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1、第七章 科学抽象与科学思维,自然辩证法讲义,高亮华清华大学科学技术与社会研究所Tel:62773013-233;82866697,问题 事实 假说与理论 个别 普遍 单称判断 全称判断 思 维 加 工(科学抽象 科学思维),科学抽象是科学认识从感性认识阶段上升到理性阶段的飞跃的决定性环节。科学思维，则是利用科学抽象的成果概念、符号和思想模型所进行的深入的认识活动，是主体把握客体本质的认识活动和认识形式。逻辑思维、形象思维和直觉思维是科学思维的三种基本类型。,目录,1 科学抽象2 科学思维：科学研究中的逻辑方法3 科学思维：科学研究中的非逻辑方法,1 科学抽象,概念,科学抽象是思维加工即科学认识
2、由感性阶段向理性阶段飞跃的决定性环节 感性具体 思维中的具体（科学事实）（科学理论）抽象的规定（科学概念，符号、思想模型）,综合,分析,感性的具体是科学事实抽象的规定是未经综合的概念、经验规律（如开普勒三定律）、科学假说等思维的具体是指经过辩证综合的、完整的科学理论体系,科学抽象：在科学研究中通过对各种经验材料的比较与分析，去其次要因素，抽取本质因素，形成科学概念或科学符号，以达到揭示研究对象的普遍规律和因果关系的思维方法,列宁：“当思维从具体的东西上升到抽象的东西时，它不是离开真理，而是接近真理。物质的抽象，自然规律的抽象，价值的抽象等等，一句话，那一切科学的（正确的、郑重的、不是荒唐的）抽
3、象，都更深刻、更正确、更完全地反映着自然。”,科学抽象与科学发现,科学抽象的产物：科学概念、科学符号、思想模型。广义地，还包括科学判断、科学假说和理论等。,科学概念,科学认识中人们对事物本质属性的认识，是科学思维的最基本的单元与形式概念的外延和内涵：外延：概念所涉及的类的总合。内涵：概念中所思考的属性、关系和本质特征的总和。两者既相互联系又相互区别。,科学概念的特征可确定性。指概念在逻辑上的可确定性，可接收性。因此，概念的制作中是允许科学猜想和假设成份的。可检验性。不仅要有逻辑上的可确定性，而且必须要有实践上的可检验性。包括直接检验和间接检验。一定的稳定性与可变动性的统一。科学概念的生命力在于
4、随着认识的发展而深化、变化，甚至更新，但是在一定阶段和时段具有稳定性。,科学概念的制作(通过抽象法)抽取共同点:本质总是通过共同点而表现出来的，所以抽象首先要抽取共同点.限制思路，深入抽取本质:共同点不等于本质，需经过辩证分析，有选择地重点深入，着重把握共同点中的本质的东西.理想地复现对象:处理丰富内涵的概念，要对概念的要素进行辩证综合，或进一步理想化，理想地复现对象(如质点、刚性等).,科学符号,符号：对象的人工指称物从认识论角度看，符号是一定的可感知的物质对象，它在贮存、传递另一对象的信息方面充当另一对象的替代物。如果A引起关于B的观念，那么A就是B的符号特点：物质性，可感知性，含义（被赋
5、予）,#,历史上的符号体系自然语言:某一社会中历史地形成的一种民族语言。它的基本特征：多义性、歧义性、语法结构不够严格和统一。人工语言符号系统科学术语符号系统，如元素符号。专业符号语言：形式化语言，是以数学、数理逻辑符号语言为蓝本的科学语言，如计算机语言。,符号是思想、意义的承载体，在方法上是科学研究的有力工具。如计算机语言的发展。自然语言相对人工语言是基础，是元语言，但又是繁杂的土地。人工语言越来越精确化、抽象化，其中意义也越来越蒸发掉了。科学实践和科学抽象的产物，也是推动科学发展的不可缺少的工具。,思想模型,思想模型是人们为科学研究而建立的对原型高度抽象化了的思想映象系统。原子模型、DNA
