《科學研究方法》PPT課件.ppt

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1、科學研究方法與治學談,北京理工大學 周立偉 2008年1月4日,題記 科學研究沒有一成不變的方法，也沒有萬無一失的共同模式，但它是講究方法的。,科學研究方法與治學談,前言 治學三境界與科學創(chuàng)造四階段 科學研究的途徑 中國古人之治學 科學研究方法之三例 治學之道 結(jié)束語,,前言,所謂科學研究，廣義地說，就是創(chuàng)造知識和綜合整理知識的工作，在科學技術(shù)的現(xiàn)有水平上前進一步。 科學研究必須以取得新的結(jié)果作為衡量成功與否的標準。這是一種創(chuàng)造性勞動。新的結(jié)果可能是新的發(fā)現(xiàn)、新的理論，或是新的方法、新的工藝；也可能是一種新材料，或一個新的器件等等。 科學研究必須在前人的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新?？茖W研究全過程中貫穿創(chuàng)

2、造性。,前言,科學史有無數(shù)創(chuàng)造性的例子： 有的人埋頭于實驗，通過細心觀察，發(fā)現(xiàn)了新的現(xiàn)象，如倫琴發(fā)現(xiàn)X射線；琴納通過接種牛痘防治天花，從而奠定了免疫學 有的人按預(yù)定的概念與計劃去實驗，取得了預(yù)期的結(jié)果，如居里夫人從大量的瀝青鈾礦中提煉出放射性元素釙和鐳； 有的人通過廣泛的觀察、體會，“ 悟”出新概念，從而提出新理論，如達爾文的進化論；,科學研究有各種不同的方法和途徑,有的人由純粹的數(shù)理演繹，提出新概念，預(yù)見新現(xiàn)象的存在，如麥克斯韋的電磁場理論；還有人修正舊的理論，提出新的假說，這些假說在當時似乎都違反常識，如愛因斯坦創(chuàng)立相對論； 有的人將不同學科聯(lián)系、組織起來，建立起新領(lǐng)域而取得了成功，如維納

3、建立控制論。 所有這一切都說明，獲得創(chuàng)造性成果的途徑是多種多樣的，顯然不存在什么一成不變的方法。,人才的標準,品德、知識、能力、業(yè)績作為衡量人才的主要標準。不唯學歷，不唯職稱，不唯資歷，不唯成分。 在大學階段，要進行“品德、知識、能力”的培養(yǎng)，而能力培養(yǎng)作為人才培養(yǎng)的重點。,（1）有提出問題、確定選題的能力 提出問題的基礎(chǔ)是要具有堅實的基礎(chǔ)理論和廣博的知識。學問和經(jīng)驗是提出問題、創(chuàng)立假說的源泉； 主要是培養(yǎng)歸納能力閱讀文獻和收集資料后的思考和判斷的能力. 好奇心、不墨守成規(guī)、敢于直面科學現(xiàn)實、敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)也是不可缺少的品質(zhì)。,科學研究培養(yǎng)年青學人三個能力,(2)有提出、闡述假說（假

4、設(shè)、方案）的能力,有批評、判斷種種假說（假設(shè)、方案）的能力； 這主要是培養(yǎng)思維能力邏輯思維 （分析、對比、推理）和形象思維的 能力。 (3) 有證明假說（假設(shè)、方案）的 是非真假的能力； 這主要是指實踐能力設(shè)計能力、實驗?zāi)芰Α⑸钊肟疾?、觀察事物的能力。,有了這三種能力，研究生將來到 社會上，便能具備： 1.敏銳的感應(yīng)能力;即對各種變遷局 勢作出快速而恰當?shù)姆磻?yīng)； 2.彈性的適應(yīng)能力;即行為模式具有 可塑性、不墨守成規(guī)，能快速適應(yīng) 環(huán)境的變遷； 3.豐富的創(chuàng)意能力;即能不斷產(chǎn)生新 穎(Idea)思路和方案。,關(guān)于學習能力、創(chuàng)造能力 學習能力主要體現(xiàn)在如何快速達到前人的水平，創(chuàng)造能力主要體現(xiàn)在如

5、何超過前人的水平。研究生主要培養(yǎng)創(chuàng)造能力（提出問題和解決問題的能力） 培養(yǎng)正確的思維方法更為重要。 若單純進行知識和技術(shù)的灌輸，而沒有一種正確的思維方法指導(dǎo)，難于成為四化建設(shè)的高級科技人才；它只能培養(yǎng)頭腦僵化、缺乏應(yīng)變能力的人。,學習能力、創(chuàng)造能力和正確思維,科學方法不要單純地理解為吸收具體知識的技巧?？茖W方法實際是科學哲學的一部分，它講的是一般原則、一種戰(zhàn)略和一些例子，它需要意會，需要自己靈活應(yīng)用。 科學方法中還包括: 在眾多未吸收的知識類型中如何判斷和選擇自己應(yīng)學的知識，應(yīng)攻讀的知識，在自己已經(jīng)學習的知識中如何進行是否繼續(xù)學習的取舍，如何評價各類知識與自己所應(yīng)具備的知識結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系等等。

6、 結(jié)論是：正確的思維是最重要的。,治學三境界與創(chuàng)造四階段,治學三境界與創(chuàng)造四階段,三種境界 王國維 古今之成大事業(yè)、大學問者，必經(jīng)過三種之境界： “ 昨夜西風凋碧樹。獨上高樓，望盡天涯路?！贝说谝痪骋?。 “ 衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴?！贝说诙骋?。 “ 眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處。”此第三境也。也。,治學的三種境界,迎著困難，勇于攀登，高瞻遠望，苦苦思索, “ 獨上高樓，望盡天涯路”；這是處于創(chuàng)造沉思中的情景。這是第一種境界。 追求真理，百折不撓，無論多大挫折，終不后退, “ 衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴”；這是研究探索中的情景。這是第二種境界。 幾經(jīng)艱苦

