科学研究方法谈课件.ppt
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1、科学研究方法科学研究方法与治学谈与治学谈北京理工大学北京理工大学周立伟周立伟2008年1月4日 题记 科学研究没有一成不科学研究没有一成不变的方法,也没有万无一失变的方法,也没有万无一失的共同模式,但它是讲究方的共同模式,但它是讲究方法的。法的。科学研究方法与治学谈科学研究方法与治学谈前言前言治学三境界与科学创造四阶段治学三境界与科学创造四阶段科学研究的途径科学研究的途径中国古人之治学中国古人之治学科学研究方法之三例科学研究方法之三例治学之道治学之道结束语结束语前言 所谓科学研究,广义地说,就是创造所谓科学研究,广义地说,就是创造知识和综合整理知识的工作,在科学知识和综合整理知识的工作,在科学
2、技术的现有水平上前进一步。技术的现有水平上前进一步。科学研究必须以取得新的结果作为衡科学研究必须以取得新的结果作为衡量成功与否的标准。这是一种创造性量成功与否的标准。这是一种创造性劳动。新的结果可能是新的发现、新劳动。新的结果可能是新的发现、新的理论,或是新的方法、新的工艺;的理论,或是新的方法、新的工艺;也可能是一种新材料,或一个新的器也可能是一种新材料,或一个新的器件等等。件等等。科学研究必须在前人的基础上有所创科学研究必须在前人的基础上有所创新新。科学研究全过程中贯穿创造性。科学研究全过程中贯穿创造性。前言 科学史有无数创造性的例子:科学史有无数创造性的例子:有的人埋头于实验,通过细心观
3、察,有的人埋头于实验,通过细心观察,发现了新的现象,如伦琴发现发现了新的现象,如伦琴发现X X射线;射线;琴纳通过接种牛痘防治天花,从而奠琴纳通过接种牛痘防治天花,从而奠定了免疫学定了免疫学有的人按预定的概念与计划去实验,有的人按预定的概念与计划去实验,取得了预期的结果,如居里夫人从大取得了预期的结果,如居里夫人从大量的沥青铀矿中提炼出放射性元素钋量的沥青铀矿中提炼出放射性元素钋和镭;和镭;有的人通过广泛的观察、体会,有的人通过广泛的观察、体会,“悟悟”出新概念,从而提出新理论,如达出新概念,从而提出新理论,如达尔文的进化论;尔文的进化论;科学研究有各种不同的方法和途径科学研究有各种不同的方法
4、和途径 有的人由纯粹的数理演绎,提出新有的人由纯粹的数理演绎,提出新概念,预见新现象的存在,如麦克概念,预见新现象的存在,如麦克斯韦的电磁场理论;还有人修正旧斯韦的电磁场理论;还有人修正旧的理论,提出新的假说,这些假说的理论,提出新的假说,这些假说在当时似乎都违反常识,如爱因斯在当时似乎都违反常识,如爱因斯坦创立相对论;坦创立相对论;有的人将不同学科联系、组织起来,有的人将不同学科联系、组织起来,建立起新领域而取得了成功,如维建立起新领域而取得了成功,如维纳建立控制论。纳建立控制论。所有这一切都说明,获得创造性所有这一切都说明,获得创造性成果的途径是多种多样的,显然不成果的途径是多种多样的,显
5、然不存在什么一成不变的方法。存在什么一成不变的方法。人才的标准人才的标准品德、知识、能力、业绩作为衡量品德、知识、能力、业绩作为衡量人才的主要标准。不唯学历,不唯人才的主要标准。不唯学历,不唯职称,不唯资历,不唯成分。职称,不唯资历,不唯成分。在大学阶段,要进行在大学阶段,要进行“品德、知识、品德、知识、能力能力”的培养,而能力培养作为人的培养,而能力培养作为人才培养的重点。才培养的重点。(1 1)有提出问题、确定选题的能力)有提出问题、确定选题的能力 提提出出问问题题的的基基础础是是要要具具有有坚坚实实的的基基础础理理论论和和广广博博的的知知识识。学学问问和和经经验验是是提出问题、创立假说的
