第5章 科学认识的形成和科学理论的创立Word文件下载.docx
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科学问题、求知欲、好奇心
1831，贝格尔号扬帆起航
1837，进化论思想形成
1838，阅读《人口论》，建立自然进化论
1856，写作《物种起源》
1858，收到华莱士的信件
自私的人与高贵的人
进化的基本单位：
种系还是个人？
人类的意识世界：
进化后的结果？
科学问题是有结构的
“问题的指向、研究的目标和求解的应答域”。
科学问题的结构
问题的指向：
问题的现状和性质
求解目标：
求解的方向和要求
应答域：
预设的求解范围
维纳的信息论
如何理解信息、计算信息、分享信息？
发展一个关于信息量的统计理论
应用统计理论和单位信息量的基本概念
全域、有效域、无效域
欧几里得几何学的第五公设
罗巴切夫斯基的非欧几何
高斯的犹豫和罗氏的坚韧
非欧几何：
想象力突破的极限
3．科学问题的来源
“来源于科学实践和生产实践”由科学理论和科学实践的矛盾能产生
由科学理论体系自身的内在矛盾产生,由科学理论之间的矛盾产生,经验事实累积到一定时候产生社会需求科学理论体系内部自身的矛盾
罗素悖论：
把所有集合分为2类，第一类中的集合以其自身为元素，第二类中的集合不以自身为元素，假令第一类集合所组成的集合为P，第二类所组成的集合为Q，于是有：
P={A∣A∈A}Q={A∣A∉A}问，Q∈P还是Q∈Q？
理发师悖论。
第三次数学危机
罗素：
分支类型论。
自我相关：
《GEB，一条永恒的金代》
哥德尔第二不完备性定理
光度佯谬
1826年，德国天文学家奥尔波斯的理论发现
牛顿理论的无限宇宙模型及其推论
宇宙等级制结构模型大爆炸宇宙模型
麦克斯韦妖
第二类永动机
热力学第二定律与熵增的不可逆麦克斯韦妖的假设推动了信息论的发展
不同学派理论之间的矛盾产生问题
天文学中的日心说和地心说
哥白尼的天文学革命
亚里士多德、托勒密的地心说
儿童的自我中心期
走出人类中心期的努力
经验事实积累到一定程度产生的科学问题
流体绕圆柱体流动的不稳定性
超导现象
退磁现象
泰勒不稳定现象
大脑的工作原理
舆论的形成
革命的形成
协同学：
激光的形成机制
社会需要作为科学发展的激励因素
1942年12月2日，在恩利克.费米的指导下,芝加哥大学建成世界上第一个实验型原子反应堆，成功地进行可控的链式反应，1943年春奥本海姆领导的制造原子弹的工作，在洛斯阿拉莫斯的实验室开始 1944年3月，橡树岭工厂生产第一批浓缩铀235 1945年7月12日，一颗实验性原子弹开始最后装配曼哈顿工程希特勒的秘密武器
二、科研选题
“形成、选择和确定所要研究和解决的课题”。
选题的意义；
选题的步骤；
选题的基本原则科研人员的问题意识
——对问题是否敏感、问题质量等往往成为创造能力的标志
——不仅是时间的起点更是动力的起点
——关涉研究效率
《忏悔录》
圣·
奥古斯丁
奥古斯丁是圣孟尼迦的幼子，出生于北非，在罗马受教育，在米兰接受洗礼。
著有《忏悔录》、《论三位一体》、《上帝之城》、《论自由意志》、《论美与适合》等。
美学思想主要体现在他的神学著作和《忏悔录》中。
“不可荒宴醉酒，不可好色邪荡，不可争竞嫉妒，总要披戴主耶稣基督，不要为肉体安排，去放纵私欲。
”
《上帝之城》
410年，西哥特族攻陷罗马城，震惊全国。
难民涌入北非东部，人们不禁问道∶
为何有圣彼得与圣保罗守护的罗马城，竟然遭此浩劫？
异教徒趁机大肆鼓吹∶这是因为罗马帝国离弃古罗马神明，归向基督教信仰，导致神明降祸惩罚。
地上之城与上帝之城最根本的差别在于，前者人民的共通点在于对自己的爱，后者则是结合于对上帝的爱和因此而生的对彼此的爱。
1．选题的意义
“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。
