科学技术哲学导论（第3版） 课件 第四章 科学实验与科学理论

1第四章

科学实验与科学理论

在科学认识中，最基本的认识方法是科学实验，即观察和实验，这是科学获得直接的、第一手材料的重要途径。一、科学实验的认识论反思1.科学实验的意义和作用科学认识的基础是什么？

在现代科学认识中，科学实验具有愈来愈重大的作用，是科学认识活动的直接的、重要的基础。

实验是近现代科学最伟大的传统。2

科学实验之所以是科学认识的基础：一方面在于实验方法是证明和发展科学知识的有效手段，一方面在于理论不断改进的原动力来自实验及其结果。实验把感性认识和理性思维的特点在自身中有机地结合起来，因而具有直接现实性的品格，成为证明和发展科学知识的有效手段。实验是科学认识活动的基础，这在科学认识中不但是个理论问题，而且是个实践问题。3科学实验（包括观察和实验）最基本的作用：一是证明或反驳假说，二是提出新的理论。观察或实验提供某种事实材料以加强或者反驳某一假说。观察和实验常常提供新鲜的事实材料，它们构成新假说或新理论的经验基础。科学实验与理论思维的联系是辩证的：一方面实验必定受某些科学知识体系的支配，另一方面它又产生更完善、更深刻的新的理论构成。42.科学实验的主客体结构实验和生产劳动一样都是实践形式，它们的重要组成部分之间有许多共同之处，无论在哪一种情况下都有：第一，活动对象（生产对象和实验研究对象）；第二，作用于对象的手段（劳动的手段和工具，实验手段——仪器和设备等等）；第三，有目的的活动（一种情况是劳动生产本身和实验研究过程本身；另一种情况是实验者的活动）。5实验可分为实验者及其活动、进行实验的手段（工具、仪器、实验装置等）、实验研究的客体三个组成部分。实验活动的主观方面即实验者的活动，是任何实验的首要组成部分。在讨论实验活动中实验者与对象、手段的关系时，应当把所有那些表征人的活动、能力、熟练程度、知识水平的特征称为实验活动中的主观方面。具体说来，包括如下：人的感官对信息的接收能力；理论水平和逻辑思维能力；工作能力和熟练程度；恰当提出问题和表述实验结果的水平；实验者本身的活动。上述一切构成认识论的主体范畴。6实验活动的客观方面包括实验研究对象和实验手段。把实验手段和研究对象统一在认识论的客体这一共同范畴中有很重要的意义。实验研究的客体在认识论客体中是这样的一部分，认识活动的兴趣指向它，它受到装备有仪器的实验者即实验研究的主体的作用，目的是要揭示出隐藏于其中的规律性。仪器、设备、器械、实验装置和其他工具，都是实验研究的手段，借助于它们，研究的主体对研究的客体施加作用和影响，它们的基本功能就是帮助主体变革客体。实验手段作为人对自然过程认识的能动关系上的媒介，有效地克服了人的感官的生理局限性，使人们的感觉可以深入事物的里层，扩展到微观粒子领域和遥远的宇宙天际。73.科学实验的行为功能特点（1）实验中要求简化、纯化以及强化自然过程科学实验的一个显著特点是简化、纯化以及强化自然过程，以便在人工条件下研究对象所具有的规律性。在自然状态下，往往有许多现象错综复杂地交织在一起，很不容易发现它们之间的真实关系。人们在实验过程中借助科学仪器、装备所提供的条件，排除自然过程中各种偶然的、次要的因素的干扰，人为地把被研究的对象同其他次要的、附属的对象隔离开来，使它们的属性或联系以比较纯粹的形态呈现出来，因而能够比较容易和精确地发现对现象起支配作用的本质规律。8（2）实验中经常通过各种形式实行模型化原则在科学实验中，人们常常建立对象系统的简化模型来研究真实的对象系统，从而获得有关对象系统的知识。模型化原则是科学认识中的一条重要原则。没有模型，人们就很难对复杂的客体进行有效的研究。模型实验的功能是首先将对象在思维中简化，然后将实验的实际行为回推到对象中去。人们只要把握了模型，就能根据它与原型的类似认识原型。模型化有效地将自然状态下的对象转化为人工条件下的对象。9（3）实验过程中必须具备可重复性可重复性特点的意义，首先是体现实验过程在本质上是客观的物质过程。可重复性特点在行为和功能方面，对实验的客观性和现实可行性做出了保证。104.科学仪器与科学测量科学实验对科学认识的决定作用，不能不牵涉到仪器和测量的问题。科学仪器的作用首先在于它能帮助人们克服感官的局限，在广度和深度上极大地增强认识能力，使单靠感官观察不到的现象显示出来，单靠感官分辨不清的东西变得清晰，人的视野因而达到新的领域。科学仪器的作用还在于，它们能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。11在科学实验中，量的观察是很重要的。量的观察就是观测或测量，是对研究对象的一种定量描述。测量在天文学、生物学、物理学及工程技术等领域得到非常广泛的应用。测量的直接目标是获得关于现象的定量方面的信息。测量结果中的常数，是人类对客观世界的量的反映，并不是客体的直观映象。12测量在科学认识过程中的重要作用可以概括为：其一，测量为运用数学概念和技术去研究自然提供了必要条件。其二，测量精炼了科学结构。其三，测量作为一种说明具有简洁性、准确性、普遍性和不变性。随着现代科学的发展，测量已不仅仅着眼于提高精密度，而且对认识论提出了重大挑战。它还涉及哲学的基本问题。作为科学实验的特殊形式，测量是主体的对象——工具活动与理论活动的统一。13二、科学规律与科学理论

