《科学理论的形成》PPT课件.ppt

第六讲科学理论的形成和检验 一 科学问题的确立1科学研究始于科学问题归纳主义的科研程序 从亚里士多德开始 到培根确立 归纳 演绎程序定律 理论归纳演绎通过观察 取得事实预测和解释 始于观察 培根 首先进行无预设的观察列表分类整理观察材料 找出现象的原因对因果联系作进一步归纳概括 上升为一般原理 归纳是通过中间公理而逐级上升 检验 波普提出科学从问题开始 观察不是随便看看 要解决观察什么 为什么观察 如何观察的问题 因此观察是带着问题的 从科学研究的具体进程看 人们总是以问题为框架有选择地去搜集事实材料 与问题有关的材料披搜集起来 与问题无关的材料则任其流散 不在科学认识主体中引起信息效应 从科学理论发展的总体过程看 只有发现了原有理论不能解决的问题时 人们才会去修正 补充它 或着手建立新理论 在这个意义上可以说 问题既是旧理论的终点也是新理论的起点 目前我们的基本看法 问题 解答模式问题猜想检验科学事实或规律 理论的确立这种模式比较接近科学技术认识活动的实际 说明 把问题作为科研工作的起点 是针对特定的研究课题 目的 而言的 实际的科研工作中 不可能孤零零的提出一个毫无积累的题目来做的 或者过去有经验 或者有一定数据 或者有一定的理论 文献 准备 这些积累对新提出的课题或者有启发 或者有指导 甚至作为一部分加入新课题 但是历史的积累都不能计入新课题 2科学问题概念 一定时代的科学认识主体在当时的历史条件下提出的科学认识和科学实践中需要解决的矛盾 科学问题的条件A能否在实践中检验 与信仰问题区别 B科学问题是时代的产物 与常识问题区别 是在一定的知识背景下提出的 运用已有的知识背景进行解答 一个问题是否有科学意义 在不同的知识背景下 回答是不同的 点金术 问题 例如所谓的 点金术 问题 在中世纪炼金术的知识背景下被认为是有意义的 而在原子论化学的知识背景下则毫无意义 但在20世纪核物理知识背景下 它又变成有意义的并且于1919年被卢瑟福首次解决了 有些问题由于受目前知识水平限制 一时尚无法进行研究 还不能称为科学问题 只有在一定历史条件下 才能成为科学问题 追溯宇宙起源的问题 在古代科技水平下 只能用盘古开天辟地的神话或上帝创世说的神学理论来回答 直到20世纪初 由于广义相对论的创立和天文观测的新发现 河外星系谱线红移 对宇宙起源有了理论和事实的依据从而成为一个科学问题 1948年 伽莫夫在广义相对论提供的膨胀宇宙模型中 进一步引入了基本粒子理论和核物理理论加以研究 对宇宙起源这一问题做出了较为有说服力的回答 1900年希尔伯特的23个问题 再如1900年希尔伯特提出的的23个问题 极大地推动了20世纪数学的发展 希尔伯特 D Hilbert David 1862 1943 德国数学家 对二十世纪数学有深刻影响的数学家之一 他领导了著名的格廷根学派 使格廷根大学成为当时世界数学研究的重要中心 并培养了一批对现代数学发展做出重大贡献的杰出数学家 在1900年巴黎国际数学家代表大会上 希尔伯特发表了题为 数学问题 的著名讲演 他根据过去特别是十九世纪数学研究的成果和发展趋势 提出了23个最重要的数学问题 这23个问题通称希尔伯特问题 后来成为许多数学家力图攻克的难关 对现代数学的研究和发展产生了深刻的影响 并起了积极的推动作用 希尔伯特问题中有些现已得到圆满解决 有些至今仍未解决 这23个问题分属四大块 第1到第6问题是数学基础问题 已全部解决 第7到第12问题是数论问题 解决了2个 第13到第18问题属于代数和几何问题 已全部解决或基本解决 第19到第23问题属于数学分析 23个问题中 15个已经得到解决和基本解决 4个有进展 3 问题的结构 问题的指向 问题所指的研究对象研究的目标 对指向的目标进行研究问题的解答域 答案范围 4 科学问题的预设预设 本是自然语言逻辑的一个基本概念 指在交际中交际双方没有言明却又共同接受的事实或命题 科学问题的预设载负在指向和解答域中 分为 A本体预设B方法论预设 问题自身所认定的解答范围和方法包括 全域型 类域型 特域型 