第五章科学发现方法

第五章科学发现方法科学问题科学事实科学事实发现的方法科学认识作为人类探索自然界性质和规律的活动，是从提出科学问题开始的。科学问题为搜集科学事实活动提供指向，观察和实验是获取科学事实的基本方法和手段。第一节科学问题科学始于问题科学问题的结构与特征科研选题科学研究是不断提出问题和解决问题的过程。科学问题中既包含理论背景，也包含事实因素。发现、选择和分析科学问题是展开科学研究的前提，也是衡量科研人员能力和水平的重要标志。一、科学始于问题科学始于观察，来自观察，来自于对经验事实的概括和归纳。这种见解一直到20世纪30年代才遭到波普尔的否定。波普尔：观察不是科学的起点，因为没有纯粹的观察，想把理论陈述都还原为观察陈述是不可能的。科学始于问题，只有提出问题，才能激发人的好奇心和探索的兴趣。科学只垂青那些有准备的头脑，即带着问题进行观察的头脑。以问题为起点，波普尔构想出科学发展模式为“Pl→TT→EE→P2”

科学就是“从问题到问题”不断进步的过程Pl代表问题TT代表试探性理论EE代表(尝试)排除错误P2代表新的问题启迪:问题是科学的血液，是科学的生命。即使是已经证明某问题为不可能，对科学的发展仍然是有益的，如永动机的否定导致了能量守恒定律的发现。有时，人们对旧问题有了更好理解时，新的问题往往随之而生。只有提出问题才能分析问题与解决问题，从这个意义上说，提出问题比解决问题更重要。爱因斯坦：“解决一个问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能，从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步”。史实例证——光速测定：17世纪伽利略提出测定光速问题，对科学实验和自然科学发展起了重大的推动作用，它导致了后来罗爱、斐索、迈克尔逊等人对光速越来越精确的测定，而光速的测定，为天文学提供了方便的计量单位——光年。此外，它也推动了光学理论、电磁理论以及狭义相对论的发展。二、科学问题的结构与特征科学问题，是指一定时代科学认识主体在当时知识背景下提出的关于科学认识和科学实践需要解决而又未解决的矛盾，它包含着一定的求解目标和解答域，但尚无确定的答案。科学问题的结构：问题的指向、研究的目标、求解的应答域以及疑问项等要素及其相互间关系。疑问项和解答域是基本组成部分。疑问项：科学问题的主体，指出了科学研究的对象。“燃素的比重是多少”“DNA分子是怎样由四链构成的”

这两个问题所指示的认识对象分别是“燃素的比重”和“DNA分子的结构”。解答域：问题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。尽管这种预设仍是一种猜测，是可错的，但在科学探索过程中却能起定向和指导作用。如“爱滋病是由什么病毒引起的？”该问题的解答域为“爱滋病的病因在病毒范围之内”。科学问题的特征历史性历史性可解性可变异性历史性只有依据当时的科学认识和科学实践水平，才能提出真正有价值的科学问题脱离当时的科学认识和科学实践水平，提出的问题则可能是无意义的，不能成为科学问题希尔伯特：之所以能够于1900年提出作为数学研究重大目标的23个问题，就是因为他的研究领域几乎遍及当时数学的各个重要分支且造诣很深，能够总揽全局，把握数学发展的动向。发展性同一问题在不同理论背景下，内涵深度是不同的，是发展的。如生物遗传，19世纪末魏斯曼提出的是“种质”，20世纪初摩尔根提出的则是“基因”，到了20世纪50年代，汉森和克里克则提出了生物大分子DNA的结构问题。可解性提出问题时，求解范围和基本方法就被预设了。虽然解答域在求解过程中可以调整，但调整后的解答域依然应当是确定而有限的范围。没有一定解答域的问题，其求解范围是一个无限定的全域，很难成为科学问题。可变异性科学问题是可变的，可以引出另一个科学问题。困惑数学史两千年的欧氏几何第五公设证明就是典型例子。19世纪俄国数学家罗切夫斯基改变了问题，创立了非欧几何。三、科研选题科研选题就是形成、选择和确定所要研究和解决的课题。课题是为了实现某个特定目标所需要研究的一个或一组科学问题。科研选题有其步骤和原则。科研选题的步骤文献调研和科学分析提出选题、初步论证选择和确定课题文献调研和科学分析文献调研应查明有关专著和论文，并尽可能追溯其发展历史，以便继承前人已有的科研成果，在新的起点上选择研究课题。在选题调研中要保持批判头脑，过分依赖和盲目相信文献资料会使人墨守陈规，而摆脱固有观念的束缚和解决问题本身同样困难。提出选题，初步论证调研后经过分析、筛选，提出研究课题，然后还要对课题进行可行性分析，如建立模型进行初步计算，或设计一些必要的实验。若有几个备选课题，则需要对计算和实验结果进行分析比较和筛选。

