第六章 科学理论的创立.ppt

1、2020/8/29,第六章 科学理论的创立,公共管理学院 戴胜华 副教授,本章从创造性思维的角度，论述创立科学理论的思维过程、思维方法与思维形态，以及在这一过程中使用的语言。 第一节 创立理论的思维过程 第二节 创立理论的语言 第三节 创立理论的思维方法 第四节 创立理论的思维形态,第一节 创立理论的思维过程,创造理论的创造性思维过程包括以下四个阶段： 第一，准备阶段问题的提出 第二，酝酿阶段问题的求解 第三，豁朗阶段问题的突破 第四，验证阶段问题成果的证明和检验,第一，准备阶段问题的提出,从提出问题开始，问题的深度决定科研活动是否具有创造性。 针对提出的问题，首先进行周密的调查研究，搜集与问

2、题相关的研究成果，然后用已有的理论进行分析，主要用比较、分析、综合、概括、演绎、归纳等思维方法。这时对问题的探索充满着热切的期望，是有意识地积累相关背景知识的阶段。,第二，酝酿阶段问题的求解,针对问题，根据已有的理论和搜集到的事实，提出各种可能的解决方案（假说），并对所提方案作出评价。 这实际上是试错过程，往往要经过多次失败，从而促使问题中矛盾越来越尖锐化。在此困难境况下，研究者的意志力非常重要，理性和非理性因素交替作用。,第三，豁朗阶段问题的突破,解决问题的方案（假说）是在这个阶段形成的，这是创造性思维的关键阶段，在此阶段突破陈旧的观念，摆脱思维定势的束缚，创造性地提出新概念、新思想、新方法

3、，是决定性的环节。 这个阶段也是逻辑的理性思维和直觉、顿悟等非逻辑、非理性思维交替并用的过程。,王国维认为：“古今之成就大事业、大学问者，必经三种之境界” 昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路，此第一境也； 衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴，此第二境也； 众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。此第三境也。 经过了“独苦悟” 才能成就事业和学问。,第四，验证阶段问题成果的证明和检验,解决问题的方案是否能成功、是否有价值，只有经过检验、评价才能确定。 这个阶段主要是设计、安排实验与观察，检验由新假说推演出来的新结论是否正确。,爱因斯坦创立狭义相对论的过程是创造性思维的过程，清楚地体现着四个

4、阶段。 1895年（16岁）-1900年提出问题（光速不变和速度合成法则为什么会相互矛盾）； 1900-1904，酝酿阶段，反复研究，广泛求解，马赫、洛仑兹、彭加勒、等人观点的启发、借鉴； 1905，豁朗阶段，分析时间概念，提出同时性是相对的，发表论动体的电动力学； 之后被大量的实验所验证。,第二节 创立理论的语言,客观事物是现象和本质的统一。 科学抽象是透过现象认识本质的理性手段。是在思维中对同类事物去除现象的、次要的方面，抽取其共同的、主要的方面，从现象中把握本质的认知过程和思维方法。 科学抽象过程包括两个行程：从表象-概念；从概念-理论。 概念和理论都需要用科学语言来表达。,一、科学理论

5、与科学语言 二、科学语言与科学理论的创立 三 、科学语言的形式化人工语言,一、科学理论与科学语言,科学认识的成果是通过语言来表述的，而语言则是以语音和文字、符号为物质外壳，以语法为结构规律而构成的、人类社会特有的信息系统，是人们进行交际和思维活动的工具。 科学语言是一种特殊的语言，是在科学研究过程中产生、发展起来的，是从日常语言中提炼出来的，以一般地描述人们的感觉、经验与内心感受的自然语言为基础，又高于自然语言。 科学认识种形成的每一个环节，无不需要用科学语言来记录、描述与传播。,1、记录科学事实的语言,科学理论形成的基础和前提是科学事实，但科学事实必须通过科学语言中的词和句子来表达、记录、贮