7、奮斗，突然受到啟發(fā)，頓時恍然大悟，原來事物的奧秘，正隱藏在“ 燈火闌珊處”；這是直覺的頓悟、成功的歡悅的情景。這是第三種境界,治學三境界對應(yīng)創(chuàng)造三階段,“三種境界” 之說正說明了在科學探索和藝術(shù)創(chuàng)作中存在著三個階段： 高瞻遠矚、構(gòu)想沉思的準備階段-準備期 覃思苦慮、孜孜以求的探索階段-探索期 不斷追求、終有頓悟的收獲階段-豁朗期 王國維先生的這一論述蘊含著深邃的哲理，其真知灼見發(fā)人深思。,科學創(chuàng)造四階段,從事科學研究的人似乎還需要一種境界，即：“行到水窮處，坐看云起時?！?王維詩)?！靶械剿F處”可狀實踐檢驗，“坐看云起時”則是理論升華。 科學研究中第四種境界驗證期 創(chuàng)造性思維豁然貫通僅僅

8、是創(chuàng)造的端倪初露，茅塞頓開、靈感突現(xiàn)并不是完整的創(chuàng)造，如果不加以完善驗證、發(fā)展或加工揚棄，那么盡管這些思想火花十分可貴，可是淺嘗輒止，仍可能功虧一簣，喪失了創(chuàng)造中本應(yīng)得到的最有力的成果。,曹沖稱象,曹沖把一個大象的重量稱出來了。 曹沖聰明之處在于： 一有聯(lián)想才能見過曹操海上練兵時艦船裝上兵員與武器后下沉。曹沖有舉一反三的能力。 二有抽象能力玩過彈弓打鳥，以石計數(shù)的游戲。曹沖有以石代象，以石稱重的抽象能力。反映了中國孩子的直覺能力。 但曹沖和先人沒有把問題從理論上升華提高。曹沖一個聰明的孩子。,阿基米德稱王冠,“阿基米德稱王冠”阿基米德不但找到了辨別金王冠中是否摻入了其他金屬的方法，而且在

9、他的著作論浮體中進一步總結(jié)了液體靜力學的基本原理后人稱為阿基米德定理。 阿基米德不但有聯(lián)想能力、邏輯判斷能力、抽象能力，還有理論升華能力提高到理論高度來認識的能力。這是作為一個科學家必須具備的能力。阿基米德科學家，浮力定律的創(chuàng)始人。,科學研究要重視驗證期和理論升華,“ 阿基米德稱王冠”由“現(xiàn)象”（物體浸入水中水溢出的現(xiàn)象）到提出“假說”（重量相同、密度不同的金屬溢出的水是不同的），解決了實際問題，再進入驗證期，將現(xiàn)象升華, 歸納為“原理”（后人認為是“定理”、“定律”） 對“曹沖稱象”，僅停留在某一實際問題的解決上。我們沒有將問題從理論上升華，也沒有發(fā)現(xiàn)先人對“曹沖稱象”的現(xiàn)象有進一步闡述

10、的記錄。,直接稱出大象是人們辦不到的事，但一塊塊石頭的重量是可以稱出來的 1.曹沖用大船的沉浮先把象的重量變換成石頭的重量，這一步用L表示 2.再稱石頭的重量，這一步用A表示 3.又將石頭的重量變換成大象的重量。這一步跟L交換恰好相反，我們用L1表示。三步連起來可以寫成L1AL. 它表示先實行L，再實行A，最后實行L1。這樣就把大象重量稱出來了。,“曹沖稱象”今人總結(jié)的 共軛控制方法的先祖,數(shù)學上一般把L1AL稱作A過程的共軛過程。我們將L1AL稱為與A共軛的控制方法，它通過L變換和L1變換，把我們原來不能控制的事變?yōu)槲覀兛梢钥刂频腁過程去完成。A的控制范圍在施行了L和L1變換后擴大了

11、。例如：一種混勻固體的方法。 L將固體溶于某種液體， A控制液體混勻的方法， L1 L的反變換，將溶液蒸干。 這樣L1AL過程就使混合液體的方法擴大了控制范圍，用于混勻固體。,科學研究要重視理性思維，重視理論升華，重視驗證期,關(guān)于驗證期，舉愛因斯坦建立和驗證廣義相對論的例子。19131915年愛因斯坦在導(dǎo)出協(xié)變形式的引力場方程經(jīng)歷短暫的歡樂后，等待著實驗驗證的曲折歷程。 由廣義相對論，愛因斯坦預(yù)言，光線必被引力場所折彎。他在1914年算出，從遠處的恒星發(fā)出的光線，如果過太陽表面，光線偏轉(zhuǎn)的角度是0.87秒弧度, 而在1915年11月8日他修正為1.75秒弧度。 愛因斯坦認為證實這個理論的最后

12、證據(jù)只能來自“在日蝕過程中拍攝的靠近太陽的星星的照片，我希望在1914年的日蝕年做出最后的抉擇?！?愛因斯坦在給德國天文學家弗羅因特里希的信中說：“為了進一步證實這個理論的正確性，我們需要得到一個可靠的證據(jù)，否則，我們的理論就會夭折?！北磉_了他對驗證理論的焦急心情。 弗羅因特里希1914年7月率隊遠征到克里米亞做日蝕實驗，當時德俄戰(zhàn)爭正在進行中，8月初，弗倫特里希被俄國人當做間諜抓起來。實驗沒有做成，愛因斯坦非常沮喪。 直到1919年5月，消息傳來，英國的愛丁頓爵士領(lǐng)導(dǎo)的兩個觀測隊分別在巴西和西非拍攝的日全蝕照片，其觀測結(jié)果分別為1.61(0.30)和1.98(0.12) 秒弧度。實驗與愛因斯

13、坦的預(yù)言吻合，愛因斯坦這才松了一口氣。 與牛頓一樣，愛因斯坦成為人類歷史上最偉大的科學家。,文學藝術(shù)的創(chuàng)造與科學探索求知的過 程，是很復(fù)雜的?？陀^的觀察和分析， 深入的思考和創(chuàng)造的想象力，對于文學 藝術(shù)與科學研究的創(chuàng)造，過程大致是相 同的。 凡是革命性的科學研究，原創(chuàng)性的藝術(shù)創(chuàng)新，都會探究或描寫自然界實在的本性，這也是共同的。但 科學實驗自然，科學家必離我與自然； 文學描寫自然，文學家必融我于自然。,科學與文學藝術(shù)的異同,文學藝術(shù)重靈感、重形象思維； 而科學重實證、重抽象思維，從邏輯方 法以及從已有之經(jīng)驗，尋求問題的解答 。只有經(jīng)過驗證的事物，證明了它的正 確性，才能算是完成了一個科學研究