评议和确定课题在评议和确定课题时，可以提出“三问”问专家：在您的研究领域中，最有意义的尚待解决的问题或难题是什么？问同伴：向他们说明自己正准备研究什么问题？问自己：我对解决这些问题最可能做出贡献的独特背景知识和经验到底是什么？整理出以上三问，并将之交集，就能够较好地抓住研究方向和重点。选题过程是一个不断反馈调整的过程，常常需要反复调研和多次论证。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需要性原则应面向社会需要和学科发展需要。社会需要包含经济发展、国防建设、医疗卫生和文化教育事业等需要。学科发展需要包含开拓科学领域、更新科学理论、改进科学方法等。需要性原则还体现在科学研究的三个层次。开发研究应用研究基础研究开发研究担负着把科学技术直接转化为社会生产力的任务，其选题应将当前社会需要置于首要位置。即便是跟踪世界高技术研究，也要充分重视在当前有应有价值的项目。应用研究致力于解决国民经济和社会生活中所提出的实际科学技术问题，是基础研究成果向现实社会生产力转化的关键环节。选题方向一方面应指向加强生产活动的技术基础，弄清技术机理一方面应在充分了解国内外重大基础研究成果的基础上，选择有市场潜力和能衍生新技术群体的成熟理论作为应用价值发现的攻关课题。基础研究要从学科发展的需要出发，去研究和发现自然界的新现象和新规律，为认识和改造世界提供理论依据。当代科学技术一体化趋势日益缩短了基础研究到应用研究再到开发研究的周期，某些基础研究已成为当代高技术的直接生长点，因此基础研究的选题方向应面向现代大科学观。创造性原则是指选出的课题应是前人没有解决或没有完全解决的疑难问题，并预期从中能产生创造性的科学技术成果。那些有可能导致新概念、新理论、新方法、新应用出现的课题，研究者应作为优先选择对象。创造性原则的实质要求在选题阶段，对课题结果的创造性是难准确估计的。因此，创造性原则实质上是要求做到：恰当地估计课题的意义和其中可能包含的创造性成分。在现实条件下难以取得创造性进展的题目，不应作为选择对象。具体做法一要加强情报工作，掌握科技动态二要到最有希望出创造性科技成果、最需要创造性而且最能激发和砥砺创造力的地方去选题三要加强学习，提高科学鉴识能力。科学性原则选出的课题要有一定的科学理论和科学事实作为根据，把课题置于当时的科学技术背景下，并使之成为在科学上可以成立和可以探讨的问题。原则要点明显与已有科学理论相违背的题目不应是选题的对象，除非确已发现了与该理论相矛盾的事实并把这种矛盾作为科研课题毫无事实根据的题目也不应作为选择对象，除非确有把握在研究过程中可以获得有关事实，如对永动机的研制、对爱因斯坦相对论的批判等。可行性原则选择的课题应与研究者自己的主、客观条件相适应，即根据已经具备的或经过努力可以具备的条件进行选题。主观条件要分析科研队伍的结构各种人才的配置研究者的素质能力以及对课题的认识研究的兴趣等因素客观条件要考虑科研经费实验设备原材料供应图书情报资料对研究时间期限的要求等因素。