6、存和传递。 观察和实验是获取科学事实的重要途径，它的结果也必须用科学语言加以记录、整理、描述和交流。,2、表达科学概念的术语,科学概念是反映对象的本质属性的思维形式，是科学知识体系的基本单位、基本“元素”，是科学“知识之网”的网上纽结。 科学概念必须借助于科学语言、用科学术语来表达。科学术语以科学概念作为它的内容，并同时指称该认识对象。常识概念和科学概念有本质区别，常识概念具有多义性、歧义性、含糊性，科学概念则具有专义性、清晰性、严密性。 如：时间、空间、热等概念。,3、确立科学定律的命题,科学理论定律是对自然现象或过程的本质和规律作出的判断，判断是概念的展开，它必须用由科学术语构成的科学语句

7、即科学命题来表述。 规律性的判断的语言形式是命题，命题是逻辑推理的基本单位，所以科学语言也是科学定律的物质外壳或表现形式。,二、科学语言与科学理论的创立,科学理论是由科学概念、科学定律与逻辑及数学组成的，与此相对应，科学理论的语言也包括三个组成部分：基本的科学术语；基本的科学命题；逻辑演算和数学演算。 范例：牛顿力学理论（1）四个基本概念：时间、空间、质点、力；（2）四条运动定律：惯性定律、加速度定律、作用力与反作用力定律、万有引力定律；（3）基本方法，数学方法（微积分演算）、逻辑方法（逻辑推理）和实验方法（归纳推理）。,三、科学语言的形式化人工语言,希尔伯特的几何基础（1899）提出公理化方

8、法，它是构造理论体系的演绎方法。罗素与怀特海的数学原理提出数理逻辑，它是逻辑与数学相交叉的一门学科，在此两大成就基础上构造出人工语言，是数学语言与逻辑语言的形式化。,人工语言的构造分四步： 第一步，给出初始符号，相当于语言中的字母； 第二步，确定形成规则，相当于语法； 第三步，推出公理，相当于科学中的基本假设； 第四步，确定变形规则，相当于形式逻辑中的推理规则。,人工语言是科学语言的进一步发展，它不仅用专门符号代替了自然语言的词汇，而且用专门符号来表达人们的思维推理过程，它实际上就是以数学、数理逻辑符号为框架的一种更抽象、形式化程度更高的科学语言。 现代计算机语言是能被计算机识别的人工语言，是

9、人工语言具有里程碑意义的推广和应用，开辟了人工智能的广阔前景。但也是以 自然语言为基础。,第三节 创立理论的思维方法,一、演绎方法 二、非演绎方法 1、分析与综合 2、归纳与概括 3、类比与联想 4、思想模型方法的广泛应用,一、演绎方法,最早对演绎方法作出系统论述的是亚里士多德，他在形式逻辑中对三段论的说明，是从一般到个别的演绎推理。数学和数理逻辑的发展推动了演绎方法的发展。 演绎方法的根本特点是：前提与结论之间具有蕴含关系或必然联系。 公理方法是一种重要的演绎方法，从公理出发经过运用逻辑规则进行演绎推理，推导出一系列的定理。,演绎方法在科学家假说的检验过程中发挥着独一无二的重要作用，可以作为

10、实验检验的重要补充手段。 欧几里德几何学的建立，非欧几何的创立，海王星的发现，镓、锗等新元素的发现，电磁波的发现，中微子的发现等，都离不开演绎方法的巧妙运用。,理想实验方法,（1）理想实验方法 是在科学研究中为了排除各种次要的和非本质因素的干扰，在纯粹状态下对自然过程进行研究，而在思想中把实验对象与实验过程理想化的方法。 （2）理想实验的特点 与实验具有类似的结构（对象、仪器、控制） 与实验有着原则的区别（思维活动，不需要物质设备） 在假想实验条件下进行（但以真实实验为基础，或利用计算机模拟）,h h h” 斜面实验 h 理想实验,“惯性定律标志着物理学的第一大进步，事实上是物理学的真正开端。