14、的 全過程。 李白詩：“白發(fā)三千丈?！北娙烁杏X詩人的浪漫，夸張。明知不符合現(xiàn)實，并不指責詩人。 科學家連白發(fā)三丈都不能講，因為沒有根據(jù)，拿不出證明來?？茖W是講究實證的。,科學與文學藝術(shù)的異同,文學藝術(shù)主要關(guān)注內(nèi)在精神世界,如情感 、虛構(gòu)和精神,是相對主觀的;讀李清照的詩: 生當為人杰, 死亦為鬼雄, 至今思項羽, 不 肯過江東。她抒發(fā)的是對一名悲劇英雄的情 感和追思。她期盼有項羽這樣寧死不逃避責 任的英雄，重振大宋王朝雄風的愿望 科學, 例如物理學關(guān)注的是運動、物體和 力的客觀世界。無論科學或是文學藝術(shù),都有 靈感勃發(fā)的問題,但物理學家在靈感以后,就 需不可缺的數(shù)學證明,展現(xiàn)出來的物理學框

15、架是序列的、抽象的數(shù)學方程搭建起來的。,科學關(guān)注客觀世界的實在 文學藝術(shù)關(guān)注內(nèi)在精神世界,總結(jié)： 科學創(chuàng)造四階段 “昨夜西風凋碧樹。獨上高樓，望盡天涯路?！? 玉韞珠藏，秋水欲穿，不知伊人何處尋？ “衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴?！? 抱樸唯恒，欣戚兩忘，觸物皆有會心處。 “眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處?！? 心有靈犀，意所偶會，皇天不負苦心人。 “行到水窮處，坐看云起時?！? 格物致知，究極窮理，悟乾坤真機真境。,科學創(chuàng)造四階段的提法，其立意是想說明科學創(chuàng)造中經(jīng)歷的過程和境界。 一個科學家，只要自己身臨其境，親身經(jīng)歷過完整的科學研究的過程，都會體會到創(chuàng)造過程中的四種境界，

16、感受到問題的彷徨（醞釀期），求索的煉獄（探索期），頓悟的歡欣（頓悟期）和證實的煎熬（驗證期）。 孔子曰：“朝聞道，夕死可矣?！币郧拔液茈y理解而后來慢慢能體會。我的體會是：“一個人只要一生中體驗過哪怕一次科學創(chuàng)造中的彷徨、煉獄、歡樂和煎熬，死而無憾矣?！?科學研究的途徑,科學研究的途徑,楔子 一個偵破故事:1996年“ 京城劫鈔案” 京城 2.8” “ 6.3” 8.27”三起劫鈔案 作案手法類似：盜車搶劫棄車換車逃逸。 破案突破口：米黃色尼桑橋車被盜案乃是前兆。找車是突破口。 結(jié)論是：突破口找對了，正確的思維導(dǎo)致正確的結(jié)果。,搞科學研究頗像搞偵破，都是運用自己的思維去分析、去推論。科學工作者最

17、重要的一點是要有“ 創(chuàng)造性智慧”（Creative intelligence），要有“ 思想（創(chuàng)意、點子）” 即Idea。 科學研究中必須要有自己的 Idea，否則就是復(fù)制，就是模仿；不是創(chuàng)新，更不是創(chuàng)造。 什么是 Idea 呢？ Idea是用已知的事物作根據(jù)，由此推測到別種事物的作用。也就是說，具有推論的作用。,推論的作用是從已知的事物推及未知的事物。有前者作根據(jù)，作基礎(chǔ)，而對后者發(fā)生作用，這是有條理的思想作用。 Idea 的特點是： (1) 須先有一種疑惑困難的情境做起點； 如：接連三次運鈔車搶劫案的發(fā)生； (2) 須有尋思搜索的作用，要尋出新事物 、新方法、新手段來解決這種疑惑困

18、難，即尋找突破口。 如：盜車搶劫棄車換車逃逸的規(guī)律，找被盜車是一個突破口。,Idea 的基本條件是： 嚴格合乎邏輯，概念清楚，切合實際 科學研究的過程，實際是不斷產(chǎn)生Idea的過程，Idea貫穿科學研究的全過程。 研究課題從一般地提出到具體化，直到課題任務(wù)的完成，必須建立一個合乎邏輯的程序（步驟）、思考和方法 科學研究人員必須對研究的途徑、程序以及方法，即科學研究的全過程有明確的認識。,科學研究途徑框圖,,線索,,突破口,,假說（假設(shè)）,,前驗評價（假說含義的展開）,,后驗評價（排除錯誤、確證、實 踐檢驗）,,問題的解決（新問題的出現(xiàn)）,,疑難問題的提出,,疑問（疑難問題的由來）,,假說的修

19、正,,,,,,,框圖反映了科學創(chuàng)造四階段的過程,科學研究的途徑與科學創(chuàng)造四個階段的聯(lián)系： （1）醞釀期（獨上高樓，望盡天涯路）疑問和疑難問題的提出。 （2）探索期（衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴）突破口，假說（假設(shè)、試驗性理論），實驗和觀測；前驗評價的前一部分。,（3）頓悟期（眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處）前驗評價的后一部分，即在觀測、實驗、研究中應(yīng)用這些假說與實踐，檢驗以前的評價，得到的結(jié)論或新的結(jié)果。 （4）驗證期（行到水窮處，坐看云起時）后驗評價（排除錯誤、確證、實踐檢驗）。,疑難問題的提出,疑難問題的提出,兩個問題：疑問和提出疑難問題。 疑問是思想的起點。一切有用的

20、思想，都起于一個疑問；一切科學發(fā)明，實際上起于思想上的疑惑。 “ 學原于思，思起于疑”。 但是，有疑問并不等于能提出問題。特別是有些看法似乎已經(jīng)是常識，是傳統(tǒng)的見解，是書本上寫的，是權(quán)威的結(jié)論，雖有疑問，卻不敢提出問題。,科學始于問題 1.問題促使理論的產(chǎn)生 理論的任務(wù)在于試圖解決問題。理論是一種嘗試，猜測，假設(shè)，科學家根據(jù)他的懷疑、猜想、理論、想法、靈感去盤問自然界。如果沒有問題，也就不會有對問題的解釋即理論。,2.問題推動科學的發(fā)展 問題是促進科學發(fā)展的動力。問題促使人們思索，發(fā)展理論，進行觀察和實驗活動，發(fā)展科學。問題導(dǎo)致科學知識的發(fā)展，問題不斷增進科學的深度和精確性。 3.

