科学研究和科学方法(课前讲座).ppt
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1、科学研究和科学方法科学研究和科学方法发酵原理课前讲座发酵原理课前讲座2023/2/201张星元:发酵原理(讲座)科学方法是用来解决难题科学方法是用来解决难题的程序,或者说是用来逐步理的程序,或者说是用来逐步理解某些自然现象(包括用来检解某些自然现象(包括用来检验难题的可能答案的自然现象)验难题的可能答案的自然现象)的程序。的程序。2023/2/202张星元:发酵原理(讲座)科学方法是获得关于大自科学方法是获得关于大自然信息(知识)的这样一类方然信息(知识)的这样一类方法:首先提出可能解决问题的法:首先提出可能解决问题的方案,然后通过严格的试验确方案,然后通过严格的试验确定这些解决方案是否有效(
2、有定这些解决方案是否有效(有意义、令人信服、可靠、满意、意义、令人信服、可靠、满意、得到公众认可)。得到公众认可)。2023/2/203张星元:发酵原理(讲座)科学方法的使用,以如下假定为前提:科学方法的使用,以如下假定为前提:在自然界观察到的事件都有其发生在自然界观察到的事件都有其发生的原因;的原因;事件的原因是可以找到的;事件的原因是可以找到的;自然界发生的事件可以用一般规律自然界发生的事件可以用一般规律或模式来描述;或模式来描述;2023/2/204张星元:发酵原理(讲座)1.重复发生的事件可能有同样的重复发生的事件可能有同样的原因;原因;一个人能做到的实验结果,别一个人能做到的实验结果
3、,别人也能重复;人也能重复;基本的自然规律的应用与事件基本的自然规律的应用与事件发生的地点、时间无关。发生的地点、时间无关。2023/2/205张星元:发酵原理(讲座)例如:闪电打雷事件。我们大家都例如:闪电打雷事件。我们大家都观察到闪电必有雷声伴随,根据以上假观察到闪电必有雷声伴随,根据以上假定,应该有一种解释可以说明所有的闪定,应该有一种解释可以说明所有的闪电打雷事件,不论它们发生在何时何地,电打雷事件,不论它们发生在何时何地,并且所有的人对这种事件都可以得到同并且所有的人对这种事件都可以得到同样的观察结果。我们从科学的观察和试样的观察结果。我们从科学的观察和试验知道,闪电起因于云块之间的
4、电荷差,验知道,闪电起因于云块之间的电荷差,闪电同样遵循静电试验观察到的一般规闪电同样遵循静电试验观察到的一般规律;并且,已经测试过的所有的闪电,律;并且,已经测试过的所有的闪电,不论是何时何地发生的,都是由同样的不论是何时何地发生的,都是由同样的原因引起的。原因引起的。2023/2/206张星元:发酵原理(讲座)要区分仅仅是,是相关(一起发生)要区分仅仅是,是相关(一起发生)的情况,还是相关而且表现因果关系的情的情况,还是相关而且表现因果关系的情况。如果一个事件的发生是前一个事件的况。如果一个事件的发生是前一个事件的直接结果,这两个事件之间就存在因果关直接结果,这两个事件之间就存在因果关系。
5、许多事件是相关的,但并不是所有的系。许多事件是相关的,但并不是所有的相关都表现因果关系。例如,闪电和雷声相关都表现因果关系。例如,闪电和雷声相关而且具有因果关系。然而,要确定秋相关而且具有因果关系。然而,要确定秋季和树木落叶之间的关系就比较困难。季和树木落叶之间的关系就比较困难。2023/2/207张星元:发酵原理(讲座)因为秋天带来了低温,许多人就以因为秋天带来了低温,许多人就以为低温是树叶变色和下落的原因。事实为低温是树叶变色和下落的原因。事实上,这两个事件只是相关,并不存在因上,这两个事件只是相关,并不存在因果关系。树木发生变化的原因是秋天日果关系。树木发生变化的原因是秋天日照时间的缩短
