科学研究方法谈科学研究方法谈北京理工大学北京理工大学周立伟周立伟20072007年年1010月月3030日日题记科学研究没有一成不 变的方法，也没有万无一失 的共同模式，但它是讲究方 法的。 谈谈科学研究方法与治学前言 治学三境界与科学创造四阶段 科学研究的途径 疑难问题的提出 寻找突破口（切入点） 假说（假设、试验性理论） 前验评价（假说涵义的展开） 后验评价（实践检验、消除错误） 科学研究方法之一例 结束语前言 所谓科学研究，广义地说，就是创造知 识和综合整理知识的工作，在科学技术 的现有水平上前进一步。 科学研究必须以取得新的结果作为衡量 成功与否的标准。这是一种创造性劳动 。新的结果可能是新的发现、新的理论 ，或是新的方法、新的工艺；也可能是 一种新材料，或一个新的器件等等。 科学研究必须在前人的基础上有所创新 。科学研究全过程中贯穿创造性。前言科学史有无数创造性的例子： 有的人埋头于实验，通过细心观察， 发现了新的现象，如伦琴发现X射线； 琴纳通过接种牛痘防治天花，从而奠 定了免疫学 有的人按预定的概念与计划去实验， 取得了预期的结果，如居里夫人从大 量的沥青铀矿中提炼出放射性元素钋 和镭； 有的人通过广泛的观察、体会，“ 悟 ”出新概念，从而提出新理论，如达 尔文的进化论；科学研究有各种不同的方法和途径 有的人由纯粹的数理演绎，提出新 概念，预见新现象的存在，如麦克 斯韦的电磁场理论；还有人修正旧 的理论，提出新的假说，这些假说 在当时似乎都违反常识，如爱因斯 坦创立相对论； 有的人将不同学科联系、组织起来 ，建立起新领域而取得了成功，如 维纳建立控制论。所有这一切都说明，获得创造性 成果的途径是多种多样的，显然不 存在什么一成不变的方法。1. 有提出问题、确定选题的能力提出问题的基础是要具有坚实的 基础理论和广博的知识。学问和经验 是提出问题、创立假说的源泉； 主要是培养归纳能力阅读文献 和收集资料后的思考和判断的能力.好奇心、不墨守成规、敢于直面 科学现实、敢于向权威挑战也是不可 缺少的品质。科学研究培养年青学人三个能力(2)有提出、阐述假说（假设、方案）的 能力,有批评、判断种种假说（假设、方 案）的能力；这主要是培养思维能力逻辑思维（分 析、对比、推理）和形象思维的能力。(3) 有证明假说（假设、方案）的是非真 假的能力；这主要是指实践能力设计能力、实 验能力、深入考察、观察事物的能力。有了这三种能力，研究生将来 到社会上，便能具备： 1.敏锐的感应能力，即对各种变迁局 势作出快速而恰当的反应； 2.弹性的适应能力，即行为模式具有 可塑性、不墨守成规，能快速适应 环境的变迁； 3.丰富的创意能力，即能不断产生新 颖思路和方案。 拉普拉斯在评价牛顿的工作时说：认 识一位天才的研究方法，对于科学的 进步，并不比发现本身更少用处。 对于新一代的青年学人，单纯进行知 识和技术的灌输，而没有一种正确的 思维方法来指导，是难于成为四化建 设的高级科技人才；它只能培养头脑 僵化、缺乏应变能力的人。青年学人需要培养正确的思维方法 科学方法和学习方法比具体知识抽象，所以 就不如具体知识易于学习。同时，科学方法 和学习方法也不像具体知识那样一目了然并 可以在量度基础上进行比较或衡量，所以， 科学方法和学习方法的效果缺乏直观性。 学习能力主要是体现在如何快速达到前人的 水平，创造能力主要体现在如何超过前人的 水平。研究生主要培养创造能力。 我们的教育应当使学生们在掌握一定的现成 知识外，还要培养自学能力和创造知识的愿 望，懂得如何寻找工具以及寻合适的工具去 猎取为自己所需的知识或信息，同时要懂得 如何分检、合成、提取、加工信息。 科学方法和学习方法不要单纯地理解为 吸收具体知识的技巧。而是一种战略， 它不仅包括如何有效地学习知识，获取 知识，灵活运用知识。 