形态 体现或模拟了对象的结构、功能或运行规律的实物相似模型。如仿真动物、模拟 人体部分运动与操作技能的机器人等等；( 2 ) 以观念的形态摹写或描述了原形的 某些特征、性质、规律的抽象的相似模型，也就是人们常说的思想模型。此类模 型是要通过复杂的思维加工，以概念、判断、符号、公式、图表的形式表现出来， 它不仅仅是对现有客观实在的反映，而且能够借由思维主体的透视力和想象力 “创造”出现实世界中并不存在的理想化客体，我们通常所说的科学理论模型就 是这类模型。 两种模型的获得通常需要采取类比和抽象方法，尤其是概念模型，它是科学 家通过思维加工得到的，经过一系列的信息变换之后，模型滤去了真实对象的一 些特征，同时又增补了一些特征，以致模型不再是原型的纯粹镜像式映射，而在 某种程度上已经独立成为可以被科学家研究的对象；这种模型在科学界大量存在。 尤其是针对不可观察的微观世界，科学家很难找到能够与微观物体相对照的可以 用作类比物的宏观物体。在此情况下，科学家充分发挥想象力，利用抽象思维构 造理想化客体。比如用于描述宇称不守恒现象的规范场就是假设的概念模型。在 经典物理学中，物理学家也经常构造概念模型，比如质点对于各种运动着的物体 是理想模型，理想气体对于真实气体也是理想模型。这些理想模型的共同特点体 现为在真实世界中没有与之对应的、完全符合的原型，因为它们没有完全囊括原 型的所有特征和性质，而是为了研究的方便，只包含原型的某些性质。 2 1 2 模型的本质 模型是基于想象和抽象而对现实世界或未来世界某种实体系统的一种简化 了的映像，因此模型的本质常常表现为二重性：一方面它舍去了某些东西，对实体 系统的结构、功能、联系等加以简化，因而在一定程度上“不像”实在原型；另 一方面又从本质上极力与现实的实体系统的结构、功能、联系保持一致，因而从 模型出发并不会引申出与原型不一致的结论来。本文认为模型的本质在于以下两 方面： 1 、模型是对原型的理想化表征 模型是对原型的模拟，它通过概念、判断、符号、公式、图表等形式将原型 的功能、结构、特征、性质和规律加以表征。通过这种表征，模型既能够反映认 7 第二章模型的本质与功能释义 识对象，又可以代替原型成为认识对象。然而，模型并不是对原型的全等映射， 而是主体以原型为基础，出于一定的目的，依照自身的知识背景、社会背景、文 化背景构造出来的。基于科学研究的目的和条件，科学家们将模型构造成理想化 的研究对象，一方面，模型只截取原型的某一片段或者某一类特征加以表征，削 减不必要的部分或结构：另一方面，模型会虚构或衍生出一部分结构来补充原型， 是对实际存在内容的扩大。通过这样一个过程，科学模型具有了相似性与抽象性 的特征，科学家们获得了对原型既像又不像的表征，从而为科学研究提供了一个 理想化的研究对象，科学家的研究范围得以拓展，研究难度得以降低，研究效率 得以提高。基于该项本质模型表现出相似性与抽象性的特征。 2 、模型是基于原型的开放性系统 模型对原型的表征并不仅仅是简单的一级映射或线性关系，而是表现为一个 有结构的符号系统，体现被模拟对象的类及对象间的关系。模型建构是认识主体 与客体之间的互动，所谓“观察渗透理论”就是这个道理，因此对于同一个对象， 可能会建构出不同的模型来对其进行表征。我们认为模型是一个开放性的系统， 根据普里高津的耗散结构理论，开放系统能通过与环境进行物质和能量交换，而 给系统带来负熵流，使系统从无序走向有亨。模型的建构也表现为这样一个动态 的过程，随着科学研究领域的拓展，方法的进步，科学数据的积累，科学家获得 了大量外部资料，可以用来改造或者替换模型中的变量或要件，从而使模型不断 逼近原型，成为一个合理的、有序的表征系统，更好的代替原型参与到科学研究 中去。作为一个开放性的系统，模型具有了可转换性和动态性的特征。 2 2 模型的特征 1 、相似性 无论是从“模型”一词的本意还是从科学模型的现实来看，能够成为模型的 事物必须要与它要模拟的事物具有一些性质、属性或特征的相似性。在科学研究 中，模型一般是作为两类对象出现的，一方面，模型是作为科学家建构的对象， 是对外在世界的摹写；另一方面，模型是作为科学家的研究对象存在，是对研究 客体的抽象。