第五章科学认识的形成

第五章科学认识的形成1第1页，共62页。本章主要探讨科学认识过程中科学问题的提出以及科学事实、科学定律和科学假说形成的方法论问题。第一节科学问题的提出第二节科学事实的获取：观察和实验第三节科学假说的形成2第2页，共62页。学习科学方法论的意义（1）、可以提供科学认识途径上的启发和借鉴；（2）、可以提供科学研究方向上的指导；（3）、可以提高科学素养，增加才干，培养科学鉴赏力；（4）、可以早出成果、多出成果。3第3页，共62页。科学研究的一般程序科学始于问题观察实验假说理论观察渗透理论逻辑和非逻辑思维检验归化收集科学事实4第4页，共62页。科学认识的一般程序：1）选题；2）获取科学事实；3）进行思维加工，形成科学假说；4）验证；5）建立理论体系。5第5页，共62页。第一节科学问题的提出一、科学研究的起点—科学问题(一)科学问题的含义(二)理解科学问题应注意的问题(三)科学问题的来源(四)科学问题的解决二.科研选题及步骤(一)科研选题的含义(二)科研选题的一般步骤(三)科研选题的基本原则6第6页，共62页。一、科学研究的起点—科学问题在科学研究或认识的起点问题上有两种不同的观点：（如培根FrancisBacon(1561~1626)等人所主张的）归纳主义的科学方法论认为，科学研究是从观察和搜集材料开始的，然后经过归纳上升到理论证伪主义者波普尔(KarlRaimundPopper，1902~1994)则明确提出：科学研究（或认识）始于问题而不是观察（科学发展的四阶段模式：P1（问题）→TT（提出试探性的理论）→EE（消除可能的错误）→P2（新的问题）7第7页，共62页。波普尔理论先于观察波普尔认为归纳主义的科学始于观察与科学发展实际不符，因为漫无目的的观察并不存在。观察是有目的的选择性的，如1919年爱丁顿观察日蚀，其目的是检验广义相对论。在观察中必须有理解：如格式塔中的鸭兔实验。科学始于问题理论是对大自然的普遍性猜测，大胆猜测。爱因斯坦提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅仅是一个数学上的或实验上的技巧而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看待旧问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。8第8页，共62页。(一)科学问题的含义科学问题是指一定时代的科学认识主体在当时的知识背景下提出的关于科学认识和实践中需要解决而又未解决的矛盾，它包含一定的求解目标和应答域，但尚无确定答案。一定时代的知识背景决定着一个问题是否有科学价值（是否是科学问题）以及科学问题的内涵深度和解答途径。

问题引导着科学研究或科学认识的整个过程——问题既是旧理论的终点，也是新理论的起点。人们总是以问题为框架和指导有选择地搜集事实材料的。9第9页，共62页。(二)理解科学问题应注意的问题1、区别科学问题与无知性问题，科学问题与虚假问题所谓无知性问题是指对科学背景的无知而提出的问题，这些问题不是产生于对知识的分析。所谓虚假问题是既不能证实又不能证伪，不能由经验事实回答的问题。这类问题不是科学研究的范畴。2、科学问题与科学认识主体的“欲求”以及智能状况相联系，自然界或自然物本身并不存在什么“问题”。3、科学问题的提出并不是孤立的，而是有结构的，它蕴含着问题的指向、研究的目标和求解的应答域。求解的应答域：在问题的论述中所确定的域限，并假定所提出的问题的解必定在这个域限之中。