还要考虑科研的外部环境、国家政策、学术交流等条件。选题原则既相互联系又彼此有别需要性原则规定着科研的根本方向科学性原则体现了科研的内在根据创造性原则反映了科研的本质特征可行性原则是解决选题能否成功的关键第二节科学事实科学事实的概念科学事实的特点科学事实发现的理论一、科学事实的概念在科学认识中，科学事实是指通过观察和实验所获得的经验事实，是经过科学整理和鉴定的确定事实。科学事实一般可分为事实Ⅰ和事实Ⅱ。事实Ⅰ：指客体与仪器相互作用的表征，如观测仪器上所记录和显示的数字、图象等。事实Ⅱ：指对观察实验所得结果的陈述和判断，科学文献上的科学事实多是这种含义。如1888年1月5日居里关于X射线对铀状态的影响写道：“X射线不改变铀的状态”。这是一个科学事实的陈述，它描述被认识的事件和现象，并已经对其做了一定的判断。区分事实Ⅰ和事实Ⅱ的意义科学事实虽是客观事实的反映，但由于反映过程的复杂性（如微观领域实验仪器对微观客体的“干扰”等），两者往往并不能直接一致。事实Ⅰ进行的是本体论的考察事实Ⅱ着眼于认识论，也就是着眼于它们与认识主体的关系上、与在事实基础上创立的假说和理论的关系上加以考察。

客观事件和现象会随着观察和实验过程的结束而消失，能够保存事实并使之纳入科学构成的手段是语言然而以某种语言形式记录下来的事实，已经被纳入了某个概念系统，同一事件在不同概念系统中所作出的描述可以是不同的这种被语言所表述的事实只能是事实Ⅱ，而不能是事实Ⅰ

科学事实属于认识论范畴，它体现的是客观事件在科学认识主体中的记述和判断。没有客观事件或现象的发生，自然不会有科学事实；没有主体所设置的认识条件（如测量仪器、概念系统等），也无法获得和记载科学事实。二、科学事实的特点客观事实不存在正确或错误的问题，而经验事实则存在着可错性。在发现和鉴定经验事实过程中，应把握科学事实的特点。

个别性：即科学事实应该是个别存在的陈述。如“铀具有放射性”、“氩具有化学隋性”、“水分子由二个氢原子和一个氧原子构成”等均是科学事实“所有微观客体都具有波粒二象性”、“整个宇宙都在膨胀着”等等之类的普遍陈述，则不被看成是科学事实。客观性科学事实应该可复核、可重现。如J/φ粒子的存在是在布洛克海纹加速器和斯坦福对撞机上首先发现的，后又经其它加速器如西欧核子研究中心的复核重现才成为公认的科学事实。能动反映性科学事实应该比较精确、系统。如迈克尔逊——莫雷实验，其直接目的是判定以太是否存在，但是考虑到诸如地势、地球自转和公转等因素对测量的影响，要得出客观的结果就要在高山、低谷、白天、黑夜、夏季、冬季分别进行，从系统化的经验材料中确定一个精确的科学事实。三、科学事实发现的理论在科学问题引导下，如何运用实验和观察手段发现和描述科学事实是科学研究的重要环节，历来受到西方学术界的重视，他们提出了许多有价值的观点。

其中颇具代表性的有古典经验主义的“纯观察说”逻辑实证主义的“中性观察说”历史主义的“理论负荷论”古典经验主义的“纯观察说”科学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。他们认为观察和感觉是等同的，观察过程就是人们对客体的感觉过程。洛克：把通过观察获得的经验事实称为“简单观念”，认为这些简单观念是原始的，可靠的，“最不含糊和最少疑义的”，只要观察者的相应感官是健全的，就不会对它的意义产生疑问。古典经验主义的“纯观察说”曾在20世纪前的科学界产生了极大的影响。“纯观察说”实质上是把观察过程等同于纯粹的生理反应过程，看不到科学观察的复杂认识论机制。这一点并没有引起近代科学家和哲学家的重视，相反它的基本观点在现代逻辑实证主义那里得到了进一步的发展。逻辑实证主义的“中性观察说”科学语言中的观察语言（观察陈述）是单称经验命题，所反映的是个别对象的性质、状态，所表达的知识是经验知识或经验事实，不受观察者理论框架、既往经验、文化环境的影响，观察语言对不同理论是保持中立的。逻辑实证主义关于观察过程和观察语言是纯粹客观的、对任何理论保持中立的观点它完全忽视了观察主体的理论结构对观察活动的深刻影响历史主义的“理论负荷论”亦称“观察渗透理论”，是由美国科学哲学家汉森于1958年在其出版的《发现的模式》一书中系统阐述。汉森：科学观察并非像逻辑实证主义所说的只是对物象“刺激”消极的机械反应，而是受到观察者理论的影响和支配，不同理论观点的人可能对同一对象形成不同的观察结果，因而不存在“纯粹的中性”观察。为进一步探讨科学事实发现的规律性，汉森对其“理论负荷论”作了几点解释。观察的物理过程和心理过程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“看到”则是一种观察经验，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）融为一体理论如何作用于观察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，使它适应于自己过去熟悉的材料，从而各人对同一对象的反应有各种程度的差异。理论对观察的影响并非后加的：而是与观察者接受光刺激而发生物理反应同时进行，物理反应与理论影响是同时融成一体的。

