科学技术方法.ppt

1、第四节 科学技术方法论,4.1 科学研究的方法,4.2 技术发明与技术创新方法,4.1 科学研究的方法,科学研究的方法或称科学认识的方法，一般是指科学认识主体在探索自然现象、自然过程及揭示自然规律活动中所应用的方法。 标准不同，方法的表现类型亦有所不同： 从科学认识成果产生的整个过程看，科学研究方法包括科学发现方法与科学证明方法； 从其成果的层次性分析，又有获取科学事实与构建、检验和评价科学理论的方法之别。 并且它们相互区别、相互联系性称有机统一的方法整体。,4.1.1 获取科学事实的方法,获取科学事实或感性材料的方法，同时也是检验和评价理论的最主要和最重要标准。这包括科学观察、测量，以及科学

2、实验等等。,1. 科学观察方法,所谓科学观察方法指的是主体在一定理论指导下，通过感觉器官或借助科学仪器，有目的、有计划地考察和描述自然发生的自然现象，即感知客观事物，获取科学事实这一感性材料的一种科学研究方法。,科学观察方法的特征,（1）它是主体有目的、有计划的认识活动； （2）是在自然发生的条件下进行科学研究的一种方法； （3）客观性与主观性的统一。,科学观察方法的类型,（1）从主体与被观察对象的关系疏远程度看，可将其分为直接(肉眼)与间接(仪器)观察方法； （2）依据观察结果的陈述特征分为定性与定量观察方法； （3）根据其目的不同包括记录性(获取感性材料)与检验性(将结果与已有标准对照)观

3、察方法； （4）根据其是否与实验结合分为自然与实验观察方法。,科学观察方法的基本原则,1) 客观性 要求观察者按研究对象的本来面目去观察它和反映它。 首先要避免把某种假定或预想凝固化、僵化；其次要注意排除假象和错觉的干扰。 2) 全面性 要求在观察中，尽可能地观察研究对象的各个方面、各种因素、各种关系和各种规定，力求获得丰富而完整的科学事实，客观地反映事物的全貌。 3 ) 典型性 注意选择具有代表性的对象和干扰比较小的观察环境时非常必要的。,科学观察方法的功能,（1）是科学认识的源泉； （2）是检验科学认识真理性的标准；1916年，爱因斯坦提出广义相对论学说。根据这一学说，他预言光线在引力场中

4、将会发生弯曲效应。天文计算表明，1919年5月29日将发生全食，此时，金牛座中的毕宿星团刚好在太阳附近，若天气好，至少可拍摄13颗亮星。爱丁顿抓住了这个机会，就在该年5月，组织了一个探险队，奔赴非洲普林西比岛，利用日全食来测定星光的弯曲效应。结果，所测得的恒星偏离角度值（1.61 + 0.30s），恰好与爱因斯坦预言值（1.7s）相符，从而验证了广义相对论的正确性。一夜间爱因斯坦变成了举世周知的最著名的伟大科学家了。 （3）当研究对象的性质使主体暂时难以达到实际作用于研究对象时，即主体尚不能干预和控制对象时，观察就比实验成为更主要的方法。一般来说，天文学、地学、气象学、动植物学等学科不可能从事

5、精确的实验研究，故这些学科的知识大都以假说的形式建立起来的，而这些科学假说得以建立的先决条件就是观察。魏格尔大陆漂移学说；竺可祯中国近五千年气候变迁的初步研究一书；德国刻普勒没有第谷的观察，无法提出行星运动三定律。,2、科学实验方法,实验方法与观察方法都是科学认识主体作用于客体的基本方法。二者既相互区别，又相互依存：后者是前者的前提，前者是后者的发展。在现代科学认识过程中二者关系更加密不可分，而在主体对超宇观、宇观、微观以及超微观世界的探索中尤其如此。,科学实验方法概念,此指主体根据一定研究目的，利用科学仪器和设备，人为地干预、控制或模拟自然现象和过程，并以纯粹、典型形式表现出来，从而有利于研

