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1、自然辩证法第五章 科学认识的形成第五章 科学认识的形成第一节 科学问题的提出 一、科学问题是科学研究的起点以往科学哲学家关于“问题”的看法. 科学哲学家波兰尼(M.Polanyi)认为,一个问题,就是一个智力上的愿望. 著名科学哲学家波普尔(K.Popper)认为,问题是背景知识中固有的预期与所提出的观察或某种假说等新发现之间的冲突. 另一个科学哲学家图尔敏(Toulmin)认为,科学问题即:解释的理想与当前能力之间的差距,其公式为 问题=解释的理想当前能力1、科学问题 科学问题：一定时代的科学认识主体在当时的知识背景下提出的关于科学认识和科学实践中需要解决而又未能解决的矛盾，它包括求解目标和

2、应答域。但尚无确定的答案。 科学问题实质上是经验知识和理性知识之间的矛盾，包括：经验事实之间的矛盾、经验与理论之间的矛盾、理论自身的矛盾以及理论与理论之间的矛盾。定义2：指科学研究主体在认识过程中目标状态与目前状态之间的差距。二、科学问题的结构 结构：科学问题单纯的疑问句 结构： 提出问题的依据 对求解目标的设计 对求解方向和范围的设想科学问题的类型 常规问题：在常规科学时期提出的有待解决的疑难（不危及原有理论的存在）。 反常问题：科学革命时期提出的，已有理论无法解决的疑难问题。 如果说常规问题的解决是原有的理论获得新的发展，那么反常问题的解决就是新理论的发现。 事实问题：通过核实纠正观察事实

3、的报告来解决疑难，从事实的描述上给予解决。 理论问题：通过调整解释事实的理论来解决疑难。根据问题求解的类型，可以把科学问题划分为： 回答为什么（why）的问题研究并且要回答对象内部机理和规律性的问题； 回答是什么(what)的问题研究并且要回答对象的识别、判定类型、性质的问题。 回答怎么样(how)的问题研究并且要回答对象的运动状态及运动转化过程的问题。问题例子之一费马大定理 费马大定理，也称费马最后定理乃下述定理： 当整数n 2时，对于所有正整数x, y, z都有 这个定理，本来又称费马猜想，由17世纪法国数学家费马提出。费马宣称他已找到一个绝妙证明。但经过三个半世纪的努力，这个世纪数论难题

4、才由普林斯顿大学英国数学家安德鲁怀尔斯和他的学生理查泰勒于1995年成功证明。问题例子之二推销商问题推销商路线选择问题(NP问题) 假设某位推销商要到n个城市，已知各城市之间路程d和一个界限B，问是否存在一条旅行路线，恰好到每个城市一次，最后返回出发城市，且总路程不超过B?(判定形式问题) 问总路程中最短路线？（最优形式问题） 以上问题的复杂性就是被计算的总代价来识别的。 众所周知，要找到推销商问题的精确解，其代价是解的问题按照被访问城市数目指数增长：问题将变得非常复杂。 问题例子之三千禧年大奖难题 千禧年大奖难题（Millennium Prize Problems）, 是七个由美国克雷数学研

5、究所（Clay Mathematics Institute,CMI） 于2000年5月24日公布的数学难题。根据克雷数学研究所订定的规则，所有难题的解答必须发表在数学期刊上，并经过各方验证，只要通过两年验证期，每解破一题的解答者，会颁发奖金100万美元。 这些难题是呼应1900年德国数学家大卫希尔伯特在巴黎提出的23个历史性数学难题，经过一百年，许多难题已获得解答。而千禧年大奖难题的破解，极有可能为密码学以及航天、通讯等领域带来突破性进展。 P对NP问题 （P versus NP） 霍奇猜想 （The Hodge Conjecture） 庞加莱猜想 （The Poincar Conjectur