6、模型广义地讲，思想模型也包括数学模型思想模型是科学理论与现实原型之间的中间环节,理想模型思想模型的特殊类型，既具有高度抽象性，又具有某种极限特征。如数学点、线、面，质点、刚体，理想气体。,思想模型是科学抽象的产物，将对象的本质属性和基本过程以最纯粹的形式甚至以某种极限状态表现出来。科学理论研究的直接对象是思想模型。,思想模型在科学认识过程中的作用，解释功能：由于它是对现实原型的摹写，所以应当与其实验基础相符合，从而能对有关现实原型的各种观察、实验事实作出科学解释。，判据功能：以实践为基础建立的思想模型，可间接地起到关于原型知识的真实性的判据作用。，预见功能：因是对客体绝对化、纯粹化后的产物，往
7、往可以超越现实条件，揭示研究对象在理想条件下可能出现的情况。,理想实验运用理想模型在思维中塑造实验过程，并进行严密逻辑推理的一种思维方法。它具有一般实验的结构模式，但又具有假想的性质。严格按照逻辑，抽象理想的过程，按照实际实验的基本步骤进行思维推演，是思想的操作。案例：伽利略理想惯性运动实验；反驳亚里士多德落体定律的逻辑推演；爱因斯坦关于同时的相对性实验；关于惯性质量和引力质量等效的理想实验。,2 科学思维：科学研究中的逻辑方法与数学方法,科学思维，则是利用科学抽象的成果概念、符号和思想模型所进行的深入的认识活动，是主体把握客体本质的认识活动和认识形式。逻辑思维、非逻辑思维（形象思维和直觉思维
8、）是科学思维的基本类型。,比较与分类归纳与统计分析与综合形式演绎法数学方法,比较与分类,比较确定对象之间的相同点与差异点的方法同中求异异中求同比较可以在异类对象之间进行，也可以在同类对象之间进行，还可以在同一对象的不同方面、不同部分之间进行,比较方法的作用可以建立科学概念：如比重、比热等。可以导致新的理论的诞生，如用比较的方法研究自然地理，产生了比较自然地理学。用比较的方法研究生物机体和器官，产生了比较解剖学，提出“同源器官”概念。比较方法有其局限性，绝对就容易片面化。,相同点的比较 对于两个或两个以上对象进行比较而认识其异中之同 A有a、b、c、dB有a、b、c则A与B具有相同的特性a、b、
9、c,各种胚胎演化中的相同性比较,相异点的比较 对于两个或两个以上对象进行比较而认识其同中之异.A有a、b、c、d、eB有a、b、c、d、e则A以特性a、b、c与B相异,食昆虫,食仙人掌的花和果,食带坚硬外壳的种子,雀啄的比较,同异综合的比较 对于两个或两个以上对象进行比较而认识其同中之异与异中之同.A有a、bB有a、bp、q则A以特性a、b相似于B，又以特性p、q区别于B同异比较兼有前述两种比较的特点，能够提供较为全面的认识.,比较方法的一些原则要点事物之间的差异性和同一性是比较认识方法的基础。比较必须在同一关系下进行：对象是否具有可比性：但可比性也是一个历史范畴。选择与制定精确的、稳定的比较
10、标准：定量比较的基础；也是定性比较所必需。在越是不同的对象中探求相同点，或在越是相同的对象中探求不同点，对于的就越大。,分类：根据对象的相同点和不同点，将对象划分为不种类的方法使复杂的材料条理化、系统化，谱化体系,归纳与统计,归纳：从同类的个别事实推演出共同本质或一般原理的逻辑思维方法。是从个别到一般的思维方法（也是一种推理形式）个别 一般 单称 全称,类型：完全归纳法：如穷举法（前提完全）不完全归纳法：简单枚举法科学归纳法：求同法，求异法，求同共异法共变法剩余法。,完全归纳法：S1PS2PSnP 所以，SP穷举法,简单枚举法：如S1、S2、S3是S类事物的一部分对象，已知它们都具有属性P且无