21、問題是認識活動的起點 對于科學家的研究，作為起點的總是問題。在科學研究中，我們心目中必須有一個確定的問題，對這個問題，我們要用觀察、實驗或理論來加以解決。,提出問題要有科學精神。提倡多疑、多問、多想，多思考，不是隨心所欲、脫離實際亂疑或離奇荒謬的亂想，而是要以科學原則為指導(dǎo)提出有意義的問題。 科學研究，是從已知探究未知，獲得新知。提出問題，思考問題，要從現(xiàn)有基礎(chǔ)出發(fā)，用現(xiàn)有科學知識規(guī)律去解析、探究、論證，尋找新的結(jié)論。 科學研究中，有些問題也可能是完全合理、有意義的，但一時確實難以求得結(jié)論。這是因現(xiàn)有的知識水平、環(huán)境條件、認識能力有限，難以解決。,問題從何而來？從前人的實驗、文獻資料中的觀點

22、和認識和自己的實驗和經(jīng)驗來。要分析： 1、前人的工作做了什么，解決了什么，推進了什么；他們不同認識和經(jīng)驗；理論和方法的比較；漏洞是什么？ 2、自己和前人（他人）對這一問題在認識和經(jīng)驗有什么不同； 3、自己在不同或相同的條件下得出的認識和經(jīng)驗。 4、分析和比較事物各個發(fā)展階段的異同，總結(jié)出事物的規(guī)律。,提出疑問和問題的途徑 (1) 某個理論內(nèi)部的邏輯矛盾； (2) 理論結(jié)構(gòu)上不符合簡單性與普遍 性的要求； (3) 現(xiàn)有理論與經(jīng)驗事實之間的矛盾 (4) 對經(jīng)驗事實未能作出統(tǒng)一的理論 說明； (5) 理論的實際應(yīng)用與現(xiàn)有技術(shù)條件 的矛盾； (6) 不同的理論體系之間的矛盾。,科研方法的一般途

23、徑,1、演繹的方法 演繹是從個別到一般，設(shè)置一個理論前提（公認的或嚴密論證的），把理論一步步演繹下去，得到這個命題的正確結(jié)論。有嚴密的邏輯、推理，不由不使人信服。 2、歸納、統(tǒng)計的方法 歸納是從個別到一般，即從一定數(shù)量的個別性事實，抽象、概括出一般性原理。即收集資料，以事例的積累的能量說服人 3、集成的方法技術(shù)研究的途徑 集成是把他人成熟的方法用自己的思想改進，或是嘗試把先進技術(shù)應(yīng)用到自己的課題，以取得的進展來說服人。,尋找突破口（切入點）,一是以過去的研究作為自己的起點。注意前人文獻中不同作者報告的特點和差別，前人研究中的“ 空白”和 “ 不一致”的地方，尋找知識上的“ 空擋”，在原范

24、疇內(nèi)尋找未開發(fā)的處女地。 二是廣泛瀏覽各種資料，了解其它學科的進展，注意有無可利用的新原理、新技術(shù)，將它 “ 移植”到我的科學問題上，在原范疇中尋找一個出口，與別的范疇結(jié)合交融，從而開拓新領(lǐng)域,突破口（切入點）選定的二條途徑,尋找突破口（切入點）框圖,所研究的 課題,分析課題,按課題收集資料,選擇與綜合,選擇突破口（主攻方向）,分離要解決 的任務(wù),系統(tǒng)化,研究 目的,一般的設(shè)想 具體化,,,,,,,,,,,,,假說（假設(shè)、試驗性理論）,假說的提出,研究工作本身就是“提出假說，找尋證據(jù)” 或“大膽假設(shè)，小心求證” 假說往往產(chǎn)生于新發(fā)現(xiàn)的事實與已有的理論發(fā)生矛盾的時候。這種矛盾在糾正謬誤、探索真理

25、的認識過程中經(jīng)常出現(xiàn)的，它是推動人們認識發(fā)展的內(nèi)部動力。 為了解決這種矛盾，需要通過創(chuàng)造性的思維活動，對新事物的原因、本質(zhì)、規(guī)律性作出初步的假定，這就是假說。 假說是一個作者對現(xiàn)實世界（科學領(lǐng)域）的觀點或說法（科學理論）提出自己的想法：“現(xiàn)實”應(yīng)該是這樣。,假說的意義,科學的發(fā)展是通過不斷提出試探性的猜想（假說、假設(shè)），并不斷反駁，即排除猜想（假說、假設(shè)）中的錯誤而實現(xiàn)的。 1.研究人員在文獻資料、觀察、實驗、經(jīng)驗和理論的基礎(chǔ)上，從現(xiàn)實出發(fā)，對所獲得的材料進行加工制作，針對問題提出猜測性的假說（或解決方案）。 2.翔實記述數(shù)據(jù)，觀察歸納各派學說，提出某種作為理論基本前提的猜測性假說， 3

26、.由邏輯推演出理論系統(tǒng)，抽象出概念，導(dǎo)出邏輯推論，提煉自己的假說。,前驗評價（假說的推論）,前驗評價（假說的推論）,提出假說后，就要找證據(jù)，以證據(jù)來判斷、來說明自己假說的“正確”和“真實”。故假說作為工具來揭示新的事實，而不應(yīng)將其視為自身的終結(jié)。 假說提出之后，前驗評價必須應(yīng)用演繹邏輯，推導(dǎo)出若干結(jié)論或推論；前驗評價是在一系列的實驗、抽象的或數(shù)學的方程上搭建起來的。 比較這些結(jié)論和陳述，分析其邏輯關(guān)系。判定理論是否嚴謹，是否自相矛盾。,嘗試性解決（假說與前驗評價）,,突破口,,后驗評價,假說,實驗與觀察,理論或理論體系 （定律）,前驗評價,,,,,,,,,,,嘗試性解決,,后驗評價（排除錯誤）

