闫坤如：科学发现与研究方法

科学发现与研究方法闫坤如教授

华南理工大学E－mail:yankunru@163.com推理推理是根据一个或一些判断推出另一个新判断的思维形式。例：所有的商品都有使用价值，粮食是商品，所以，粮食是有使用价值的。推理由三部分组成：前提、结论、推理形式。演绎法由一组公理推导出一个知识体系，或是从一个一般性原理推演出个别结论的思维方法大前提，小前提和结论构成例如：所有金属都是导电的铁是金属所以，铁是导电的演绎法的要求前提真实推理形式正确如果我有一千万，我就能买一栋房子。

我有一千万吗？没有。

所以我仍然没有房子。

如果我有翅膀，我就能飞。

我有翅膀吗？没有。

所以我也没办法飞。

如果把整个太平洋的水倒出，也浇不熄我对你爱情的火焰。

整个太平洋的水全部倒得出吗？不行。

所以我并不爱你。

中国人是勤劳勇敢的懒汉朱八戒是中国人，所以，懒汉朱八戒是勤劳勇敢的。周星驰的电影是一天看不完的，《大话西游》是周星驰的电影，所以，《大话西游》是一天看不完的。运动是能增强人们体质的，

延安整风运动是运动，所以，延安整风运动是能增强人们体质的所有的蛇都是有毒的眼镜蛇是蛇所以，眼镜蛇是有毒的韩国人爱吃酸菜，翠花爱吃酸菜，所以，翠花是韩国人。研发人员都是努力工作的人，他是努力工作的人，所以，他就是研发人员。金子是闪光的，金子是金属，所以，金属是闪光的。所有成功人士都要穿衣吃饭，我不是成功人士，所以，我不必穿衣吃饭。所有的和尚都不是女性，程松波不是和尚，程松波是女性。所有的狗都不是猫所有的人都不是狗所以，所有的人都不是猫所有的狗都不是猫所有的猫崽都不是狗所以，所有的猫崽都不是猫有的大个子男人不会作诗有的诗人是大个子男人所以，有的诗人不会作诗所有的巧克力都是可以吃的，所有的烤鸭都不是巧克力，所以，所有的烤鸭都不是可以吃的。什么也没有女朋友好一分钱比什么也没有好所以，一分钱比女朋友好朋友值千金（朋友即财富）我们视金钱如粪土所以，我们视朋友如粪土演绎推理的前提的真实性经验论：莱布尼茨：理性的真理和事实的真理先验论：康德：分析命题和综合命题的区分约定论：彭加勒：科学定律或定理既非客观的也非先验的，而是人的一种主观约定归纳法从个别事实中概括出一般原理的思维方法它是一种推理形式由前提和结论两部分构成分类：完全归纳法（结论可靠）不完全归纳法（结论不一定可靠）归纳法金是固体，银是固体，铜是固体，铝是固体，因此所有的金属都是固体。

蛇是用肺呼吸的,鳄鱼是用肺呼吸的，海龟也是用肺呼吸的，

蜥蜴是用肺呼吸的，

蛇、鳄鱼、海龟、蜥蜴都是爬行动物，所以，所有的爬行动物都是用肺呼吸的。归纳法：求同法在19世纪,人们对甲状腺肿大的病因还不清楚,后来医疗卫生部门多次组织人员对甲状腺肿大盛行的地区进行调查和比较研究,调查的材料表明,这些地区的人口\气候\风俗等情况虽然各不相同,然而有一个共同的情况,即这些地区的土壤和水肿缺碘,居民的食物和饮水也缺碘.于是,得出了结论:缺碘是引起甲状腺肿大的原因.某人晚上看了两小时书，喝了几杯浓茶，结果失眠了；第二天晚上他看了两个小时书，抽了许多烟，也失眠了；第三天晚上他看了两小时书，喝了大量咖啡，也失眠了。求异法一些动物在受伤后,往往单独躲在安静的地方,反复地用舌头去舔伤口.科学家做了这样的解释:受伤的动物用舌头舔伤口,就是为了使伤口早点愈合.

科学家做了一个有趣的实验.他把小白鼠分为两组:一组是正常的小白鼠,一组是用手术切除了唾液腺的小白鼠,这两组小白鼠只有这个情况是不同的,其余情况都是相同的.然后把他们都弄伤.结果是:正常的小白鼠的伤口愈合比切除了唾液腺的小白鼠快的很多.这个实验表明:唾液腺促使小白鼠的伤口愈合.