11、例外，则可推及该类事物S都有P的属性，缺点：容易犯“以偏概全”的错误，例如：从H2SO4、HNO3、H3PO4和H3BO5都含氧，得出一切酸都含氧，而HCL、HF等不含氧；例如：一切金属都导电，而锗在通常情况下导电性很差。,科学归纳法：引进了因果关系作为推理依据求同法：场合 条件 研究对象 1 A、B、C a 2 A、D、E a 3 A、F、G a 所以，A是a的原因,求异法：场合 条件 研究对象 1 A、B、C a 2 B、C 所以，A是a 的原因,求同共异法：场合 条件 研究对象 1 A、B、C a 2 A、D、E a 3 F、G 所以，A是a 的原因,共变法：场合 条件 研究对象 1 A
12、1、B、C a1 2 A2、B、C a2 3 A3、B、C a3 所以，A是a 的原因,剩余法：场合 条件 研究对象 1 A、B、C a,b,c 2 B b 3 C c 所以，A是a 的原因,归纳法的作用：与科学认识过程一致，有很大的创造性（科学发现的逻辑），从范围较窄的一般原理到普遍的一般原理。,局限性：完全归纳法固然可靠，但很难做到；不完全归纳法具有或然性（需要多种方法配合）,归纳问题,Some AllNow Future由已经经验到的东西不可能完全，不可能确切证明未经验到的东西。归纳本质是不保真的、扩充了的论证。,归纳原理不能在逻辑上得到证明：在时间t1观察到天鹅x1是白色的，在时间t2
13、观察到天鹅x2是白色的，在时间t3观察到天鹅x3是白色的，在时间tn观察到天鹅xn是白色的，所以，一切天鹅都是白色的。事实上,存在黑天鹅.,归纳原理也不能从经验上证明：在x1场合运用归纳原理是有效的，在x2场合运用归纳原理是有效的，在x3场合运用归纳原理是有效的，在xn场合运用归纳原理是有效的，所以，在任何场合运用归纳原理总是有效的。事实上，并非总是有效，不能保证总是有效。,罗素火鸡问题从前在一个火鸡饲养场里，有一只火鸡发现，第一天上午9点钟主人给它喂食，后来每天上午9时都是。然而，作为一个卓越的归纳主义者，火鸡并不马上作出结论。它一直等到已收集了有关上午9点给它喂食这一经验事实的大量观察；而
14、且，它是在多种情况下进行这些观察的：雨天和晴天，热天和冷天，星期三和星期四。最后，火鸡进行归纳推理，得出了下面的结论：“主人总是在上午9点钟给我喂食。”可是，事情并不像它所想像的那样简单和乐观。有一天，主人并没有给它喂食，而是将他它宰杀了，而它通过归纳概括而得到的结论终于被无情地推翻了。这一天是圣诞节前夕。,归纳辩护 归纳法是到目前为止行之有效的科学方法，所以应继续使用。问题：用归纳法证明归纳法，循环论证。自然齐一律的辩护自然界是有规律的，归纳法可以帮助我们发现这些规律。问题：我们如何知道自然界是有规律的?如果是归纳得出的，那么仍是循环论证。,对归纳法的消解科学研究中不应使用归纳法，而是假说否
15、证法。“假说否证法”的形式与“假说演绎法”的形式相似TO，O，得到T。,对归纳辩护的消解对于所有的方法之辩护，都需要更基本的方法来说明。归纳法是用以证明其他方法的最基本方法，它本身不能再被证明。,黑天鹅事件直到1697年一位探险家在澳大利亚发现了黑天鹅之前，欧洲人一直认为天鹅都是白色的。因此，“黑天鹅”有时便用来表征着一种不可能存在的事物或不可能发生的事件。,黑天鹅：如何应对不可知的未来（The Black Swan:The Impact of the Highly Improbable）“黑天鹅事件”是指满足以下三个特点的事件：稀有性、冲击性和事后（而不是事前）可预测性。我们面对的未来既有惯