因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已，而提出新的问题、新的可能性、从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正的进步。
”爱因斯坦
光的本质是什么？
在十九世纪末，日臻成熟的原子理论逐渐盛行，根据原子理论的看法，物质都是由微小的粒子——原子构成。
比如原本被认为是一种流体的电，由汤普森的阴极射线实验证明是由被称为电子的粒子所组成。
因此，人们认为大多数的物质是由粒子所组成。
而与此同时，波被认为是物质的另一种存在方式。
波动理论已经被相当深入地研究，包括干涉和衍射等现象。
由于光在托马斯·
杨的双缝干涉实验中，以及夫琅和费衍射中所展现的特性，明显地说明它是一种波动。
如果你从肯定开始，必将以问题告终；
如果从问题开始，则将以肯定结束。
培根
2．科研选题的步骤
文献调研和实际考察；
提出选题；
初步论证；
评议和确定课题。
解释学
效果历史和视界融合整合世界最前沿的知识体系：
哲学的生成科研选题的资料准备：
历时性的与当代性的文献调研和实际考察文献调研准、新、全实际考察
提出选题
研究意义；
文献综述；
研究的核心问题；
研究路线；
时间安排。
初步论证
立题依据-合理性分析
实施条件-可行性分析
预期效果-可用性分析
评议和确定课题
选题过程是一个不断反馈调整的过程，常常需要反复调研并且多次论证。
3．科研选题的基本原则
需要性原则
创造性原则
科学性原则
可行性原则
需要性原则
科研选题必须满足社会需要和科学自身发展的需要。
创造性原则
选出的课题应是前人未曾提出或没有解决的问题。
“任何一张地图只用四种颜色就能使具有共同边界的国家着上不同的颜色。
用数学语言表示，即“将平面任意地细分为不相重叠的区域，每一个区域总可以用1，2，3，4这四个数字之一来标记，而不会使相邻的两个区域得到相同的数字。
”这里所指的相邻区域，是指有一整段边界是公共的。
科学性原则
科研选题应以一定的科学理论或科学事实为依据，把课题置于当时的科学背景之下。
可行性原则
所选择的课题要与自己的主客观条件相适应，即根据自己已经具备的或经过努力可以具备的条件进行选择。
非欧几何的坎坷之路
第二节科学事实的获取
科学事实
科学观察
科学实验
观察和实验中的若干认识论问题
一、科学事实——认识来源和评价标准
区分：
客观实在与客观事实
含义：
“通过观察和实验获得的经验事实”。
“对客观事实的感知、描述和记录，结果反映到人们的意识中”。
实质认识论范畴，“客观事物在科学认识主体中的记忆和判断”。
——“内容客观，形式主观”，存在可错性。
性质直接的单称陈述，直接、个别
可重复、可再现
应比较精确，系统、全面反映客观事实。
二、科学观察
“在自然发生的状态下，对所要研究的对象进行有目的的、有计划、有选择的感知活动”。
感知性；
目的性
作用：
-有助于研究课题的形成；
-有助于科学假说的建立；
-可以为检验科学假说和科
学理论提供事实依据。
观察可以导致新技术的发明
1苍蝇-----小型气体分析仪
2。
萤火虫-----人工冷光；
3。
电鱼------伏特电池；
4。
水母------水母耳风暴预测仪，
5。
蛙眼------电子蛙眼
6。
蝙蝠超声定位器的原理------探路仪”。
7。
蓝藻-----光解水的装置，
8。
人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，——步行机。
9。
动物的爪子------现代起重机的挂钩
10。
动物的鳞甲------屋顶瓦楞
11。
鱼的鳍------桨
12。
螳螂臂，或锯齿草------锯子
13。
苍耳属植物-------尼龙搭扣。
14。
龙虾-------气味探测仪。
15。
壁虎脚趾------粘性录音带
16。
贝-----外科手术的缝合到补船等-
17。
鲨鱼-----泳衣，
三、科学实验
“人们根据一定的科学研究目的，运用科学仪器或设备等物质手段，在人为控制或模拟研究对象的条件下，获得科学事实的过程”。
特点：
-简化和纯化研究对象；
-强化研究对象；