6、源泉;提出问题、创立假说的源泉;主主要要是是培培养养归归纳纳能能力力阅阅读读文文献献和和收集资料后的思考和判断的能力收集资料后的思考和判断的能力.好好奇奇心心、不不墨墨守守成成规规、敢敢于于直直面面科科学学现现实实、敢敢于于向向权权威威挑挑战战也也是是不不可可缺缺少的品质少的品质。科学研究培养年青学人三个能力(2)(2)有有提提出出、阐阐述述假假说说(假假设设、方方案案)的的能能力力,有有批批评评、判判断断种种种种假假说说(假假设设、方案)的能力;方案)的能力;这主要是培养思维能力这主要是培养思维能力逻辑思维逻辑思维(分析、对比、推理)和形象思维的(分析、对比、推理)和形象思维的 能力。能力。
7、(3)(3)有证明假说(假设、方案)的有证明假说(假设、方案)的 是非真假的能力;是非真假的能力;这主要是指实践能力这主要是指实践能力设计能力、设计能力、实验能力、深入考察、观察事物的能实验能力、深入考察、观察事物的能力。力。有了这三种能力,研究生将来到有了这三种能力,研究生将来到社会上,便能具备:社会上,便能具备:1.1.敏锐的感应能力敏锐的感应能力;即对各种变迁局即对各种变迁局 势作出快速而恰当的反应;势作出快速而恰当的反应;2.2.弹性的适应能力弹性的适应能力;即行为模式具有即行为模式具有 可塑性、不墨守成规,能快速适应可塑性、不墨守成规,能快速适应 环境的变迁;环境的变迁;3.3.丰富
8、的创意能力丰富的创意能力;即能不断产生新即能不断产生新 颖颖(Idea)Idea)思路和方案。思路和方案。关于学习能力、创造能力关于学习能力、创造能力 学习能力主要体现在如何快速达到前人学习能力主要体现在如何快速达到前人的水平,创造能力主要体现在如何超的水平,创造能力主要体现在如何超过前人的水平。研究生主要培养创造过前人的水平。研究生主要培养创造能力(提出问题和解决问题的能力)能力(提出问题和解决问题的能力)培养正确的思维方法更为重要。培养正确的思维方法更为重要。若单纯进行知识和技术的灌输,而没有若单纯进行知识和技术的灌输,而没有一种正确的思维方法指导,难于成为一种正确的思维方法指导,难于成为
9、四化建设的高级科技人才;它只能培四化建设的高级科技人才;它只能培养头脑僵化、缺乏应变能力的人。养头脑僵化、缺乏应变能力的人。学习能力、创造能力学习能力、创造能力和正确思维和正确思维科学方法不要单纯地理解为吸收具体知科学方法不要单纯地理解为吸收具体知识的技巧。科学方法实际是科学哲学的识的技巧。科学方法实际是科学哲学的一部分,它讲的是一般原则、一种战略一部分,它讲的是一般原则、一种战略和一些例子,它需要意会,需要自己灵和一些例子,它需要意会,需要自己灵活应用。活应用。科学方法中还包括科学方法中还包括:在众多未吸收的知在众多未吸收的知识类型中如何判断和选择自己应学的知识类型中如何判断和选择自己应学的
10、知识,应攻读的知识,在自己已经学习的识,应攻读的知识,在自己已经学习的知识中如何进行是否继续学习的取舍,知识中如何进行是否继续学习的取舍,如何评价各类知识与自己所应具备的知如何评价各类知识与自己所应具备的知识结构之间的关系等等。识结构之间的关系等等。结论是:正确的思维是最重要的。结论是:正确的思维是最重要的。治学三境界治学三境界与创造四阶段与创造四阶段治学三境界与创造四阶段治学三境界与创造四阶段 三种境界三种境界 王国维王国维 古今之成大事业、大学问者,必经古今之成大事业、大学问者,必经过三种之境界:过三种之境界:“昨夜西风凋碧树。独上高楼,望昨夜西风凋碧树。独上高楼,望尽天涯路。尽天涯路。”
