科学认识的形成

科学认识的形成第一页，共六十一页，2022年，8月28日科学认识的形成过程，是一个提出科学问题、获取科学事实、形成科学假说、创立科学理论的过程。本章主要讨论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。第二页，共六十一页，2022年，8月28日第一节科学问题的提出一、科学问题是科学研究的起点

1、科学问题的定义和结构科学问题科学问题是指一定时代的科学家在特定的知识背景下提出的关于科学认识和科学实践中需要解决而尚未解决的问题。

第三页，共六十一页，2022年，8月28日一个时代所提供的知识背景决定着科学问题的内涵深度和解答途径。第四页，共六十一页，2022年，8月28日科学问题的结构它包含：问题的指向（问题所涉及的研究对象）、研究的目标、求解的应答域。第五页，共六十一页，2022年，8月28日科学问题的分类“是什么”问题

——如“原子是什么？”“遗传基因是什么？”这类问题要求对研究对象进行识别或判定。“为什么”问题——例如，“牛为什么有四个胃？”“苹果为什么会落地？”这类问题要求回答现象的原因或行为的目的，是一种寻求解释性的问题。“怎么样”问题——例如，“恒星是如何演化的？”“铁元素的原子量有多大？”这类问题要求描述研究对象的状态和过程，是一种描述性的问题。第六页，共六十一页，2022年，8月28日2、科学问题的主要来源从已有的科学理论与科学实践的矛盾中产生问题从科学理论内部因逻辑矛盾而产生的问题从不同理论学派之间的矛盾产生问题从社会需要与现有的生产技术手段不能满足这种需要的矛盾中产生问题。第七页，共六十一页，2022年，8月28日3、科学研究从问题开始第八页，共六十一页，2022年，8月28日科学研究从问题开始希尔伯特说：“只要一门科学分支能提出大量的问题，它就充满着生命力，而问题的缺乏则预示着独立发展的衰亡或中止。”爱因斯坦也指出：“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者是实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度看待旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”第九页，共六十一页，2022年，8月28日善于提出科学问题是科学家最重要的素质

牛顿曾在他的《光学>提出了31个尚需研究的问题；德国数学家希尔伯特1900年提出了23个对20世纪数学发展产生了巨大影响的数学问题；伽利略的科学研究很多都是从问题入手：伽利略在教堂做弥散时，受蜡架摆动的启发发现了单摆定律、对亚里士多德的怀疑发现了自由落体定律、惯性定律第十页，共六十一页，2022年，8月28日二、科研选题及其步骤和基本原则

1、科研选题科研选题是为了实现某个特定目标而寻求、选择和确定要研究和解决的科学问题的过程。科研选题是科学研究的起始步骤，是科学研究的重要组成部分。选题的重要性在于，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，决定着科研成果的水平、价值和发展前途。第十一页，共六十一页，2022年，8月28日我的科研选题三原则邹承鲁

一、重要性选择一个研究课题，首先考虑的是课题的重要性。科学研究贵在创新，重复前人结果不是科学研究，没有创新就没有科学的前进与发展。因此科学的重要性，首先考虑的是创新性第十二页，共六十一页，2022年，8月28日

二、可能性在确定了一个设想的重要性后，还要着重考虑设想是否与现有的知识相矛盾。要在开题前进行文献查阅，了解前人的成果和结论。科学创新是建立在前人成果基础上的。从前人的结果中吸取经验，从前人的失败中吸取教训，才能超越前人，取得成功。第十三页，共六十一页，2022年，8月28日

三、现实性有了一个好的科研选题，还必须要有一个既是现实可行、又是可望成功的具体方案。没有一个现实可行的实施方案，任何设想都是空想。有了现实可行的实施方案，应组织力量、全力以赴，一般来说都是可以成功。第十四页，共六十一页，2022年，8月28日卡文迪许实验室在科研选题方面五次重大的调整。第一次，1871——1919年从电磁学的电标准研究转向辐射研究第二次，1919——1938年，从辐射研究向原子核物理研究。第三次，1938——1954年，从核物理转向多研究方向，形成了核物理、分子生物学、射电天文学、晶体物理、超导物理等研究方向第四次，1954——1971年，从多研究方向转向以固体物理为主的研究。第五次，1971年——今天，从固体物理向凝聚态物理为主要研究方向转变。第十五页，共六十一页，2022年，8月28日2、科研选题的步骤第十六页，共六十一页，2022年，8月28日3、科研选题的基本原则第十七页，共六十一页，2022年，8月28日百年物理学的启示路甬祥