6、究的科学方法。,实验方法的特点,（1）可以简化、纯化实验对象。如为证实李政道、杨振宁提出的“弱相互作用下宇称不守恒”假说，吴健雄于195657年所进行的Co原子核衰变实验。 （2）可强化研究对象(创造在自然条件难以出现的环境条件,如超高低温度、压力、磁场等)。如1911年卡曼林-昂尼斯发现“超导”现象实验。 （3）可使对象属性及其变化过程重复出现。 （4）可模拟某些自然现象和过程。如1953年米勒模拟原始还原性大气条件下氨基酸产生过程实验。,实验方法的类型,根据实验目的、性质、作用包括如下类型： 定性与定量实验； 析因(探求因果联系)实验； 对照实验(常用于生物,医学,农业科学等)； 判决性实

7、验(为判决同时并存且相互对立的假说之间孰是孰非所进行的实验); 模拟(数学物理模型)实验； 此外依据其手段、条件不同可分为直接与间接、实验室与野外、地面与空间、实物与思想或理想实验等；依据对象运动形式不同有物理、化学、生物、心理实验等。,实验的一般程序,制定实验方案 实施操作 结果的分析与处理,3、观察和实验中的认识论问题,科学观察和实验中主要包括“观察渗透理论” 、测量问题、观察的客观性以及观察实验中的机遇等认识论问题。,1) “观察渗透理论”,（1）观察由感知、判定和观察陈述三个要素所构成，三者缺一不可； （2）观察对象与理论或先行假设所启示的期待及观察者所受训练密切相关； （3）对观察对

8、象的描述依赖于理论、观察者知识背景及其经验； （4）观察对象和观察场合的选择深受理论、观察者知识结构、心理倾向（兴趣爱好等）影响。 Einstein认为，“是理论决定我们能够观察到的东西。只有理论即关于自然规律的知识，才能使我们从感觉印象推论出基本现象”。,2) 测量问题,即在宇观和微观领域测量中因主体(实验者)、工具(测量系统)与客体(实验对象)之间相互作用而产生的测量结果或信息是否真实的问题。 测量系统即主体根据实验设计而选择的仪器、设备和测量手段等组成的系统，它既是主体的延伸又是主客体间的中介；兼具主客体双重属性；其功能是将客体信息“编码”并传递给主体。 随着其精确度、分辨率等性能的提高

9、，它能(近似)真实地表征宏观客体的状况。但微观客体的特殊性容易导致测量信息的失真。如海森伯测不准原理等。,3) 观察的客观性问题,此指由仪器等工具的介入所导致观察结果是否客观真实的问题。仪器表征着理论、假说，而理论可能被推翻、假说可能被证伪。因而应要求从以下几方面入手以增强并保证观察的客观性。 （1）结果可以标准方法重演； （2）以科学理论为指导； （3）确保观察实验的高精密度。,4) 观察实验中的机遇问题,瑞士化学家雄班在厨房里利用纤维素作原料合成其他巨分子实验时，弄洒了一瓶硫酸和硝酸地混合物，他抓起妻子地棉围裙去擦，然后把它放到炉子上烤，不料围裙“噗”地一声着起火来，烧得干干净净，但是没有

10、发生浓烟。受这一意外地启示，发明了威力巨大而又无烟地烈性炸药。 塞夫斯特穆以风趣笔调形容其1830年发现钒：“在宇宙极光处住着一位漂亮可爱的女神。一天有人敲响了她的门，女神懒得动，等着第二次敲门，谁知这位来宾一敲过后就走了。她急忙打开窗子张望，是谁家的冒失鬼呀？她自言自语说，啊，一定是维勒！如果他再敲一下不就见到女神了吗？过了几天又有人来敲门，一次敲不开，继续敲下去，女神开了门，是塞夫斯特穆，他们相晤了，钒便应运而生了”。,4.1.2 构建科学理论的方法,依据性质、特点等不同，构建科学理论的方法主要包括：逻辑与非逻辑思维、科学假说与理想实验、系统分析控制与理论系统化方法等等类型。,1、逻辑与非

