论地学研究中的 假设检验与理论提升方法,孙根年 教授、博士生导师,陕西师范大学旅游与环境学院,一、地学研究与科学假设,传统观念认为：地球科学是一门经验归纳学科，所谓研究就是通过野外观察调查，将所观察到的现象和事实如数家珍地描述清楚，地球科学的研究无需理论，因而假设更是多余无用的“摆设”。革命导师恩格斯说：只要自然科学还在思维着，他的存在方式就是假设。在地学的发展过程中不仅有理论，先后出现了大陆漂移说、海底扩张说、板块构造说，环境变化的Gaia假设、米兰柯维奇假设、岛生物地理假设，经济地理学中的孤立国假设、中心地假设等。,地学研究的理论,岩石 形成,水成说,火成说,黄土 形成,风成说,水成说,地球 演化,灾变论,渐变说,地质 构造,固定论,活动论,地槽地台说,大陆漂移说,海底扩张说,板块构造说,Millankve理论,大地女神假设,地球环境 的变化,垂直运动,水平运动及引起局部的垂直运动,地外宇宙,地内生物,地学研究中为什么会有这些假设，这是由地学研究对象的复杂性、地域性，地学过程的历史性和不确定性，以及人们认识的局部性和表象性等决定的。在研究之初，由于知识和能力的限制，人们往往不可能掌握事物的全部信息，不可能认识事物的本质，揭示各种事物之间的关系，弄清事物发展变化的规律。因此，只能根据已经掌握的部分事实和现象，借鉴有关科学的理论和方法，对未知世界提出一种推测性的假定和看法，这就是许多科学家所说的“给我一块石头，可以借以猜测地球。”这就是地球科学研究中的工作假设。,如在地球科学发展的初期，关于岩石的形成有水成说与火成说之争，关于黄土成因有风成说和水成说，关于地质构造有地槽与地台说，关于地球演化有渐变论和灾变论，关于地貌的形成有内力构造说和外力侵蚀塑造说，关于地形演化有戴维斯的侵蚀循环说和彭克的坡面演化说等，这些科学假设都是人类对地质现象研究而提出的猜测性看法，极大地推进了地球科学的发展。地球科学是自然科学的六大基础学科，可能被物理学、化学、生物学复杂很多，其他自然科学的进展得益于科学假设，地球科学的研究和发展更是离不开科学假设。,二、科学假设的作用,2.1 包含科学假设的一般研究过程,假设是一种超越观察资料和事实，对事物本质和规律的猜测和假定性设想，具有透过现象揭示本质的品质；假设可以帮助人们运用理性思考问题，并指导人们设计有针对性的观察实验，去证明或证伪有关理论设想。,（1）纯化事物的发生条件和性质，促使人们在一个理想的环境条件下有方向的分析研究事物，如农业区位论中的孤立国假设，岛生物地理论中的岛屿概念； （）确定了事物的发展演化过程，为有目的的验证或检验指明了思路和方向，如魏格纳的大陆漂移假设，指明了须从古地层、古生物、古气候、构造遗迹等方面查找连接在一体的证据，从大地测量和动力机制等方面说明现在漂移的过程和动力； （3）提出可观察和验证的推论，如野生动物种群崩溃的食物假设，可通过人工补充食物来进行观察检验。,2.2 科学假设的分类,（1）科学假设促进和推动了科学研究，因为不完全的观察一时难以提供全部事实，人们一时很难给事物和现象以准确的解释，假设可以是暂时假定性的说明； （2）科学假设是发现和揭示客观规律的有效途径，由于自然界是复杂多样的，只有简化事物的发生条件，定向研究某一因素的作用，才能将揭示规律； （3）恰当的科学假设能够使研究工作事半功倍，因为科学崇尚简单、逻辑推理和实验验证，假设检验方法就具有科学研究的这些品质。,2.3 科学假设的作用,三、科学假设的特点与提出,1 科学假设要以客观事实为依据，它是基于不完全但又是具有典型性的观察事实而提出的，如黄土风成; 2 科学假设是超越现实和常规思维的设想，具有透过现象认识本质的科学品质，如海底扩张说； 3 科学假设类比了自然界的某些现象，并遵循已有的科学理论和公认的科学原理，如大陆漂移说 4 科学假设是一个不断修改和逐渐完善的过程，对于自然科学研究而言，数据是不能篡改的，但理论却在不段修改完善，如板块构造理论。,3.1 科学假设的特点,（1）抓住假设赖以建立的基本事实，广泛收集支持性证据和事实，如达尔文生物进化的事实让人信服； （2）提出科学假设的基本概念，逻辑前提、基本概念； （3）论证科学假设的基本观念，逻辑推理规则、观察变量、测定方法、典型剖面和事实； （4）引伸科学假设的基本观念，如何解释已观察到的各种事实和现象，如何建立与相关学科之间的联系，使假设的理论基础更坚实，假设的解释能力更强劲。,3.2、科学假设的形成,四、科学假设的检验与验证,科学假设不只是天才的猜想，只有通过实践检验，并被大量的观察事实所证明，在不断预见新现象（推论）中获得验证，这个假设才能成为科学理论被广泛接受。假设检验与验证是自然科学研究的重要任务，如果假设总无法获得实践的检验和验证，这个假设很可能就是错误的，在科学研究中只能被抛弃。因此，假设检验方法才是自然科学理论研究的重要方法。,凭心而论，任何科学研究都不拒绝假设，但拒绝的是没有证据或不能进行实践检验的假说。在地球科学的理论研究中，任何人都可以提出假设，但科技期刊采用和接受的是假设检验，不能列举大量事实证据，不能进行证明和证伪的假设将被排除在科学技术之外。