16、性的一面，也有无法预知的一面，后者或好或坏，让我们希望与恐惧。我们创造的文明与文化就是要抚平未来的不规则性，将未来纳入到可控的轨道上，尽管我们取得了巨大的成就，但世界最终仍然是我们所无法控制得了的。黑天鹅事件无处不在。,统计：所研究的对象总体中抽出若干样本，然后根据样本的统计事实，推论出关于整体的结论归纳前提e：100名肺癌患者中70人吸烟归纳统计的结论h：吸烟是导致肺癌的原因，概率确证度c(e,h)=0.70缺点：往往没有揭示事物的原因与本质,形式演绎法,科学原理和科学体系必须遵循演绎逻辑的规则。演绎主义：科学的基础是公理(天赋、直观、不证自明),公理是所有科学理论的原始前提,由此通过演绎方
17、法可以导出整个科学理论系统。所以,科学的方法就是演绎法。从古代开始,欧氏几何就是演绎系统的典范。经验科学中,也将时空的绝对性看作也是一种显而易见、不证自明的公理。,特点：从一般到个别，必然性；要求：前提可靠，推理合乎规则。演绎中的公理：凡对一类事物有所肯定或否定，则一定对该类事物中的每一个事物都有所肯定或否定。,推理规则：（1）白头翁会飞，王大爷是白头翁，所以王大爷会飞。（“似概念”的推理）（2）有些金属是固体，水银是金属，所以水银是固体。（“周延”）,三段论：演绎推理的基本形式，大前提M-P小前提S-M结论S-P,大前提：一切M是（或不是）P小前提：这个S是M结论：这个S是（或不是）P大前提
18、：一切M是（或不是）P小前提：这个S不是 M结论：这个S是（或不是）P,假言演绎法：以假言判断为大前提的演绎推理如果P，那么qP真或P假，q真或q假所以q真或q假，P真或P假,公理化方法公理化是从尽量少的原始概念和在大量实践基础上概括出来的，具有逻辑简单性的不证自明的原始命题出发，通过演绎推理来建构体系。三个原则：无矛盾性完备性独立性,由公理化方法所得的逻辑演绎体系称为公理化体系。欧几里得在几何原本中以23个定义、5条公设和5条公理作为出发点，推演出467个数学命题，将古代关于几何学的知识系统化为一个逻辑上完美、严密的体系。几何原本不仅奠定的集合学的基础，而且提出了公理化方法的范例（虽然并不严
19、格），对科学理论的发展产生了深远的影响。,演绎法的作用：为科学知识的合理性提供逻辑证明，这是主要的作用，如把知识联系起来，形成公理体系；反驳错误学说：例如，伽利略反驳“重物先落地”，例如，“永动机”不可能。,预见科学事实，提出科学假说：例如：泡里提出“中微子”（衰变能量损失）例如：门捷列夫修改原子量。帮助检验假说：例如，广义相对论验证，光线弯曲到空间弯曲,局限性：创造性小，结论原则上包含在前提之中，主要用于“证明”，而不是“发现”，可靠性受前提制约。,数学方法,数学是研究客观世界量与空间结构的科学。数学方法是运用数学工具进行科学研究的方法。科学只有当它能成功地运用数学时，才算达到了真正完备的地
20、步。,数学方法的特点是：高度的抽象性；精确性，即逻辑的严谨性和量的确定性；普适性。,现实世界中任何物质系统都是质和量的统一体。一切科学技术研究原则上都需要运用数学方法。数学方法为科学研究提供了简洁精确的形式化语言；提供了定量分析和计算的手段；提供了严密的逻辑推理和科学抽象的工具；开辟了“数学实验”这种崭新的科学认识途径。,数学模型方法是通过建立和研究客观对象的数学模型来 揭示对象的本质特征和变化规律的方法。数学模型的基本类 型有：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。运用数学模型方法的步骤是：抽取数量关系，建立数学模型；对数学模型求解；对模型解作出解 释和评价，形成