小结观察作为一种主体反映客体的认识活动，观察陈述的经验事实取决于观察对象本身的客观性质和观察主体中的理论结构。每一观察主体都会因其理论结构的不同而导致观察同一客体时得出不同的观察结论。第三节科学事实发现的方法科学观察方法科学实验方法科学仪器在观察与实验中的作用观察与实验中的机遇一、科学观察方法观察是人们有目的、有计划地感知和描述客观事物，获取感性材料的方法。在日常生活中，观察仅仅被理解为看、触、尝、嗅等。但在科学研究中，观察的含义还包括理解或从理性上领会的意思。从获取信息的角度看观察可定义为：外部环境信息通过感官传递到大脑皮层，经过加工处理感知外部世界的过程。观察是与主体思维相联系的，是人获得感性认识的一种主动形式。科学观察可分为直接观察与间接观察。直接观察：直接通过感官考察客体的方法，它直观、生动，但有很大局限性。间接观察：人们借助于一定仪器观察客体的方法，它扩大了感官观察的范围，能提供更准确的观察结果。如人的视觉借助现代射电望远镜可以接收到距地球200亿光年的星系的电磁辐射借助电子显微镜可以看到直径为2×10-8毫米的微观客体随着大气层外空间观察站的建立，间接观察能更加精确和多样地反映自然界的本来面貌。科学观察的作用直接获取科学事实的重要手段建立科学理论的基础开拓新的研究领域获取科学事实之例证我国现代著名气象学家竺可祯在70年代初发表的《中国近五千年气侯变迁的初步研究》之所以引起国际气象学界的极大兴趣，与他长期观察记录气候、物候的变化，特别是详细研究了我国古籍中关于气候异常、自然灾害的丰富历史资料有关系。建立科学理论之例证从1831到1836年，达尔文以博物学家身份乘“贝格尔号”军舰进行为期5年的环球航行，从欧洲到南美洲、澳洲、亚洲，对各地区的动物、植物和地质构造进行了研究，搜集了大量观察资料，借以充分论证了生物进化理论。开拓研究领域之例证射电望远镜使人们“看”到了中子星γ射线望远镜使人们发现了3K宇宙背景辐射空间观测仪器(如哈勃太空望远镜、阿尔法磁谱仪)与观察者(如轨道空间站中的宇航员)发现了太阳耀斑，宇宙X射线源和γ射线源，以及类星体、白矮星、黑洞等借助星际飞行器，人类可直接到达其它天体进行实地考察，使昔日的间接观察变为直接观察和实验科学观察方法对一些观测性强的学科领域，如天文、气象、水文、地质等，具有更重要的作用。二、科学实验方法实验方法是自然科学研究中获取经验材料的常用方法。在一定程度上讲，近代自然科学的实证性源于它是以科学实验为基础，是实验的科学。