11、它是由考虑一个既没有摩擦力又没有任何外力作用而永远运动的物体的理想实验而得来的。从这个例子以及后来的许多旁的例子中，我们认识到用思维来创造理想实验的重要性。”（爱因斯坦、英费尔德：物理学的进化，上海，1962，第158页）,二、非演绎方法,在创新思维方法中，除了演绎方法是必然性的推理之外，其他方法都带有不同程度的或然性、偶适性和跳跃性，包括： 1、分析与综合 2、归纳与概括 3、类比与联想 4、思想模型方法的广泛应用,1、分析和综合,分析，就是在思维中把认识对象的整体分解为各个部分、方面、要素、层次、环节，以便分别加以研究的思维方法。 综合是在分析的基础上，将人们对研究对象各个要素、部分、方面

12、、层次、环节的认识整合起来，以形成对研究对象统一整体认识的思维方法。,分析是认识从整体深化到局部，综合是认识从局部上升到整体。 分析和综合互为前提、相互依存，在一定条件下相互转化。 分析要有系统整体的观点，不能形成孤立、片面、割裂整体的错误方法。（还原的方法，只见树木，不见森林。）应始终把研究对象看作是不可割裂的、有机整体，从部分与整体以及系统与环境的相互联系、相互制约、相互作用的关系中进行动态分析。,分析和综合的过程就是科学抽象的过程,抽象：是通过分析把整体分解成各个部分，区分出必然的本质的方面和偶然的现象的方面，从中抽取出各个必然的本质的因素，以达到对具体事物的某一本质方面的认识。 具体：

13、是指许多规定综合的统一体。有两种完全不同的具体，一种是感性的具体，一种是思维的具体。,感性具体是认识的起点，抽象规定是对感性具体的否定，但它又包含着对自身的否定，是向思维具体的接近。思维具体是在对感性具体和抽象规定双重否定基础上的辩证统一，是否定的否定，是认识的结果。,抽象和具体的辩证关系,认识,感性具体,理性抽象,思维具体,归纳是指从许多个别或特殊的事物中概括出一般性概念、原则或结论的思维方法。,个别,一般,2、归纳和概括,亚里斯多德,案例：木头比纸片先落地；一捆纸比一片纸先落地；石头比羽毛先落地；一捆羽毛比一根羽毛先落地 所以：重的物体比轻物体先落地。,归纳法的类型 完全归纳法 完全归纳法

14、是通过对某类事物全部对象的考察，而得出的关于该类事物的一般性结论的一种归纳方法。 优点：结论一般是可靠的。 缺点：第一，获得的新知识较少；第二，应用范围较小。,完全归纳法案例,例如： 圆是二次曲线 椭圆是二次曲线 双曲线是二次曲线 抛物线是二次曲线 圆、椭圆、双曲线、抛物线是圆锥曲线的全部类型 所有圆锥曲线都是二次曲线, 不完全归纳法 不完全归纳法是通过对某类事物部分对象的考察，而得出关于该类事物的一般性结论的一种归纳方法。 简单枚举归纳法 简单枚举归纳法是通过简单枚举某类事物的部分对象具有某一属性，而得出该类事物都具有这一属性的归纳方法。 优点：运用起来方便。 缺点：结论带有很大或然性。,

15、科学归纳法 科学归纳法是通过对某类事物的部分对象的本质属性和因果关系的研究，而得出该类事物都具有某种属性的归纳方法。 求同法。在不同场合考察被研究对象，如果不同场合只有一个现象为共有，那么这个共有现象就是该类被研究对象的原因。可以表示为： 有关因素 被考察对象 如果A、B、C出现 a出现 如果A、D、E出现 a出现 所以A是a的原因,求异法。如果在两种场合，仅有一个条件不同，那么这一条件就是该类被研究对象的原因。可以表示为： 有关因素 被考察对象 如果A、B、C出现 a出现 如果B、C出现 a不出现 所以A是a的原因,同异并用法。这是前两种方法的综合运用。 共变法。如果某一现象发生变化时，另一