27、,后驗評價（排除錯誤）,一個發(fā)現(xiàn)或一項研究是否具有創(chuàng)造性及其創(chuàng)造價值的大小，需要實踐的檢驗和社會的承認以作出評價，這是科學研究活動的最后一個環(huán)節(jié)。 經(jīng)過前驗評價后，用演繹推理從最可檢驗的理論或假說（假設(shè)）推導(dǎo)出預(yù)見，同觀測、實驗、生產(chǎn)中的應(yīng)用結(jié)果一一加以比較。這一步叫后驗評價，即實踐檢驗、也叫排除錯誤。,排除錯誤是科學研究的一個重要步驟；研究人員要批判和檢驗所提出的大膽猜想作試探性解決（理論、假說、設(shè)想和方案等）。 批判是“ 找毛病”，檢驗則是“確定錯誤”。如果檢驗的結(jié)果表明，這理論是錯誤的，那就加以排除。通過批判和排除錯誤，可以確保理論的虛假內(nèi)容減小或不增加。 排除錯誤可歸納為“ 大膽嘗試，

28、嚴格檢驗?！?科學研究方法的特點,（1）Idea 始于問題，終于問題；科學研究的過程，實際是不斷產(chǎn)生 Idea 的過程 （2）科學研究五步驟： 前面13步：疑難問題1突破口2假說3，主要偏向于歸納法；后面45步：前驗評價4后驗評價5，主要偏向于演繹法。假說是承上啟下的關(guān)鍵。 (3) 科學研究的途徑實際是猜想反駁 的過程。提出假說的過程是一個猜想的 過程.排除錯誤的過程，即反駁的過程 也是一個批判的、革命的過程。,科學研究中創(chuàng)造性活動的特點,(1) 科學始于問題。 (2) 科學的本質(zhì)在于創(chuàng)造。 (3) 提出假說（技術(shù)方案）是創(chuàng)造 性最強的重要環(huán)節(jié)。 (4) 批判態(tài)度

29、應(yīng)貫徹于全部研究， 批判作為反駁的重要環(huán)節(jié)，乃 是科學方法的最主要的表征。,科學研究的基本步驟： (1) 提出問題科研選題； (2) 以過去的研究作為自己的起點； (3) 找突破口，提出假說，或技術(shù)方案 (4) 演繹推理，尋找證據(jù)，前驗評價 或技術(shù)試驗，詳細設(shè)計； (5) 考察事實，理性加工；或技術(shù)實 施，物化成果； (6) 后驗評價，排除錯誤，推廣應(yīng)用。,創(chuàng)新貫穿于科學研究的全過程 科學研究的每一步驟，如選題、找突破口、提出假說或總體技術(shù)方案、觀察實驗、邏輯證明、技術(shù)實驗與技術(shù)實施、物化成果、后驗評價等等，作者都應(yīng)該有自己的 “ Idea”。要在事實的基礎(chǔ)上作進一步推論（邏輯

30、的與非邏輯的），進行理性加工。 通過考察事實、物化成果、后驗評價、推廣應(yīng)用等，進一步驗證假說或技術(shù)方案的正確性。這樣的過程可能要反復(fù)多次，才能得到正確的結(jié)果。,通過考察事實、物化成果、后驗評價、推廣應(yīng)用等，進一步驗證假說或技術(shù)方案的正確性。這樣的過程可能要反復(fù)多次，才能得到正確的結(jié)果。 科學研究：自覺運用科學方法 科學方法比具體知識抽象，所以就不如具體知識易于學習。同時，科學方法也不像具體知識那樣一目了然并可以在量度基礎(chǔ)上進行比較或衡量，科學方法的效果缺乏直觀性。 科學研究和技術(shù)研究的途徑或程序、過程或步驟不應(yīng)視為教條，而是希望青年學人重視科學方法在科學研究和發(fā)現(xiàn)中的作用，自覺地運用科學方法于

31、科學研究中。,中國古人的治學,古人的治學：學一問一思一辨一行,中庸一篇第20章最后三段，系統(tǒng)論述了古人的治學，表達了中國傳統(tǒng)文化的精華。讀后，可以說是茅塞頓開，不由不佩服我國古代學者在治學方法上的嚴謹周密，表達文詞之精美簡潔。 這三段古文夏延章先生均有譯文，但我覺得，譯文太長。故我按著我的理解，試著翻譯如下（宋體是原文，黑體是我的譯文。）,中庸一篇第20章最后三段： “博學之，審問之，慎思之，明辨之， 篤行之。” “博學知識，詳問原由，慎密思考， 辨論明理，實踐篤行?！?“有弗學，學之弗能，弗措也。 要么不學，學就要學能掌握，絕不半途而廢 有弗問，問之弗知，弗措也。 要么不問，問就要問個清楚

32、，絕不輕易罷休 有弗思，思之弗得，弗措也。 要么不思，思就要思有創(chuàng)意，絕不稀里糊涂 有弗辨，辨之弗明，弗措也。 要么不辨，辨就要辨明道理，絕不模糊馬虎 有弗行，行之弗篤，弗措也?！?要么不行，行就要行得徹底，絕不虎頭蛇尾,“人一能之，己百之； “別人一遍能做好，我做它一百遍； 人十能之，己千之。 別人做十遍能做好，我做它一千遍。 果能此道矣， 果真是這樣做了， 雖愚必明，雖柔必強。” 愚蠢必會變得聰明，柔弱定會變得剛強。”,“學”是觀察自然現(xiàn)象、廣泛地學習各種知識等，以獲取信息，即框圖上的線索（文獻資料） “問”是詳盡細密地詢問事物的原由，發(fā)現(xiàn)問題和提出問題，即框圖上

33、的疑難問題的提出； “思”是謹慎思考解決問題的方案和途徑，即框圖上的突破口和假說； “辨”是運用思辨方法進行推論，以證明自己方案和途徑的正確，即框圖上的假說涵義的展開，實驗驗證，嘗試性解決等； “行”是實踐檢驗直到有確實的結(jié)果，堅決做下去。即框圖上排除錯誤、實踐檢驗從而得到確證。,古今治學之比較,,線索,,突破口,,假說（假設(shè)）,,前驗評價（假說含義的展開）,,后驗評價（排除錯誤、確證、實 踐檢驗）,,問題的解決（新問題的出現(xiàn)）,,疑難問題的提出,,疑問（疑難問題的由來）,,假說的修正,,,,,,,博學之,審問之,慎思之,明辨之,篤行之,,,如果把中庸的“博學，審問，慎思，明辨，篤行?！钡闹螌W