无论是摹写还是抽象，都要求模型与原型在一定程度上的相似，这 种相似不一定是各个方面的全等，但模型一定要继承原型的特殊性质或是特殊功 能，这样才能满足科学研究的需要。按照范弗拉森的观点，支持某个“模型” 的证据其实只是要求“模型”在经验上是适当的，这种经验上的适当性并不是确 确实实的真理，它只要求模型能够使所有的观察语句为真。也就是说，模型仅仅 是对现象的近似或者是理想化的表示。 模型作为某一对象及其性质、特征、规律在我们思维中的映射图或者说“映 象”，它与原型之间的相似，从某种意义上可以类比为物体的镜像与物体自身之 8 第二章模型的本质与功能释义 间的相似，但从本质上说绝不是原型的一种镜像反映。科学理论模型不仅能借助 思维的抽象力和概括力从相关的经验材料中提炼出反映事物运动变化发展规律 的科学定律，而且还能够凭着思维的透视力和想象力，从事物的外在表现去探测 其隐蔽的内部世界，从而建立起一幅描绘事物内部组成要素、结构及其运行机制 的假想性的图象。 2 、抽象性 模型与现实世界之间并不是一对一的映射关系，在科学研究中，模型的构建 越来越表现为一个系统性、整体性的工作，而不再是以往科学中基于类比或是相 似的简单模仿，模型要通过对现实世界的抽象得来。 事实上，由于独立于认识主体之外的事物是相互关联的整体，我们不可能全 面的反应整个外部世界，而且科学研究往往只是基于一定目的去观察事物，其研 究的对象通常是事物的某些特殊部分，所以当我们深入到科学的具体实践中，详 细分析科学家如何进行科学研究时，就会发现，无论科学家面对简单事物，还是 复杂事物，他们都不会将全部客观事物纳入研究视域中，而是关注被抽象了的客 观事物。这样的客观事物已经不是那种未被触及的、纯洁的自在实体，而是科学 家为了研究的方便，已经加入人的各种主观偏好，甚至在大多数情况下，完全是 一种理想化的主体构造或选择。我们将科学研究的这种特征归结为“模型化研究”。 而我们称为“模型”的东西是科学家从自在实体抽象出的事物。基于抽象的意义 上对模型加以考虑，将会拓展模型研究的视域，克服以往对模型研究仅仅奠立于 相似性前提的局限性，使模型研究方法既能够用于考察更广阔的科学领域。 3 、可转换性 科学家从来都不认为同一个客观事物只能拥有一个模型，相反，理论是在某 一层面上的模型的解释，例如，我们在定义牛顿力学体系时，将其表述为服从引 力吸引的平方反比定律的f = 辟公式、自由落体定律的f = m a 公式、直线运动定 u 一 律和动量守恒定律的物体构成的集合。然而，这个定义并不是我们能给出的唯一 的模型簇，根据费恩曼( r i c h a r df e y n a m a n ) ，我们可以用一个新的公式来代替 平方反比公式。新公式把在某一点作用于一物体的引力势与包围那一点的平均引 力势联系起来：谚= 口平均一罢，其中仍为任意给定点的引力势，a 是包围球的半 d 径，在此球面上平均势仍平均可以计算出来，g 是与原来平方反比定律样的一个 常数，i l l 是在那一点上引力对其势加作用的物体的质量。这两个公式都能够刻 画牛顿引力的体系。通过一定的运算与映射( 合理的) ，我们有理由相信，模型 是可以转换成另外一种形式的。模型的可转换性使得模型对理论的说明，模型的 。亚历克斯罗森堡，科学哲学当代进阶教程( 刘华杰译) ，上海：上海世纪出版集团，2 0 0 5 9 第二章模型的本质与功能释义 研究可以以多种途径和方法达到。 4 、动态性 模型只是在一定程度上反映了客观实在，模型的类比，归纳，摹写，缩放仅 仅是一种假设下的适当性，而模型必将是可变的，追求同建模目的的无限接近。 在科学发展的历程中，模型总是处在变化之中，已经建立的模型随着科研工作的 深入，资料的积累认识的提高或者日臻完善，或者被抛弃。以托勒密的地心说为 例，公元二世纪托勒密提出了自己的宇宙结构学说，即“地心说”，他全面继承 了亚里士多德的地心说，并利用前人积累和他自己长期观测得到的数据，写成了 8 卷本的至大论。在书中，他把亚里士多德的9 层天扩大为1 l 层，把原动力 天改为晶莹天，又往外添加了最高天和净火天。