-再现、加速、延缓或模拟研究对象；
-经济可靠。
实验方法可以强化研究对象
1911年，荷兰物理学家卡曼林-昂尼斯首先发现汞在超低温4.173K以下失去电阻，开创了超导性这一重要研究领域。
科学实验的作用
-检验原理真理性的标准；
-获得新假说、新理论的直接来源，
-发展科学知识的手段。
与科学观察相互比较：
共同点：
目的性、感知性（是否借助仪器）
区别：
是否改变对象、主动或被动、
“观察仅仅是搜集自然界呈现给我们的东西，而实验则是人们主动的从自然界中索取所期望的东西”
科学实验的规划
“除了假说的创造者，谁也不相信假说；
除了实验的设计者，谁都相信实验。
实验方法的分类及实验的规划与设计
依据测量手段分为：
定性实验与定量实验。
依据实验手段是否直接作用于被研究对象分为：
直接实验与模拟实验
模拟实验又可以分成三类：
物理模拟
数学模拟
功能模拟
实验规划的设计程序和应该注意的要点
第一、依据对象的属性确定对象的控制变量，可控量、不可控量（确定量、未知量）
第二、确定参量的测定方法-相对测定、绝对测定
第三、要选择适当式样。
摩尔根的果蝇实验
第四、尽可能地进行对比试验
可重复性是一切科学实验所必须满足的条件，确定试验参数合理的误差范围。
四、观察和实验中的若干认识论问题
观察和实验与科学理论的关系
实验对象与测量仪器的相互作用
观察的客观性
观察与实验过程中的机遇
1.观察和实验与科学理论的关系
问题：
科学中的观察是纯粹中性的?
还是渗透理论?
汉森：
“第谷和开普勒同时在山上看日出，将会看到不同的情景。
观察渗透理论
a.有目的的感知活动，事先规划设计，
b.不仅是接收信息，同时也是加工信息。
c.陈述语言与特定的科学理论相联系
结论：
把客观事物描述为科学事实时，理论
框架一直在背后起作用。
“定向”、有选择的接收外
界信息。
“加工改造”，理解到观察
的到底是什么。
你能看出肺部的X光照片，显示了什么？
“是理论决定我们能够观察到的东西”，“只有理论，即只有关于自然规律的知识，才能使我们从感觉印象推出基本现象”----爱因斯坦
2.实验对象与测量仪器的相互作用
测量问题：
如何对待测量工具与被测对象之间的相互或用
海森堡：
“测不准关系”
第一种观点：
量子力学的测量过程有主
观的介入，主体与客体之间无法区分。
第二种观点：
认识的内容不是纯
粹来源于客体，要依赖于主体。
—“客观实在是人的客观实在。
—“客观性具有属人性质。
测量系统：
实验者、实验对象、测量仪器
-坚持微观客体的客观实在性。
-主体不可能离开测量仪器去研究客体的性质。
-判定“信息”时，必须充分考虑测量仪器与客体相互作用的因素。
3.观察的客观性
客观实在：
不依赖于我们的意识而存在的客观世界，它独立于主体，科学观察无法达到。
客观性：
客观世界在认识主体中的正确反映，在一定的科学认识条件下的客观结果，科学观察能够达到。
如何保证观察的客观性？
（1）以正确的理论为指导（指导思想）
消除自然界中的假象，“眼见不一定为实”
（2）尽可能使用先进的科学仪器（物质基础）
纠正人感官在生理上的局限性造成的错觉
（3）使实验结果用标准的方法重演
防止偶然的失误或故意的弄虚作假
（4）保持严谨的实事求是的学风
谨防先入为主与偏见
我要做的是使我的愿望符合事实，而不是试图让事实与我的愿望调和。
我们要像一个小学生那样坐在事实面前，准备放弃一切先入之见，恭恭敬敬的照着大自然指的路走，否则，就将一事无成。
赫胥黎
问题：
科学事实是被“发现”的？
还是被“建构”的？
科学实验可重复吗？
——“实验者回归”
4.观察与实验过程中的机遇
-机遇的含义
-机遇产生的客观机制
-如何正确对待机遇
机遇的含义
“在科学实践过程中由于意外的出现导致科学上的新发现的现象”
完全意外机遇
部分意外机遇
机遇产生的客观根据
自然界本身是偶然性
和必然性的统一
如何正确对待机遇？
-辩证的理解必然性和偶然性的关系
-认识主体识别机遇、把握机遇的能力
第3节科学抽象与科学思维
科学抽象及其成果
逻辑思维方法