在新疆天山深处有一个解放军哨所，其驻地毒蛇很多，经常爬到房间里来捣乱，威胁到战士们的安全。战士们想了好多办法来对付，但效果都不大。有一次，战士们执勤路过当地一家哈萨克族人家里。在闲谈中了解到这家房屋中从来没有发现过蛇。战士们感到奇怪，经过多次观察，发现这家就是比哨所多鹅，其他居住条件完全一样。战士们又听附近群众说鹅能防蛇。于是，战士们就买四只鹅养起来。说来也真灵，自从养了鹅以后，哨所里再也没有发现过毒蛇。由此，战士们得出一个结论：鹅能防毒蛇。你对砍掉一条腿的青蛙说，跳，它跳你对砍掉两条腿的青蛙说，跳，它跳你对砍掉三条腿的青蛙说，跳，它跳你对砍掉四条腿的青蛙说，跳，它不跳求同求异并用法我国古代著名的医学家孙思邈注意到，得脚气病的往往是富人，穷人患此病的很少。他通过进一步的观察、比较后发现，穷人的劳作、生活等情况各有差别，但穷人的食物中多米糠、麸皮；富人的生活情况各有差别，但富人吃的精面、白面都是把糠、麸皮去得一干二净的。于是，他就试着用米糠治疗脚气病，果然灵验。共变法在有空气的玻璃罩内通电击铃，随着抽出空气量的变化，铃声越来越小，若把空气全抽出，则完全听不到铃声。可见，声音是靠空气传播的。

经研究发现，当水温在0度时，人可以在水中坚持15分钟，2.5度时，可坚持30分钟，5度时可坚持1小时，10度时可坚持3小时，25度可坚持24小时以上，水温越低，人在水中坚持的时间越短，水温越高，人在水中坚持的时间越长。剩余法居里夫妇在科学实验中为了弄清楚一批沥青铀矿样品是否会含有值得加以提炼的铀,对其中的铀进行了测定.他们惊奇的发现,这几块样品的放射性甚至比纯铀发放射性还强得多.这就明显的意味着这些青铀的矿石中还含有别的放射性元素.就是说,既然用纯铀的放射性不足以解释这一现象,就意味着其中还有剩余部分.他们通过进一步的研究,终于发现了这一剩余部分是沥青铀矿中含有一种新的放射性元素___镭.1781年，天文学家发现了天王星。那时候，天王星被认为是太阳系的最后一颗行星。天王星在运行过程中的位置总是和根据万有引力定律计算出来的结果不符。后来经过天文学家的观察，发现有几处的减速是因为受了其他行星引力的影响。但是还有一个地方减慢速度原因不明，根据已知几处减慢速度是受其他行星引力的结果，有人提出拿出原因不明的减慢速度，也是受其他行星引力的结果。稍后又经过许多科学家计算新星出现的实践和位置，果不其然找到了这颗新行星，它就是海王星。归纳推理是一种或然推理。归纳论证本质是不保真的论证。归纳推理能为我们提供一种可能性的结论。虽然归纳结论不是必然性结论，但毕竟为我们提供了一种选择，一种可供参考的意见，大大减少了工作的盲目性。在科学认识中，科学工作者不是单独地使用归纳方法，他们往往把归纳法和其他科学方法结合起来使用，这样可克服单独运用归纳法带来的局限。加拿大洛文教授为了弄清候鸟迁徙之谜，曾将秋天捕捉的几只候鸟，在入冬后，一部分置于白昼一天短于一天的自然环境里，另外的置于日光灯照射之下的仿照白昼一天天延长的人工环境里。到了12月间，将两种环境里的候鸟全都放飞，结果发现，日光灯照射的候鸟像春天的候鸟一样而向北飞去，而未受日光灯照射的候鸟却留在原地。据此，洛文教授认为：候鸟迁徙的原因不是气温的升降，而是昼夜的长短。1917年，美国的生理学家雅克洛布等人发现，在其他条件不变而气温正常变化的情况下，气温每降低8℃，果蝇的寿命可延长一倍。例如，果蝇在26℃的环境下活35～50天，在18℃的环境下大约活100天，在10℃的环境下可活200天。由此可断定，果蝇的寿命与气温有关。一个心理学家曾做过这样一次实验：他把一群生活条件相同、饲养方法相同的同种狗分成两组，对其中一组狗做手术切除它们的大脑皮层，另一组狗则不施这种手术。他发现，做了手术的那组狗失去了条件反射，未做手术的那组狗则有条件反射。那位心理学家据此得出结论：大脑皮层的作用是狗有条件反射的原因。国外有人对处于磁场中工作的546人进行了调查，发现这些人的年龄、爱好、饮食、生活习惯等各不相同，但手上的血管都扩张为红色，手指温度比肩部高出1-2℃，还出现大量的汗水。这显然是磁场造成的不良影响。我国古代一位著名医师发现某山区许多人得了一种“夜盲症”。白天视力正常，晚间如同盲人。他进一步观察分析后发现，穷人少吃荤，缺少其中某种成分，多得夜盲症，但同地区的富人多吃荤，不缺这种成分，不得夜盲症。他最后得出结论，少吃荤菜是得夜盲症的原因。1855年，德国夫顿堡矿业学院的矿物学教授威斯巴克发现了一种新矿石。他首先请当时著名化学家李比希对矿石作定性分析，发现其中含有银、硫和微量的汞等。后来，他又请文克勒做一次精确的定量分析，一方面证明李比希对矿物成分的分析是正确的，但另一方面又发现，把各种化验出来的已知成分按百分比加起来，始终只得到93％，还有7％的含量找不到下落。文克勒认为，既然已知成分之和只得93％，那么剩余的7％必定是由矿物中含有的某种未知元素所构成。于是，他对矿石进行分离和提纯，终于得到了新元素。科学发现的其他方法回溯推理类比科学隐喻科学直觉科学发现的方法——回溯从有待解释的观察出发，利用背景知识和试探性的构想，溯本求原地解释的一种方法推理形式：观察到了令人惊异的事实B；如果A是真的，B理所当然是真的；因此，有理由猜想A是真的。