预设对科研的影响本体论预设是对问题的一种定向 本论预设限制科学研究者的认识域 其正确与否影响着科学研究的成功 如以太风方法论预设对科学研究有指示性影响 指明方向 确立范围 正确 具有诱发性功能 错误 误入歧途方法论预设的详略关系影响着对科研指导的强弱 越具体 指向愈明确 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是一个数学上的或实验上的技能而已 而提出新的问题 新的可能性 从新的角度去看旧的问题 却需要有创造性的想象力 而且标志着科学的真正进步 爱因斯坦 5来源1 从实践之间的矛盾提出问题2从科学实践与科学理论的矛盾中产生问题 原有的科学理论不能解释新的现象 新的事实时 便产生了矛盾 也产生了需要探讨的问题 3 从科学理论内部矛盾中产生问题 一种理论或一个概念 如果能从中推出逻辑矛盾 那就表明其中存在着需要进一步探讨的问题 悖论从广义上说 凡似是而非或似非而是的论点 都可以叫做悖论 从狭义上说 悖论是从某些公认正确的背景知识中逻辑地推导出来的两个相互矛盾 或相互反对 命题的等价式 即p p或p p p q或p q 其中p与q是两个相互反对的命题 4 从不同学派理论之间的矛盾中产生问题5 社会需要与现有技术手段不能满足需要的矛盾中产生问题 6 科研选题 进行科学研究最重要的工作便是科研选题 1 科研选题关系到科学研究的方向 目标和内容 具有战略意义 能否摸准科学发展的脉络 确定主攻方向 无论对一个国家的科学发展 还是对个人的科学研究成就 都是关键性的因素 2 科研选题直接影响到科研的途径和方法 决定着科研成果的水平 价值和前途 科学史表明 具有开拓性和创造性的科研选题 能保证科研水平的提高 取得有价值的成果 而错误的选题 则往往造成不必要的浪费 甚至断送科学家的前途 3 科研选题还决定着科研工作的 多助 或 寡助 直接影响到科学研究的工作环境 那些社会实践急待解决 对人们生活带来重大方便的课题 会得到社会的广泛支持和援助 总之 无数事实表明 无论是国家 集体或个人的科学研究活动 若想取得重大的研究成果 除了人员素质和必要的物质条件外 选题是一个关键因素 科学学奠基人贝尔纳强调 课题的形成和选择 无论作为外部的经济要求 抑或作为科学本身的要求 都是研究工作中最复杂的一个阶段 一般来说 提出课题比解决课题更困难 所以评价和选择课题 便成了研究的起点 科研选题基本原则需要性原则和价值原则科研必须满足社会需求和学科自身发展的需求 若有余力 建议从兴趣出发 创造性原则即要充分利用前人的成果 又要在前人的基础上提高 科学性原则选题要有一定的科学理论和事实作为依据 把课题置于科学背景之下 可行性原则选题应与自己的主客观条件相适应 二 科学事实的获取1科学事实是科学研究的经验基础通过观察 实验等实践活动 借助于一定语言对特定事物 现象或过程的描述和判断 分二类 一类是客体与仪器之间相互作用结果的描述 另一类是对观察实验所得结果的陈述和判断 科学事实个体性可重复性比较系统渗透着理论 2 观察和实验是获取事实的手段观察方法指观察者不干预自然过程下 进行观察与测量 实验方法指观察者干预自然过程进行观察与测量 有一个共同点 都是研究工作者有目的 有计划的活动 解题活动 区别 人为控制 干预自然对象 更有利于发挥人的主观能动性 观察和实验两者相依存 观察是前提 实验是观察的发展 在现代科学认识中 两者密不可分 实验方法有特殊的优点 1 实验能简化 纯化以至强化自然过程 通过仪器设备把所要研究的客体孤立或隔离出来 排除其它的现象 过程等起干扰作用的因素 在纯粹的状态下观察客体的变化进程和规律 把要研究的客体置于人工控制的极端状态或极限状态 如在超高温 超低温 超高压 超高真空 超强磁场 等状态下观察客体性能的变化 也可以加速或减缓自然过程 来推测自然过程的原貌 2 实验可以模拟研究对象的运动过程 从而认识对象的性质 3 通过仪器设备控制客体的有关因素 可以同时固定一些因素和变化一些因素 可以加进一些因素或减去一些因素 用有意识地变换和组合各种因素的办法 