科学观察法科学实验法市公开课一等奖百校联赛获奖课件

科学技术研究常规方法一、观察与试验：获取科学事实方法1、科学事实科学事实是科学认识主体关于客观存在事件、现象、过程、关系等真实描述或判断。科学事实内容是客观，而形式是主观。

第1页1953年，一次40多人与会国际心理学会议在德国哥廷根召开。当会议主席刚宣告大会开幕，突然从会场外闯进两个人，一个在前面逃跑，另一个在后面追赶，而且开了一枪，会场上顿时一片担心。整个事件约连续了20秒钟。事后会议主席要求全部与会代表马上写出事件观察汇报。结果在40篇汇报中，只有1篇错误小于20%；14篇错误在20-40%之间；25篇错误大于40%。按普通了解，如此多错误是不可思议。因为：1）与会者都有是训练有素科学家，熟知观察要领和撰写汇报要求；2）事情发生后马上要求撰写观察汇报，丝毫没有遗忘之嫌；3）当事人与观察者没有任何特殊社会关系，故如实统计不会受其它原因干扰。第2页★这一试验表明，获取“事实”绝非易事。可将“事实”作以下划界：1）客观事实，是指物质对象真实现象和过程，这是对“事实”本体论定义。2）经验事实，是经过一定伎俩，对客观物质对象现象和过程所作一个反应和描述。这就是“事实”认识论定义。3）科学处理事实都是这种经验事实，普通是经过观察和试验伎俩对客观事实进行反应、描述结果。4）科学事实普通分为两类：事实I，指客体与仪器之间相互作用结果描述。比如，观察仪器上所统计和显示数字、图像等。事实II，是对观察试验所得到结果陈说和判断。被观察与试验证实了理论结论，被称为理论事实，有时也被人们称为事实Ⅲ。第3页

客观事实（本体论）事实事实Ⅰ（客体仪器）经验事实（认识论）事实Ⅱ（主体仪器）事实Ⅲ（理论事实）

图1关于“事实”概念分析图示第4页2、科学观察科学观察是指人们直接经过感官或借助于仪器，有目标、有计划地感知和描述客观事物一个方法。在科学观察中必须遵照以下标准：A）客观性标准。是指在科学观察活动中要按照观察对象原来面貌如实记载。第5页B）全方面性标准。客观世界事物都是处于普遍联络之中，只有全方面观察，才能尽可能完整反应客观实际。竺可桢先生所以能在物候学研究中取得重大结果，也是和他数十年如一日坚持系统观察分不开。他天天清晨起来第一件事就是测量气温、气压、风向、湿度等气象要素，从青年起一直坚持到逝世前一天，终于在晚年出版了《物候学》一书。第6页C）经典性标准。为了把错综复杂自然现象简化，选择经典事物进行观察是必要。美国遗传学家Morgan在做遗传基因研究时，就选择了含有经典性果蝇作为研究对象。果蝇染色体很简单，只有4对，易于观察；果蝇生活史只有两周，观察周期短；果蝇生殖力强，每对亲本能够产生成百上千个子代，能够观察很各种亲代与子代间遗传变异现象。这使研究工作大大简明化，创建了遗传学“基因学说”。第7页3、科学试验所谓科学试验是指人们获取依据研究课题需要，利用科学仪器设备人为地变革、控制或模拟研究对象，在经典或特定条件下获取科学事实一个科研方法。