10第10页，共62页。(三)科学问题的来源1、从科学实践与科学理论的矛盾中产生问题电子发现与原子不可再分的矛盾；黑体辐射的实验事实与经典物理学的能量连续理论不相容2、从科学理论内部的矛盾中产生问题悖论：无穷小悖论、康托悖论；佯谬：麦克斯韦妖佯谬、薛定锷妖佯谬、光度佯谬、引力佯谬3、从不同理论之间的矛盾中产生问题光的波动说与微粒说；原子理论；熵增与熵减；日心说/地心说；渐变论/灾变论4、从寻求经验事实之间的联系和统一解释的需要中产生问题5、从各个知识领域的空白区产生问题6、从社会需要与现有生产技术手段不能满足这种需要的矛盾中产生问题11第11页，共62页。(四)科学问题的解决科学问题的转移1、试探性的理论或假说被证实时2、理论或假说被证伪时3、问题被证明不可解时，引出新问题4、研究过程出现新的线索和新的机遇，产生新的问题5、一些被认为已经解决了的问题，被重新提出来而成为新问题12第12页，共62页。二.科研选题及步骤(一)科研选题的含义科研选题是形成、选择和确定所要研究和解决的课题。科研选题是科学研究的起始步骤，它关系到科学研究的方向、目标和内容，直接影响科研的途径和方法，决定科研成果的水平、价值和发展前途。因此，提出课题比解决课题更困难更关键。13第13页，共62页。科学问题与科研选题的联系和区别1、科学问题和科研选题都需要探索研究，这是两者的共同之处，区别在于前者在不违背科学原则的前提下，凭着直觉和想象可以自由发问；而确定的研究课题，是从诸问题中遴选出来的付诸实践的问题，它要具体复杂得多。2、问题的提出是多方面的、发散式的，但课题的确定则是收敛式的思考问题。3、二者对科学工作者具有不同的责任感和使命要求。14第14页，共62页。(二)科研选题的一般步骤1、搜集科技情报这是科研选题的第一步。对所要研究的问题的产生、现状和发展前景进行详尽的考察，从而充分了解前人的工作及其经验教训，以免重犯他人已指出的错误和重复他人已作过的工作，恰当的确定自己的研究起点。例：DNA双螺旋结构模型的发现2、课题设计在搜集科技情报的基础上，对研究材料进行分析、比较，概括出需要研究的课题并提出选题报告。课题设计的水平在很大程度上决定了研究成果的水平。例：链霉素治疗肺结核3、课题论证这是选题过程的最后关键环节。实际上就是对课题或方案进行可行性分析。例：美国的登月计划4、课题确定这是一个综合评估的过程。课题评估一般采用同行专家评议与管理部门决策相结合的方法。15第15页，共62页。(三)科研选题的基本原则1、需要性原则所选定的课题必须着眼于社会实践的需要获科学发展本身的需要。例：杂交水稻2、创造性原则所选择的课题要有创新性，它应当是前人所没有解决或没有完全解决而预期能出新成果的科学问题。例：非欧几何的诞生3、科学性原则课题要有一定的科学理论和科学事实为依据。“珠子模型”4、可行性原则又叫现实可能性原则。指在选定科研课题时必须考虑完成课题的主观和客观条件。例：爱因斯坦的“统一场论”16第16页，共62页。第二节科学事实的获取：观察和实验观察和实验是获取科学事实的基本方法。1.科学观察2.科学实验3.观察实验中的重要认识论问题17第17页，共62页。在一定理论思维指导下，通过感官或借助科学仪器，在自然发生的条件下有目的、有计划地感知研究对象，以获取科学事实。按观察的方式来分，有直接观察和间接观察。直接观察：凭借感官直接进行的观察①、优点：简单、直接、受客观条件限制少、可随地进行等。②、局限性：感知范围极有限；精度低；观察速度受限：高速或低速变化人无法感知；感官错觉间接观察：引入仪器1.科学观察科学观察18第18页，共62页。⑴获取科学事实的一种重要手段：为科学假说的提出和科学理论的形成提供第一手原始材料；为验证科学假说和理论提供事实根据。1）科学观察在科学研究中具有重要作用⑵可导致新的技术发明。19第19页，共62页。2）科学观察应坚持的基本原则(1)坚持科学观察的客观性原则排除先人之见的干扰。排除假象和错觉造成的干扰。例：温差错觉(2)坚持科学观察的全面性原则避免和克服片面性。做到观察的系统性注意观察的条件性。(3)坚持科学观察的典型性原则例：摩尔根的贡献20第20页，共62页。