第一、我认为是实验和理论之间的矛盾催生了科学概念科学归根到底是证实知识体系，一旦理论与严密的实验结果出现不了一致，无论理论权威如何，无论这种理论曾经得到过多少人多少年的信奉，作为一名科学家，都有理由去质疑这个理论本身，并且努力地去完善它，或者创造新的理论去代替它。第十八页，共六十一页，2022年，8月28日

第二、我以为重大的科学突破往往始于凝练出重要的科学问题。提出问题，可能比解决问题更重要爱因斯坦在否定以太学说的基础上，提出了同时的相对性这一关键的科学问题。爱因斯坦以其相对论研究的三部曲向物理学同行展示了他非凡的科学思维创造力和挑战传统理论体系的勇气。第十九页，共六十一页，2022年，8月28日

第三、我认为科学的想象力需要严谨的实验证据支持。要勇于挑战已有的科学理论，勇敢地提出质疑，但是这种质疑绝不是胡思乱想，绝不是毫无根据地狂妄地去挑战已有的真理，而是需要严谨的实验作依据。第二十页，共六十一页，2022年，8月28日

第四、物理学包括其它的自然科学，都需要数学语言。因为数学是对形与数的简捷的概括和优美的表达方式，所以物理学的规律，往往需要用数学语言来表达。第二十一页，共六十一页，2022年，8月28日思考题1、结合实例，说明实验和理论之间的矛盾是怎样促进科学认识发展的。2、如何提出科学问题？为什么说提出问题往往比解决问题更重要3、邹承鲁先生根据自己的亲身体会提出了科研选题的“三原则（重要性、可能性、现实性）”，请结合“三原则”谈谈自己的体会。第二十二页，共六十一页，2022年，8月28日第二节科学事实的获取科学观察和科学实验是获取科学事实的两种主要途径一、科学观察

1、科学观察：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对研究对象所进行的观察。第二十三页，共六十一页，2022年，8月28日2、科学观察可分为

直接观察和间接观察直接观察是直接通过感官考察客体的方法它生动、直观，但有局限性间接观察是作用于一定的仪器观察客体的方法，它扩大了感官知觉的范围，能够提供更准确的观察结果和科学事实第二十四页，共六十一页，2022年，8月28日3、科学观察在科学研究中的作用

科学观察是直接获取科学事实的一种重要手段。许多科学理论的产生都是来源于观察所提供的科学事实。第二十五页，共六十一页，2022年，8月28日观察能力的培养

作为科学研究人员，要注意事物的细节；要能够观察到常人所观察不到的东西。第二十六页，共六十一页，2022年，8月28日4、科学观察的基本原则第二十七页，共六十一页，2022年，8月28日选择典型的客体、典型的环境第二十八页，共六十一页，2022年，8月28日二、科学实验

1、科学实验科学实验是根据一定的科学研究目的，运用一定的物质手段，包括科学仪器和设备，在人为控制或模拟自然事物或现象的条件下获得科学事实的方法。科学实验系统有三要素：实验者、实验对象、实验手段第二十九页，共六十一页，2022年，8月28日2、科学实验在科学研究中的作用第一，简化和纯化研究对象第二、强化、激化研究对象，在极端的条件下揭示对象的本质和规律第三、使研究对象及其变化过程重复出现第四、模拟研究对象的运动过程，从而认识对象的本质第三十页，共六十一页，2022年，8月28日第三十一页，共六十一页，2022年，8月28日3、模拟实验方法模拟实验是一种间接实验，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的性质及其运动规律包括物理模拟、数学模拟和功能模拟。第三十二页，共六十一页，2022年，8月28日物理模拟：根据相似性理论，构造出与对象相似的物理模型，通过模型实验了解原型变化的物理过程

第三十三页，共六十一页，2022年，8月28日数学模拟：在原型与模型具有数学相似性的基础上，通过计算机求解来研究对象性质的一种模拟方法功能模拟：以控制论为理论基础，以功能相似为目标的模拟实验，在现代科学技术中起着重要的作用第三十四页，共六十一页，2022年，8月28日三、观察实验中的重要认识论问题

1、观察渗透理论在观察与理论的关系问题上，有两种对立的观点：“观察中性说”“观察渗透理论”。第三十五页，共六十一页，2022年，8月28日观察中性说：只有经过不带某种不带先验倾向的中性观察，才能使科学的经验基础变得牢固和可靠

培根倡导独立于理论的纯粹观察，并认为只有经过这种纯粹的观察才可能进入理论阶段第三十六页，共六十一页，2022年，8月28日观察渗透理论：观察要受到观察者拥有的背景理论的支持和影响不同理论观点的人对同一观察对象可能会形成不同的观察结果