11、此第一境也。此第一境也。“衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴。悴。”此第二境也。此第二境也。“众里寻他千百度,蓦然回首,那众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在,灯火阑珊处。人却在,灯火阑珊处。”此第三境也。此第三境也。也。治学的三种境界治学的三种境界迎着困难,勇于攀登,高瞻远望,苦迎着困难,勇于攀登,高瞻远望,苦苦思索苦思索,“独上高楼,望尽天涯路独上高楼,望尽天涯路”;这是处于创造沉思中的情景。这是;这是处于创造沉思中的情景。这是第一种境界。第一种境界。追求真理,百折不挠,无论多大挫折,追求真理,百折不挠,无论多大挫折,终不后退终不后退,“衣带渐宽终不悔,为伊衣带渐宽终
12、不悔,为伊消得人憔悴消得人憔悴”;这是研究探索中的情这是研究探索中的情景。这是第二种境界。景。这是第二种境界。几经艰苦奋斗,突然受到启发,顿时几经艰苦奋斗,突然受到启发,顿时恍然大悟,原来事物的奥秘,正隐藏恍然大悟,原来事物的奥秘,正隐藏在在“灯火阑珊处灯火阑珊处”;这是直觉的顿悟、;这是直觉的顿悟、成功的欢悦的情景。这是第三种境界成功的欢悦的情景。这是第三种境界治学三境界对应创造三阶段治学三境界对应创造三阶段 “三种境界三种境界”之说正说明了在科学之说正说明了在科学探索和艺术创作中存在着三个阶段:探索和艺术创作中存在着三个阶段:高瞻远瞩、构想沉思的准备阶段高瞻远瞩、构想沉思的准备阶段-准备期
13、准备期覃思苦虑、孜孜以求的探索阶段覃思苦虑、孜孜以求的探索阶段-探索期探索期不断追求、终有顿悟的收获阶段不断追求、终有顿悟的收获阶段-豁朗期豁朗期 王国维先生的这一论述蕴含着深邃的哲王国维先生的这一论述蕴含着深邃的哲理,其真知灼见发人深思理,其真知灼见发人深思。科学创造四阶段科学创造四阶段 从事科学研究的人似乎还需要一种从事科学研究的人似乎还需要一种境界,即:境界,即:“行到水穷处,坐看云起行到水穷处,坐看云起时。时。”(王维诗王维诗)。“行到水穷处行到水穷处”可可状实践检验,状实践检验,“坐看云起时坐看云起时”则是理则是理论升华。论升华。科学研究中第四种境界科学研究中第四种境界验证期验证期
14、创造性思维豁然贯通仅仅是创造的创造性思维豁然贯通仅仅是创造的端倪初露,茅塞顿开、灵感突现并不端倪初露,茅塞顿开、灵感突现并不是完整的创造,如果不加以完善验证、是完整的创造,如果不加以完善验证、发展或加工扬弃,那么尽管这些思想发展或加工扬弃,那么尽管这些思想火花十分可贵,可是浅尝辄止,仍可火花十分可贵,可是浅尝辄止,仍可能功亏一篑,丧失了创造中本应得到能功亏一篑,丧失了创造中本应得到的最有力的成果。的最有力的成果。曹冲称象曹冲称象 曹冲把一个大象的重量称出来了。曹冲把一个大象的重量称出来了。曹冲聪明之处在于:曹冲聪明之处在于:一有联想才能见过曹操海上练兵一有联想才能见过曹操海上练兵时舰船装上兵员
15、与武器后下沉。曹冲时舰船装上兵员与武器后下沉。曹冲有举一反三的能力。有举一反三的能力。二有抽象能力玩过弹弓打鸟,以二有抽象能力玩过弹弓打鸟,以石计数的游戏。曹冲有以石代象,以石计数的游戏。曹冲有以石代象,以石称重的抽象能力。反映了中国孩子石称重的抽象能力。反映了中国孩子的直觉能力。的直觉能力。但曹冲和先人没有把问题从理论上但曹冲和先人没有把问题从理论上升华提高。升华提高。曹冲一个聪明的孩子曹冲一个聪明的孩子。阿基米德称王冠阿基米德称王冠 “阿基米德称王冠阿基米德称王冠”阿基米德阿基米德不但找到了辨别金王冠中是否掺入了不但找到了辨别金王冠中是否掺入了其他金属的方法,而且在他的著作其他金属的方法,