6、e） 黎曼假设 （The Riemann Hypothesis） 杨-米尔斯理论 （Yang-Mills Existence and Mass Gap） 斯托克斯方程 （Navier-Stokes Existence and Smoothness） 戴尔猜想 （The Birch and Swinnerton-Dyer Conjecture） 问题例子之四三农问题 三农指农村、农业和农民；“三农问题”特指中国大陆的农村问题、农业问题和农民问题。 “三农”作为一个概念则由经济学家温铁军于1996年正式提出，自此渐渐被媒体和官方广泛引用；2000年初，湖北省监利县棋盘乡党委书记李昌平给朱镕基总理写

7、信提出“农民真苦，农村真穷，农业真危险”以及出版我向总理说实话后，“三农”问题在社会上引起了广泛反响；2001年三农问题的提法写入文件，正式成为大陆理论界和官方决策层引用的术语；中共中央于2003年正式将“三农”问题写入工作报告。 农民问题，是“三农问题”中的核心问题，表现为农民收入低，增收难，城乡居民贫富差距大，实质表现为农民权益得不到保障； 农村问题，集中表现为农村面貌落后，经济不发达。形象比喻为中国的城市像欧洲，农村像非洲； 农业问题，集中表现为农民种田不赚钱，产业化程度底。 三农问题背景 城镇和乡村的收入差距增大。根据国家统计局发布的统计公报，2005年中国大陆城镇居民人均可支配收入1

8、0493元，农村人均纯收入3255元，二者差距为3.22 : 1；而1985年城镇居民人均工资690元，农村人均纯收入397元，二者差距为1.74 : 1，20年时间城乡收入差距扩大了85。 自改革开放以来，农村地区实行的是统分结合的家庭联产承包责任制，并开始推动农村产业化进程。同时中国农业产品开始面对外国农业大国的竞争，单一的家庭生产单位无力进行市场竞争，农民第一次出现了“手里有粮卖不出”的现象。 邓小平南巡讲话后，中国经济开始起飞，与同期中国总体经济的发展相比，第一产业的发展程度远不及第二、第三产业发展。农民认为种田没有足够的收入，因而农村地区开始出现农民进城打工的现象，但城市并没有足够的

9、就业岗位提供，从而形成大量集聚在城内而没有工作的农民工群体。随之而来的就是农村地区生产积极性下降，农业投入开始减少，引发更多的农民进城“找工作”，形成恶性循环。由于农业的发展将直接影响国家经济的正常发展，而农村人口占中国总人口的3/4，他们的总体生活情况是中国总体生活情况的最主要体现。农村的发展将是实现中国共产党提出的“三步走”战略最大的挑战，从而使三农问题成为当前社会中显著的问题。政府采取的解决措施 推行农村税费改革。2003年3月，为了减轻农民负担，促进农民收入恢复增长，推进农村经济持续发展和农村社会全面进步，解决制约中国发展的农业生产落后的瓶颈问题，中国政府在原有的于2000年首先在安徽

10、进行的农村税费改革试点的基础上，发出国务院关于全面推进农村税费改革试点工作的意见的文件。 国家领导人承诺推出给农民减负具体方案。2004年3月5日，温家宝在全国人大二次会议开幕的时候作政府工作报告中谈到要巩固和加强农业基础地位，实现农民增收和农业增产，在五年内取消农业税。（附注：世界各国中已很少有国家征收农业税） 推行新农村建设目标。2005年10月11日中共第十六届中央委员会第五次全体会议通过的中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议提出了“建设社会主义新农村”目标，其核心内容是发展农业和建设农村，增加政府对农业和农村投入，改善基础设施包括乡村道路建设，强调以工促农、以城带乡

11、，基本建立农村合作医疗制度，巩固九年制义务教育，对农村学生免收杂费。 2005年11月29日至12月1日中共中央经济工作会议，确定2006年总体工作要求中，提出“着重推进社会主义新农村建设”的要求； 2005年12月23日国务院常务会议决定，2006年开始全部免除西部地区农村义务教育阶段学生学杂费，2007年扩大到中部和东部地区； 取消农业税。2005年12月29日，十届全国人大常委会第十九次会议经表决决定，农业税条例自2006年1月1日起废止，中国农民将告别有2600年历史的“皇粮国税”。 推出“农民工”维权方案。2006年1月18日国务院第122次常务会议原则上通过了国务院关于解决农民工问