q

P→q

所以，p1993年1月8日，上海青浦打火机厂在返修漏气的（丁烷）打火机15000余只后，在门窗紧闭（因天气寒冷）的工作间发生爆炸事故，造成17人死亡，3人轻伤。对其原因分析时可作如下回溯推理：工作间发生爆炸；如果工作间内的丁烷﹡气体达到爆炸极限，且遇明火，那么工作间就会发生爆炸；所以，工作间内的丁烷气体达到爆炸极限，且遇明火。人们观察到，每年3至7月，有一种名叫格鲁昂鱼的小银鱼随海潮涌上海滩来产卵，几分钟之内，随另一个涌上海滩的浪头游向海里；退潮之后，鱼卵被埋了起来；两三个星期之后，恰好是下一次海潮能涌到埋卵的地方的时候，孵化出的小鱼已发育到可在水中游弋觅食了。这时又正是另一批小银鱼随海潮涌上海滩产卵之时。这种现象作何解释呢？科学发现的方法——类比是根据两个(或两类)对象之间在某些方面的相似或相同，而推断它们在其他方面也可能相似或同一的一种方法。表达式：A有a、b、c、dB有a′、b′、c′—————————则B可能有d类比推理声和光有很多属性相同直线传播，有反射、折射和干扰等现象；由此推出：既然声有波动性质，光也有波动性质。类比推理茅草边缘有很密而且锋利的齿能划开硬物铁条边缘有很密而且锋利的齿所以，铁条也能划开硬物哈维描述了心脏的运动过程及其与脉搏的关系；强调心脏的功能是通过心室将血液从静脉运送到动脉，再通过动脉将血液分配到全身，在这一过程中，他还将心脏的功能与水泵作类比。奥恩布鲁格医生发明了“叩诊法”。19世纪中叶，奥地利首都维也纳医生奥恩布鲁格给一位病人看病，没有检查出什么严重疾病，但病人很快就死了。经过解剖尸体查看，发现胸膛积满脓水。医生想，以后再碰到这样的病人怎么诊断？忽然想起他父亲在经营酒店时，常用手指关节敲木质酒桶，听到卜卜的叩击声，就能估量出木桶中还有多少酒。他思考：人们的胸膛不是很像酒桶吗？他通过反复探索胸部疾病和叩击声音之间变化的关系，发明了“叩诊”这一医疗方法。人类以蛙眼具有准确地跟踪空中飞行目标的特异动能为依据，研制出能跟踪卫星，监视空中飞行目标的“电子蛙眼”人类还根据蝙蝠具有发射、回收超声波的功能，发明了超声波探测仪。人类类比鱼制造出潜水艇等等猪鼻子防毒面具人们根据高粱是草本植物，种子红褐色或白色，不带酸味，有甜味（含糖），含淀粉，可食用，能酿酒；就想到刺葡萄虽然是藤本植物，果实黑色，带有酸味，但它也有甜味，含淀粉，可食用，应当也能用来酿酒。后来用刺葡萄酿酒成功。南极的企鹅是“滑雪健将”，每小时能滑雪30公里。人们观察企鹅滑雪时让肚皮贴在雪面上，雪面承受全身重量，双脚作“滑雪杖”蹬动。人们由此设计了“极地汽车”，车身贴在雪面上，两边的“轮勺”作“滑雪杖”，这样，极地越野汽车试制成功了，时速可达50公里，比企鹅还快。加拿大外交官切斯特·朗宁曾在竞选省议员时，由于他幼儿时期吃过中国奶妈的奶水一事，受到政敌的攻击，说他身上一定有中国血统。朗宁反驳说：“你们是喝牛奶长大的，你们身上一定有牛的血统了。”一个司机被交警拦下，交警：喝酒了？司机：没有！交警：怎么有酒味。