03科學(xué)問(wèn)題與科學(xué)研究

1、“科學(xué)問(wèn)題”提綱一、問(wèn)題的重要性科學(xué)研究從哪個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)始“提出問(wèn)題往往比解決問(wèn)題更重要”二、對(duì)“問(wèn)題”的理解與分析“問(wèn)題”（科學(xué)問(wèn)題）的含義科學(xué)問(wèn)題的結(jié)構(gòu)三、問(wèn)題的來(lái)源提出問(wèn)題的原則問(wèn)題的條件與轉(zhuǎn)換關(guān)于“科學(xué)認(rèn)識(shí)的起點(diǎn)”1、提出問(wèn)題； 2、觀察；3、好奇心； 4、對(duì)自然界的思考；5、哲學(xué)； 6、思辨的方式；7、社會(huì)實(shí)踐； 8、區(qū)分科學(xué)與偽科學(xué)；9、生存需求； 10、生活經(jīng)驗(yàn)；11、前人的工作；12、對(duì)事實(shí)的辨別。科學(xué)問(wèn)題與科學(xué)研究一、問(wèn)題的重要性1.科學(xué)研究從哪個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)始?案例一：青霉素的發(fā)現(xiàn)英國(guó)科學(xué)家弗萊明（A.Fleming，18811955）在1928年9月，一次在實(shí)驗(yàn)室，偶然發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)葡萄

2、球菌的器皿里長(zhǎng)出了綠霉。弗萊明沒(méi)有簡(jiǎn)單地處理掉。他感到有些奇怪，因?yàn)樵谡５钠咸亚蚓姆敝硡^(qū)本應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)一種討厭的黃色，可綠霉周圍的培養(yǎng)基卻清澈明凈。他產(chǎn)生了疑問(wèn)：是否由于綠霉有某種作用把它周圍的葡萄球菌殺死了呢？值得注意的是，弗萊明所發(fā)現(xiàn)的事實(shí)，并不是他第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室觀察到的。微生物學(xué)家斯科特和日本科學(xué)家古在由直都曾回憶說(shuō)，在弗萊明之前，他們都曾在實(shí)驗(yàn)室里遇到過(guò)同樣的情況，只不過(guò)他們都把這樣的現(xiàn)象簡(jiǎn)單地處理掉了。案例二： X射線的發(fā)現(xiàn)德國(guó)物理學(xué)家倫琴（Rontgen，18451923） 發(fā)現(xiàn)了X射線。他發(fā)現(xiàn)X射線的誘導(dǎo)事實(shí) 是：放置在實(shí)驗(yàn)室陰極 射線管附近的涂有亞鉑 氰化鋇的硬紙板上，產(chǎn) 生熒

3、光以及放在實(shí)驗(yàn)室 中的照相底片被莫名其 妙地感光。有意思的是：這樣的觀察事實(shí)或類似的觀察事實(shí)也不是倫琴第一個(gè)發(fā)現(xiàn)。美國(guó)的A.W. Goodspeed和英國(guó)的W. Crookes（18321919）在做陰極射線的實(shí)驗(yàn)時(shí)，都曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過(guò)照相底片有異?，F(xiàn)象。Goodspeed甚至在1890年2月22日無(wú)意中拍攝下了世界上第一張X射線照片。Goodspeed雖然實(shí)際上拍下了第一張X射線照片，但他把那張照片仍進(jìn)了廢相片堆。直到5年之后，當(dāng)倫琴宣布X射線的發(fā)現(xiàn)，Goodspeed才從舊相片堆中把那張所謂的廢照片找了出來(lái)。 1896年2月22日，Goodspeed說(shuō)： “我們不能要求首先發(fā)現(xiàn)倫琴射線的權(quán)利，因