6、。在温室里进行的试验显照时间的缩短。在温室里进行的试验显示,人为地缩短日长,将引起树木落叶,示,人为地缩短日长,将引起树木落叶,尽管温度并没有变化。知道了因果关系尽管温度并没有变化。知道了因果关系的存在,就有可能预言,如果存在同样的存在,就有可能预言,如果存在同样的一套环境条件,将会有什么的事件发的一套环境条件,将会有什么的事件发生。生。2023/2/208张星元:发酵原理(讲座)科学方法需要系统地搜科学方法需要系统地搜索和研究信息,并且持续不索和研究信息,并且持续不断地核对、再核对,看早先断地核对、再核对,看早先的观点是否仍然得到新信息的观点是否仍然得到新信息的支持。如果不能得到新的的支持。
7、如果不能得到新的证据的支持,就应该抛弃或证据的支持,就应该抛弃或改变早先的观点,科学的观改变早先的观点,科学的观点要经受不断的重新评价,点要经受不断的重新评价,批评和修正。批评和修正。2023/2/209张星元:发酵原理(讲座)科学方法涉及几个重要的、可以科学方法涉及几个重要的、可以识别的组成部分:包括识别的组成部分:包括小心的观察;小心的观察;假说的构建和检验;假说的构建和检验;新信息和观新信息和观点的公开,即自愿提交自己的观点,点的公开,即自愿提交自己的观点,以接受他人的审查。以接受他人的审查。然而,科学方法并不是一成不变然而,科学方法并不是一成不变的。下图显示科学方法的步骤,用来的。下图
8、显示科学方法的步骤,用来说明科学研究怎样完成从最初的问题说明科学研究怎样完成从最初的问题到理论和定律的导出。到理论和定律的导出。2023/2/2010张星元:发酵原理(讲座)观察设问提出假说检验假说修改假说导出新的科学理论或者定律与当今理论或定律相符交流2023/2/2011张星元:发酵原理(讲座)观察观察设问(提出问题)设问(提出问题)多方求索多方求索假说的构建假说的构建对假说的检验对假说的检验理论和定律的导出理论和定律的导出交流交流小结小结 2023/2/2012张星元:发酵原理(讲座)观察观察 科学的质询常常始于对于重复科学的质询常常始于对于重复发生的事件的观察。观察就是用我发生的事件的
9、观察。观察就是用我们的感觉(看、听、闻、辨味、触们的感觉(看、听、闻、辨味、触摸)或感觉的延伸(显微镜、望远摸)或感觉的延伸(显微镜、望远镜、摄像机、录音机、镜、摄像机、录音机、X-X-光、温度光、温度计等等)来纪录事件。观察要比不计等等)来纪录事件。观察要比不经意的感知更深入一些。经意的感知更深入一些。2023/2/2013张星元:发酵原理(讲座)你可能听到一种声音或者看到一个物你可能听到一种声音或者看到一个物象,然而并没有真正地进行观察。你听到象,然而并没有真正地进行观察。你听到商业街播放音乐吗?你当然听到了,但是商业街播放音乐吗?你当然听到了,但是如果你不知道播放的是什么乐曲,那么你如果
10、你不知道播放的是什么乐曲,那么你并没有进行观察。如果你留心去观察所播并没有进行观察。如果你留心去观察所播放的音乐,你就能识别它。我们谈到观察,放的音乐,你就能识别它。我们谈到观察,指的是对事件的小心的、动脑筋的认辨,指的是对事件的小心的、动脑筋的认辨,并不仅仅是不经意的注意到。我们要自我并不仅仅是不经意的注意到。我们要自我训练以改进观察技能,因为在科学方法的训练以改进观察技能,因为在科学方法的每一部分,小心的观察都是重要的。每一部分,小心的观察都是重要的。2023/2/2014张星元:发酵原理(讲座)通过对事件的直接观察获得通过对事件的直接观察获得的信息叫做经验的证据,经验的的信息叫做经验的证