托勒密设想，各行星都绕着一个 较小的圆周上运动，而每个圆的圆- c , n 在以地球为中心的圆周运动。他把绕地球 的那个圆叫“均轮”，每个小圆叫“本轮”。同时假设地球并不恰好在均轮的中心， 而偏开一定的距离，均轮是一些偏心圆；日月行星除作上述轨道运行外，还与众 恒星一起，每天绕地球转动一周。托勒密的宇宙模型在当时较为完满的解释了观 测到的行星运动情况，并取得了航海上的价值，曾一度被人们广为信奉，然而随 着观测资料的不断丰富，人们不断发现了托勒密体系的漏洞，为了维护“地心说” 的信条，后来的天文学家不断增加本轮均轮的数量，构建新的模型用以解释观察 数据，直至托勒密体系被抛弃，并被新的宇宙模型所取代。自始至终，天文学家 们构建的模型都处于一个动态变化的过程。 2 3 模型的功能 依据模型的本质和特征，模型建构了自己多种多样的功能，在科学研究中大 展身手，获得广泛的应用。科学家认为科学研究可以因此而走一条捷径，使各种 复杂现象和问题化繁为简，通过对具体科学研究活动的考察，本文认为模型具有 以下功能。 l 、解释说明 理论不仅仅是一个单纯的演绎系统，理论中的概念、定义、命题以及命题之 间的关系从根本上说应当是来自经验事实的，然而，在科学的研究中我们发现理 论往往包含着可观察项( 经验可检验的) 与不可观察项，人们对于不可观察项的 认识是不可能来自经验的，虽然逻辑经验主义者认为可以通过可观察项推导出不 可观察项从而对后者进行说明，但事实证明，这只是理想而已，人们无法想象没 有“原子核”、“基因”、“分子”、“原子”、“电子”、“夸克”或者“类星体”等概 念的科学是什么样子的，对于这些不可观察项的说明，必须借助于模型。一方面 模型给予这些概念一个图像化的说明，如气体的粒子模型；另一方面，模型构造 了理论的概念之间、公理与定理之间、定理与定理之间的关系，通过这种关系， 1 0 第二章模型的本质与功能释义 不可观察项的意义为人们所理解，这种理解是建立在共同的认识基础上的，这种 共同的认识是建立在人们对模型所构造的关系系统的理解上的。正是通过这样两 个途径，模型解决了科学理论中不可观察项的说明难题。 除此之外，模型的解释说明功能更多的体现在模型的工具化应用中。通过模 型各种形式化的方法，如图像、公式、符号等等可以给予理论更为简明形象的说 明，这比语句的描述更为有效。 2 、模拟实验 模型的另一个重要功能是模拟实验，利用模型可以进行思维实验和虚拟仿真 实验。理论作为对现象世界的高度概括、抽象，它所提供的内涵要远远高于我们 所能观察到的现象，同时受到人类观察能力和实际操作条件的限制，科学家们很 少诉诸于现实去获取知识。 一方面，模型能够模拟一个理论所描述的对象的变化过程，是对科学理论的 可能的实体化，使得科学理论在可操作与可见的意义上被科学家掌握，成为实验 室研究的对象。以d n a 双螺旋结构模型为例，很多时候科学家对于人类基因的研 究，并不是直接通过显微镜将某段基因片段呈现出来，进行实验，而是在d n a 双螺旋模型的基础上进行碱基配对和图谱描绘的。 另一方面，模型作为对现象的模拟，是对客观实在的理想化呈现，科学研究 的目的在于获得对一类现象或实体的一般性或普遍性的认识，事实上，科学家不 需要亲身到现象世界中去汲取材料，而是借助模型对现象的抽象，以模型作为研 究的对象。与同时，科学家们可以通过改变模型的某个函项或者位置，来修正理 论，实现理论的展开和发展。 3 、导向功能 模型的导向功能主要体现在科学发现和科学评价中。从某种意义上说，科学 发现就是引入新的描述事物概念的过程。概念的延伸要受到模型的指引和导向， 无论模型以怎样的形式展现出来，科学家都是在运用模型进行推理，借助模型获 得新的认识，建构新的理论。科学家在较为一般的推理当中用到的基本单位常常 不是公理化系统和前提网络，而是模型。同样，在科学评价中，那些被科学共同 体认可和接受的、起着范式作用的模型往往导向科学家对科学理论的评价，在运 用和建构科学理论时，无论模型怎样被表述，科学家都在利用它进行推理，而且 借助它通过概念结构的透镜进行思考和理解。