12、题的若干意见。 2、科学研究开始于问题？归纳主义的科学方法论观点： 认为科学研究不是始于问题，而是始于观察。科研是从观察和收集材料开始的，然后经过归纳上升为理论 科学始于观察。 以培根为代表的古典归纳主义学派，片面地夸大归纳法对于科学发现的作用，进一步突出了科学始于观察的观点。科学哲学家波普论“问题” 对科学知识增长的“理性重建”，如下：P1TTEEP2。 科学研究始于问题（P1）； 对问题的大胆猜测（TT, tentative theory）, 各种猜测（理论）在竞争中接受反驳，消除错误（EE, elimination of error） 新困难导致新问题（P2）。 科学活动是人的积极的富有

13、创造性的能动的活动，无论基础研究还是应用研究，都是为了解决问题，都是探索未知的过程，它并不消极地等待客观对象“暴露”其自身的规律，而是积极地探索自然界的奥秘，积极地进行着合乎于规律的发明创造。这就集中表现为提出问题和解决问题。3、科学问题的来源 事实之间：为寻求的联系提出问题经验定律型假说 实践与理论：原理论难解释新现象 理论内部：理论的推论中证明了两个矛盾命题理论中有悖论；从理论中能推出它不能成立的结论佯谬。 不同理论、学派之间的争论：不同学派运用不同理论；不同学科领域的不同理论解释。 社会需要：现有技术不能满足社会需要，引起需要激发。二、科学问题的选择1、正确提出问题对于科研有重要意义 爱

14、因斯坦:“ 提出一个问题比解决一个问题更重要。因为解决问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度看待旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正的进步。” 海森伯:提出一个问题比解决问题更为重要。 科学问题的提出是非常复杂的过程。涉及研究的内部和外部。 波普尔: “应当把科学设想为从问题到问题的不断进步从问题到越来越深刻的问题。” 希尔伯特： “只要一门科学分支能提出大量的问题，它就充满生命力，而问题缺乏则预示着独立发展的衰亡或中止。”2、科研选题的基本原则 社会需求原则(与社会、经济发展密切联系，试验应用、发展研究和基础研究） 创新性(科研是

15、探索性工作，本质上要求创新，其生命在于创新) 科学性(有一定的科学理论、事实的依据，把选题置于当时背景条件下，使之成为科学上可成立和探索的问题) 可行性（与主客观条件适应，据已有条件或努力创备条件，取得预期或一定成果)。可行性讲的就是资源、条件和机会问题。三、 科学问题的条件和转换 1、科学问题的条件 科学问题是有条件的，与它提出时的知识背景有密切关系。 常识性的或无知的问题 伪问题 由虚假问题转化的科学问题 2、 科学问题的转换 常规问题与反常问题之间的转换 洛仑兹与爱因斯坦对“以太漂移”问题的不同态度。 理论问题与事实问题之间的转换 爱因斯坦与彭加勒对“ 高速电子质量不变” 问题的看法 逆

16、向转换 古代炼金术与波义尔：“ 能使贱金属变成贵金属吗？” 问题互补转换 爱因斯坦：“光既是粒子又是波？” 问题发散转换 “ 脚气病是由哪些细菌引起的？” 克瑞斯汀 爱杰克曼：“ 为什么食用景白米的人容易得脚气” 问题立体转换 罗巴切夫斯基和黎曼的非欧几何理论 分析科学问题的方法 思路：把复杂问题分解为简单问题按次序从简单问题上升到复杂问题，寻找解决问题的途径和关系网络（明确已知和未知、明确已知与未知的关系、明确从已知到未知的过程中所涉及的事实、理论与方法的缺欠和空白） 可以将复杂问题分解为：链条式复杂问题和并列式复杂问题。 注意科学问题分析中的派生问题：新的科学事实是什么？四、科研选题步骤与