34、方法與拙著第9頁中的科學研究途徑的框圖相比較，可以看出，中國古代的治學方法，是何等的先進。2000多年后的今天讀來，依然是具有強大的生命力。 中庸的學一問一思一辨一行與我的框圖中：線索學疑難問題的提出問突破口和假說思前驗評價（嘗試性解決）辨后驗評價（實踐檢驗、排除錯誤）行可以說是一一對應(yīng)的。何其相似乃爾。,科學研究途徑的框圖實際是從波普爾科學進步的方法模式展開的，這套模式是以西方科學的形式邏輯體系和系統(tǒng)的實驗找因果關(guān)系為基礎(chǔ)的。中庸、大學成文約在秦、漢之際(公元前300)，那時我們并沒有邏輯學，幾何學，更沒有由實驗找因果關(guān)系等?！艾F(xiàn)代科學”的方法、概念和思想是牛頓以后的事。無論中外，所謂“科學

35、方法”無從談起。 但中國的先人有自己一套完整的、有別于西方的思維方式，總結(jié)了自己做學問的基本步驟和方法，這一套方法竟然與1820世紀形成的現(xiàn)代科學方法如此類似，真是了不起，真該為我們的老祖宗自豪。,因之，我敢說中庸的學、問、思、辨、行的治學方法實為現(xiàn)代科學方法的始祖，并不是夸大之言。它是我國古代傳統(tǒng)文化留給人類文明寶庫的重要遺產(chǎn)。 當然，在現(xiàn)代科學方法中貫穿著一系列數(shù)學、邏輯學以及實驗驗證等實證方法和手段，中庸提出的學一問一思一辨一行的方法只是告訴你一些原則，它們之間自然有差異的，我們不能苛求前人的。但中庸提出的學一問一思一辨一行的方法作為一種治學方法至今仍然具有現(xiàn)實意義。,科學研究方法之三例

36、,例一：愛因斯坦“ 狹義相對論”的科學方法論試析,愛因斯坦“ 狹義相對論”的科學方法論試析,,疑難問題的提出：新的時空觀,,疑問,,狹義相對論,,線索,,突破口：同時性的相對性,,假說,,假說的演繹 （前驗評價）,,后驗評價,,,,,論對相義廣,,,,,疑問： 1.絕對時間 2.絕對空間 3.牛頓力學體系 4.伽利略坐標系 5.以太的引入 6.光速,,疑難問題的提出： 建立新的時空觀,線索：麥克斯韋的電磁場理論 以太漂移試驗的失敗 洛倫茨（Lorentz）變換,,突破口： 同時性的相對性,,假說：（假設(shè)條件：慣性系） 1.物理學定律在所有慣性系 中是相同的相對性原理 2.在所有慣性系內(nèi)，

37、真空中的光速具有相同的值 光速不變原理,,后驗評價： 1.鐘慢尺縮 2.質(zhì)量隨速度增加 3.一切質(zhì)量都有能量 一切都能量有質(zhì)量,,例二：愛因斯坦“ 廣義相對論”的科學方法論試析,愛因斯坦“ 廣義相對論”的科學方法論試析,,疑難問題的提出：新的時空觀（非慣性系）,,疑問：為什么要有特殊優(yōu)秀的參照系慣性系？,,廣義相對論,,線索,,突破口：愛因斯坦升降機（等效原理）,,假說,,前驗評價,,后驗評價,,,,,,,,疑問,為什么要有特殊優(yōu)秀的參照系慣性系？,,疑難問題的提出,新的時空觀 （非慣性系）,,線索： 牛頓引力理論與狹義相對論沖突,,突破口： 愛因斯坦升降機 （等效原理）,,假說：（

38、假設(shè)條件：非慣性系） 1.等效原理 慣性質(zhì)量=引力質(zhì)量 慣性力等價引力 加速參照系等價于靜止在引力場中的參照系 2.廣義相對性原理 所有的參照坐標系對于普遍的自然界定律在本質(zhì)上是等效的。,,,前驗評價： 由等效原理引出時空彎曲； 四維時空是彎曲的； 物理定律在三個實驗室（慣性實驗室、加速實驗室、引力實驗室）具備相同的形式； 勻速直線運動在平直四維空間中軌跡是短程線；拋體運動在彎曲四維時空中軌跡也是短程線。,,后驗評價：三大驗證 1.解決水星近日點進動每百年43秒進動 2.光譜線的引力紅移 3.引力場會使光線偏折,,例三：電子光學時間像差理論的科學方法試析,電子光學的時間像差理論的科學方法試析,

39、,疑難問題的提出：新的時間像差理論,,疑問Tau變分理論的問題,,直接積分法,,線索,,突破口：重積分的求解,,假說像差的新定義,,假說的演繹 （前驗評價）,,后驗評價同心球模型,,,,,,,,研究更普遍的理論,,疑問懷疑和質(zhì)疑,Tau變分時間像差理論提出。二十余年來，沒有人提出疑問。 我的疑問是為什么不走簡單的路子；有無其它更為簡捷的途徑研究時間像差理論。 有兩個問題：一是Tau變分時間像差理論的正確性，二是Tau變分時間像差理論的準確性（精確性）。,疑難問題的提出,我提出的第一個問題實際是試圖考驗變分理論，否定或證實，或?qū)ふ乙粋€更好的理論。 我提出的第二個問題是考驗這個理論的可信程度

40、及其適用性。,線索 空間像差理論與時間像差理論為什么不一致？,,突破口 解決二重積分的問題,,假說新的時間像差定義 出發(fā)點：依據(jù)近軸電子光學性質(zhì) 1.所有從物面逸出的近軸電子，只要軸向電子初能相同，都將會聚在一點理想像點。 2.所有從物面逸出的近軸電子，只要軸向電子初能相同，它們到達像面或理想像點的時間是相同的。 提出假說：時間像差應(yīng)由近軸時間像差和幾何時間像差兩部分所組成，其比較基準是以某一軸向電子初能的近軸電子軌跡。,,,前驗評價（嘗試性理論） 我的研究結(jié)果是提出了一種名為直接積分法時間像差理論。 用這個理論演繹的結(jié)果是，時間像差系數(shù)的求解可以直接用積分形式表示，而 Tau變分理論計算