非逻辑思维方法
数学方法
科学的目的在于把握事物的本质
人类认识论上的哥白尼革命
现象与物自体的关系
《纯粹理性批判》
一、科学抽象及其成果
“在思维中对同类事物去除现象的、次要的方面，抽取共同的、主要的方面，从而做到从个别中把握一般，从现象中把握本质的过程。
感性的具体--抽象的规定--思维的具体
科学概念
科学符号
思想模型
1、科学概念
“科学思维的细胞；
科学思维结构的基本单位；
反映对象本质的思维形式。
-逻辑的可确定性
-实践上的可检验性
-流动性
2、科学语言
定义：
“一定可感知的物质对象，它在贮存、传递另一对象的信息方面、充当另一对象的代替物。
具备含义、物质性、可感知性
“人类符号系统中一个子系统。
基本形式：
自然语言符号系统
人工语言符号系统
-科学行话-形式化语言
人是符号的动物
多年来，语言学家和心理学家们都一直追问的一个问题是：
为什么儿童可以看似不费力地习得一门语言，而成人却要花费很多时间学习外语，仍然达不到儿童习得母语的效果？
卡西尔：
《符号人类学》
“一种‘人的哲学’一定是这样的一种哲学：
它能使我们洞见这些人类活动各自的基本结构，同时又能使我们把这些活动理解为一个有机整体。
莱布尼茨：
逻辑的数学化
“我们要造成这样一种结果，所有推理的错误都只成为计算的错误，这样，当争论发生的时候两个哲学家和两个计算家一样用不着辩论，只要把笔拿到手，并在算盘面前坐下，两个人面面相觑地说：
让我们来计算一下吧。
3、思想模型
思想模型
“人们为了从事科学研究而建立的对原型高度抽象化了的思想客体或思想事物。
理想模型
“既高度抽象又具有某种极限特征的理想客体或理想事物。
理想实验
理想实验方法
“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”
特点：
思维活动；
具有真实实验特征、结构模式；
理想化
理想实验的设计
-以真实科学实验为根据；
-充分发挥思维的能动作用
注意：
结果或然；
结论还需实验
判定正误
狭义相对论中的理想实验
即当两道闪电同时下击一条东西方向的铁路轨道时，对于站在两道闪电正中间的铁道旁边的一个观察者来说，这两道闪电是同时发生的．但是，对于乘坐一列由东向西以高速行进的火车正好经过第一个观察者对面的第二个观察者来说，情况如何呢？
广义相对论的理想实验
在自由下落的升降机里，一个人从口袋中拿出一块手帕和一块表，让它们从手上掉下来，如果没有任何空气阻力或摩擦力，那么在他自己看来，这是一种什么样的情况？
在升降机外面的观察者看来，又是什么情况？
升降机不是自由下落，而是在一个不变的力的作用下垂直向上运动，同时设想，有一束光穿过升降机一个侧面的窗口水平地射进升降机内，并在极短的时间之后射到对面的墙上，会发生什么情况？
科学思维方法
抽象思维：
逻辑思维
（概念、推理、判断；
归纳、演绎、类比）
形象思维
直觉思维：
非逻辑思维
（直觉、灵感）
一、科学思维的逻辑方法
二、科学思维的非逻辑方法
二、逻辑思维方法
“在感性认识的基础上，运用概念、判断、推理等形式对客观世界的间接的、概括的反映过程。
形式逻辑、辩证逻辑
归纳、演绎、类比
归纳方法
从大量个别或特殊的事物概括出共同本质或一般原理的逻辑思维方法。
通过现象达到本质；
通过特殊揭示一般
推理形式：
“被观察的大量A都有性质B,
则所有A均有B。
类型：
完全归纳与不完全归纳
“归纳问题”及其辩护
休谟：
“从原因到结论的转移并
不是借助理性，而完全来自习惯
和经验”
已经经验的东西与尚未经
验的东西之间并没有必然的联系。
辩护：
自然齐一性辩护
经验辩护
规则辩护
演绎方法
从一般性的原理出发，对个别的或特殊的事物进行分析、推理，从而达到相应的结论。
是从一般到个别的认识方法
推理形式：
大前提：
所有的S→P,
小前提：
有M→S
结论：
所以M→P
类比方法
根据两类对象之间某方面的类似或同一，推断他们在其他方面也可能类似或同一的逻辑思维方法。
如果A:
具有abcd
B:
具有a’b’c’?