11、据,经验的证据能够被进一步的观察证实或证据能够被进一步的观察证实或推翻。如果事件只发生一次,或推翻。如果事件只发生一次,或者说不能够人为地重复,那么就者说不能够人为地重复,那么就不可能用科学的方法获得关于这不可能用科学的方法获得关于这个事件的进一步的信息,就不可个事件的进一步的信息,就不可能对这个事件做出科学的解释。能对这个事件做出科学的解释。2023/2/2015张星元:发酵原理(讲座)设问设问 得到更多关于某事件经验的证据后,得到更多关于某事件经验的证据后,应该就该事件开始酝酿并准备提出问题。应该就该事件开始酝酿并准备提出问题。如,该事件是怎样发生的?该事件是由如,该事件是怎样发生的?该事
12、件是由什么引发的?什么引发的?该事件什么时候再次发生该事件什么时候再次发生?能控制该事件使它对我们有利吗?能控制该事件使它对我们有利吗?2023/2/2016张星元:发酵原理(讲座)问题的形成并不如想象那么简单,问题的形成并不如想象那么简单,因为提出问题的方式将决定你怎样去因为提出问题的方式将决定你怎样去回答它们。问题太大太复杂不可能做回答它们。问题太大太复杂不可能做出回答;因此,要在以正确的方式提出回答;因此,要在以正确的方式提出问题上狠下功夫。在某些情况下,出问题上狠下功夫。在某些情况下,这可能是科学方法中最消耗时间的部这可能是科学方法中最消耗时间的部分;正确的设问对于你期望的答案是分;正
13、确的设问对于你期望的答案是关键。关键。2023/2/2017张星元:发酵原理(讲座)打个比方,你观察到的猫捕捉、打个比方,你观察到的猫捕捉、咬死和吃老鼠的现象,就可能以几种咬死和吃老鼠的现象,就可能以几种不同的方式设问(这两套问题希望得不同的方式设问(这两套问题希望得到相似的信息,即为什么会发生猫捉到相似的信息,即为什么会发生猫捉老鼠的现象老鼠的现象):):2023/2/2018张星元:发酵原理(讲座)1a是不是猫喜欢吃鲜活的老鼠肉?(实是不是猫喜欢吃鲜活的老鼠肉?(实验范围宽而不定)验范围宽而不定)1b如果要在鲜活的老鼠肉和罐头猫食之如果要在鲜活的老鼠肉和罐头猫食之间作选择,猫会挑选哪一种?
14、(易实间作选择,猫会挑选哪一种?(易实验)验)2a是什么因素刺激猫去捉老鼠?(实验是什么因素刺激猫去捉老鼠?(实验范围宽而不定)范围宽而不定)2b猫只有在感到饥饿的时候才去捉老鼠猫只有在感到饥饿的时候才去捉老鼠吗?(易实验)吗?(易实验)显然,通过实验回答显然,通过实验回答1b和和2b比比1a和和2a容易得多,容易得多,2023/2/2019张星元:发酵原理(讲座)多方求索多方求索一旦已对设问一旦已对设问(提出什么问提出什么问题)做出决定,就开始搜索其他的题)做出决定,就开始搜索其他的知识来源,以获得更多信息。也许知识来源,以获得更多信息。也许这个问题已被其他人回答,或者几这个问题已被其他人回
15、答,或者几种可能的回答已经被否定。知道其种可能的回答已经被否定。知道其他人已经做了些什么,可以节约时他人已经做了些什么,可以节约时间和精力。间和精力。2023/2/2020张星元:发酵原理(讲座)这个过程(多方追求探索)通常包这个过程(多方追求探索)通常包括阅读适当的科学文献,上网搜索信息,括阅读适当的科学文献,上网搜索信息,或者与对同样的研究领域感兴趣的朋友或者与对同样的研究领域感兴趣的朋友们的联系。即使对这个问题没有现成的们的联系。即使对这个问题没有现成的答案,科学文献和其他同行专家或研究答案,科学文献和其他同行专家或研究伙伴们也能够提供一些有利于解决问题伙伴们也能够提供一些有利于解决问题