17、选题的艺术 1、科研选题步骤： 文献调研和实际考察； 提出选题； 初步论证； 评议和确定课题。 实际上是一个不断反馈调节的非线性过程，常常需要反复调研和多次论证。2、如何选题? 科研选题的艺术 （一）科学内部的选题1、在学科生长点选题 通过搜集大量的文献资料,全面了解信息,掌握科学研究的第一手材料.在综述大量文献资料的基础上,了解课题的国内外研究现状,发展动态及趋势,结合自己的研究工作基础和现有实验条件,开拓视野,抓住学科的前沿生长点,选择新的起点或研究方向,这是科研选题的基础。着重注意：继承与创新 同时,对相关学科进行文献调研。科研人员也要重视学科交叉渗透之间选题,这样有利于形成新的学科,技

18、术的优势.网络资源是一个巨大的信息资源库,既方便快捷,又有时效性. 科研人员应充分利用好网络资源,始终掌握学科的前沿动态,确保科研选题的创新性和先进性。文献调研应查明有关专著和论文,并尽可能追朔其发展的历史，以便继承前人已有的研究成果,在新的起点上，选择研究课题。2.在空白点选题 注意学科之间知识的关联性，寻求和注意知识的相似与相异，常常能够发现一些新问题。 维纳：“在科学的发展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的部门之间的被忽视的无人区。” 科学的空白、边缘区给有修养的研究者提供了丰富的发现机会。3.在争论点选题 科学研究是一种探索性活动,每一个研究者都可能提出自己的观点,所以科学研

19、究中常常出现争论,出现争论不是坏事. 它们常常揭示新问题,这是因为科学不争论那些已经确凿的可靠的事实与真理.因此,在争论点选题大有作为. 案例:如波动说与粒子说争论产生的各种实验选题.4.在已知和未知的矛盾点选题 科学研究常常触及一个矛盾,那就是定论与发现之间的矛盾.不能把定论绝对化. 针对定论的研究有二:第一,从定论出发,进行更深入研究后发现按照定论所获得推理的研究不能得到预期结果,那么就有可能定论存在问题.因此,研究就应该触及定论本身了.如伽利略对亚里士多德物理学的研究,这种研究称为“反溯”研究.第二,从邻近领域其他研究中发现了与定论相悖的情况 如果已有定论是一个单独的理论,那么对定论的冲

20、击,即所形成的矛盾冲突也比较孤立;如果定论是一个理论体系的一部分,或就是一个体系,那么在定论和新发现之间进行选题和研究,就可能形成一连串的冲击,或出现一连串的发现. 如电子发现_“葡萄干+面包”模型_粒子散射实验_卢瑟福太阳系原子模型_旧电动力学矛盾,波尔大胆突破定论,提出量子论假说,后导致量子力学诞生. 有两种选题方向:保全定论(从发现天王星偏离轨道保全万有引力理论后发现海王星)和彻底突破定论的选题.5.在理论内部逻辑联系点选题 理论本身的发展,不仅需要它对外部世界有经验对应的“证实”或“证伪”特性,而且要求它的内部具有逻辑的无矛盾性,又称为“自洽性”. 对一个理论,要求它的原理公设定理和命

21、题组成的体系内部没有相互矛盾的命题; 对一个理论体系而言,除上述要求外，还进一步要求其体系中理论与理论之间没有逻辑矛盾. 数学中的“悖论” 物理学中的“佯谬”. (二)科学外部选题1.在技术工具点选题 科学进步有探索目的与手段之间的矛盾,对这种矛盾的研究和思索,导致在工具点进行选题 如天文望远镜研究的进步对天文发现的推动;2.在社会需求的供求点选题 社会常常提出各种需求,解决种种需求为选题提供了广阔天地.3、科研选题的一个实际步骤：申请书填写的社会过程 科研课题申请，实际上是一个实际的研究选题过程；它首先是一个自由探索兴趣与国家或科学共同体意志相互磨合的过程，其中申请书则体现了这种兴趣和集体意