汉森、波普尔、库恩等著名科学家否认有纯粹的中性观察存在，明确提出“观察渗透理论”第三十七页，共六十一页，2022年，8月28日从科学的发展过程来看，观察渗透理论更合理，更符合实际第三十八页，共六十一页，2022年，8月28日两可图第三十九页，共六十一页，2022年，8月28日氧气的发现第四十页，共六十一页，2022年，8月28日2、微观领域中仪器的影响问题在经典物理学实验中，测量是对固有性质的记录，是可以精确测量的。在微观领域中，实验仪器对微观客体的“干扰”却不能忽略。德国物理学家海森堡提出的“测不准关系”表明，由于微观粒子的波粒二象性，原则上不可能同时精确地确定微观粒子的位置和动量。第四十一页，共六十一页，2022年，8月28日对微观粒子的观察仍然具有客观性，“测不准原理”没有否定微观领域中观察的客观性海森堡说：“测不准关系所讨论的是在量子理论中同时测量几个不同量的精确度问题，这一关系对单独测定位置或速度的精确性并无限制。”第四十二页，共六十一页，2022年，8月28日３、观察中的偶然性与机遇问题在科学实践活动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，它最大的特点就是意外性。1960年诺贝尔生物医学奖得主、澳大利亚生物学家伯内特说：“在所有的科学领域中，比起逻辑推理和坚持不懈来，机遇和怀疑精神显得更为重要。…在生物学中，偶然发现有价值东西的才能总是发挥着重要作用。”

第四十三页，共六十一页，2022年，8月28日能否抓住机遇主要取决于两个因素：其一：科学认识主体对待机遇的态度，这种态度取决于他对偶然性与必然性及其关系的理解；第四十四页，共六十一页，2022年，8月28日其二：科学上的重大发现还取决于科学认识主体能否及时发现问题，并且敏锐地看到问题背后的深层次的东西。第四十五页，共六十一页，2022年，8月28日第三节科学假说的形成各门科学在发展的过程中都要运用假说。提出和检验假说是科学研究的主要活动。科学假说包括经验定律型假说和原理定律型假说，它们具有不同的特点和不同的形成方法。第四十六页，共六十一页，2022年，8月28日1、形成科学假说的方法论原则对应原则：在新假说转化为新理论并取代旧理论时，它应继承旧理论中被实践检验过的合理内容，并把旧理论作为特例或极限形式包含起来第四十七页，共六十一页，2022年，8月28日解释性原则

假说不仅能够解释个别事实，而且能够解释该领域已知的全部事实第四十八页，共六十一页，2022年，8月28日可检验性原则提出的假说必须能够用观察、实验加以检验，从而判定它的真伪，不可检验的假说是不科学的第四十九页，共六十一页，2022年，8月28日2、经验定律型假说的特点及其类型经验定律是对某类现象共同性质和特征或者是若干类现象之间因果联系的普遍化描述。第五十页，共六十一页，2022年，8月28日经验定律在科学理论知识系统处于低层次的地位，它描述的是事物表面的、可以看见的运动规律。它虽然揭示了现象之间联系的普遍性，但不能理解这种规律的原因何在。第五十一页，共六十一页，2022年，8月28日经验定律的两个特征：第一、经验定律大都采用描述性的词语来引伸出有关的科学概念，这些概念的性质大都能够通过观察和实验来测量。第二、每个经验定律一旦成为科学的基础，就会成为科学理论中比较牢靠的组成部分。因为在实验基础建立的理论是相对稳定的。第五十二页，共六十一页，2022年，8月28日3、原理定律型假说的形成方法原理定律型假说是对事物内部必然联系的反映或解释。它寻求的是对经验定律的解释在科学领域，经验定律形成后随即就带来了如何解释这些经验定律的问题。对于经验定律问题的解答就形成了原理定理。

第五十三页，共六十一页，2022年，8月28日原理定律和经验定律的关系经验定律能够说明相关的科学事实（怎么样？），原理定律能够解释经验定律（为什么？）。所以，经验定律直接与可观察现象相联系，而原理定理与经验定律相联系。由于自身的高度抽象性、深刻性，使原理定律处于科学定律的高层次地位，被认为是科学体系中最核心、最重要的部分。第五十四页，共六十一页，2022年，8月28日原理定律型假说是通过

溯因方法获得的由结果回溯到原因的方法就是溯因方法例：经验定律波义耳—马略特定律原理定理气体分子运动论

第五十五页，共六十一页，2022年，8月28日怎样才能通过溯因推理猜测出

因果机制呢？不仅与科学家的个人素质以及所属的科学共同体的团体因素有关，而且与一定时代的背景知识有关第五十六页，共六十一页，2022年，8月28日要善于思考，还