司机：喝了杯啤酒。交警：啤酒也是酒！司机：蜗牛是牛吗？瀑布是布吗？水银是银吗？石墨是墨吗？水泥是泥吗？恐龙是龙吗？蜗牛是牛吗？交警：都不是。司机：那啤酒为什么非要是酒呢？东施效颦西施按住胸口，愁眉蹙额，就增添了美丽我东施按住胸口，愁眉蹙额，所以，我东施也会增添美丽。科学研究的起点是什么？观察？问题？……科研步骤：观察－归纳－形成假说－检验万有引力的问题的提出牛顿有一天正在苹果树下冥思，突然被从树上掉下来的苹果砸到头。这其实是一个事实，按照概率来算，牛顿绝对不是第一个被苹果砸到的同学。所以说这个现象应该被很多人观察到了，但是并没有引起所谓的科学研究。而是我们的牛顿同学摸了摸头，向苹果树问道：Why？于是我们有了万有引力定律。这个例子充分说明了，只有提出了问题，才能引导人们去正确的观察和科学研究。所以，科学研究始于问题。向日葵为什么向着太阳？向日葵因能跟随太阳转而得名，为什么向日葵花冠能转向，而其他植物不能呢？这是人们最为熟悉而不以为然的自然现象，研究它的人，提出了疑问。理论上解释是“光”的作用，但是，太阳能发出光，也能放出热，是光的作用，还是热的作用呢？研究它的人针对光和热对向日葵的影响进行了实验研究，而得出了可信结果。这个异常现象发现得巧，疑问也提得准，提出了客观事物潜伏的更深一层理论上揭示不详尽的地方。1832年秋，“不惑之年”的画家莫尔斯和医生杰克逊乘同一艘海轮由法兰西赴美国。一天，杰克逊向莫尔斯展示了一块电磁铁，并绘声绘色地讲起它的原理——环绕铁块的线圈接通电流，就会产生磁场，铁块即具有磁性；而断掉电流，磁场就消失，铁块即失去磁性。莫尔斯听后，脑海中涌起了新奇的联想到的问题——如果用电磁铁传送信号，岂不是在瞬息之间将消息遥传千里之外？于是，他抛却了当艺术家的念头，决心通过解决上述疑难“问题”，去攀登前人未曾征服过的科技高峰。经过5年的攻坚战，莫尔斯终于用自己的智慧和双手，成功地制造出世界上第一台电报机。1910年，德国的魏格纳卧病在床，无事可做，无意中发现世界地图上大西洋两岸海岸线轮廓的相似，这还不是研究的开始。只有当他提出“南美洲和非洲这两块大陆过去是否连成一片”这个问题时，他才开始了大陆漂移说的研究，因为除此种可能以外，他找不到对海岸线轮廓相似的其他解释。Mapoftheworld效果图大陆漂移说X－射线的发现1895年，伦琴在做实验的过程中，发现在屏幕上出现了微弱的荧光束，提出问题why？最好发现了一种新的射线1878年克鲁克斯发现此现象老是抱怨照片底片质量不好，以至于产生模糊阴影1890年古德斯拍到了x光照片，丢进了废纸篓科学研究始于问题问题可以指出研究的目标和方向可以指导观察资料的收集工作科学观察必定是在问题和预期的理论目标的指导下进行的，漫无目的的观察不存在如果不善于从观察中提出问题，不善于把实际问题转化为科学研究课题就不可能引起真正意义上的科学研究科研选题的重要性选题能够决定论文的价值和效用选题可以规划文章的方向、角度和规模，弥补知识储备的不足合适的选题可以保证写作的顺利进行，提高研究能力