22、志相互作用的科学社会运行过程。 申请书实际上是最基本的科学写作形式：如果科研人员希望发表论文，出版著作，介入科学论战，或者希望得到资助，那么，他们就必需学会争取科研经费。所以，申请书的写作绝非偶尔为之的行为，而是需要认真对待并且耗费大量时间的工作之一。 “申请书中的每一段精彩文字，都绝无例外地是为了打动基金受理机构。申请书在修辞上完全可以精雕细琢，因为它只针对为数极少的读者”（基金评审者）。 它受申请书的格式（如研究背景、研究目的和经费预算等）和文体（非人格性以及在英语中的被动语态）所限，大多数修辞手法都不适用于申请书的写作。申请书写作要表明自己的选题是必要的，自己能够胜任这个课题，相对于其他

23、课题这个课题有更大的意义。 “通过申请书的写作，以及申请人对所欲研究课题的描述，一个角色形象（申请人在文本中所呈现出的形象）被塑造出来。申请书的写作过程，在很大程度上是申请人在一份文本中表现或塑造自己在科学共同体中的角色的过程。基金申请书作为一种文本，除了可以告诉我们科学是如何获得资助的、如何传播的，还能够告诉我们科学究竟是怎样不断改变并且重新界定自身的”。 Cole，Cole 和Rubin对申请人与课题所属的专业的关系、申请人在专业共同体中的地位等因素的影响进行了探讨，他们的结论是，这些因素完全取决于学科设置以及申请人所发表作品的数量、被他人引证次数的多寡、以前获得资助的情况等既成事实。对于

24、这些事实可以证明申请人之科研能力的最有力证据，申请人在写作申请书过程中的确无力改变，但是通过申请书精心润色的语句，却能够展示出其严谨的科学态度和决不比别人逊色的科研能力。 例如，申请书的语句，由于科学论文的体裁与自我断言的矛盾，界定自身地位的最佳方法莫过于采取轻描淡写的手法，尽量在语气上，而不是在自己的科学主张上，保持低调。例如，比较行文：取决于，可能取决于，后者的语气更委婉一些。再例如，“这项研究的意义尚未得到人们的重视”（这意味着别人都没有重视，而他自己是第一个重视人），“尚未得到足够重视。”（仅仅意味着尚有更多问题值得探讨）。 例如“我们认为”这样的词汇容易引起争议，而改为“一种可能的解

25、释是”则更为谨慎，容纳性更强。 在个人所申请课题的定位问题上，在写作申请书时难免遇到这样的矛盾：必须把申请课题界定为“独创性的”，以确保获得科学资助；同时又必须把它说成是既有科学成果的必然延伸，以确保它的科学性。可以通过文献引证与术语选择两种方式，使得自己的申请书文本既符合规定的要求，又切合本人在学术共同体中的地位。 书写生物学作者研究的两个学者，在引证方面不同，一个大量引证他人的文献，以表明自己对要研究领域的文献了解深入（新手）；另一个大量引用自己的文献，以强调自己的成就（成名学者）。 第二节科学事实的获取 观察和实验是科学的躯体门捷列夫 事实是科学家的空气。 巴甫洛夫一、科学观察和科学实验

26、是获取科学事实的基本手段 科学事实是科学研究的基础 ，科学观察和科学实验是获取科学事实的基本手段 。 1、科学观察 定义： 是人们有目的、有计划地感知和描述处于自然状态下的客观事物、获取感性材料的基本手段。观察的种类 直接观察：通过感官直接考察客体。直观、生动，但有很大的局限性。如，人的感官的阈值。 间接观察：通过仪器(作为中介物)进行的观察。利用仪器，极大地克服了感官的局限。观察者、观察仪器和观察对象之间的三项关系。科学观察的 特点： 是从一定的问题出发有目的、有计划地进行的。（区别于日常的观察）。 不是理论思维，它依赖感官以及观测仪器直接认识外部世界，记录和报道事实。 主观性极强，在每一个