16、现象也随之变化，则前一现象是后一现象的原因。可表示为： 有关因素 被考察对象 如果A1、B、C出现 a1出现 如果A2、B、C出现 a2出现 所以A是a的原因,剩余法。如果一类复杂现象是另一类复杂现象的原因，把其中己判明因果联系的部分除去，那么可确认剩余部分有因果联系。可表示为： 有关因素 被考察对象 已知A、B、C 是a、b、c的原因 且知B 是b的原因 C 是c的原因 所以A是a的原因 科学归纳法的优点在于它把因果规律作为逻辑推理的客观根据，因而结论一般是可靠的。,不完全归纳法案例,例如：肺结核病人有低烧、盗汗的症状； 淋巴结核病人有低烧、盗汗的症状； 骨结核病人有低烧、盗汗的症状； 肾结

17、核病人有低烧、盗汗的症状； 腹腔结核病人有低烧、盗汗的症状； 凡患结核菌感染的所有患者都有低烧、盗汗的症状。 （因为还有肠结核未统计，更何况我们不可能对所有结核病人进行考察）。 不完全归纳法是通过考察某类事物的部分对象具有（或不具有）某种属性，从而得出该类事物的所有对象具有（或不具有）某种属性的一般性原理的结论。,归纳法的作用 第一，对从科学事实中得出普遍性原理具有重要作用。 第二，对从范围较小的一般原理上升到更为普遍的一般原理也具有一定的作用。 归纳法的局限性 第一，归纳法是以直观的感性经验为基础，因而不能揭示事物的深刻的本质和规律。 第二，归纳是一种或然推理，它的结论带有或然性。,不完全归

18、纳法悖论案例,例1：过去经过反复考察，几百年人们都认为“所有天鹅都是白色的”，但后来人们经过对澳大利亚的考察，却发现了黑天鹅存在的事实。所以原来结论就被推翻。 例2:人们过去长期观察金属都沉于水底,于是就得出：“所有金属都沉于水底”。但后果却发现了轻于水的金属锡。此结论就被推翻。 例3：以前相当长的时间内，动物学家都相信“鱼是用鳃呼吸”和“所有的哺乳动物都是胎生的”。但后来人们在南美洲发现了用肺呼吸的肺鱼；在澳大利亚发现了鸭嘴兽，它是哺乳类动物，但不是胎生的，而是卵生的，于是这两个结论都被推翻。,归纳和演绎的辩证关系,归纳和演绎两种方法处于不可分割的联系之中。一方面，归纳和演绎互为前提。另一方

19、面，归纳和演绎相互补充。,萍果落地启发出万有引力原理，它又指导人们发现新的星球,归纳和演绎，正如综合和分析一样，必然是属于一个整体的。不应当牺牲一个而把另一个捧到天上去，应当把每一个都用到该用的地方，但是只有记住它们是属于一个整体，它们是相辅相成的，才能做到这一点。,归纳和演绎的辩证关系, 恩格斯,3、类比与联想,类比方法是指：根据两个或两类对象在一系列性质、关系或功能方面的相似，从已知其中一个或一类对象具有其他性质、关系和功能，推理出另一个或一类对象也具有同样的其他性质、关系或功能的方法。 由于演绎的结果和归纳的结论受前提的制约很大，而类比的结论受前提制约较小，所以类比方法在科学探索中被广泛

20、应用，显得得心应手。,类比的类型 简单共存类比 就是根据两个（或两类）对象各自的属性之间存在着简单共存关系而进行的一种类比推理。 所谓简单共存关系，就是对象的各个属性之间的关系仅仅在于它们都是对象的属性。 简单共存类比推理的可靠程度很低。,因果类比 就是根据两个（或两类）对象各自的属性之间可能具有一种因果关系而进行的一种类比推理。 因果类比可靠程度提高了，但仍然是一种或然推理。 对称类比 就是根据两个（或两类）对象属性之间的对称关系而进行的一种类比推理。 对称类比的可靠程度往往比因果类比更高一些，但也仍然是或然推理。,协变类比 就是根据两个（或两类）对象属性之间具有某种定量的比例关系、函数关系