11、逻辑思维方法,逻辑思维方法，是指主体在科学认识过程中借助于概念、判断、推理等思维形式，遵循一定逻辑规则而揭示事物本质或规律的理论思维或抽象思维方法，是最普遍、最基本的科学思维方法。非逻辑思维方法是指不受固定逻辑规则等制约的间断与跳跃式、突发与创造性的思维方式。,1) 逻辑思维方法,从历史发展看，逻辑思维方法经历了从形式逻辑到辩证逻辑、数理逻辑、模态逻辑等几个阶段的表现形式。其具体类型主要包括：类比、归纳、演绎、分析、综合等。其在科学认识论和方法论都有极重要的地位和作用。,逻辑思维形式,形式逻辑和辩证逻辑式两种最主要的逻辑思维形式。 系统的形式逻辑由亚里士多德首创，由培根、穆勒发展归纳法，由笛卡

12、儿等发展演绎法，至19世纪发展出其现代形式数理逻辑或符号逻辑。 辩证逻辑由黑格尔创立，经马恩列等得到发展。,逻辑思维方法类型及其特点,作为整理加工科学事实的基本方法，逻辑思维方法的特点通过其各类型方法特点体现出来。 (1)类比法:由某些相似或相同推出其他方面的相似； (2)归纳法:由个别到一般； (3)演绎法:由一般到个别； (4)分析法:将整体分解成部分、方面、特性和因素； (5)综合法:将各部分、各因素有机联系成一整体考察其本质规律。,逻辑思维方法的功能,逻辑思维也是一类创造性思维形式，它具有以下基本功能： （1）是扩大已有知识、获得新知的工具； （2）因规则严密确切而成为判断依据，并为科

13、学知识的合理性立功逻辑证明； （3）是预见科学事实，提出和检验假说的工具； （4）既是使认识由现象到本质，并通向科学发现的重要条件，又是建构科学理论体系的重要工具。,2) 非逻辑思维方法,因具有间断性、跳跃性，或突发性、突变性和突破性等特点，该类方法主要包括：由意象、联想、想象等组成的形象思维，由直觉判断、灵感等组成的直觉思维，以及由发散性或发散式、聚敛式等构成的创造性思维方法。它们在科学认识过程中同样具有不可忽视的重要的方法论作用。,形象思维方法,此指在形象地反映客体具体形状或姿态的感性认识基础上，主体通过意象、联想和想象等方式以揭示对象本质和规律的思维形式。与逻辑思维的抽象性相比，它具有形

14、象性、意象性(经形象地分析综合把握事物形象的一般特征)等特征；并具有直观形象揭示对象本质规律、极度简化，以及纯化对象和意象性地创造对象(人工自然物等)等功能。,（1）联想,广义的联想系指由一事物想到另一事物的思维活动。它包括属于感性认识范畴的由知觉形象触发的印象联想，以及属于理性认识范畴的意象和概念的联想。后者又有形象与非形象之分。形象联想是从一个意象想到另一个意象的思维活动，非形象联想则指概念联想。 形象联想具有如下特点：通过反映意象间关系以把握其内容；是对意象有所断定的思维形式；通过类比揭示意象间差别、相似或接近。,（2）想象,想象是指主体在某些科学事实和已知知识基础上，让思维自由神驰，对

15、头脑中的各种观念或思维元素进行整理、加工、改造和组合，从而领悟事物本质和规律的过程。其功能是使主体在没有逻辑思维所必需的充分的知识的情况下采取决定和得出结论，从已知对象联想到未知对象，从而构思出未知对象的鲜明形象。 如Albert Einstein在创立狭义相对论过程中想象过人以光速运行；在创建广义相对论时设想光线穿过升降机发生弯曲。Thomason 、Niels Bohr根据实验事实，运用想象建立了各种原子模型。,直觉思维方法,直觉思维方法是指不受某种固定逻辑规则约束而直接领悟事物本质的思维形式。这种直接领悟事物本质的思维能力亦称直觉力或思维洞察力。 这种思维形式具有（间断与跳跃的）非逻辑性