还包括: 在众多未吸收的知识类型中如 何判断和选择自己应学的知识，应攻读 的知识，在自己已经学习的知识中如何 进行是否继续学习的取舍，如何评价各 类知识与自己所应具备的知识结构之间 的关系等等。正确的思维是最重要的。治学三境界 与创造四阶段治学三境界与创造四阶段三种境界 王国维古今之成大事业、大学问者，必经 过三种之境界：“ 昨夜西风凋碧树。独上高楼，望 尽天涯路。”此第一境也。“ 衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔 悴。”此第二境也。“ 众里寻他千百度，蓦然回首，那 人却在，灯火阑珊处。”此第三境也 。也。治学的三种境界 迎着困难，勇于攀登，高瞻远望，苦 苦思索, “ 独上高楼，望尽天涯路” ；这是处于创造沉思中的情景。这是 第一种境界。 追求真理，百折不挠，无论多大挫折 ，终不后退, “ 衣带渐宽终不悔，为 伊消得人憔悴”；这是研究探索中的 情景。这是第二种境界。 几经艰苦奋斗，突然受到启发，顿时 恍然大悟，原来事物的奥秘，正隐藏 在“ 灯火阑珊处”；这是直觉的顿悟 、成功的欢悦的情景。这是第三种境 界治学三境界对应创造三阶段“三种境界” 之说正说明了在科学 探索和艺术创作中存在着三个阶段： 高瞻远瞩、构想沉思的准备阶段-准备期 覃思苦虑、孜孜以求的探索阶段-探索期 不断追求、终有顿悟的收获阶段-豁朗期王国维先生的这一论述蕴含着深邃的 哲理，其真知灼见发人深思。科学创造四阶段从事科学研究的人似乎还需要一种 境界，即：“行到水穷处，坐看云起 时。”(王维诗)。“行到水穷处”可 状实践检验，“坐看云起时”则是理 论升华。科学研究中第四种境界验证期创造性思维豁然贯通仅仅是创造的 端倪初露，茅塞顿开、灵感突现并不 是完整的创造，如果不加以完善验证 、发展或加工扬弃，那么尽管这些思 想火花十分可贵，可是浅尝辄止，仍 可能功亏一篑，丧失了创造中本应得 到的最有力的成果。曹冲称象曹冲把一个大象的重量称出来了。曹冲聪明之处在于：一有联想才能见过曹操海上练兵 时舰船装上兵员与武器后下沉。曹冲 有举一反三的能力。二有抽象能力玩过弹弓打鸟，以 石计数的游戏。曹冲有以石代象，以 石称重的抽象能力。反映了中国孩子 的直觉能力。但曹冲和先人没有把问题从理论上 升华提高。曹冲一个聪明的孩子。阿基米德称王冠“阿基米德称王冠”阿基米德 不但找到了辨别金王冠中是否掺入了 其他金属的方法，而且在他的著作 论浮体中进一步总结了液体静力学 的基本原理后人称为阿基米德定理 。阿基米德不但有联想能力、逻辑 判断能力、抽象能力，还有理论升华 能力提高到理论高度来认识的能力 。这是作为一个科学家必须具备的能 力。阿基米德科学家，浮力定律的 创始人。科学研究要重视验证期 和理论升华“ 阿基米德称王冠”由“现象” （物体浸入水中水溢出的现象）到提 出“假说”（重量相同、密度不同的 金属溢出的水是不同的），解决了实 际问题，再进入验证期，将现象升华, 归纳为“原理”（后人认为是“定理 ”、“定律”）对“曹冲称象”，仅停留在某一实 际问题的解决上。我们没有将问题从 理论上升华，也没有发现先人对“曹 冲称象”的现象有进一步阐述的记录 。 直接称出大象是人们办不到的事，但 一块块石头的重量是可以称出来的1.曹冲用大船的沉浮先把象的重量 变换成石头的重量，这一步用L表示2.再称石头的重量，这一步用A表示3.又将石头的重量变换成大象的重 量。这一步跟L交换恰好相反，我们用 L1表示。三步连起来可以写成L1AL.它表示先实行L，再实行A，最后实 行L1。这样就把大象重量称出来了。“曹冲称象”今人总结的 共轭控制方法的先祖数学上一般把L1AL称作A过程的共 轭过程。我们将L1AL称为与A共轭 的控制方法，它通过L变换和L1变 换，把我们原来不能控制的事变为 我们可以控制的A过程去完成。A的 控制范围在施行了L和L1变换后扩 大了。科学是讲究实证的。只有经过验证的 事物，证明了它的正确性，才能算 是完成了一个科学研究的全过程。