21、所进行的一种类比推理。它又分为两种情况： 第一，根据两个对象的各个属性在协变关系中的地位和作用相似，而推出它们 的数学方程式也相似。 第二，根据两个对象的数学公式相似，而推出它们的其他属性也可能相似。 协变类比的可靠程度更高一些。因为在前三种类型中，对象的属性是定性的，而在协变类比中是定量的。,类比方法的结论是或然的。因为对象间不仅有相同性、而且具有差异性，因为事物总是，同中有异、异中有同。 但另一方面，类比方法有它特有的灵活性和创造性。从动态的过程来看类比推理就会看到它的独特优势。解决新的问题，涉足未知的现象领域，建立新的理论模型，都没有现成的道路可走。从某种意义来说，相似处越少，越是在“异

22、中有同”，类比的结果越是具有突破性、独创性。,控制论创立者维纳称赞英国数学家阿希贝“把生命机体和机器作类比的工作，可能是当代最伟大的贡献。” 康德曾经说过：“每当理智缺乏可靠的思路时，类比这个方法往往能引导我们前进。”“我始终以类比的方法和合理的可信性为指导，进可能把我的理论体系大胆发展下去。”,类比推理是创造性思维方法的重要形式 “类比是一种创造性思维的形式，假定存在一个人所不能理解的某物，他偶尔注意到这一某物与他所熟知的某一他物的相似性。他通过将两者比较就可以理解他在此刻之前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰当的而且还没有人达到这样的理解，那么，他就可以说他的思维确实是创造性的”。（汤川绣

23、树：科学中的创造性思维，载自然科学哲学问题丛刊1982.）,类比的思维过程离不开联系，即从一个对象联想到另一个对象，从一个对象的性质、关系或功能联想到另一个对象的性质、关系或功能，否则就不可能进行类比。 所以充分发挥想象力，对于“异中求同”的类比方法是非常重要的。,4、思想模型方法的广泛应用,思想模型是科学抽象成果的基本形态之一，通过建构和研究思想模型来研究未知研究对象的方法就是思想模型方法。 在思想中摹写或描述研究对象的性质、结构、功能或运行规律，这样猜想出来的摹本、蓝图就是思想模型。 人们通过建构思想模型来推断现象背后的实体和运动，思想模型是介于研究主体和客体之间的中介或工具。,思想模型的

24、类型,按照研究对象与已知相似物之间的性质、结构、功能或运行规律相似的不同特点，可以将思想模型划分为性质相似、结构相似、功能相似和形式相似模型。 性质相似模型卢瑟福研究原子结构时提出的行星模型； 结构相似模型沃森和克里克研究DNA结构时用到的鲍林提出的蛋白质-螺旋结构模型； 功能相似模型哈维研究血液循环时提出的水泵模型； 运行规律相似模型麦克斯韦研究电磁理论时用到的流体力学模型；,形式相似模型表现为一种数学模型。数学模型又分为： 确定性数学模型 随机性数学模型 突变性数学模型 模糊性数学模型,审美观在思想模型的应用中有不可忽视的作用。 科学真与科学美之间具有内在一致性。科学认识的形成过程也是揭示