科研选题的基本原则需要性原则创造性原则科学性原则可行性原则效益性原则需要性原则

社会发展或科学自身发展的需要。1）社会发展需要经济发展、国防建设、医疗卫生和文化教育需要。如，中国古代科技的发展；现代的电子信息技术、生物技术、航天技术、新材料新能源技术的飞速发展。从本质上说，社会需要是科技发展的源泉，是原动力。恩格斯：“社会一旦有技术的需要，则这种需要就比十所大学更能把科学推向前进。”2）科学本身发展需要主要指开拓科学领域、发展科学理论、改进科学方法的需要。需要有长期需要和近期需要之分。对于人类未来的需要并不容易判断。像火车、飞机刚出现时，都曾被认为是没有发展前途的。因此，对于基础性研究，只要能推动科学自身发展，也应支持。武工院博士团队开发出3种三聚氰胺快速检测方法10月1日，科技部面向社会征集快速检测液态奶和奶粉中三聚氰胺的技术及产品，并提出三项要求：对三聚氰胺的检测准确，检测限小于或等于２毫克每公斤每升，重现性；适合现场、快速检测，平均每个样品检测时间小于30分钟（包括样品前处理时间）；技术产品或仪器设备成本较低，运行费用低。武汉工业学院三名博士组成科研攻关团队，日前开发出三种快速检验奶制品中三聚氰胺的方法，检测方式都能达到科技部要求，运行费用较低，其中最短检测时间可控制在15分钟以内。（新华网，2008-10-05

）2、开创性原则科学研究是探索未知的活动，其灵魂在于创造性。理论研究在一定程度上做出新发现，提出新见解，得出新概念、新理论、新原理。应用研究创造出新技术、新工艺、新设计、新材料、新品种、新方法※选题前必须掌握拟研究领域的国内外研究状况、方法、水平及最新研究动态及发展趋势李政道：“做什么事情，都要跳到最前线去作战。问题不是怎么赶上，而是怎么超过。不能老是跟，那就永远跑不到前面去。要下决心走自己的路，才能做出创造性的工作。”按照创造性原则选出的课题一般有以下几种情况1、前人或他人未研究过的，以此课题来填补空白；2、前人或他人已提出来，但未取得研究成果或未取得同行、专家或学术界的认可；3、前人或他人虽作过研究，并提出了一些观点或技术上的创新，但根据自己所提出的问题、所做的实验的，能进一步发展、补充、修正或否定前人的研究成果；4、国外已有人研究，但尚未结合我国实际进行创新性研究，以此课题来填补国内某领域空白；5、把其他领域的理论成果或技术成果移植、借鉴到本研究领域；6、进行新的技术创造或革新。3、科学性原则选定的课题要有一定的科学理论或科学事实作为根据。选无根据地违背已确证的理论作为课题，就失去了起码的科学性原则。限于认识水平，科学和伪科学之间并没有一条鸿沟，像伦琴在发现X射线时，物理学家开尔文竟斥责为骗局；而星相说、水变油这样的伪科学都曾风靡一时。只需把科学性原则视为一般性前提，而不应绝对化，僵硬化。否则，也就违背了科学的创新精神，像寻求磁单极子、超光速的研究。这些课题既存在着较大风险，但也蕴藏着巨大的机遇。英国发明造能装置能量守恒定律或被打破英国Ecowatts公司科研人员耗时10年开发出一种名为“热能箱”的装置，能把1倍电能转化为最多2倍热能。英国约克大学的吉姆·里昂对该系统进行了独立评估，结果发现这套系统运转起来后，不用费力就能获得是输入电能1.5倍至2倍的热能。据悉，英国贸易和工业部为这项耗资1400万英镑的研究提供了资金支持，旨在帮助低收入家庭获得负担得起的供暖服务。4、可行性原则选定科研课题时要根据已经具备的或者经过努力可以具备的条件确定课题。如，爱因斯坦、陈景润。1）主观条件选题时就需要考虑自身的知识结构、研究能力、兴趣爱好以及对课题的认识水平。2）客观条件选择课题时必须考虑科研经费、实验设备、原材料供应、图书情报资料，以及导师及合作者的研究情况。恩格斯：“我们只能在我们时代的条件下进行认识，而且这些条件达到什么程度，我们便认识到什么程度。”5.效益性原则效益性原则是指所选的课题应考虑到一定的经济效益和社会效益，在一定时期内没有效益的项目应该减少选择的机会，因为现在的研究经费是一定的，所以要抓住重点。在科学研究的实际活动中，充分具备以上条件的情况，或把这些原则兼顾的情况并不多见。这些原则之间常常会有矛盾，比如，需要性与可行性、科学性与创造性之间的矛盾，使得难以在各个方面都做的很周全。只能在上述原则的综合乃至折衷上选出相对合理的课题方案，如何根据实际情况处理好上述原则之间的关系也成为科研选题中复杂而重要的问题。

问题的确定

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