16、、突发性和独创性等基本特征；而且具有寻找事物联系、优选和预见事实，以及构建科学理论的功能。其主要类型包括直觉判断(最基本形式)、想象和灵感。其具体内容如下：,（1）直觉判断,此指对客观事物及其相互关系的一种迅捷的识别、敏锐的觉察、直接的理解和综合的判断。由此所形成的能力即思维的洞察力。直觉判断不是按部就班的逻辑推理，而是从整体上直接把握客体。 如美国化学家鲍林正是运用量子力学等知识，在对大量事实总和的思索中，借助于直觉创立了关于化学键的共振论，“我怀着一种好奇心一种直觉，感到可以用化学键来解释物质的性质。”此外，如Einstein创立狭义相对论等。,（2）灵感,这是指主体对于曾经反复进行探索而

17、尚未解决的问题，由于受到某种偶然因素的激发而产生顿悟，从而使问题得以解决的思维过程。在科学(与文学艺术相通处)史上，许多伟大的科学家在作出杰出科学发现时，都曾冥思苦想、穷竭智力和心力反而未得，却在不经意间灵光乍闪而实现质的飞跃。如在创立狭义相对论时，Einstein曾深受难以解决间断的质点(Newton)力学与连续的电磁场(Maxwell)理论之间矛盾的困惑，虽冥思苦想而未得，但突然灵感显现，领悟到“同时性的相对性”问题。在短短的5-6周内就完成了科学史上的不朽篇章“论动体的电动力学”(1905年9月发表于物理学杂志)。,4.1.3、科学假说与理想实验方法,尽管科学假说与理想实验是两种性质截然

18、不同的思维方法，然而二者之间又有着较为密切的联系：其目的和作用都是为构建科学理论服务；在未经科学事实证实之前都仅仅是一种猜想或假设。,1. 科学假说,1 ）科学假说：是指根据已知的科学知识和科学事实，对未知自然现象及其规律性所作出的推测性的解释和说明，是自然科学理论思维的一种重要形式。 2） 特点：科学性：以科学事实和知识为基础。 假定性：是对事物的本质和规律的猜测。 易变性：不确定（对材料的认识角度不同） 3）建立假说的方法论原则 （1 ）解释原则：能解释和说明该范围内已知的全部科学事实，且不能与研究对象范围内已知的科学事实相矛盾。 （2 ）对应原则：对应于一定的范围，包容原有理论无法解释的

19、事实，原有理论作为新假说的特例。 （3） 简单化原则：逻辑简单性。（奥卡姆剃刀） （4）可检验性原则：原则上的可检验性；技术上的可检验性,2. 思想模型与理想实验方法,思想模型与理想实验，是主体在科学认识活动中建构科学理论较常使用的方法，并具有特别重要的意义。,思想模型,此指主体未从事科研而建立的对原型高度抽象化了的思想客体和思想事物。如原子模型、层子模型、DNA双螺旋结构模型、弯曲时空模型、板快构造模型、大气环流模型等。广义的还包括数学模型。理想模型是其特殊类型。 它是将对象本质属性和基本过程以最纯粹形式甚至以某种极限状态呈现出来，即经科学抽象的产物，是逻辑与非逻辑方法综合运用即创造性思维的

20、结果。其具有流动性、互补性和条件性等特征。 它具有解释、判据和预见功能。,3、理想实验方法,理想实验是主体运用理想模型在思想中塑造理想过程，并进行严密逻辑推理的一种思维方法。它是进行思想操作的理想模型法，是一种假想的实验方法。 其建立必须以科学事实为基础，并充分发挥三类思维方法的综合功能。如Galileo关于惯性运动的理想实验；Einstein相对论中的同时性的相对性、惯性质量和引力质量的等效性等理想实验等，它们都具有解释、判据和预见功能。,理想实验举例,伽利略自由落体运动规律的实验 a.对亚里士多德的质疑：逻辑推理矛盾表明物体下落速度与重量无关。 b.比萨斜塔实验传说质疑： 1）伽利略本人没