16、而且在他的著作论浮体中进一步总结了液体静力论浮体中进一步总结了液体静力学的基本原理后人称为阿基米德定学的基本原理后人称为阿基米德定理。理。阿基米德不但有联想能力、逻辑阿基米德不但有联想能力、逻辑判断能力、抽象能力,还有理论升华判断能力、抽象能力,还有理论升华能力提高到理论高度来认识的能力。能力提高到理论高度来认识的能力。这是作为一个科学家必须具备的能力。这是作为一个科学家必须具备的能力。阿基米德科学家,浮力定律的创始阿基米德科学家,浮力定律的创始人。人。科学研究要重视验证期科学研究要重视验证期和理论升华和理论升华 “阿阿基基米米德德称称王王冠冠”由由“现现象象”(物物体体浸浸入入水水中中水水溢
17、溢出出的的现现象象)到到提提出出“假假说说”(重重量量相相同同、密密度度不不同同的的金金属属溢溢出出的的水水是是不不同同的的),解解决决了了实实际际问问题题,再再进进入入验验证证期期,将将现现象象升升华华,归归纳纳为为“原原理理”(后后人人认认为为是是“定理定理”、“定律定律”)对对“曹曹冲冲称称象象”,仅仅停停留留在在某某一一实实际际问问题题的的解解决决上上。我我们们没没有有将将问问题题从从理理论论上上升升华华,也也没没有有发发现现先先人人对对“曹曹冲称象冲称象”的现象有进一步阐述的记录。的现象有进一步阐述的记录。直直接接称称出出大大象象是是人人们们办办不不到到的的事事,但但一块块石头的重量
18、是可以称出来的一块块石头的重量是可以称出来的 1.1.曹曹冲冲用用大大船船的的沉沉浮浮先先把把象象的的重重量量变换成石头的重量,这一步用变换成石头的重量,这一步用L L表示表示 2.2.再称石头的重量,这一步用再称石头的重量,这一步用A A表示表示 3.3.又又将将石石头头的的重重量量变变换换成成大大象象的的重重量量。这这一一步步跟跟L L交交换换恰恰好好相相反反,我我们们用用L L1 1表示表示。三步连起来可以写成。三步连起来可以写成L L1 1AL.AL.它它表表示示先先实实行行L L,再再实实行行A A,最最后后实实行行L L1 1。这样就把大象重量称出来了。这样就把大象重量称出来了。“
19、曹冲称象曹冲称象”今人总结的今人总结的共轭控制方法的先祖共轭控制方法的先祖 数数学学上上一一般般把把L L1 1ALAL称称作作A A过过程程的的共共轭轭过过程程。我我们们将将L L1 1ALAL称称为为与与A A共共轭轭的的控控制制方方法法,它它通通过过L L变变换换和和L L1 1变变换换,把把我我们们原原来来不不能能控控制制的的事事变变为为我我们们可可以以控控制制的的A A过过程程去去完完成成。A A的的控控制制范范围围在在施施行行了了L L和和L L1 1变变换换后后扩扩大大了了。例如:一种混匀固体的方法。例如:一种混匀固体的方法。L L将固体溶于某种液体,将固体溶于某种液体,A A控
20、制液体混匀的方法,控制液体混匀的方法,L L1 1 L L的反变换,将溶液蒸干。的反变换,将溶液蒸干。这这样样L L1 1ALAL过过程程就就使使混混合合液液体体的的方方法法扩大了控制范围,用于混匀固体。扩大了控制范围,用于混匀固体。科学研究要重视理性思维,科学研究要重视理性思维,重视理论升华,重视验证期重视理论升华,重视验证期关关于于验验证证期期,举举爱爱因因斯斯坦坦建建立立和和验验证证广广义义相相对对论论的的例例子子。1913191319151915年年爱爱因因斯斯坦坦在在导导出出协协变变形形式式的的引引力力场场方方程程经经历历短短暂暂的的欢欢乐乐后后,等等待待着着实实验验验验证的曲折历程