41、時間像差系數(shù)需要求解微分方程，而且它僅適用軸向電子初能為零的情況。,后驗評價（消除錯誤） 研究到這一步，這兩種理論孰是孰非并沒有解決，故必須尋找一種途徑進行嚴格的檢驗，這一步就是“演繹檢驗法”中排除錯誤。 我們找到了一種靜電聚焦兩電極同心球系統(tǒng)的理想模型，找到電子在此系統(tǒng)中行進的時間的解析解。檢驗的結(jié)果表明，這兩種理論不但是正確的而且是精確的。,,結(jié)論 變分理論的結(jié)果經(jīng)過變換也可表達成直接積分法的形式。 研究表明，新的理論直接積分法時間像差理論包容了舊的理論變分時間像差理論。 由此可見，直接積分法時間像差理論是一種更好的理論。 于是便進入了新的問題，就這樣推動了科學的進步。,,直接積分法時間像

42、差理論滿足了科學上一個良好理論模式的條件，它具有以下特點： 新理論由最基本的物理學定律電子光學運動方程出發(fā)，前提清楚，概念清晰，數(shù)學推導(dǎo)正確，得到的數(shù)學形式較原理論（變分時間像差理論）更為簡潔。,,良好理論模式的條件,原理論所能解釋的現(xiàn)象，新理論不但都能解釋，而且擴展了應(yīng)用范圍：它將原理論以軸向初能量的比較基準由極限像面（點）推廣到極限到高斯像面（線）的情況。,, 新理論經(jīng)過了靜電同心球系統(tǒng)的理想模型的解析解的檢驗，證明是正確的和精確的。同時，也證明了原理論（變分時間像差理論）的正確性和精確性，說明這兩條途徑殊途同歸。, 新理論中提出了時間像差的新定義。認為，時間像差與空間像差乃是同一現(xiàn)象的時

43、空表現(xiàn)。新理論引入的這一假設(shè)是電子光學科學理論的一個進步，它把動態(tài)電子光學與靜態(tài)電子光學有機地聯(lián)系了起來。, 新理論具有預(yù)測性，它可對目前尚未研究的電磁聚焦成像系統(tǒng)的時間像差理論進行推斷和預(yù)測。,從這一科學問題的研究，我們可以看出方法論的指導(dǎo)作用。 發(fā)現(xiàn)矛盾，找出關(guān)鍵與突破口從邏輯上發(fā)現(xiàn)電子光學空間像差理論與時間像差理論之間的的矛盾，即其不協(xié)調(diào)性。,,要重視方法論的指導(dǎo)作用,追求普遍性的規(guī)律是理論研究的重要方面 我們把寬束電子光學的靜態(tài)問題和動態(tài)問題聯(lián)系起來：這是同一事物（即由陰極面逸出的光電子的發(fā)射初能量分散）在某一基準面或成像面上表現(xiàn)的時空特性，即空間像差和時間像差，并把這兩種像差在定義上

44、統(tǒng)一起來。,,采用類比的方法把靜態(tài)寬束電子光學的那一套移植到動態(tài)電子光學上，給出了新的時間像差定義。 采用理想模型檢驗的方法驗證原理論和新理論的正確性與精確性。 通過一系列比較后作出了科學的結(jié)論。,,電子光學的近軸像差理論的科學方法試析,,疑難問題的提出：新的近軸像差理論,,疑問RA公式的證明，近軸像差的一般表達式,,新方法時間積分法,,線索,,突破口：1.漸近解 2.時間像差的轉(zhuǎn)化,,假說，理論的簡化，,,假說的演繹與證明 （邏輯性）,,后驗評價同心球模型 考查與檢驗,,,,,,,,科學精神與治學之道,談科學精神,何為科學精神？ 第一，造福于人類，對于自然現(xiàn)象及其發(fā)展規(guī)律能夠正確反映和認知并

45、善于利用和改造的精神。 第二，追求科學真理、刻苦鉆研、不怕失敗和獻身的精神。 第三，嚴謹、準確、可靠、求真，而不弄虛作假和抄襲等不端行為的求實精神。,談科學精神,第四，敢于懷疑和不迷信權(quán)威與成論，而提出新想法和向未知的新領(lǐng)域大膽探求和開拓的精神。 第五，善于將熱情與冷靜和興趣與需要巧妙結(jié)合的精神。 第六，能夠和諧地進行協(xié)作和共事的合作精神。,治學六字,治學之道，有六字要訣： “志、勤、識、恒、法、創(chuàng)”。 有志則有為, 志向遠大，斷不甘為中下流，以獻身科學、科教興國為己任； 有勤則有才，業(yè)精于勤荒于嬉，“天才出自勤奮”，不能有一日之懈惰； 有識則有求，知學問無盡，不敢以一得自足，虛心求實，力戒

46、驕傲自滿；,治學六字,有恒則有成，堅韌不拔，認定方向，嚴苛律己，不半途而廢，則斷無不成之事。； 有法則有能，講究科學方法，兼容并蓄，發(fā)幽闡微，方有能力做大學問； 有創(chuàng)則有新，銳意創(chuàng)新，敢為天下先，想別人想不到的，才能趕超世界先進水平.,談治學之道,我認為，每個科學家治學各有不同，但不外以下四點；一曰勤奮，二曰嚴謹，三曰創(chuàng)新，四曰方法。 勤奮是第一位的，一個人有無成就，主要來自勤奮，故有“天才出自勤奮”。只有“超人的努力才會有超人的成功?！敝f； 勤奮的人并不一定個個會成功，但成為一個專門家，一定是一個勤奮的人。,嚴謹是指做學問上要老老實實，實事求是，嚴苛以律己，要有三嚴精神：“嚴肅的態(tài)度、嚴

47、格的要求、嚴密的方法”；在治學上，循序漸進，虛懷若谷，一絲不茍，鍥而不舍。 創(chuàng)新就是要做第一流的工作，要有志氣去超越前人，去洞徹探求客觀世界之奧秘。 方法不是取巧，學問的進取、科學研究的進展，絕無取巧之可能。但科學研究有方法，學習有方法；循序漸進，掌握科學方法，可收事半功倍之效。,我的科學研究的方法是： （1）首先研究課題的已有情況，即它的過去；它有什么成就，它在什么基礎(chǔ)上完成的，前人作出的貢獻。同時考察它是否符合科學研究中的“嚴謹性、邏輯（條理）性、完備性”的標準；實際上是在找它存在的問題和不足，找不符合這些標準的情況，即“缺口”。 （2）在已有的學術(shù)成就上使之系統(tǒng)化，按照科學研究的途徑探