21、有任何记载； 2）当时的条件做不出来； 3）即使能做出来，也可能对伽利略不利，因为该实验的条件复杂，应考虑到空气阻力等因素。 c.当时直接观察落体运动不可能，缺乏计时装置，最多只能以脉搏计时。,理想实验举例,D.斜面实验的可行性及结论：斜面使运动变缓，便于观察；斜面上的落体作加速运动且与重量无关，并且斜面越陡，加速度越大，斜面越平，加速度越小。 E.斜面实验的结论外推：在极限状态时，斜面垂直，相当于自由下落，不同物体的加速度应该是一样的；斜面水平时，加速度为零，物体应该永远沿直线运动下去。 F.物体运动的保持并不需要力，需要力的是物体运动的改变。,4.2 技术发明与技术创新方法,技术发明与技术

22、创新过程及其方法类型是技术认识论和方法论中的重要内容。它们与科学认识论和方法论密不可分并相互联系，从而形成科学技术方法论的有机统一整体。,4.2.1 技术发明过程及方法类型,现代社会中科学与技术一体化趋势日益增强，即科学发现、科学原理或科学理论已成为技术发明的最重要原动力。尽管如此，技术发明与科学发现在性质、特征、方法类型、机制与效应等方面都有着显著的区别。,1. 技术方法及其特点,广义上的技术方法，是指主体在从事技术研究与技术开发活动中所采取的手段、途径和行为方式的总称。但技术哲学视角下的技术方法，往往指的是上述手段、途径和行为方式中可以操作化的程序、规则或模式等。 它具有强实践性、社会性和

23、综合性等基本特征。,2. 技术发明的基本程序,技术发明所遵循的最一般程序是： 首先，根据社会需要、最新科学理论或科学发现原理，以及技术自身发展的内在逻辑，以确立技术发明目标或技术目的； 其次，探索将新的科学原理转变为新的技术规范的方式、方法和途径，以开辟创造技术手段的新思路及建立新的技术准则； 最后，在新技术规范基础上积极构思新的技术方案，以物化为实际技术系统中的具体工艺和设计。,技术发明基本程序图,4.2.2 技术方法类型,依据普适性程度不同，可分为一般(所有领域通用)与具体(适用于特定领域,如用于金属冶炼的氧化还原法和电解法;选矿技术的浮选法,重选法和磁选法等)技术方法； 按照技术活动程序

24、，可分为课题规划、方案构思与设计、技术研制与试验等方法 根据活动常规与非常规性特点，可分为常规(课题规划技术研制与试验)与非常规(方案构思与设计等)方法。 以下仅从技术活动发展进程进行分类。,1. 技术课题规划,此指对技术研究开发课题的发现、提出、选择、评估及确定等所进行的全程式的谋划和决策。并且因定题须经过严格的立项、评审等程序而比选题更复杂。 这具体包括技术目标的确立、预测、评估方法等内容。,1) 技术目标的确立,如前所述，技术目标由社会需求、新的科学原理以及技术自身内在发展逻辑等因素所决定。对此须采用直接调研和文献调研法从以下几方面进行： (1)从多方面寻找社会潜在需求;(2)紧紧跟踪前

25、沿技术并设法超越;(3)从已有技术的冲突中找寻新的课题;(4)从现有技术问题、缺陷或不足中选题;(5)从降耗增效方面选题;(6)开创对象新功能、新用途;(7)激发形象性思维和创造性思维发现、选择新课题。,2) 技术预测方法,此指根据技术发展历史、现状及其呈现出的本质和规律，利用类比、归纳和演绎等手段对未来技术发展趋势进行预测的方法。这主要包括类比、归纳和演绎预测法等，其应遵循惯性、类推、相关和概率推断等原则。成功范例有： 在哈恩与史特拉斯曼于1938年12月发现铀原子分裂后，美专家根据技术发展趋势曲线准确预见了发展原子武器的进展率。1953年戴维斯博士利用速度趋势曲线准确预言：1957年将取得

