科学理论的形成.ppt

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1、第五讲 科学理论的形成和检验,一、科学问题的确立1 科学研究始于科学问题归纳主义的科研程序(从亚里士多德开始，到培根确立)：归纳演绎程序 定律、理论 归纳 演绎通过观察、取得事实 预测和解释,始于观察？培根：首先进行无预设的观察列表分类整理观察材料，找出现象的原因对因果联系作进一步归纳概括，上升为一般原理（归纳是通过中间公理而逐级上升）检验,波普提出科学从问题开始：观察不是随便看看，要解决观察什么，为什么观察，如何观察的问题，因此观察是带着问题的。从科学研究的具体进程看，人们总是以问题为框架有选择地去搜集事实材料，与问题有关的材料披搜集起来，与问题无关的材料则任其流散，不在科学认识主体中引起信

2、息效应。从科学理论发展的总体过程看，只有发现了原有理论不能解决的问题时，人们才会去修正，补充它，或着手建立新理论，在这个意义上可以说，问题既是旧理论的终点也是新理论的起点,目前我们的基本看法：问题解答模式问题 猜想 检验 科学事实或规律、理论的确立这种模式比较接近科学技术认识活动的实际。,说明：把问题作为科研工作的起点，是针对特定的研究课题（目的）而言的，实际的科研工作中，不可能孤零零的提出一个毫无积累的题目来做的，或者过去有经验、或者有一定数据、或者有一定的理论（文献）准备。这些积累对新提出的课题或者有启发、或者有指导、甚至作为一部分加入新课题。但是历史的积累都不能计入新课题,2 科学问题概

3、念：一定时代的科学认识主体在当时的历史条件下提出的科学认识和科学实践中需要解决的矛盾。,科学问题的条件A 能否在实践中检验（与信仰问题区别）B 科学问题是时代的产物（与常识问题区别）是在一定的知识背景下提出的运用已有的知识背景进行解答。,3、问题的结构：问题的指向：问题所指的研究对象研究的目标：对指向的目标进行研究问题的解答域：答案范围,4、科学问题的预设预设：本是自然语言逻辑的一个基本概念，指在交际中交际双方没有言明却又共同接受的事实或命题。科学问题的预设载负在指向和解答域中。分为：A本体预设 B方法论预设：问题自身所认定的解答范围和 方法 包括：全域型、类域型、特域型,预设对科研的影响 本

4、体论预设是对问题的一种定向，本论预设限制科学研究者的认识域，其正确与否影响着科学研究的成功。如以太风 方法论预设对科学研究有指示性影响（指明方向，确立范围）正确：具有诱发性功能；错误：误入歧途 方法论预设的详略关系影响着对科研指导 的强弱，越具体，指向愈明确,5科学问题的转换从一个新的角度对问题变换一下提法问题的恰当变换能开辟新的研究领域,引发新思路.它可以有多种不同的角度方法论中考察:常规问题与反常问题之间的转换,事实问题与理论问题之间的转换从变换思路方面考察有逆向转换.互补转换.发散转换.立体转换,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

5、。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。爱因斯坦,6 来源1、为寻求事实之间的联系提出问题2 从科学实践与科学理论的矛盾中产生问题.原有的科学理论不能解释新的现象、新的事实时，便产生了矛盾，也产生了需要探讨的问题。3、从科学理论内部矛盾中产生问题。一种理论或一个概念，如果能从中推出逻辑矛盾，那就表明其中存在着需要进一步探讨的问题。,如：悖论:一个理论，如果看上去是没有问题的，但在推论中却证明了两个互相矛盾的命题的等价式，那么这个理论就包含有悖论。佯谬:如果从一个理论中能推出它不能成立的结论，就构成一个佯谬。佯谬或者表明理论本身有缺

6、陷，或者表明理论中蕴含着未被人察觉的深刻内容。循环论证同义反复,4、从不同学派理论之间的矛盾中产生问题5、社会需要与现有技术手段不能满足需要的矛盾中产生问题。,7、科研选题基本原则需要性原则和价值原则 科研必须满足社会需求和学科自身发展的需求。若有余力，建议从兴趣出发。,创造性原则 即要充分利用前人的成果，又要在前人的基础上提高。科学性原则 选题要有一定的科学理论和事实作为依据，把课题置于科学背景之下。可行性原则 选题应与自己的主客观条件相适应。,二、科学事实的获取1 科学事实是科学研究的经验基础 通过观察、实验等实践活动，借助于一定语言对特定事物、现象或过程的描述和判断。分二类：一类是客体与