无论是直接观察还是间接观察，本质上都是自然观察。①由于自然观察是在不改变对象的自然状态下进行的观察，这就使得观察对象的许多重要的、隐蔽的、内在的属性无法显示到科学仪器上或者直接呈现到人的感官面前，因而它们就不能为观察者所认识。②自然观察只适合用于那些能够重复出现或变化不太急剧的现象和过程，而对于那些事过境迁、转瞬即逝或不能重复的自然现象和过程，则不能单纯使用它。观察的这两个局限性，在实验中得到了克服。居维叶：“观察者听命于自然界，而实验者则质问自然界，并迫使自然界坦露她的奥秘”。21第21页，共62页。根据一定的科学研究目的、运用一定的物质手段、在人为控制或变革客观事物的条件下获得科学事实。实验是在人为控制条件下观察客体的，因此比观察能获得更精确可靠的科学事实。2.科学实验科学实验22第22页，共62页。⑴依据测量手段的不同，可将实验分为定性实验与定量实验。⑵依据实验手段是否直接作用于实验对象，可将实验分为直接实验与模拟实验。1）根据不同的标准可对实验作不同的分类：⑶依据实验的直接目的的不同，可将实验分为探索性实验、验证性实验、析因实验、对照实验、判决性实验等。23第23页，共62页。⑶再现、加速或延缓、模拟研究对象及其变化过程。⑵强化、激化研究对象，在极端条件下揭示对象的本质和规律。2）科学实验在科学技术研究中的作用⑴简化和纯化研究对象。⑷一种经济可靠的认识和变革自然的方法。24第24页，共62页。科学实验的上述特点与作用，使它逐步发展成为一个相对独立的社会实践领域。在其中，实验手段、实验装备同实验工作者及其所用的实验方法一样对科技的发展起着重大作用，它们的革新也有可能带来科学上的重大进步。25第25页，共62页。一种间接实验，即先设计出反映对象属性的模型，然后用实验手段作用于模型，通过模型实验了解原型（对象）的性质及其运动规律，包括物理模拟、数学模拟和功能模拟。3）模拟实验方法模拟实验26第26页，共62页。在自然界中，许多不同质的系统在数学形式上具有相似性。例如：磁路和电路。这种统一性为数学模拟提供了客观基础。通过建立和研究客观对象的数学模型来揭示对象本质特征和变化规律。数学模拟以原型的数学形式相似为基础的模型（对研究对象的数量关系、逻辑关系和空间关系的模拟）。（最重要的思想模型。）27第27页，共62页。从广义上说，一切数学概念、数学理论体系，各种数学公式以及由公式系列构成的算法系统等，都可称为数学模型。狭义的数学模型专指那些反映特定问题或特定事物系统的数学关系结构，具体表现为一组数学关系或一套具体的算法。28第28页，共62页。①抽取数量关系，用数学语言表述所要研究的问题，建立数学模型；③对数学模型解做出解释和评价，形成对实际问题的判断或预见。数学模拟的一般步骤：②对数学模型求解；29第29页，共62页。“数学实验”是在计算机上对系统的数学模型进行试验，以求得对原型的规律的科学认识的一种数学方法，也叫“计算机仿真”。“数学实验”——计算机仿真30第30页，共62页。①建立描述系统行为的数学模型，将其简化为计算机能做数值运算的形式；

③对“数学实验”结果进行分析，它的有效性一般能通过对实际系统的试验得到验证。“数学实验”的主要步骤：②设置初始条件，使模型在计算机上运转；31第31页，共62页。数学实验较之模拟实验，可以在更为理想的条件下进行，在实验因素和条件的选择、控制以及对结果的检验、评估、验证等诸多方面都有明显优势，因而越来越多的实验正被数学实验所取代。32第32页，共62页。3.观察实验中的重要认识论问题1）“理论渗透观察”问题2）科学仪器的认识功能及其局限性问题3）观察实验中的偶然性与机遇问题33第33页，共62页。1）“理论渗透观察”问题(一)古典经验主义的“纯观察说”(二)逻辑经验主义的“中性观察说”(三)历史主义的“观察渗透理论”(四)科学事实的发现有赖于科学理论背景的转换——一个重要的方法论思想34第34页，共62页。(一)古典经验主义的“纯观察说”