26、火箭轨道速度，1959年将达到脱离轨道速度。,3) 技术评估方法,这是指通过分析所研究的技术与生态环境、经济、社会及人的价值等因素的相互影响，以对该技术进行整体评价的决策分析方法。 依据评估对象范围可分为技术项目、一般技术和全球性技术评估；依其重点和导向可分为技术因素、后果、问题和政策评估等。一般将其分为专家、经济、运筹学和综合评估法(含矩阵技术,效果分析,多目标和环境评估法等)。 其评估程序包括：(评估对象本身及其背景)资料准备；内容分析；对策研究；综合评价等四个阶段。,2. 技术构思与发明方法,技术原理是技术构成的最基本要素，有时被称为技术发明的“软件”。但要将其转变成技术发明的“硬件”，

27、真正取得实质性的技术突破，就必须经过一番精心的实验设计和技术方案构思。,1) 技术构思,此指依据已有的设想或技术原理而设计和构造出试验技术模型，或为实现该技术原理的物化而进行的探索性试验研究。 其功能为：澄清或清除原有技术原理错误和疑点，验证其可行性；根据新的实验事实提出新设想或新技术原理，并构思新的技术方案。即由此逐步实现由基础理论到技术概念、技术原理，再到实用技术发明的转化。,2) 发明构思方法,几种常用的发明构思法： 科学原理推演(第一台激光器)与实验提升法(电磁感应实验导致电机技术原理构思;电磁波发收导致无线电通讯技术原理构思)； 多向型(头脑风暴法、智力激励法)； 侧向型(移植法、仿

28、生法)； 合向型(组合法和形态分析法等)； 逆向型发明构思法(如根据伏打于1800年以化学能变为电能发明电池, 1807年戴维逆向构思以电解法发现钾和钠元素,发明电解技术)等。,3. 方案设计与试验方法,此指技术发明由原理到具体物化所采用的方法。这是发明由思想或观念向实物转化的第一次飞跃，也是整个发明过程中的关键环节之一。,1) 方案设计,这是指根据规划方案和技术构思的要求，运用科学知识与工程实验而使规划方案具体化的过程。 它经历了从手工到自动化设计(可靠性成组动态优化计算机辅助CAD计算机集成制造系统CIMS)过程的演进，涉及工程、建筑和工业设计领域，涵盖哲学、心理学、工程学、管理学和社会学

29、等学科内容。 它具有连接科学与生产、预见工程建设和生产过程、系统综合，以及组织劳动生产等作用。其基本程序依次为：总体设计、初步设计、详细设计和工作图设计。,2) 试验方法,此指在技术方案构思、设计和实施过程中，为确认和提高技术成果功效与技术经济水平，主体利用仪器和设备，人为地控制条件与变革对象，进而在有利条件下考察对象的实践方式和研究方法。 技术试验与科学实验(目的,性质,对象,内容,结构等) 根据目的、场合和方式等不同，可分为性能、可靠性、破坏性、对比、模拟、实验室、工厂、中间试验等。其过程包括试验设计、操作及其数据资料处理分析等阶段。,4.2.3 技术创新机制与效应,技术创新是当前学术研究

30、和社会实践中的热门现象。从经济学、哲学（包括科技哲学）、政治学、法学、社会学到管理学等，都在研究这一现象。以下着重于技术哲学层面的分析。,1. 技术创新基本内涵,创新概念(Innovation)的提出 由美籍奥地利经济学家Jeseph Schumpeter于1912年在经济发展理论著作中首次提出。 创新是生产要素的重新组合：引入新产品或提供产品新质量即产品创新;采用新生产方法即工艺创新;开辟新市场即市场创新;获得新供应来源即资源开发利用创新;实现工业新组织即体制和管理创新; 创新是一种创造性的毁灭,即没有淘汰就没有发展,并且经济发展是社会结构不断破坏而又不断重建的生生不息的过程。,2. 技术创新类型,1) 从生产要素与条件组合角度可分为： (1)产品创新。包括全新(如微处理器激光器)或改进性(双杠洗衣机无氟冰箱)的品种与产品结构创新，是创新的核心内容。 (2)工艺创新。指设计并采用某种新加工方法，创造新工艺过程、配方、参数，也包括改进或变革原有工艺条件(如以柔性FMSCIMS制造系统取代机械加工工艺,以“浮压法”取代碾压法制造平板玻璃等)。 (3)新资源开发。即开辟新供