7、仪器之间相互作用结果的描述。另一类是对观察实验所得结果的陈述和判断。,科学事实不同与经验事实可重复性 渗透着理论 比较系统,2、观察和实验是获取事实的手段实验：人们根据一定的研究目的，利用仪器设备，人为控制或模拟自然现象，排除干扰，突出主要因素，在有利的条件下获得科学事实的一种方法。,观察和实验两者相依存：观察是前提，实验是观察的发展。在现代科学认识中，两者密不可分。区别：人为控制，干预自然对象，更有利于发挥人的主观能动性。,实验方法有特殊的优点：1）实验能简化、纯化以至强化自然过程。通过仪器设备把所要研究的客体孤立或隔离出来，排除其它的现象、过程等起干扰作用的因素，在纯粹的状态下观察客体的变

8、化进程和规律。把要研究的客体置于人工控制的极端状态或极限状态，如在超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场等状态下观察客体性能的变化。也可以加速或减缓自然过程，来推测自然过程的原貌。,2）实验可以模拟研究对象的运动过程，从而认识对象的性质3）通过仪器设备控制客体的有关因素，可以同时固定一些因素和变化一些因素，可以加进一些因素或减去一些因素，用有意识地变换和组合各种因素的办法，分别观察和揭示各因素之间的因果关系。4）可靠性、经济性,3、观察中的注意事项观察中渗透理论,不仅观察实验的设计在一定的理论背景下选择构造的，仪器的制造和结果分析也在一定的理论指导下进行，而且观察者观察到什么，用何种语言描

9、述等都离不开理论背景。这是有历史根据和认知科学的验证的。,认知科学的研究也确认，人们的知识背景决定了他能观察到什么。,观察者的观察能力与他本身的理论水平密切相关。观察什么和怎样观察客观上受到观察者理论背景的制约。,你能不能观察眼前的现象，取决于你运用什么样的理论。正是理论决定什么是可以观测的。爱因斯坦,观察中的机遇,在历史上重大的发现差不多都是机遇带来的结果。,青霉素的发现 1924年，弗来明在一所有很多灰尘的旧房于里，进行葡萄球菌培养。实验期间需要多次打开玻璃盖，因而培养物受到了外界的污染。正常的葡萄球菌繁殖区应当呈现黄色，可是弗来明看到，在培养皿边缘生长了一堆奇特的绿色霉菌，在这堆绿色露茵

10、周围的培养基是清澈明净的。有些细菌学家也看到过这种现象，但并不觉得这有什么特别的地方，因为早就知道有些细菌会阻碍其他细菌的生长。但是，弗来明却想到要弄清：究竟是什么杀死了葡萄球菌。最后，答案找到了，这是培养皿边沿生长不常见的绿霉作用的结果。弗来明经过研究发现，这种绿霉是一种真菌青霉菌，青霉菌能产生一种杀死病菌的“青霉素”。后来，又有英国生物化学家弗洛里和医生钱恩，找到了提纯青霉素和加速生产青霉素的方法并用于临床治疗。1945年，他们三人共同获得了诺贝尔医学生理学奖。,出现机遇的可能性还是有迹可循的。1）对机遇要有思想准备。观察者对所进行的观察的背景知识要有彻底的理解，观察实验要细致认真，不放弃

11、任何一点一滴的可疑之处。2）对必然性和偶然性要有正确理解。在观察中确实存在偶然的失误，那种属于非本质，无规律性的现象当然应当剔除，但是在偶然性寓有必然性，就看观察者能否有预感，能否抓住。,4、观察的局限性经验对观察造成的局限,理论对观察造成的局限观测仪器和方式对观察造成的局限（1）间接观察不如直接观察那样直观、生动。（2）运用仪器可能导致错误的结果。（3）运用仪器还可能干扰观察对象。（4）任何仪器都无法显示观察对象的全部自然属性。,5、观察的客观性原则,辩证唯物主义：客观事物本身是客观存在的，它决定了观察的客观性.要注意几项原则。,例子：向日葵A 实践来检验。实验中发生的情况或事件能够被多个观

12、察者重复检验，一般来说，就保证了科学实验结果的客观性。因为观察者的主观的偶然的失误都很容易在重复的实验过程中暴露出来，并加以消除。一个实验被复核重演的次数越多，也越显示其客观性。B 长期性C 选取典型对象,D 使用先进、精密的仪器。这是保证观察客观性的物质基础。由于仪器精度和可观测范围的扩大，就能更准确地记录客体运动的状态，提高观察的客观性。E 以正确的理论为指导。这类理论能提供正确的概念系统、推理规则和消除假象与误差的方法，从而把日常观察中模糊不清的现象变得清晰起来。,以牛顿工作为例观察当太阳光在一块晶体中折射而出现各色光谱时，牛顿产生这样的想法：白光是可折射性不同的光线的混合，而光谱的不同