分别观察和揭示各因素之间的因果关系 4 可靠性 经济性 科学技术工作者对自然过程进行观察与实验 目的在于获得科学事实和经验关系 所谓经验规律一般指表示科学事实之间的某种相关性 例如开普勒的行星运动三定律 波义尔 马略特定律 PV C 3 观察中的注意事项观察中渗透理论观察需要使对象和观察着的感官相互作用 产生图像 但观察不等于感官的感觉图像 要使认识发生 还必须对感觉图像加以组织 认知科学的研究也确认 人们的知识背景决定了他能观察到什么 观察者的观察能力与他本身的理论水平密切相关 观察什么和怎样观察客观上受到观察者理论背景的制约 你能不能观察眼前的现象 取决于你运用什么样的理论 正是理论决定什么是可以观测的 爱因斯坦 观察中的机遇 在历史上重大的发现差不多都是机遇带来的结果 出现机遇的可能性还是有迹可循的 1 对机遇要有思想准备 观察者对所进行的观察的背景知识要有彻底的理解 观察实验要细致认真 不放弃任何一点一滴的可疑之处 2 对必然性和偶然性要有正确理解 在观察中确实存在偶然的失误 那种属于非本质 无规律性的现象当然应当剔除 但是在偶然性寓有必然性 就看观察者能否有预感 能否抓住 4 观察的客观性原则 辩证唯物主义 客观事物本身是客观存在的 它决定了观察的客观性 要注意几项原则 A实践来检验 实验中发生的情况或事件能够被多个观察者重复检验 一般来说 就保证了科学实验结果的客观性 因为观察者的主观的偶然的失误都很容易在重复的实验过程中暴露出来 并加以消除 一个实验被复核重演的次数越多 也越显示其客观性 B长期性 全面性要求观察者 必须把与目标相关的所有事实 都纳入视野 这样一来 也就要求实验观察要连续 数据要完整 记录要客观 C选取典型对象D使用先进 精密的仪器 这是保证观察客观性的物质基础 由于仪器精度和可观测范围的扩大 就能更准确地记录客体运动的状态 提高观察的客观性 E以正确的理论为指导 这类理论能提供正确的概念系统 推理规则和消除假象与误差的方法 从而把日常观察中模糊不清的现象变得清晰起来 三 科学假说的形成假说是通向理论的必经环节构成 事实基础 背景理论 对现象 规律的猜测 推倒出的预言和预见 特点 科学假说是科学性和假定性的统一 抽象性与形象性的统一 多样性与易变性的统一 科学假说形成的前提条件A一致对应性在科学发展常规时期 假说应与经实验检验的理论相互支持 革命时期 新的假说向传统理论提出挑战 但同时还应继承已有理论中的合理内容 B可解释性C可预测性假说具有更丰富的检验蕴涵 3形成假说的方法经验定律型假说形成的主要方法是概括通常以经验概括 偶适概括 开始 完成于与演绎方式结合的定律概括 经验概括以不完全归纳方式进行大量随机现象 主要应用统计概括的方法 知识的本质是概括 发现的艺术就是正确概括的艺术 赖欣巴赫 理论定律型假说形成的方法是溯因和猜想 溯因是由结果回溯原因 模式是 1相关的经验定律L2如果H 设定的原理型假说 为真 则L可被解释3所以有理由H认为为真 科学假说向理论转化的条件A解释性条件把假说运用实践 如果愈来愈多的事实和这个假说相符合 并且没有任何已知事实与之矛盾 就证明这个假说是客观规律的正确反应 B预见性条件如果假说作出的科学预见得到实际的证实那么标志着假说已经转化为理论 提出判决性实验 在对立的两个假说之间 设计一个或一组观测或实验来证实哪一个具备预见性或更确切说 证实哪一个不具备预见性 四科学理论经过实践检验具有客观真理性的系统化了的科学知识体系 1基本特征客观真理性 基本特征基本条件 建立这一理论所凭借的事实材料必须是经过实践复核且证明是真实的 根据这些事实材料所提出的假定性规定已经得到实践确认 并经得起实践的进一步检验 根据这种理论所作出的科学预见已在实践中得到证明 普遍性系统性逻辑性2功能l解释功能 揭示存在事物的本质l预见功能 解释类型 因果解释 概率解释 结构解释 用之解释系统某些属性 功能解释 把系统的某个因素看作是系统正常功能的必要条件通过阐明这个因素所实现的功能 帮助人们增加对系统总体的认识 起源解释 揭示各种作用如何使一个系统转变为时间较晚的另一个系统 