4、為我們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種射線，我們所能提出的問(wèn)題就是，你們記得，六年前，世界上第一張陰極射線的照片是某一天在賓夕法尼亞大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室里拍攝出來(lái)的。”Crookes發(fā)現(xiàn)一些照片底片模糊不清（其實(shí)是X 射線造成的結(jié)果），認(rèn)為是質(zhì)量問(wèn)題而退給了廠商。觀察與問(wèn)題只有從觀察（結(jié)果）中引出問(wèn)題，才使科學(xué)家進(jìn)入研究。從這一角度上說(shuō)，科學(xué)研究是從“問(wèn)題”開(kāi)始的。 問(wèn)題的產(chǎn)生與觀察有密切的關(guān)系。但是要強(qiáng)調(diào)：觀察如不引起疑問(wèn)，產(chǎn)生問(wèn)題，那絕不會(huì)導(dǎo)致探索過(guò)程。2.“提出問(wèn)題往往比解決問(wèn)題更重要” 提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問(wèn)題也許僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上的或?qū)嶒?yàn)上的一個(gè)技能而已。而提出新的問(wèn)題，新的可能

5、性，從新的角度去看舊的問(wèn)題，卻需要?jiǎng)?chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步。 愛(ài)因斯坦、英費(fèi)爾德，物理學(xué)的進(jìn)化，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1962，66（1）從開(kāi)拓研究方向的角度案例：光速測(cè)量伽利略提出問(wèn)題伽利略對(duì)后人的啟發(fā)1676年，丹麥天文學(xué)家羅默（Olaf Rmer, 16441710）通過(guò)觀察木星的衛(wèi)星蝕，計(jì)算出歷史上第一個(gè)光速為210000千米/秒。但誤差比較大。 法國(guó)物理學(xué)家菲索（Armand Fizeau,1819-1896）利用旋轉(zhuǎn)齒輪裝置測(cè)量光速。 法國(guó)物理學(xué)家的付科（Jean Lon Foucault，1819 1868）采用 旋轉(zhuǎn)鏡法測(cè)量光速。 19世紀(jì)末，美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜

6、（Albert Abraham Micheson,1852-1931）用一個(gè)正八面鋼質(zhì)棱鏡代替了旋轉(zhuǎn)平面鏡。1926年，他得到：C=299796千米/秒。 邁克爾遜的裝置（2）從成果評(píng)價(jià)的角度提出問(wèn)題比解決問(wèn)題更為重要，也成了評(píng)價(jià)科學(xué)成果時(shí)一條標(biāo)準(zhǔn)。案例一：超導(dǎo)研究19861987年，超導(dǎo)研究取得了突破，獲得了轉(zhuǎn)變溫度能穩(wěn)定在液氮溫區(qū)（77.3K）的超導(dǎo)材料。在這一輪突破中作出主要貢獻(xiàn)的是： 瑞士穆勒、柏諾茲； 中國(guó)趙忠賢； 美朱經(jīng)武； 日北澤宏一。穆勒、柏諾茲共享了1987年的諾貝爾獎(jiǎng)。為什么趙忠賢、朱經(jīng)武沒(méi)有獲獎(jiǎng)？幾方面的突破：突破了保持13年之久的23.2K的記錄；突破了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度上限

7、為40K的理論預(yù)言；突破了平均每三年一度的增長(zhǎng)率；突破了超導(dǎo)只和金屬及其合金結(jié)緣的局限，突破了多年來(lái)超導(dǎo)必須用液氮做冷卻劑的苛刻條件。這些突破都是誰(shuí)作出的呢？第、方面是穆勒與柏諾茲作出的。自1911年荷蘭昂內(nèi)斯（H.K.Onnes）發(fā)現(xiàn)水銀在4.2K出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，經(jīng)62年探索，1973年由美國(guó)的泰斯塔迪(L.R.Testardi)用鈮三鍺將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到23.2K。1986年1月，他們用鋇鑭銅氧化物（ ）材料30K發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。第方面的突破是趙忠賢作出的。美國(guó)麥克米倫(W.L.Mcmillan)于1967年作出超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度上限為40K的理論預(yù)言，之后18年未能超過(guò)23.2K。趙忠賢等于1