16、看法和意见。看法和意见。2023/2/2021张星元:发酵原理(讲座)经过适当的文献探索后,就要做经过适当的文献探索后,就要做出是否继续探索下去的决定。如果我出是否继续探索下去的决定。如果我们仍然对这个问题感兴趣,就可以构们仍然对这个问题感兴趣,就可以构建一个正式的假说,质询的过程将在建一个正式的假说,质询的过程将在一个新的水平上继续下去。一个新的水平上继续下去。2023/2/2022张星元:发酵原理(讲座)假说的构建假说的构建假假说说是是一一种种这这样样的的陈陈述述,它它对对问问题题提提供供一一种种可可能能的的回回答答,或或者者对对能能够够进行实验的观察做出解释。进行实验的观察做出解释。20
17、23/2/2023张星元:发酵原理(讲座)一个好的假说必须是:一个好的假说必须是:符合符合逻辑的;逻辑的;能对当今可以搜集到的能对当今可以搜集到的所有有关信息做出解释的;所有有关信息做出解释的;根据根据此假说可以预测此假说可以预测(与所问的、可以与所问的、可以试验的问题有关的试验的问题有关的)未来事件。)未来事件。此外,此外,如果有几个假说可供选如果有几个假说可供选择,择,应该采用假定条件最少的、最应该采用假定条件最少的、最简单的假说。简单的假说。2023/2/2024张星元:发酵原理(讲座)假说的形成需要进行文字的推敲假说的形成需要进行文字的推敲和理性的深化。如果假说不能够对设和理性的深化。
18、如果假说不能够对设定条件下观察到的所有事实做出解释,定条件下观察到的所有事实做出解释,就会令人生疑,并且可能最终怀疑你就会令人生疑,并且可能最终怀疑你的工作的有效性。如果假说不是可检的工作的有效性。如果假说不是可检验的或者没有得到试验结果的支持,验的或者没有得到试验结果的支持,那么由这样的假说所做出的解释是不那么由这样的假说所做出的解释是不可靠的,不过是推想或臆测而已。可靠的,不过是推想或臆测而已。2023/2/2025张星元:发酵原理(讲座)假说是建立在观察和假说是建立在观察和其他知识源泉的基础上的,其他知识源泉的基础上的,并且可以预言在特定的条并且可以预言在特定的条件下某一事件将怎样发生。
19、件下某一事件将怎样发生。我们要通过检验假说的预我们要通过检验假说的预测能力,审查该假说是否测能力,审查该假说是否正确。正确。2023/2/2026张星元:发酵原理(讲座)如果假说是不正确的,就把它否定掉,如果假说是不正确的,就把它否定掉,并必须构建新的假说。然而,你若不能证明并必须构建新的假说。然而,你若不能证明假说不成立,这或许会增强你对该假说的信假说不成立,这或许会增强你对该假说的信心,但并没有证明该假说在任何时候任何场心,但并没有证明该假说在任何时候任何场合都是正确的。科学始终容许对某些观点的合都是正确的。科学始终容许对某些观点的怀疑,容许新观点取代原有的观点,新的观怀疑,容许新观点取代
20、原有的观点,新的观点应该能够更加全面地描述某特定的场合发点应该能够更加全面地描述某特定的场合发生的事件。这种吐故纳新的情况的出现,也生的事件。这种吐故纳新的情况的出现,也许是因为你还没有想到的另一个假说能对发许是因为你还没有想到的另一个假说能对发生的事件做出更完善的解释,或者因为你没生的事件做出更完善的解释,或者因为你没有进行适当的观察而不能觉察你原来的假说有进行适当的观察而不能觉察你原来的假说是错误的或片面的。是错误的或片面的。2023/2/2027张星元:发酵原理(讲座)假说(假说(hypothesishypothesis)指的是对某一类事物提供指的是对某一类事物提供的可能的解释,未经实验