13、颜色和可折射性的不同程度相对应。一旦构想出了假说。便坚持它。推演出推论，揭示它的含义，并对每一个推论和结论，都用简单的但带结论性的实验加以检验,例如，由牛顿的假说可以推知，不同颜色的光线不可能聚在离透镜相同距离的焦点上。对每种颜色，都必定有一种确定的且又特定的折射量。白光可合成,三、科学假说的形成构成：事实基础，背景理论，对现象、规律的猜测，推倒出的预言和预见。特点：科学假说是科学性和假定性的统一。抽象性与形象性的统一，多样性与易变性的统一。,1、假说是通向理论的必经环节。2、科学假说形成的前提条件A理性原则 应符合科学世界观 对选择某种假说，淘汰不科学假说起准则作用，尽管不保证被选择假说的真

14、理性。普遍的哲学原理和普遍的科学原理,B可解释性C 对应原则说明假说之间存在继承和发展的关系新假说代替原有假说应满足这样两个：新假说能解释以前假说所取得的成功 新假说具有更丰富的检验蕴涵D 可预测性,3形成假说的方法 经验定律型假说形成的主要方法是概括 通常以经验概括（偶适概括）开始，完成于与演绎方式结合的定律概括。经验概括以不完全归纳方式进行大量随机现象，主要应用统计概括的方法,知识的本质是概括。发现的艺术就是正确概括的艺术。赖欣巴赫,理论定律型假说形成的方法是溯因和猜想（溯因是由结果回溯原因）模式是：1相关的经验定律L 2如果H（设定的原理型假说）为真，则L可被解释3所以有理由H认为为真,

15、科学假说向理论转化的条件A解释性条件 把假说运用实践，如果愈来愈多的事实和这个假说相符合，并且没有任何已知事实与之矛盾，就证明这个假说是客观规律的正确反应。B 预见性条件 如果假说作出的科学预见得到实际的证实那么标志着假说已经转化为理论。提出判决性实验：在对立的两个假说之间，设计一个或一组观测或实验来证实哪一个具备预见性或更确切说，证实哪一个不具备预见性。,四 科学理论经过实践检验具有客观真理性的系统化了的科学知识体系。1基本特征 客观真理性基本特征基本条件：建立这一理论所凭借的事实材料必须是经过实践复核且证明是真实的；根据这些事实材料所提出的假定性规定已经得到实践确认，并经得起实践的进一步检

16、验；根据这种理论所作出的科学预见已在实践中得到证明。,普遍性 系统性 逻辑性2 功能l解释功能：揭示存在事物的本质l 预见功能,解释类型：因果解释 概率解释 结构解释（用之解释系统某些属性）功能解释。把系统的某个因素看作是系统正常功能的必要条件通过阐明这个因素所实现的功能，帮助人们增加对系统总体的认识。起源解释。揭示各种作用如何使一个系统转变为时间较晚的另一个系统,五、科学思维 主要形式 抽象思维和形象思维：抽象思维的细胞是概念,用概念揭示事物的本质,表达认识的内容,又以概念为基础进行判断和推理.它是抽象反映事物本质和规律的思维活动形象思维:是在形象地反映客体的具体形状或姿态的感性认识基础上，

17、通过意象、联想和想象来揭示对象的本质及其规律的思维形式,形象思维与逻辑思维的区别l 逻辑思维的“细胞”是抽象的概念，而形象思维的“细胞”则是形象的意象。意象是对同类事物形象的一般特征的反映。l形象思维过程的一般形式是运用意象进行联想和想象，而不是象逻辑思维那样运用概念进行判断和推理。,收敛思维和发散思维收敛思维的特征是根据已有的理论和方法,按照严格的程序进行发散思维的特点是开阔思路,从不同的方面进行思考,从不同的途径进行探索,甚至标新立异,不受传统思想观念的约束,不受已有理论和方法的束缚.,顿悟思维 瞬间达到对事实本质的领会，有直觉和灵感两形式 阶段性：(1)独上高楼，望断天涯路(2)衣带渐宽

18、终不悔，为伊消得人憔悴(3)众里寻它千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处基本特征：认识发生的突发性机遇只偏爱有准备的头脑,创新思维,其主要思维形式是意象思维、分散思维及直觉和灵感,在创新过程中应用更多的是类比与联想和思维模型的方法.,类比,热气球的发明,联想和想象,格莱特与纳米材料,科学思维的方法1 演绎方法 在形式逻辑中,是 在一般中进一步认识个别的思维方法,现在还包括以演绎推理为基础的证明和公理方法(建立逻辑必然的知识体系)特点是前提和结论之间的联系具有蕴涵关系,或者说前提和结论之间具有必然联系,2 非演绎方法 具有或然性分析和综合归纳和概括归纳是由个别或特殊推到一般的方法,一般分为完全归