8、986年12月26日首先獲得了48.6K的超導(dǎo)材料。 第方面是由瑞士、中、美、日等國(guó)的科學(xué)家為主共同作出的。19111986年，75年間只提高了19K，平均每年0.253K。從1986年9月穆勒和柏諾茲的論文發(fā)表到1987年2月趙忠賢等人獲得100K以上的超導(dǎo)材料，時(shí)間不過(guò)半年，從23.2K提高到100K左右，打破了增長(zhǎng)緩慢的局面。 第方面是朱經(jīng)武、趙忠賢等幾乎同時(shí)作出的。趙忠賢等在最先穩(wěn)定地獲得48.6K超導(dǎo)材料的同時(shí)，還最先觀察到了在70K下有明顯的超導(dǎo)現(xiàn)象。不到二個(gè)月，朱經(jīng)武就宣布獲得了98K超導(dǎo)體。第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體，但他未公布材料組分。九天后，趙忠賢等獨(dú)立地獲得了100K的超

9、導(dǎo)體，并公布了材料組分 （鋇氧銅釔）。 不單純以溫度的高低作為標(biāo)準(zhǔn)。穆勒和柏諾茲的貢獻(xiàn)就恰恰在于“提出新問(wèn)題，提出新的可能性，從新的角度去看舊的問(wèn)題”改變了尋找高溫超導(dǎo)體的路線。問(wèn)題的比較：光速研究與狹義相對(duì)論超導(dǎo)研究與？分析：光是輻射，超導(dǎo)研究的是物質(zhì)的特性；對(duì)超導(dǎo)研究有什么期待嗎？ 特別是對(duì)超導(dǎo)理論的期待。二、對(duì)“問(wèn)題”概念的理解與分析1、“問(wèn)題”（科學(xué)問(wèn)題）的含義“科學(xué)問(wèn)題是實(shí)質(zhì)上是經(jīng)驗(yàn)和理性之間的矛盾，它主要包括經(jīng)驗(yàn)事實(shí)之間、經(jīng)驗(yàn)與理論之間、理論自身、理論與理論之間等方面的矛盾?！保ń滩腜109 ）“科學(xué)認(rèn)識(shí)過(guò)程中需要回答而在當(dāng)時(shí)的知識(shí)背景下又無(wú)法解決的矛盾?！保?P113）矛盾：需要

10、解決的矛盾表現(xiàn)為疑惑不明白，又想弄明白的問(wèn)題沖突已有的知識(shí)和新的發(fā)現(xiàn)之間差距理想與現(xiàn)有能力的差距矛盾表示的是認(rèn)識(shí)主體的狀態(tài)。當(dāng)時(shí)的知識(shí)背景下提出的問(wèn)題 疑難（問(wèn)題）有兩種：知識(shí)性和探索性。案例： “奧爾伯斯佯謬”德國(guó)科學(xué)家?jiàn)W爾伯斯（17581840）的問(wèn)題：夜晚的天空為什么這么黑？ 星球無(wú)限多，并均勻分布，那么全部天空就不分白晝天與黑夜都是光輝奪目的。 1826年，奧爾伯斯提出四條假定做為論證：空間無(wú)限，恒星無(wú)限；個(gè)體星有生有滅，宇宙密度 為常數(shù)；恒星發(fā)光強(qiáng)度L基本保持不變，光的照度 ，并處處相同（規(guī)律）；時(shí)間無(wú)限，從總體上恒星可無(wú)限期存在。由這四條假定得到結(jié)果： 黑夜與白天一樣亮。 其簡(jiǎn)單推