48、索，把這一課題或?qū)W科向前推進一步，使工作有創(chuàng)造性的內(nèi)容，為這一領(lǐng)域的科學寶庫或?qū)嶋H應(yīng)用添磚加瓦。,結(jié)束語,科學研究中的錯誤大致可以分為三類：一類是可以原諒的，另一類是不能原諒的，第三類是，他人可以原諒的，而自己不能原諒的。第一類錯誤，是可以原諒的，而且必須原諒的。如對一個科學問題的假說，認為有新的發(fā)現(xiàn)，而后來證明是個謬誤（如定義上的漏洞、試驗中的錯誤、判斷上的失誤、方法上的紕漏，等等）。這樣的錯誤，有時確實是難免的，因此是可以原諒的。,科學研究中的錯誤,說錯誤難免，是指這一類可以原諒的錯誤。人在探索過程中產(chǎn)生的一些的思想、想法、創(chuàng)見、假設(shè)，往往與實際并不一致，或由于客觀條件（儀器、設(shè)備）的限制

49、，或由于時代或認識上的限制，類似這樣的錯誤，不僅是難免的，而是經(jīng)常發(fā)生的、不可避免的。 探索過程中發(fā)生這樣或那樣的錯誤往往是以后成功的先導(dǎo)。有99個試驗都是錯誤的，被否定了，失敗了，而往往第100個想法或試驗得以實現(xiàn)了，成功了。 創(chuàng)造性的研究往往是接連不斷的錯誤，接踵而來的失敗，但懷著永不衰減的熱情，屢敗屢戰(zhàn)而最終成功的故事。,第二類錯誤是指故意犯的錯誤，它是不能原諒的。特別是學術(shù)不端（misconduct）性質(zhì)的錯誤，例如抄襲和剽竊，偽造數(shù)據(jù)或弄虛作假，侵權(quán)、盜用他人成果，等等。因為那是明知不對，主觀故意犯的錯誤，屬于作為科學人的道德品質(zhì)的問題。第三類錯誤是指別人可以原諒但自己不能原諒的錯誤

50、。例如，粗心大意的錯誤（如考慮不縝密，粗糙做實驗，匆忙下結(jié)論，論證欠嚴密，等等），確切說來，這是屬于文章或作者的缺點，雖說這些錯誤（缺點）不是故意，但說明自己的學風還不夠嚴謹，是應(yīng)該檢討并引以為訓的。,科學研究中要有“三嚴”的精神,在治學上，我一直以“三嚴”（嚴肅的態(tài)度，嚴格的要求，嚴密的方法）精神來要求自己，但我也有不嚴謹?shù)倪^失和教訓。 2006年，我提出“直接積分法”解決了成像電子光學系統(tǒng)時間像差理論后，我覺得，解決近軸橫向像差普遍表示式的時候到了。但沒有成功。于是，我用俄國學者提出近軸方程的漸近解試試。雖然，這個漸近解表示近軸方程的特解的正確性和精確性自從提出后從未被證實過。用近軸方程漸

51、近解解決成像電子光學系統(tǒng)的近軸橫向像差的工作，,工作進行得很順利。雖然要解好幾個二階齊次微分方程，甚至二階非齊次微分方程，但我找到一種巧妙的方法。從問題的提出，假說的形成，微分方程的求解，以及理想模型的檢驗，都證明漸近解的途徑是可行的。 2007年7月，在我赴美國前，我急忙把文章（摘要和全文）發(fā)到國際光電探測與成像會議（ISPDI07）大會秘書處。 到達美國靜靜思考后，我發(fā)現(xiàn)文章有兩個毛?。阂皇俏恼碌玫降慕Y(jié)果，用理想模型的解析解檢驗，三級近軸橫向像差的表示式有些微差異。 二是漸近解的各系數(shù)形式上的聯(lián)系看到了，深層次的聯(lián)系沒有意識到。 我立刻通知ISPDI07秘書處撤回了自己的文章。,我在思考中

52、逐漸明白了兩個毛病的原由： 對第一個問題，我的看法是有問題的。這是因為，在嚴密求解時，無論漸近解，還是解析解，如果它們考慮的階次是一致的，從理論上說，它們的結(jié)果是不應(yīng)該有任何差異的。這一定是我在推導(dǎo)過程中有不縝密而產(chǎn)生錯誤的地方。 對第二個問題，雖然二階齊次微分方程求解漸近解各系數(shù)之間的表面聯(lián)系我看到了，也討論了，但系數(shù)之間還有更深層次之間的關(guān)系，我并沒有意識到。特別是我忽略了由電子光學放大率探討漸近解各系數(shù)之間的關(guān)系的途徑。,當明白自己的錯誤后，有了明確的認識和方向后，解決這些錯誤乃是一些技巧上手段而已，并不存在什么問題。一個月后，這些問題都解決了。2007年9月，我在國際會議開幕式上作了大

53、會報告，文章將發(fā)表在SPIE文集、Optik和物理學報等刊物上。 我舉自己的例子說明，科學研究中一定要克服急于求成的心態(tài)和不夠嚴謹?shù)娜秉c。缺乏“三嚴”（嚴肅的態(tài)度，嚴格的要求，嚴密的方法）精神來進行科學研究，其結(jié)果必然導(dǎo)致實驗粗糙，結(jié)果膚淺，甚至誤導(dǎo)科學。,科學就怕淺嘗輒止，但嚴謹并不容易。嚴謹需要一個做學問的基本態(tài)度。在“publish or punish”壓力下，在快出成果、多出成果的壓力下，在以數(shù)量勝質(zhì)量的狀況下，在以論文篇數(shù)論英雄下，在社會不容許失敗的環(huán)境下，克服浮躁需要自律和勇氣，需要不斷反省自己。,做人與做學問,做學問中學做人 做人中學做學問 做學問做大學問 做人做真正的人,科學研究方法與治學談,謝謝大家！,