则：
也可能具有d’
北京交通问题解决方法？
国际奥委会前任主席萨马兰奇2008年说：
“北京那么多车，用得了吗？
”萨马兰奇还说他这辈子都没见过这么多车。
网友建议：
把外地人赶走
限制私家车的通行
牌照不能随便拿到，而是通过拍卖，向上海学习
收税，重税，越重越好
三类方法的比较
三、非逻辑思维方法
不受固定的逻辑规则约束
直觉
灵感
对事物的本质的直接领悟。
“经验的共鸣”
灵感
新意象、新感觉、新思想在思维过程中突然涌现出来的现象。
“我相信直觉和灵感”
爱因斯坦
特征
认识发生的突发性
认识过程的突变性
认识成果的突破性
直觉和灵感的发生机制
爱因斯坦：
经验的共鸣
钱学森：
显意识与潜意识的交互作用
弗洛伊德：
梦的解析
皮亚杰：
思维发生学
直觉和灵感的方法论意义
创造性思维的重要形式，也是发挥科学认识主体思维能动性的突出表现
在科学发现中产生新思想、新概念和形成新假说、提出新模型的基本途径之一
关于创造性思维能力的养培
关于创造力的障碍
—固定概念—思维惯性—品格障碍—环境障碍
创造力的障碍
四、数学方法
特点
作用
应用（建模及应注
意的问题）
四、数学方法
“对研究对象加以量化然后进行定量处理的方法。
即用数学的语言表达事物的状态、关系和过程，经推导、演算和分析，以形成解释、判断和预言的方法。
1、数学方法的特点
高度的抽象性
精确性（逻辑的严密性及结论的确定性）
应用的普遍性
2、数学方法的作用
为科学技术研究提供简洁精确的形式化语言（抽象性决定）
为科学技术研究提供了逻辑工具（逻辑性决定）
为科学技术研究提供数量分析、计算的方法（精确性决定）
3、数学方法的应用
--数学模型方法
“把所研究的和考察的实际问题或理论问题抽象为数学问题，构造出相应的数学模型，然后通过对数学模型的研究得出原问题的解的方法。
数学模型的基本含义及类型
“针对或参照某种事物系统的主要特征或数量相互关系，采用形式化语言，概括或近似的表达出来的一种数学结构。
广义：
一切数学概念，原理和数学理论体系。
狭义：
特定问题或特定的具体事物系统的数学关系结构。
类型
由问题抽象出来的数学模型能纳入已知数学模型。
由问题抽象出来的数学模型不能纳入到已知的数学模型。
“需要创造新模型”
建立数学模型的步骤
建模——求解——解释评价原型
最重要的是“建模”。
掌握实际问题的背景。
与有关的资料数据。
抓住问题的本质特征，进行化简并提出假说。
进行数学抽象，建立相应的数学模型。
建立数学模型应注意的问题（补充）
（1）模型类型的选择要建立在认识对象性质的基
础上
一般分为四种情况：
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
数学方法的应用
突变性数学模型
建模时要注意基本量的选择
既不能过简，也不能过繁。
2012年第五届华中地区
数学建模邀请赛赛题
赛题A
不同类型汽车的能耗和使用成本问题传统汽车以汽油为动力原料，利用燃油发动机驱动汽车行驶。
电动汽车（ElectricVehicle）是指以车载电源（蓄电池）为动力，用电机驱动车轮行驶的车辆。
混合动力汽车（HybridElectricVehicle
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