同样，在科学评价中，比如在经典 力学的还原论模型框架下，科学家对理论的评价首先要看它是否能够采用某种力 加以描述，化学领域由贝采里乌斯( j j b e r z e l i u s ) 提出的物质之间利用亲合力 结合的理论长期在化学界得到其他化学家的认同，就是因为这一理论迎合了当时 的力学模型观点。因此，当模型从一般的认识手段上升为基本的方法论范式时， 第二章模型的本质与功能释义 它就会成为科学家研究的主要导向力量，从思维、观念等高层次引导科学家的认 知。 4 、表征功能表征功能是模型最根本的功能，也是模型建构和运用的目的。 人们之所以认为抽象涵义下的模型能够成为贯通科学的研究对象和方法，原因在 于模型的表征功能，关于这一点，持有模型观的科学哲学家基本上达到了共识。 模型的表征功能体现在两个方面，一方面模型表征了已选定的部分世界( 即对象 系统) ，这类模型立足于对象的自然属性，即现象模型和数据模型；另一方面， 一个模型可以通过说明和解释定理和公理来表征一个理论。模型可以同时具备这 两种意义上的表征功能。 “现象”被认为是涵盖了对象世界的所有相关性质和普遍特征的概念，科学 模型是对现象的表征，气体的弹球模型，玻尔的原子模型，d n a 的双螺旋模型， 桥梁的比例模型，开放经济下的蒙代尔一弗莱明模型，大气的洛伦茨模型等等是 此类模型广为人知的例子“。模型同样可以表征从直接经验获得的数据，所谓的 数据模型是对原始数据进行修正，校正，理想化的模型。数据模型的特点就在于 消除观察中的错误，从而获得一个纯粹的数据，例如，我们在一系列点上画一条 光滑的曲线，这个过程被称为数据修正。数据模型在科学研究中发挥着重要的作 用，因为在更多的情况下是经过修正的数据模型而不是原始数据同理论进行对比。 模型的另一个表征功能是模型可以表征理论，模型是能够使所有理论命题为真的 结构，运用公式、图表、图像等形式使理论获得实体化的意义。 瓦托夫斯基( m a r x w w a r t o f s k y ) 认为在实在论的意义上，世界中的客体、事 件和过程都能够在模型中得到表征。莫里森( m a r g a r e tm o r r i s o n ) 和莫根( m a r y s m o r g a n ) 主张模型之所以能够作为连接世界和理论的中介，原因就在于模型既 能够表征世界，也能够表征理论。吲按照传统的理解，表征的涵义是对现象的镜 像式映射，表征与被表征之间是一一对应的关系。但模型的表征不是如此，模型 对真实系统的表征在于它的限制作用，这种作用使得模型对真实系统的表征通常 是部分的、抽象的。同时，模型对真实系统的表征不是被动地、“白板式”地映 射，而是科学家运用各种手段对客体的建构。这种建构使模型具有了独立的实在 特性而在某种程度上已经成为科学家的研究对象。可以说，正是模型的表征功能 决定了模型可以代替理论与现象成为科学研究的对象。 科学研究中对模型的应用均来自于对模型特征和功能的把握，在科学家看来， 模型作为认识工具在应用的层面上是没有问题的，然而，一旦我们追究起模型诸 m o d e l si ns c i e n c e ，s t a n f o r de n c y c l o p e d i ao fp h i l o s o p h y ，2 0 0 6 2 。m a r xw w a r t o f s k y , m o d e l s ：r e p r e s e n t a t i o na n dt h es c i e n t i f i cu n d e r s t a n d i n g b o s t o n ：d r e i d e lp u b l i s h i n g c o m p a n y , 1 9 7 9 ：1 “m a r g a r e tm o m s o na n dm a r ys m o r g a n ，m o d e l s 笛m e d i a t i n gi n s t r u m e n t s ，m a r ys m o r g a na n dm a r g a r e t m o m s o n ( e d s ) , m o d e l sa sm e