第8页科学试验在科学研究中作用A）含有简化、纯化研究对象作用。1799年，英国科学家H.Davy为了否定“热素说”，必定“热动说”，就在真空中用一根钟表发条使两块冰相互摩擦，并把整个试验装置都保持在水冰点，这么就排除了试验物与周围环境热交换，使试验在比较纯粹条件下进行。结果两块相互摩擦冰融化了。试验有力地证实冰融化所需热，只能起源于摩擦，以铁事实驳斥了“热素说”。第9页B）能够强化或激化试验对象。自然界事物在常态下普通不易暴露其特殊性质及规律，试验方法可用人为伎俩使试验对象处于某种极端状态，方便发觉新现象，寻找新规律。19Bridgeman创造了超高压技术，当初可达20,000个大气压，当前静压可达200-300万个大气压，动压可达1,000万个大气压，可使在正常自然条件下不能发生过程在高压下发生。还有H.K.Onnes用液氦方法创造超低温技术，能够靠近绝对0度，由此又产生超导研究。第10页C）能够延缓解加速自然过程。对电闪雷鸣、地震山崩、岩体滑坡这类转瞬即逝过程，在自然条件下难以搞清其运动改变，能够使其在试验室中迟缓进行，方便详细研究、分析。有些自然过程十分迟缓，不便于人们尽快窥其全貌，又能够在试验室中加紧其过程，尽可能节约研究时间。D）能够模拟研究对象。有些自然过程已时过境迁，经过模拟试验方法，能够在试验室再现这些过程。Miller试验就是在试验室模拟原始生命在地球上形成过程，为科学生命起源学说奠定了可靠、有说服力试验基础。第11页★可观察性标准，是指科学研究范围应该是标准上可观察物质客体。也就是说，自然科学研究对象能够被人们视觉器官直接感知到；或者借助于观察仪器被视觉器官间接感知到。坚持这一标准意义：（1）它表明科学技术研究必须将不含有客观实在性臆想客体（如神灵、上帝、鬼怪）排除在外。（2）它要求观察者明确客体、仪器与主体之间相互作用客观性，确保观察客观性。4、观察试验中认识论问题第12页★观察渗透理论传统认为感性认识与理性认识是对立；实质上它们是相互渗透。20世纪50年代，美国科学哲学家汉森在其《发觉逻辑》一书中认为并不存在那种能独立于任何理论观察，即观察渗透理论。1）理论决定着观察对象选择。倘若没有广义相对论，人们就难以想象世界上有“光线弯曲”事实。埃丁顿也不会组织考查队专程到南半球去观察日蚀了。2）理论决定对观察对象了解。格式塔心理学（亦称完形心理学）指出，观察转换根源则在于观察者头脑中过去知识与经验。3）任何观察、试验仪器设计和选择都有离不开理论指导。第13页第14页★仪器使用1）克服感官不足。如眼只能见到波长在4000-7600Å可见光；耳朵只能听到频率在16-20,000Hz声波。先浸入热水中手会感到温水较凉；而先浸入冷水手对一样温水会感到比较热。2）测量仪器是理性方法物化。仪器制作需要分析对象各种原因、属性；要依据被测量对象物理性质，制订测量基准和测量单位；需要将各种待测物理量（如硬度、电流强度、电压）转化为空间刻度和数值显示。第15页比如，从Galileo、Torricelli，到Newton、Boyle……最终到Fahrenheit、Celsius，对温度计结构改进、测温质选定、以及温度计适当原点和刻度法探索。从Galileo1593年到1756年英国科学家J.Black把温度和热量这两个概念区分清楚以前160多年中，人们虽已广泛地使用了温度计，却不知道所测量量是温度还是热量。以至温度计被称为“量热计”、“测温术”和“量热术”，至今英语中仍把温度计称thermometer。第16页★微观领域测不准关系量子理论是以微观客体及其规律作为研究对象。在这里，观察仪器是宏观，研究对象却是微观；宏观仪器观察必定对微观粒子产生干扰，这又对我们认识产生干扰。这就是测不准原理。第17页比如，利用光学显微镜观察电子。光子照射一粒灰尘时，就象一个小石头打到火车上，光子反跳回来，灰尘本身不动，在显微镜下可测出灰尘准确位子；如光子照射电子，就象列车撞上婴儿一样，电子早被弹出去，消失得无影无踪，根本谈不上测量它位置。因为测不准关系客观存在，便使宏观领域因果律在微观领域出现动摇。Einstein说“上帝不会掷骸子”，Bohr则认为我们更应该关心上帝怎样掷骸子。第18页二、理想模型与理想试验1、理想模型理想模型方法是经过模型来揭示原型形态、特征和本质方法。理想模型方法是科学抽象一个经典方法。比如数学上“点”、“线”、“面”；力学上“质点”、“刚体”；“理想流体”、“理想溶液”、“理想气体”；“点电荷”、“绝对黑体”等。理想模型有以下两特征：（1）作为理想化现实物质形态，都是现实世界中找不到东西。（2）但它又是以客观存在为原型。第19页2、理想试验★“理想试验”就是利用理想模型做推理或理论研究，也可称“思想上试验”。“理想试验”是一个思维活动；是无法实际做到“试验”。Einstein评价伽利略惯性定律理想试验：“惯性定律标志着物理学上第一个大进步，实际上物理学真正开端。它是考虑一个既没有摩擦又没有任何外力作用而永远运动理想试验而得来。从这个例子以及以后许多旁例子中，我们认识到用思维来创造理想试验主要性。”（《物理学进化》，上海科技出版社，P158）第20页Einstein在建立狭义相对论时作了一个同时性相对性“理想试验”。思索过程：设有两道闪电同时下击一条东西方向铁路轨道，对于站在两道闪电正中铁路旁一个观察者来说，这两道闪电是同时发生。对于乘坐一列由东向西以高速行进火车恰好经过第一个观察者对面第二个观察者来说，这两道闪电并不是同时下击。因