科学研究要重视理性思维， 重视理论升华，重视验证期文学艺术的创造与科学探索求知的过 程，是很复杂的。客观的观察和分析， 深入的思考和创造的想象力，对于文学 艺术与科学研究的创造，过程大致是相 同的；而且，凡是革命性的的科学研究 ，原创性的艺术创新，都会探究自然界 实在的本性，这也是共同的。文学艺术重灵感、重形象思维， 而科学重实证、重抽象思维，从逻 辑方法以及从已有之经验，寻求问 题的解答。科学与文学艺术的异同文学艺术主要关注内在精神世界,如情感 、虚构和精神,是相对主观的;读李清照的 诗:生当为人杰, 死亦为鬼雄, 至今思项羽 , 不肯过江东。她抒发的是对一名悲剧英 雄的情感和追思。科学, 例如物理学关注的是运动、物 体和力的客观世界。无论科学或是文学艺术,都有灵感勃发 的问题,但物理学家在灵感以后,就需不可 缺的数学证明,展现出来的物理学框架是序 列的、抽象的数学方程搭建起来的。科学关注客观世界的实在 文学艺术关注内在精神世界总结： 科学创造四阶段 “昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯 路。”玉韫珠藏，秋水欲穿，不知伊人何处寻？ “衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。”抱朴唯恒，欣戚两忘，触物皆有会心处。 “众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在 ，灯火阑珊处。”心有灵犀，意所偶会，皇天不负苦心人。 “行到水穷处，坐看云起时。”格物致知，究极穷理，悟乾坤真机真境。科学研究的途径科学研究的途径 楔子 一个侦破故事:1996年“ 京城劫钞案 ”京城 2.8” “ 6.3” 8.27”三起劫 钞案 作案手法类似：盗车抢劫弃车 换车逃逸。 破案突破口：米黄色尼桑桥车被盗案 乃是前兆。找车是突破口。 结论是：突破口找对了，正确的思维 导致正确的结果。 搞科学研究颇像搞侦破，都是运用 自己的思维去分析、去推论。科学工 作者最重要的一点是要有“ 创造性 智慧”（Creative intelligence） ，要有“ 思想（创意、点子）” 即 Idea。 科学研究中必须要有自己的 Idea， 否则就是复制，就是模仿；不是创新 ，更不是创造。 什么是 Idea 呢？ Idea是用已知的 事物作根据，由此推测到别种事物的 作用。也就是说，具有推论的作用。 推论的作用是从已知的事物推及未知 的事物。有前者作根据，作基础，而 对后者发生作用，这是有条理的思想 作用。 Idea 的特点是： (1) 须先有一种疑惑困难的情境做起点； 如：接连三次运钞车抢劫案的发生； (2) 须有寻思搜索的作用，要寻出新事物 、新方法、新手段来解决这种疑惑困难，即寻找突破口。如：盗车抢劫弃车换车逃 逸的规律，找被盗车是一个突破口。 Idea 的基本条件是：严格合乎逻辑，概念清楚，切合实际 科学研究的过程，实际是不断产生 Idea的过程，Idea贯穿科学研究的全 过程。 研究课题从一般地提出到具体化，直 到课题任务的完成，必须建立一个合 乎逻辑的程序（步骤）、思考和方法 科学研究人员必须对研究的途径、程 序以及方法，即科学研究的全过程有 明确的认识。科学研究途径框图 线索突破口假说（假设）前验评价（假说 含义的展开）后验评价（排除 错误、确证、实 践检验）问题的解 决（新问 题的出现 ）疑难问题的 提出 疑问（疑 难问题的 由来）假说的 修正框图反映了科学创造四阶段的过程科学研究的途径与科学创造四个 阶段的联系： （1）酝酿期（独上高楼，望尽天涯路 ）疑问和疑难问题的提出。 （2）探索期（衣带渐宽终不悔，为伊 消得人憔悴）突破口，假说（假 设、试验性理论），实验和观测； 前验评价的前一部分。 （3）顿悟期（众里寻他千百度，蓦然 回首，那人却在，灯火阑珊处） 前