19、纳法和不完全归纳法,后者又分为简单枚举归纳法和科学归纳法这种方法最早由亚里士多德提出,近代以后又有了很大的发展(如培根和穆勒),休谟首先提出归纳问题：归纳原理如何能被证明是正确的。他认为归纳得到的因果联系不一定是事物的恒常联系，它只是出于人的心理习惯。归纳法在逻辑上和经验上都无法证明其正确性。方式：逻辑上证明。它在逻辑上不允许。单称陈述不管有多少，都是有限，而理论是普遍的，是无限的，在有限和无限之间存在不可跨越的鸿沟。,经验上证明。它在经验上无法证实。观察只能得到关于过去的事实，而普遍命题要求对于一切时间内的观察都有效。在过去和未来之间存在着不可跨越的鸿沟。通过归纳得到的全称的理论是不可靠的。

20、“归纳问题“其实表明：归纳方法并不是科学认识的唯一方法，它有自己的作用范围，有自己的局限性。正确的态度是，恰如其分评价归纳方法，搞清实质。,概率引入归纳法如卡尔纳普的确证度概念扩大归纳法方面,有统计推理:一般用随机样本的属性来对样本所属的总体的属性进行预测和推断合情推理,合情推理是美国数学家波利亚提出的，为科学猜想、假说的选择、评价提供逻辑根据的推理。A蕴含B A蕴含B B假 B真 A假 A（？）不能断定真、假合情推理主要关心的是B为真的情况。,合情推理的模式就应该是：A蕴含BB真A更可靠其它一些合情推理的模式，A与B不相容 A与B不相容 B假 B较不可靠 A更可靠 A稍更可靠,类比：类比方法

21、是根据两类对象之间在某些方面的类似或同一，推断它们在其它方面也可能类似或同一的逻辑思维方法，逻辑学上又叫类比推理。可表示为：A有a、b、c、d B有a、b、c 则B可能有d,类比和联想,由A到B的推理可以是“特殊 特殊”，也可以是“一般 一般”。局限：类比推理的客观基础是事物之间存在普遍联系的本性。但类比方法毕竟是扬弃了未知的（或不甚清楚的）中间环节，而从此一事物径自推出彼一事物的判断，所以在逻辑上总是或然性的。如果两事物本质上相似，则结论的可靠性更大一些,具有灵活性创造性每当理智缺乏可靠的思路时,类比这个方法往往能指引我们前进.康德,思想模型方法,通过建构和研究思想模型来认识未知 研究对象的

22、方法从比较熟悉的相似物出发，在思想中摹写或描述研究对象的性质、结构、功能或运行规律，这样猜想出来的摹本、蓝图就是思想模型。如时空弯曲模型板快构造模型,在科学理论的发现过程中，通过建构思想模型来推断现象背后的实体和运动，这是这一方法的实质。可将思想模型分为：性质相似、结构相似、功能相似、形式相似思想模型。,六 科学理论的逻辑评价是指科学理论是否合乎逻辑相容性评价：通过与公认的相关理论的比较，评价该理论是否与相关理论相违背自洽性评价：理论本身是否有矛盾简单性评价：理论的形式结构是否简单 看理论的普遍性，理论前提较少、参数或变量较少、变量的次数或方程的阶较低,七、科学理论的经验检验实践检验。步骤 推

23、出检验蕴含 实验检验看结果能否确证或证伪,通过对应规则将理论术语和观察术语连接起来如气体分子论单位体积的分子数与气体所受压强成正比波义尔定律（气体压强与体积成反比）,确证的复杂性 H I1I2I3I4 A蕴含B I1I2I3I4为真B真 A（？）不能断定真、假？理论具有普遍性，必须在其相关的一切事例中都有效应，但人们无法对全部事例给予验证，只能部分验证。,判断确证度数量方面：确证事例越多，概率越高；反之越少事例的性质方面：每个事例对假说的支持程度不一样 严格性看严峻性看，经验事实的性质不同，对假说的支持程度不同,A蕴含BB假A假,证伪,证伪检验是排除不必要的假说，使人人们对于自然的认识逐步接近

24、于真实情况的有效途径。,证伪的复杂性：如果H而且C，那么E 非E 非H？先行条件和当时公认的背景知识陈述可能有误；理论具有韧性事实证据往往不可靠,反驳一个理论的经验证据，要靠另一个理论来解释证伪的有效途径：把伪证度看作确证度的反面，证伪度和确证度互补。看到评估一个理论的确证度是历史的、相对的、可变,原则：当一个理论未取得或取得极微小的确证度时，它被证伪的可能性就极大；一个理论取得相当确证度之后，它就不可能具有极高的证伪度。因而总有一部分内容 以这种或那种形式继续被接纳在科学知识的大厦中。在对立理论的竞争中，当某个理论取得一定程度的特有的事实时，人们就可以相应对别的理论给予一定程度的拒斥，反之亦然。,