25、客观事物自然美的属性的过程。例如自然界事物的对称性、和谐性、统一性等都是美的体现。 例如：哥白尼的日心说模型、鲍林的蛋白质-螺旋结构模型等都是以追求美为导引的臻美模型。,第四节 创立理论的思维形态,一、抽象思维与形象思维 二、手链思维与发散思维 三、顿悟直觉与灵感 四、创新思维,一、抽象思维和形象思维,抽象思维以概念为基本要素（“细胞”），通过语言、文字、符号等抽象形式，用概念揭示事物的本质，表达认识的内容，又以概念为基础进行判断和推理，因其遵循严密的逻辑，又称之为“逻辑思维”。 形象思维则以意象为基本要素，即通过感觉、知觉、表象形成对象的图像、声音、颜色、气味、动作等形象的一般特征把握，这些

26、符号容易被直接感知，故又称“直感思维”。,形象思维和抽象思维的区别,抽象思维和形象思维的密切联系,一方面表现在生理基础上的分工合作，抽象思维和形象思维基本上分别对应大脑的左右两个半球功能区，其中有些功能又是互补的。这种思维的协同作用，有益于全面发挥人的聪明才智。 爱因斯坦、钱学森爱好音乐、艺术；鲁迅、郭沫若专修过自然科学。 另一方面表现在这两种思维共存于统一的思维过程中，相互渗透、相互转化、相互交替、相互促进。,二、收敛思维和发散思维,美国心理学家吉尔福特提出来的。 收敛思维是根据已有的理论和方法，按照严格的程序进行推力研究。 发散思维的特点则是开阔思路、从不同方面进行思考，从不同的途径进行探

27、索，甚至标新立异，不受传统观点的约束，不受已有理论和方法的束缚。 二者在创新性思维中都很重要、不可或缺，它们互相联系、互相补充、互相促进。,在创立新理论的过程中，往往先运用收敛思维去研究，以以往理论为基础找到问题的症结和困难所在，然后通过发散思维提出解决问题的方法和新的观点。 收敛思维表现为渐进方式，发散思维表现为非渐进方式、跳跃方式。 例如：天文学上海王星的发现。,三、顿悟直觉和灵感,顿悟就是思维的非渐进性跳跃，是瞬间的领悟。 直觉不是指生动直观的感觉，而是直达对事物本质和规律的透视、猜测和把握。 灵感是指突然出现一种具有创新性认识内容的模糊观念的心理现象。,直觉思维产生的根源 第一，直觉是

28、社会实践的产物。因为只有实践中提出了需要解决的科学问题，并且为解决这些问题提供了必要的实践经验，才能为直觉的出现提供必要的前提。科学家也只有在艰苦的劳动中，运用自己在长期的科学实践中积累起来的丰富的知识，才能富于想象和获得灵感。 第二，直觉产生的心理机制。在心理学看来，真觉产生于潜意识活动。在人们的直觉的意识暂时停下来以后，潜意识仍然在继续思考，这时一旦受到某种因素的触发，就可以呈现出来，形成想象和灵感。,直觉思维的作用和局限性 直觉思维的作用 第一，可以突破思维框架，提出新设想。 第二，在提出新概念、新假说中具有重要作用。 直觉思维的局限性 直觉思维的结论的不确定性。,直觉和灵感是创造性思维

29、的重要形式 “我相信直觉”（爱因斯坦） 普拉特和贝克：“你是否得益于直觉？”（232份）,如何提高科研人员的直觉思维能力 第一，勤于实践，善于思考。 第二，集中精力，适时休息。 第三，博采众长，变换思路。,四、创新思维,创新思维没有固定的程式和方法，它与一般思维的基本手段是一致的，只是方法倚重不同，形式表现有异。创新思维是一般思维形式和方法的综合性创造性运用。 但通常创新思维过程中的主要思维形式是意象思维和发散思维以及直觉与灵感（顿悟）；主要思维方法是类比与联想以及思想模型的方法。,爱因斯坦：伟大的科学家和哲学家,主要科学贡献,（1）光量子假说(1905) （2）测定分子大小的方法(1905) （3）相对论(1905;1916) 1905年爱因斯坦奇迹年,思想史上的地位,相对论的创立，从大的方面来说，完成了一次思想革命或科学革命（研究“范式”的转换）；从小的方面来说，则实现了