培根认为，观察是一种纯粹的感官反应活动，它不受任何理论因素的影响，在观察中也应该排除任何理论的影响，纯粹客观地进行观察。培根在《新工具》中认为，人类当务之急是清除扰乱人心的“四种偶像”，使“理智完全得到解放和刷新”。“种族的偶像”（把人的本性加于自然事物，如目的论）“洞穴的偶像”（人所受教育、社会环境的影响及个人习性形成的偏见）“市场的偶像”（在交往中，语词流行的庸俗用法产生的歪曲）“剧场的偶像”（盲目信仰权威、教条、传统的哲学体系和方法）。其次是改善人们在科学研究中的手段，采用实验归纳法。自然的奥秘在实验中往往比在自然发生时更易暴露出来，因此，在获得知识方法，要靠观察和实验，而在整理和发展知识方面，需用归纳法。35第35页，共62页。洛克把观察看成是消极、被动、纯感官的生理反应过程，观察就是人们对客体的感觉过程。他提出了有名的“白板说”。“如果某人的视网膜上有正常形成的太阳映象，则他就看到了太阳”。赫胥黎：“你们要象一个小学生那样坐在事实面前，准备放弃一切先入之见，恭恭敬敬地照着大自然指的路走，否则，就将一无所得。”纯观察说实质上把观察过程等同于纯粹的生理反应过程，即把观察看作类似于摄影机镜头的物理成像状态。36第36页，共62页。(二)逻辑经验主义的“中性观察说”逻辑经验主义者卡尔纳普的关于科学知识的“两层语言模型”，集中体现了这一看法。

观察名词

观察语言

观察陈述“观察语言运用标示可观察属性和关系的语词来描述可观察的事物或事件”，由观察名词（红的、木头、椭圆轨道）和观察陈述（这朵花是红的，这张石蕊试纸浸入此溶液后成红色）组成。它是单称经验命题，反映个别对象的性质。

理论名词

理论语言

理论陈述理论语言由理论名词（不可观察的，如电子、电荷、夸克、电磁场）和理论陈述（“所有的物体都相互吸引，吸引力的大小与它们的质量成正比，而它们之间的距离平方成反比”）组成。理论语言必须借助一个解释语义的语义规则系统，从观察语言获得其意义。科学语言37第37页，共62页。逻辑经验主义者相信，观察语言是不受任何理论影响的，因为理论语言的意义依赖于观察语言。在没有从观察语言中获得经验内容之前，理论语言是没有意义的。现在我们已经知道，中性观察者忽视了观察主体的理论结构对观察活动的深刻影响。38第38页，共62页。(三)历史主义的“观察渗透理论”1958年美国科学哲学家汉森在《科学发现的模式》中认为，持不同的理论观点的人可能会对同一对象形成不同的观察结果。如开普勒和第谷看到的并不是同一个太阳。这是因为：眼睛从观察对象得到光刺激而形成视网膜印象，这是物理过程，而“看到”是一种观察经验，属于心理过程，它已把外来刺激与过去认识（包括理论和经验）溶为一体。人们对感觉材料首先的反应，是有意无意地以一种概念模式去套，使它适用于自己过去较为熟悉的材料，从而使各人对同一对象的反应有各种程度的差异。类似于格式塔心理学（完形心理学）。39第39页，共62页。40第40页，共62页。41第41页，共62页。哲学分析：

观察作为一种认识活动，存在着观察主体和观察客体的相互关系。一方面，观察主体影响着观察中主体与客体的一致，即观察主体不是通过视觉器官被动地接受客体的信息刺激，观察主体如何接受，接受那些客体信息及如何整理客体的信息，都受着观察主体中理论结构的影响。（需要说明的是，观察客体本身与观察主体所认识的观察客体的界限。观察客体本身并不会因理论结构的改变而改变，改变的只是观察主体所认识的观察客体。）另一方面，客体是观察主体进行观察活动的对象，观察主体与观察客体的一致是观察的客观要求。这里，客体是第一性的，主体是第二性的。

客观上观察是受理论结构的影响的观察；主观上又要求在观察中排除理论的消极影响，这两者在具体观察认识活动中的结合与相互作用，则体现了真实的观察认识活动的发展过程。42第42页，共62页。“观察渗透着理论”的观点更合理，也更合乎实际。①观察不仅是（有选择地）接受信息的过程，同时也是（有意识、有目的地）加工信息的过程；②观察陈述总是用科学语言表述出来的，而科学预言总与特定的科学理论联系着。43第43页，共62页。理论在观察中起着“定向”或“导向”作用，引导观察者有选择地接受客体信息，又起着“加工改造”作用，帮助观察者理解观察到的是什么。爱因斯坦：“是理论决定我们能够观察到的东西”，“只有理论，即只有关于自然规律的知识，才能使我们从感觉印象推论出基本现象”。44第44页，共62页。(四)科学事实的发现有赖于科学理论背景的转换