五 科学思维主要形式抽象思维和形象思维 抽象思维的细胞是概念 用概念揭示事物的本质 表达认识的内容 又以概念为基础进行判断和推理 它是抽象反映事物本质和规律的思维活动形象思维 是在形象地反映客体的具体形状或姿态的感性认识基础上 通过意象 联想和想象来揭示对象的本质及其规律的思维形式 形象思维与逻辑思维的区别l逻辑思维的 细胞 是抽象的概念 而形象思维的 细胞 则是形象的意象 意象是对同类事物形象的一般特征的反映 l形象思维过程的一般形式是运用意象进行联想和想象 而不是象逻辑思维那样运用概念进行判断和推理 联想和想象 格莱特与纳米材料 收敛思维和发散思维收敛思维的特征是根据已有的理论和方法 按照严格的程序进行发散思维的特点是开阔思路 从不同的方面进行思考 从不同的途径进行探索 甚至标新立异 不受传统思想观念的约束 不受已有理论和方法的束缚 直觉思维瞬间达到对事实本质的领会 如牛顿发现万有引力定律就充分体现了直觉思维的这种特点 有一天 牛顿在苹果园中看见苹果坠地时 突然找到了解决引力问题的线索 这一发现过程如下图所示 地球月球苹果重力万有引力牛顿由苹果因重力作用落地想到 这一现象和月球绕地球运动不是很相似吗 既然前者是重力作用 那后者可能是万有引力作用 两种现象都是有一种吸引的力量在起作用 由此 牛顿提出了著名的万有引力定律 从中 我们看不到演绎推理的踪迹 因为 从前提苹果 月球 重力作用跳到万有引力作用是非逻辑的 结论中出现了已有前提知识系统中所没有包含的新东西 显然这里也不存在归纳推理 直觉思维的本质特征 认识获得的直接性 研究者直接领悟对象及其本质 完成思维过程的质变 而无须经过一步步逻辑的中介 认识产生的突发性 直觉思维的产生往往是一瞬间的事 思维者对所进行的过程无法作逻辑解释 认识成果的突破性 直觉思维能打破常规思维定势和逻辑规则的束缚 从而得到创新性的科学发现 阶段性 1 独上高楼 望断天涯路 2 衣带渐宽终不悔 为伊消得人憔悴 3 众里寻它千百度 蓦然回首 那人却在灯火阑珊处 创新思维 所使用的方法 大体是综合应用逻辑思维和非逻辑思维 其中非逻辑思维为主 非逻辑思维除强调打破逻辑常规外 特别强调思维的发散性 发散和收敛相结合 非逻辑思维的主要形式是想象与直觉 科学思维的方法1演绎方法在形式逻辑中 是在一般中进一步认识个别的思维方法 现在还包括以演绎推理为基础的证明和公理方法 建立逻辑必然的知识体系 特点是前提和结论之间的联系具有蕴涵关系 或者说前提和结论之间具有必然联系 2非演绎方法具有或然性分析和综合归纳和概括归纳是由个别或特殊推到一般的方法 一般分为完全归纳法和不完全归纳法 后者又分为简单枚举归纳法和科学归纳法这种方法最早由亚里士多德提出 近代以后又有了很大的发展 如培根和穆勒 概率引入归纳法如卡尔纳普的确证度概念扩大归纳法方面 有统计推理 一般用随机样本的属性来对样本所属的总体的属性进行预测和推断合情推理 具有灵活性创造性每当理智缺乏可靠的思路时 类比这个方法往往能指引我们前进 康德 局限 类比推理的客观基础是事物之间存在普遍联系的本性 但类比方法毕竟是扬弃了未知的 或不甚清楚的 中间环节 而从此一事物径自推出彼一事物的判断 所以在逻辑上总是或然性的 如果两事物本质上相似 则结论的可靠性更大一些 思想模型方法 通过建构和研究思想模型来认识未知研究对象的方法从比较熟悉的相似物出发 在思想中摹写或描述研究对象的性质 结构 功能或运行规律 这样猜想出来的摹本 蓝图就是思想模型 如时空弯曲模型板快构造模型 在科学理论的发现过程中 通过建构思想模型来推断现象背后的实体和运动 这是这一方法的实质 可将思想模型分为 性质相似 结构相似 功能相似 形式相似思想模型 所使用的方法 大体是综合应用逻辑思维和非逻辑思维 其中非逻辑思维为主 非逻辑思维除强调打破逻辑常规外 特别强调思维的发散性 发散和收敛相结合 非逻辑思维的主要形式是想象与直觉 创造性思维是各种智力因素和各种良好的非智力因素有机结合的结果 培养和提高创造性思维能力 一方面要训练和强化有关智力因素的能力 另一方面要尽力发挥有关