21、。证的曲折历程。由由广广义义相相对对论论,爱爱因因斯斯坦坦预预言言,光光线线必必被被引引力力场场所所折折弯弯。他他在在19141914年年算算出出,从从远远处处的的恒恒星星发发出出的的光光线线,如如果果过过太太阳阳表表面面,光光线线偏偏转转的的角角度度是是0.870.87秒秒弧弧度度,而而在在19151915年年1111月月8 8日日他他修修正正为为1.751.75秒秒弧弧度。度。爱爱因因斯斯坦坦认认为为证证实实这这个个理理论论的的最最后后证证据据只只能能来来自自“在在日日蚀蚀过过程程中中拍拍摄摄的的靠靠近近太太阳阳的的星星星星的的照照片片,我希望在我希望在19141914年的日蚀年做出最后的
22、抉择。年的日蚀年做出最后的抉择。”爱爱因因斯斯坦坦在在给给德德国国天天文文学学家家弗弗罗罗因因特特里里希希的的信信中中说说:“为为了了进进一一步步证证实实这这个个理理论论的的正正确确性性,我我们们需需要要得得到到一一个个可可靠靠的的证证据据,否否则则,我我们们的的理理论论就就会夭折。会夭折。”表达了他对验证理论的焦急心情。表达了他对验证理论的焦急心情。弗弗罗罗因因特特里里希希19141914年年7 7月月率率队队远远征征到到克克里里米米亚亚做做日日蚀蚀实实验验,当当时时德德俄俄战战争争正正在在进进行行中中,8 8月月初初,弗弗伦伦特特里里希希被被俄俄国国人人当当做做间间谍谍抓抓起起来来。实实验
23、验没没有有做成,爱因斯坦非常沮丧。做成,爱因斯坦非常沮丧。直直到到19191919年年5 5月月,消消息息传传来来,英英国国的的爱爱丁丁顿顿爵爵士士领领导导的的两两个个观观测测队队分分别别在在巴巴西西和和西西非非拍拍摄摄的的日日全全蚀蚀照照片片,其其观观测测结结果果分分别别为为1.61(0.30)1.61(0.30)和和1.98(0.12)1.98(0.12)秒秒弧弧度度。实实验验与与爱爱因因斯斯坦坦的的预预言言吻合,爱因斯坦这才松了一口气。吻合,爱因斯坦这才松了一口气。与与牛牛顿顿一一样样,爱爱因因斯斯坦坦成成为为人人类类历历史史上上最最伟伟大大的的科学家。科学家。文学艺术的创造与科学探索求
24、知的过文学艺术的创造与科学探索求知的过程,是很复杂的。客观的观察和分析,程,是很复杂的。客观的观察和分析,深入的思考和创造的想象力,对于文学深入的思考和创造的想象力,对于文学艺术与科学研究的创造,过程大致是相艺术与科学研究的创造,过程大致是相同的。同的。凡凡是是革革命命性性的的科科学学研研究究,原原创创性性的的艺艺术术创创新新,都都会会探探究究或或描描写写自自然然界界实实在在的本性,这也是共同的。但的本性,这也是共同的。但 科科学学实实验验自自然然,科科学学家家必必离离我我与与自自然;然;文文学学描描写写自自然然,文文学学家家必必融融我我于于自自然。然。科学与文学艺术的异同科学与文学艺术的异同
25、 文学艺术重灵感、重形象思维;文学艺术重灵感、重形象思维;而而科学重实证、重抽象思维,从逻辑方科学重实证、重抽象思维,从逻辑方法以及从已有之经验,寻求问题的解答法以及从已有之经验,寻求问题的解答。只有经过验证的事物,证明了它的正。只有经过验证的事物,证明了它的正确性,才能算是完成了一个科学研究的确性,才能算是完成了一个科学研究的全过程。全过程。李李白白诗诗:“白白发发三三千千丈丈。”众众人人感感觉觉诗诗人人的的浪浪漫漫,夸夸张张。明明知知不不符符合合现现实,并不指责诗人。实,并不指责诗人。科科学学家家连连白白发发三三丈丈都都不不能能讲讲,因因为为没没有有根根据据,拿拿不不出出证证明明来来。科科
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