———一个重要的方法论思想

我们承认观察渗透理论，就必然进一步认识到人们决不能脱离理论背景而抽象的看待科学事实的发现。氧化说瑞典药剂师舍勒1773年首先通过分解硝酸盐、氧化物、碳酸盐等制得了氧气。由于坚持燃素说，他认为燃烧是空气中的这种“火气”与燃烧物中所含燃素相结合的过程。1774年英国化学家普里斯特利独立分解出氧，但命名之为“脱燃素空气”。拉瓦锡：摆脱燃素说，认为燃烧是可燃物与氧发生化合的反应，于1777年正式提出燃烧的氧化学说。库恩认为，在哥白尼之后的天文学家，由于理论框架不一样，他们实际上生活在不同的世界里。视而不见与先入之见。45第45页，共62页。2）科学仪器的认识功能及其局限性问题(1)科学仪器的认识功能科学仪器具有延伸人的感觉器官的功能科学仪器能帮助人们改进认识能力电子计算机使观察和实验更加智能化(2)科学仪器认识功能的局限性科学仪器的间接观察不如直接观察直观运用仪器观察也可能导致错误的观察结果运用仪器还可能干扰观察对象46第46页，共62页。3）观察实验中的偶然性和机遇问题科学观察实验是人们在一定的理论指导下认识未知的实践活动，具有明确的目的性、高度的组织性和严密的计划性；另一方面由于人们的观察只能建立在已有的认识基础上，难免具有一定的不确定性、意外性。而这种意外，有时却能导致重大的科学发现。（1）、机遇即能够导致发现的机会。是一种意外和偶然。47第47页，共62页。在科学实践过程中由于意外的事件导致科学上的新发现，称为机遇。机遇是相对于原来预定的研究计划和目的而言的，它的最大特点就是意外性。意外的偶然发现有可能加快研究进程而达到预期的目的，也有可能改变原来的研究方向和目的，而导致新的、更重大的科学发现。48第48页，共62页。1839古德义尔橡胶的硫化技术。1844贝尔电话1895伦琴X射线。1899年冯梅林与明可夫斯基：胰脏与糖尿病。袁隆平：野生稻种/杂交水稻。49第49页，共62页。能否抓住机遇并做出新的重大的发现主要取决于：①科学认识主体对待机遇的态度，而后者又取决于他对偶然性与必然性及其关系的理解。②科学认识主体是否有必要的及时发现问题的认识能力上的准备。50第50页，共62页。（2）、机遇性发现的类型①、同向性发现与原有理论（假说）相一致的发现。如海王星，填补化学元素周期表空格的各种元素的发现，正电子的发现等等②、背向性发现与原有理论或预言相反的发现。如迈克尔逊—莫雷实验，卢瑟福a粒子散射实验。③、异向性发现与原有理论或假说预言毫不相干的发现，射马得獐。伽伐尼关于生物电的发现，伦琴关于X射线发现，彭齐亚斯的微波背景辐射的发现。51第51页，共62页。（3）、机遇性发现的条件要有严密观察的良好习惯和较强的洞察力达尔文观察野鸭和家鸭/密立根1910年油滴实验，测量电荷，但他指出有一个电荷为电子电荷的2/3——是不是一个夸克？要有广博的知识和经验1609里波斯//伽利略的望远镜有敏锐的思想，丰富的想象力和判断力

巴斯德“在观察的领域，机遇只偏爱那种有准备的头脑”。弗莱明青霉素/伦琴//约里奥·居里误把中子当成高能r射线勇于探索、勤于尝试，不局限于传统观念和步骤

詹纳并不是第一个给人种牛痘以预防天花的人，达尔文并不是第一个提出进化论的人；巴斯德也不是第一个提出疾病的细菌学说。哥白尼52第52页，共62页。第三节科学假说的形成1.形成科学假说的方法论原则2.经验定律型假说的形成方法3.原理定律型假说的形成方法53第53页，共62页。

假说不应与经过检验的科学理论相矛盾。

假说应当与已知的经过实践复核的事实相符合，不仅能解释个别事实，而且能解释该领域已知的全部事实。1.形成科学假说的方法论原则1）对应原则2）解释性原则3）可检验性原则（可预测性）

提出的假说必须能用观察、实验加以检验，从而判定它的真伪。54第54页，共62页。经验定律真正提供了科学事实，才名副其实地构成科学的基础。经验定律是对某类现象共同性质和特征或若干类现象之间因果联系的普遍化