27、环节中都存在着可能导致观察错误的因素。 是积极能动的反映：以理论为指导，目的的确定、手段的改进、对象和环境的选择都有赖于理论，同时要求观察者有相应的知识储备和理论修养。科学观察的 功能 科学观察是接收外部信息、获取经验事实的基本方法。 是检验理论认识的基本手段。科学观察的基本原则 坚持观察的客观性 坚持观察对象的全面性.2、科学实验 定义：据一定科研目的，用一定物质手段(科学仪器和设备)，在人为控制或变革客观事物的条件获得科学事实的基本方法。 组成：实验者；实验对象；实验手段。 一般地，科学实验也属于观察的范围，是对于客体进行积极干预下进行的观察。(由于其特殊重要性，也就将其与对于客体处于自然

28、状态下的观察加以区别来进行论述)实验的种类 依测量手段：定性实验(发现对象某种属性)；定量实验(精确测量属性的量值)。 依实验手段：直接实验(在实验仪器干预对象条件下观测对象所输出的信息)；模拟实验(间接实验，设计出反映对象属性的模型，再用实验手段作用于模型，通过模型实验了解原型即对象性质、变化规律)。科学实验特点和功能 科学实验是获取科学事实和检验科学假说、科学理论的基本手段。 可以纯化和简化观察对象 可以强化对象及其条件 具有可重复性 可以模拟研究对象的属性及其变化过程 实验是一种经济可靠的认识和变革自然的方法观察与实验的异同*实验规划和设计的要点 根据对象属性确定控制变量，尽量减少不确定

29、性变量的干扰。 确定变量的测定方法，一般尽量利用相对测量，相对测量往往较容易。 选择适当试样，在各种实验中都十分重要。 尽可能进行对比实验。 注意消除实验者的心理定势的影响。 特别是要考虑实验应该具有可重复性。实验设计 实验规划基础上进行实验设计： 拟定实验的方案步骤， 选择实验仪器、设备和材料， 然后进入实验实施阶段和结果处理阶段。二、模拟实验中模型方法的应用 模拟实验：运用模拟方法对模型进行的实验研究。 原型：科学研究中的现实对象。 模型：原型的相似替代物 模拟方法的哲学基础：辨证唯物主义关于物质世界统一性的原理。以模型与原型的相似性为基础揭示了模型与原型的相似关系，体现了主观能动性。 模

30、拟方法的重要意义 时过境迁原型无法再现 涉及范围广大，变化过程漫长或变幻莫测 耗费巨大，代价太高 涉及人的性命，需要谨慎微观与宏观领域中，现有的实验观测手段无能为力的研究对象。模拟实验中的实物模型 实物模型：以自然界原有的或人工制造的材料，应用模拟方法设计出的与原型相似的模型。 类别：物理模型、化学模型、生物模型、功能模型 模拟实验中的数学模型 思想模型：运用科学思维揭示出对象的内在本质或必然联系，发挥想象力在思想中构思出与对象相似的模型。（象棋与战争） 数学模型：思想模型之一种，它是对研究对象的数量关系、逻辑关系与空间形式的模拟。（海湾战争） 模拟实验中的仿真模型：对数学模型的转换，将其转变成能在计算机上运行的仿真模型。编出仿真程序，运行仿真模型进行实验观察；分析实验成果对原型进行评价。模拟实验中的仿真模型 对数学模型的的转换，将其转变成能在计算机上运行的仿真模型。三、观察实验中重要的认识论问题1、观察和理论的关系 传统(培根等古典归纳主义与逻辑经验主义)：观察是中性的，理论依赖观察，而观察不受理论制约。 现代发现（波谱尔、库恩等）：