在科学认识的过程中，从经验层次过渡到理论层次，有一个必不可少的环节，这就是对科学事实进行概括。1.客观事实与科学事实不可能离开事实问题与规律问题来谈论科学。事实概念的两种主要含义：客观事实和科学事实14科学事实有极其重要的作用。首先，科学事实是形成科学概念、科学定律、科学原理，建立科学理论的基础；其次，科学事实是确证或反驳科学假说和科学理论的基本手段，是推进科学进步的动力之一。15科学事实与客观事实之间有很深刻的辩证关系。第一，科学事实作为客观事实的反映，固然具有不依赖主观意识的客观实在性，但是，对科学事实的客观性，要做认真的分析。第二，就事实概念而言，这里同一件事情是从不同的关系上被考察的。第三，在科学认识活动中，事实也是认识的一种形式。第四，科学认识活动从经验地收集事实开始，最终目的是建立能解释事实并预见新事实的理论。第五，与客观事实不同，由于科学事实是某种经验的陈述或判断，所以允许对它做出某种评价或估计。162.必然规律与统计规律必然规律在逻辑形式上，由“全称条件陈述”予以表达。对于所有的x，如果x具有性质P，则x也具有性质Q。符号表示则为：（x）（Px→Qx）统计规律以相对频率表达事物之间或事物属性之间的“不变关系”。形式化表达为：RF（Q，P）＝r必然规律与统计规律是科学陈述的两种形式，它们是互为补充的，它们为人们预言未知事实提供了运作前提，使科学认识成为可能。173.科学假说成立的前提（1）假说是通向理论的必要环节科学认识的结果是科学理论，科学理论的建立有其特殊的思维形式—假说。（2）假说是科学性和假定性的辩证统一首先，假说是在事实和已有科学知识的土壤中生长的，它不但要以一定的实验材料和经验事实为基础，而且要以一定的科学知识做依据，经过一系列的科学论证才能提出。假说与主观臆测不同，同缺乏科学论证的简单猜测、随意幻想也有区别。它具有科学性的特点。18（3）狭义与广义的假说在狭义上，假说是有着对象存在或它与其他对象具有本质联系的某种猜测性判断。在广义上，假说是指判断系统，其中一些是具有或然性质的原始前提，即狭义的假说，而另一些则是这些前提的演绎展开。假说成立的根本条件在于它能否接受实践的全面检验。19下述前提，对于科学假说都是很必要的。第一，科学假说应当符合科学世界观。第二，科学假说不应当与科学中普遍的、久经考验的规律和理论相矛盾。第三，科学假说不应当同已知的经过检验的事实相矛盾，并且必须尽力做到，假说不仅能解释个别事实，而且能解释一系列事实的总和。第四，科学假说应当是可检验的。第五，科学假说应当符合简单性原则，以便假说尽可能地简单，并能由少数几个原理或基本假说来解释一定领域内所有的已知事实。204.科学假说向科学理论转化。假说向理论的转化是一个复杂的认识过程。在实践中，如果假说满足下述两个条件，就可以认为假说已经转化为理论。第一，把假说运用于实践，如果有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，那么，就证明这个假说是客观规律的正确反映。这是假说转化为理论的首要标志。第二，假说是否已转化为理论，除了解释性条件，还必须有预见性条件。21三、科学理论的功能、结构与模型1.科学理论的解释、预见功能科学理论具有两个最基本的特点：一个特点是与实践检验相联系，就是具有客观真理性；一个特点是与形式结构相联系，就是构成严密的逻辑体系。22科学理论两个最重要的功能——解释功能和预见功能所谓解释，就是揭示存在事物的本质。根据本质关系的特点，可以建立相应的科学解释的类型。第一，因果解释。第二，概率解释。第三，结构解释。第四，功能解释。第五，起源解释。预见与解释是不可分割的，它们都是根据理论本身，也就是根据理论所揭示的规律性和本质联系，按照逻辑机制演绎出的结果。232.科学理论的结构科学理论的完整体系就是由概念、与这些概念相应的判断，以及用逻辑推理得到的结论组成的。反映理论成分（即概念和相应的判断、推论）之间的关系的总和，是理论的结构。理论的概念和判断相互存在着逻辑联系，借助于逻辑的规律和法则可以从一些判断中获得另一些判断。24一个演绎体系通常由三个部分组成：第一，基础词汇（即基本符号手段的总和）；第二，给定语言所使用的逻辑手段；第三，通过逻辑手段而从基础词汇得出的体系。