21、的可能的解释,未经实验证实,或没有完全地经过证实,或没有完全地经过实验证实,但可作为推理实验证实,但可作为推理的基础,实验的指南,或的基础,实验的指南,或作为从已知事实作进一步作为从已知事实作进一步研究的出发点;并且在未研究的出发点;并且在未来的时间很可能上升为理来的时间很可能上升为理论或定律。论或定律。2023/2/2028张星元:发酵原理(讲座)对假说的检验对假说的检验 假说的检验可采用几种方式假说的检验可采用几种方式:1.可以仅仅是从已经存在的各种各样可以仅仅是从已经存在的各种各样的信息源搜集有关的信息。的信息源搜集有关的信息。例如,如果你例如,如果你访问一个墓地,从阅读墓碑观察到,异常
22、访问一个墓地,从阅读墓碑观察到,异常多的不同年龄的人在同一年去世。你可能多的不同年龄的人在同一年去世。你可能会假说那年曾发生传染病或者天灾,造成会假说那年曾发生传染病或者天灾,造成许多人的死亡。查阅当时的新闻报可能是许多人的死亡。查阅当时的新闻报可能是检验这个假说的一种好的方式。检验这个假说的一种好的方式。2023/2/2029张星元:发酵原理(讲座)2.可以单单通过进一步的观察来检可以单单通过进一步的观察来检验假说。例如,如果你假说一种鸟利验假说。例如,如果你假说一种鸟利用树的空穴建巢,你就去观察几个属用树的空穴建巢,你就去观察几个属于这个种的鸟,并且纪录它们建巢的于这个种的鸟,并且纪录它们
23、建巢的地方和巢的种类。地方和巢的种类。2023/2/2030张星元:发酵原理(讲座)3.3.通常用于检验假说的方法是通常用于检验假说的方法是设计一个实验。实验是指对事件或设计一个实验。实验是指对事件或存在的再创造(存在的再创造(recreationrecreation)。)。通通过对实验的分析,确定坚持、修正过对实验的分析,确定坚持、修正或抛弃假说。或抛弃假说。2023/2/2031张星元:发酵原理(讲座)进行实验会遇到困难,因为一个进行实验会遇到困难,因为一个具体的事件可能包含大量的独立事件具体的事件可能包含大量的独立事件(叫做变量)。(叫做变量)。例如鸟鸣的发生,就可能涉及鸟例如鸟鸣的发生
24、,就可能涉及鸟的神经系统和肌肉系统的许多活动,的神经系统和肌肉系统的许多活动,可能因为鸟受到多种环境因子的刺激。可能因为鸟受到多种环境因子的刺激。要弄清涉及鸟鸣的诸多因素似乎是不要弄清涉及鸟鸣的诸多因素似乎是不可能完成的任务。为了排除这些繁杂可能完成的任务。为了排除这些繁杂的因素,科学家们利用叫做对照试验的因素,科学家们利用叫做对照试验(acontrolledexperiment)的手段。的手段。2023/2/2032张星元:发酵原理(讲座)对照试验要求我们构建一种只有一对照试验要求我们构建一种只有一个变量的条件试验。而且这个变量可以个变量的条件试验。而且这个变量可以操纵或改变。一个典型的对照
25、试验分两操纵或改变。一个典型的对照试验分两个(或多个)组进行,只有一个组对指个(或多个)组进行,只有一个组对指定的变量不按特定的方式操作,另外的定的变量不按特定的方式操作,另外的一个(或多个)组则按特定的方式操作。一个(或多个)组则按特定的方式操作。对指定变量没有操纵的试验组叫做对照对指定变量没有操纵的试验组叫做对照组,另外的一个(或多个)组叫做实验组,另外的一个(或多个)组叫做实验组。组。2023/2/2033张星元:发酵原理(讲座)涉及鸟鸣发生的情况可被分解成许涉及鸟鸣发生的情况可被分解成许多简单的问题。诸如,公鸟、母鸟都会多简单的问题。诸如,公鸟、母鸟都会鸣叫吗?鸟儿一年四季都会鸣叫吗?
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