11、算：在相對(duì)于地面距離為至的球殼中星的數(shù)目為： 地面接收的照度為： 在無(wú)限遠(yuǎn)處的星體的光，總可以通過(guò)無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間傳到地球。所以地面接收到的累積照度，無(wú)論何時(shí)都會(huì)是無(wú)限亮的 瑞典天文學(xué)家沙利葉修改第二條，認(rèn)為宇宙密度 不是常數(shù)，是 的函數(shù)，提出了階梯式宇宙模型。天體是逐級(jí)成團(tuán)分布，從恒星到星系，再到星系團(tuán)，再到超星系團(tuán)。愛(ài)因斯坦修改第一條。認(rèn)為宇宙空間不是歐幾里德的平直空間，而是一個(gè)有限無(wú)邊的彎曲的黎曼空間。2、科學(xué)問(wèn)題的結(jié)構(gòu)科學(xué)問(wèn)題的三要素 問(wèn)題的指向； 疑項(xiàng)； 應(yīng)答域。 案例：腳氣病 “腳氣病是由什么細(xì)菌引起的？” 等價(jià)于 “引起腳氣病的原因是什么細(xì)菌”“引起腳氣病的原因”問(wèn)題的指向。“是什么

12、”疑項(xiàng)，表示問(wèn)題的指向與問(wèn)題的應(yīng)答域之間關(guān)系的不確定。“細(xì)菌”應(yīng)答域，是指一個(gè)域限，問(wèn)題的解就在這個(gè)范圍中。 問(wèn)題的指向?qū)τ趩?wèn)題的求解帶有指導(dǎo)性。 求解就是尋找引起腳氣病的原因。問(wèn)題的應(yīng)答域是預(yù)設(shè)了一個(gè)問(wèn)題解的存在范圍。明確地指出了問(wèn)題的解的方向。應(yīng)答域有兩種。一種是限定的非常具體的類域；另一種是無(wú)所限定的全域。從邏輯上來(lái)說(shuō)，應(yīng)答域是一個(gè)全域也是成立的，但它在經(jīng)驗(yàn)上的意義卻很小。 應(yīng)答域是一種預(yù)設(shè)，使問(wèn)題帶有假說(shuō)的成分。科學(xué)研究中所提出的有價(jià)值的問(wèn)題，總是那些對(duì)應(yīng)答域有明確限定的問(wèn)題。應(yīng)該重視問(wèn)題的提法。由于問(wèn)題的應(yīng)答域是一種預(yù)設(shè)，一種假定，一旦出現(xiàn)了應(yīng)答域預(yù)設(shè)錯(cuò)了，怎么辦呢？三、問(wèn)題的來(lái)源1

13、、科學(xué)問(wèn)題的來(lái)源（教材：第110-111頁(yè)，五條）2、提問(wèn)題的原則教材第111-112頁(yè)，五條3、問(wèn)題的條件與轉(zhuǎn)換 從一個(gè)新的角度提出問(wèn)題常常是科研中造成突破的關(guān)鍵。 案例：維生素的發(fā)現(xiàn) 19世紀(jì)80年代，荷蘭醫(yī)生克里斯蒂安埃杰克曼參加了研究防治腳氣病的工作。交給他的課題就是尋找引起腳氣病的細(xì)菌。線索： 1896年，就在他做實(shí)驗(yàn)的陸軍醫(yī)院里養(yǎng)的一些雞病了，這些雞發(fā)病癥狀和腳氣病癥狀相同。他決心從病雞身上找出得病的真正原因。腳氣病與白米有關(guān)。白米的谷粒中含有某種使人或雞致病的毒素，而谷皮中有某種可以中和毒素的物質(zhì)。由尋找細(xì)菌轉(zhuǎn)變?yōu)閷ふ乙环N導(dǎo)致腳氣病的有毒物質(zhì)。1901年，荷蘭醫(yī)生格里內(nèi)斯提出，可能是大米中缺少了谷皮里所含有的某種人體需要的東西，如果一味地吃去皮白米，就會(huì)得病。在這種思路下，腳氣病被看作是一種“營(yíng)養(yǎng)缺乏癥”。 1912年，英國(guó)化學(xué)家霍普金斯在對(duì)營(yíng)養(yǎng)缺乏癥研究的基礎(chǔ)上，提出了