伽利略的实验——数学方法，蕴涵着两个重要的认识论原则：第一，科学认识必须建立在观测和实验的基础上；第二，科学认识不应当是零散的事实堆砌，它们之间必须有确定的、必然的逻辑联系，这些联系要力求用数学公式定量地表达出来。253.科学理论的假说—演绎模型（1）假说—演绎模型的确立假说—演绎模型在近代科学史上的完善过程，是与牛顿创立力学体系的工作一道进行的。这一工作的实质是用一个与经验联系的公理体系来组织科学知识，具体说，可分为下述几个方面。首先，提出一个公理系统。其次，规定一个把公理体系的命题与观测结果联系起来的程序。再次，确证用经验解释的公理体系中的演绎结果。26（2）现代假说—演绎模型现在，最为流行的演绎模型可用图示如下：P…H∞Oc→Hc其意义是，某项研究从解决一个问题（P），通过非逻辑的或者直觉的猜测——所谓智力突变（…），导出一个假说（H），由此推演出（∞）必然的可观察的检验陈述（Oc），然后，如果这些陈述被证明是正确的，就归纳出（→）被确证的结论（Hc）。研究始于问题，而不是始于观察和实验，这是演绎模型的关键。27（3）波普尔的演绎模型波普尔的演绎模型甚至把一般演绎模型中最后的归纳确证过程去掉了，他的著名图式如下：P1—TT—EE——P2这里P1表示问题，TT表示试验性理论，EE表示消除错误，P2表示新的问题。与前述演绎图式相比，波普尔的图式实质上是删去了最后一步：P…H∞Oc28四、经验规律与理论规律1.可观察性与两类规律（1）“可观察性”的意义“可观察性”一词意指人们日常经验中可以直接观察的任何现象的特点，经验规律就是关于可观察现象的规律。29“可观察性”在现代科学中的含义究竟如何？首先，一般来说，随着科学的发展，“可观察”的内容和方式也发生了很大的变化。尽管人们可以用通常习惯的方式、直接用感官去觉察事物的状态，但是在现代的科学观察中，已经加入了一些数学方法和仪器设备作为观察的辅助手段。其次，对于“可观察”的现象，还有一个实验设计参与观察的问题。再次，“可观察”的现象与“不可观察”的现象之间的界限是模糊的。30（2）经验规律与可观察性经验规律的最大特征就在于它的实际可观察性，或者称为实际的可确证性。一般把经验的规律看作一种经验的概括，它表示这些规律是通过对观察和测量结果的概括而获得的。这种经验的概括不仅包括简单的定性规律，它也包括某些定量规律。31（3）理论规律与不可观察性理论规律作为与经验规律相区别的一种规律，在它与经验规律的比较中，可以发现如下几个特点：第一，理论规律一般是表述为抽象的语言，借助某些科学家创造的概念来表述规律，如原子、电子、质子等等。第二，理论规律的词语不涉及可观察的东西。第三，理论规律不是观察现象的直接概括或总结。322.理论规律的获得及其普适性（1）理论规律获得的途径对于经验规律的获得，可以认为是物理学家（或者其他科学家）观察了自然界的某种事物，经反复地测量、比较，发现其中的一个规律，于是以一种归纳性的概括来描述这个规律。理论规律是不可观察的规律，但是当科学家提出理论规律时，这个理论规律却应当可以导出多种多样的经验规律，而这些经验规律则应当可以解释已经观察到的事实，同时还可以预见尚未观察到的事实。33（2）理论规律构造的普适性就理论规律的构造而言，它都具有很大的普适性，即科学家提出的理论规律都具有比较普遍的意义，而且从这个理论规律中可以导出多种多样的经验规律去供人们检验。理论提出新规律的能力越大，它的预言能力就越强。343.从理论规律导出新的经验规律（1）提出一种将理论词语与可观察词语联结起来的规则集合从分析理论规律与经验规律的差异可知，理论规律运用概念性的理论词语，而经验规律却只含有可观察词语，一个概念性的理论词语是无法直接演绎出观察性词语的。35（2）数学实体与物理学理论体系的联系和差异运用对应规则从理论规律导出经验规律，具有开放性和无终结性这两个特点。所谓开放性，指把理论规律用对应规则解释成可观察的经验规律，这种解释必然会是不完备的。所谓无终结性，指理论规律的对应规则的解释是不会一次性完结的。对于理论规律而言，不断地出现新的对应规则，不断地有理论词语演绎为一个可观察的事实，这正是理论规律的生命和价值所在。36（3）运用对应规则把理论词语转化演绎为可观察词语对应规则作为联结理论规律不可观察词语与经验规律可观察词语的特殊桥梁，在理论规律的发展和