科学实验方法人们根据一定的科学研究目的，运用一定的物质手段（科学仪器和设备），在人为控制或变革客观事物的条件下获得科学事实的方法。由于实验方法是在人为控制条件下去观察客体，因此它比观察方法能获得更精确可靠的科学事实，是现代科学事实发现的主要方法。科学实验方法的特点简化、纯化和强化研究对象再现研究对象的属性及其变化过程一种经济可靠的认识和变革自然的方法简化、纯化和强化研究对象科学实验能将对象置于严格控制条件下，把自然过程加以简化和纯化，排除多种偶然、次要因素和外界干扰，使对象的某种属性或联系以纯粹的形式显现出来，便于揭示出支配自然过程的客观规律性。孟德尔：在进行植物杂交实验时，选择具有易观察、明显而稳定性的豌豆作为研究对象，通过对种子的形状（圆滑、皱折）、叶子的颜色（黄、绿）和茎的高度（高、矮）等遗传特征的观察，归纳概括出遗传的分离定律。特殊条件强化例如在超高温、超低温、超高压、高真空等条件下，可以发现在常温常压下事物所没有的性质。1911年荷兰物理学家卡曼林——昂尼斯首先发现汞在超低温4.173K以下时失去电阻，并把这种初次发现的新性质称为“超导性”，从而开创了超导这一重要研究领域。再现研究对象的属性及其变化过程由于受时间或其它因素的限制，在自然条件下发生的现象往往无法进行反复观察。而在科学实验中，人们可以通过一定的实验手段，使被观察对象及其结果重复出现。更进一步，对那些时过境迁的自然现象或无法进行直接实验的研究对象，人们通过实验还可以模拟研究对象的运动过程，运用模拟方法间接进行观察研究，从而认识对象的性质。大气模拟实验可将距地面几万米的整个大气层的运动在实验室模拟出来。大气环流模拟的转台，每半分钟左右转一圈就能模拟一天气候的变化，三个小时可以模拟一年气候的变化。一种经济可靠的认识和变革自然的方法人类对自然界的认识是一种不断探索、反复实践的过程，往往要经历许多失败以后才能获得成功。实验方法相对于生产实践来说，规模较小、周期较短、费用较少，即使发生多次失败，一般损失也较少，加之实验时环境和人身安全的影响比生产时易于控制。科学实验方法的分类依据测量手段的不同，可分为定性实验与定量实验根据实验手段是否直接作用于被研究对象，可分为直接实验与模拟实验根据实验目的的不同，可分为探索性实验和验证性实验定性实验：用来判定实验对象是不是具有某种属性，如赫兹证明电磁波存在的实验。定量实验：可以精确测定属性的量值，如测定光速、热功当量等。直接实验：是在实验仪器直接干预对象的条件下观测对象所输出的信息。模拟实验（间接实验）：先设计出能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。模拟实验又可分为物理模拟、数学模拟和功能模拟。

探索性实验：根据已知外加因素去干扰研究对象，看他会产生什么结果而安排的实验。验证性实验：为了检验某一科学假说是否与观察到的科学事实相符，即是否具有真理性而安排的实验。三、科学仪器在观察与实验中的作用所谓仪器是指对待测对象进行感受、转换、处理、显示的一种装置，它是科学实验的重要支柱，在实验中居于核心地位。弥补了感官的不足人类只能对大于0.02秒时间间隔进行分辨，而先进测时仪器能分辨的时间间隔可达10-23秒人类眼睛能分辨的最小距离为0.01毫米，而射天望远镜的分辨能力足以能分清几百千米以外的细头发丝，且使人类的视野扩展到150亿光年凭借手感，人类能区分的最小质量充其量不过几克，比较先进的秤量工具的精度可达10-10克，而1999年问世的纳米秤的精度可达10-15克。改善了认识质量人的感觉往往易受主观因索的影响，科学仪器在一定程度上可以排除感官的错觉和主观因素的干扰，帮助人们改善认识的质量，使获得的感性材料更加客观化、准确化。特别是因为仪器能够提供比较可靠的计量标准和准确的记录手段，这就使人们的观察不至限于定性的结果，而将得到更精细、更准确的定量知识。丁肇中：发现J粒子离不开他用两年多时间特制的高分辨率的双臂质谱仪，依靠这台仪器，丁肇中才得以在1974年发现J粒子，打开一个新的基本粒子家族的大门。高能加速器与新粒子发现1932年的回旋加速器能量仅为100万电子伏特1959年能量为280亿1971年更建成了5000亿电子伏特的加速器伴随着基本粒子的发现数量已达300多种。从1932年到1982年，半数的诺贝尔物理奖获得者都先后使用过不同能量的加速器。

四、观察与实验中的机遇观察和实验是一种探索未知世界的实践活动，又是人们有目的、有计划的研究活动。在科学实践过程中，人们可能由于某种偶然的机会发现了出乎预料的未曾见过的自然现象，并由此导致了科学技术的新突破。——这种意外的发现称为机遇机遇的类型按意外程度的不同，可把机遇分为完全意外的机遇部分意外的机遇完全意外的机遇在观察实验中发现了与预定目的完全不同的新现象如