21、对实际问题的判断或预见。,科学思维：科学研究中的非逻辑方法,非逻辑方法在科学发现中的作用非逻辑方法与创造性思维,联想与类比,联想：从一个概念或事物想到有关的其他概念或事物的心理活动。类比推理：根据两个（或两类）不同对象的部分属性相似，联想推论出两个（或两类）对象的其他属性也可能相似的一种推理方法。,推理格式：A对象有：a,b,c,d属性B对象有：a,b,c属性，且分别与a,b,c相似所以，B对象可能有与d相似的d属性,类比推理在科学研究中的作用：在各种逻辑推理中，最富于创造性；应用范围广：康德：“每当理智缺乏可靠的论证思路时，类比这个方法往往能指引我们前进。”对新的设计思想和技术原理的提出有重
22、要作用：例如：“电子警犬”，“电子蛙眼”，“超声眼镜”；声纳、雷达的设计思想，类比是模拟实验的逻辑基础：物理模拟：因果类比、综合类比 数学模拟（计算机模拟）：协变类比。,类比推理的局限性：类比法在各种推理方法中，可靠性最小，例如：勒维列“火神星”预言的破产“火星人”预言的破产。不可靠的原因：类比法的客观基础不牢固：异中求同；类比法的逻辑根据不充分：前提与结论只是一种可能性。,想象，灵感与直觉,想象：在头脑中改造记忆中的表象而创造新形象的过程理想模型：质点，绝对刚体，理想液体可以直观形象地揭示对象的本质和规律，充分利用大脑右半球的思维能力。更具有创造性，容易突破思维活动中常规的限制。,爱因斯坦：
23、想象力比知识更重要，因为知识是有限的，想象力是科学研究中的实在因素。,灵感：主体对于反复思考而尚未解决的问题，因某种偶然因素或潜意识信息启发而得到突然顿悟的心理状态,灵感的特征和作用A、灵感是对人们长期艰苦劳动的一种报偿和奖励例如：阿基米德的发现（金冠参假和浮力定律）,B、灵感是不知不觉产生的，要能及时“抓住”例如：汤川秀树，及时用笔记下,产生灵感的条件：因人而异：一般来说，环境清静，心情安宁是产生灵感的好时光。例如：原子在我家中费米在玩捉壁虎游戏时产生“费米统计法”英国布朗发现，浴盆、床铺和农村散步适宜产生灵感。例如：汤川秀树在床上产生介子的预言。例如：生物学家坎农利用夜间产生灵感。,直觉：
24、创造者在已有知识和经验基础上对事物本质的直接领悟和判断。直觉思维是指思维对感性经验和已有知识进行思考时，不受某种固定的逻辑规则约束而直接领悟事物的本质的一种思维方式。,直觉思维在科学认识中的作用1、直觉思维在科研创新中是不可缺少的，爱因斯坦对科研认识过程的阐述：“从特殊到一般的道路是直觉的，而从一般到特殊的道路是逻辑性的。”例如：狭义相对论建立的关键：直觉地形成了时间和空间概念，然后再用演绎方法,依靠直觉思维进行选择例如：1900年，普朗克提出能量子假说后，选择：修改旧理论来维护经典物理学，革命：创立量子力学（爱因斯坦选择光量子假说）泡利的评价：爱因斯坦依赖了他的非凡的直觉能力。例如：求积分，除了一些手段和技巧外，全凭直觉能力。几何证明。,科学家依靠“战略直觉力”，决定研究发展的方向例如：卢瑟福确定研究原子核方向玻尔评价：“卢瑟福很早就以他深邃的直觉而认识到由复杂原子核的存在及其稳定性所带来的那些奇异而新颖的问题。泡利指出：“物理学的新发现对科学家的直觉和机智有强烈的要求,直觉思维的局限性：可靠性最小，与类比方法相比，不受逻辑规则的约束；不提供成果，只提供新的启示、设想、思路和途径。,