因此，假设检验才是科学假设方法的核心要义，只有通过假设检验才能更为广泛的收集科学事实和资料，才能揭示事实形成的动力机制，预测事物的发展变化过程，真正促进科学的发展。在科学研究中只谈假设而忽视假设检验，是对科学假设方法的误解和研究工作的误导，必将有害于自然科学的基础研究。,回顾地球活动论的发展历史，从魏格纳大陆漂移说的提出到科学蒙难，从海底扩张、板块构造理论的建立促进地球活动论的再次复活，对于如何从假设上升为理论，至少有如下三点启示：,如何收集更多的观察事实和科学证据，为假设提供更多的事实证据；如何为假设提供动力机理上的分析说明，以使其系统化并具有科学理论的品质和风格；如何引伸科学假设，促使其能够解释更多的观察现象，使其具有理论的健壮性。,现象观察,科学假设,事实证据,动力机制,理论引伸,城市周 围土地 利用分 布规律,孤立 国假设,一个城市市场 周围农田广布 土地质量相同 经营利润最大,利润=价格-运费 价格为常数不变 运费与距离有关,距离影响 运输费用,城市周边土 地利用调查,同心圆环,河流影响,公路影响,杜能农业区位论的假设检验,不同环带 距离不同,Millankve理论的实验证明,米兰柯维奇是南斯拉夫杰出的科学家，天文气候学的创始人，他用地球轨道参数的变化解释第四纪气候的变迁，被学术界誉为米兰柯维奇理论。然而，科学是以事实为根据的，在冰芯气候、海底地层、黄土等替代指标尚未发现之前，人们对古气候的研究只能借助陆地的冰川沉积物，当时盛行的是来自欧洲阿尔逼斯山的四次冰期理论，所以米氏理论尚未得到学术界的承认。1936年米兰柯维奇赴维也纳参加国际地质大会，他遇到了声名显赫的德国科学家，国际古气候研究的权威彭克，彭克粗暴地指责他说：“你的那一套冰期理论完全是一堆垃圾”。米兰柯维奇是一位有涵养的学者，只能对这种指责保持沉默。然而，青山遮不住、毕竟东流去，随着冰芯气候、黄土气候和海底地层气候记录的不断发掘，第四纪四次冰期的理论被推翻，越来越多的证据证明：第四纪冰期的循环存在着10万年的周期，在某重程度上验证了米兰柯维奇理论。,公转轨道10万年的周期导致太阳辐射量的周期变化。,自转轴倾角4.1万年的周期导致地面太阳辐射周期性变化。,岁差2.3-1.9万年的周期导致地面太阳辐射周期性变化。,三者共同作用，导致气候呈现较为复杂无规律的变化。,从1936年自今50年过去了，大量陆地沉积、极地冰芯、海底地层的替代指标挖掘，证明在过去的200万年间，全球气候环境的变化存在着10万年的周期，每隔10万年便会出现一次冰期循环，而引起这种气候变迁的驱动力，正是米兰柯维奇所指出的地球轨道参数、准周期性的微妙变化，米氏的理论被认为是正确的。然而，早在50多年前，米兰柯维奇最早认识到地球轨道参数是变化的，地球轨道参数的变化能够影响到全球气候的变化，并且以准确的计算发现全球气候变化的三种周期，这在世界科学史上是独具慧眼、难能可贵和令人钦佩的。1982年，联合国教科文组织为了纪念米兰柯维奇的功绩，在美国的纽约召开了“米兰柯维奇与气候国际学术讨论会”，全球100多位科学汇聚纽约，发表了对米氏气候理论的研究，出版了米兰柯维奇与气候国际会议文集，这是正义的伸张和对米氏的最好纪念。,时空分异的多尺度性和跨越性：时间从日月到亿年，空间从几米到千公里，并且相互跨越；作用机制的复杂性和混沌性：物理动力学、生物地球化学和人类活动影响的相互作用，地质过程和地质现象的发生，既不是绝对确定性的也不是完全随机的，而是介于二者之间的混沌状态。运动过程的复杂性和非线性：运动过程复杂缓慢、历史悠久并且具有非线性，已经发生过的地质过程及其产物大多数情况之下不能被直接观察或全面认识。人类观察的局部性和非完整性：人只能进行局部和不完整的观察，很难获得全局和完整信息，这就给理论的构建带来困难。,在一个栖息地，野生动物种群数量存在着周期性的波动，如美国加州田鼠种群数量的年际变化。起初种群密度很低，随着田鼠的繁衍种群密度增加达到峰值，随后大部分田鼠死亡，整个田鼠种群崩溃。为什么存在周期波动呢？加拿大生态学家Krebs提出了一个假说，即田鼠种群数量爆发时食物短缺，田鼠因食物被饿死。为了验证这个假设，Krebs从反向提出一个推论，即如果人工补充食物田鼠就不会被饿死。于是，开展了为加州田鼠添加食物的野外实验，经过几年的观察实验，果真阻止了加州田鼠种群的崩溃。Krebs的工作虽然“简单”，但确是很有说服力的，成为种群生态学及实验的开山鼻祖。,生态学中的假设检验与验证(1),野蜂外出觅食，无论飞行多远，最终都会准确无误找到自己的巢穴，为什么野蜂能准确回到自己的巢，它又是靠什么定位的。Tinbergen曾经做过一个著名的实验，来验证他的假说，即野蜂利用地物定位寻找回家之路。于是他推断，如果移动巢及沿线的地物，野蜂将找不到自己的巢穴。后来，在实验中他发现，当巢穴附近的地物被移动后，野蜂果真飞到错误的地方找不到巢穴。这是一个有意义的研究，Lorenz曾这样评价Tinbergen的工作：他确切地知道应当怎样向自然提问题，而自然又一定会给予明确的答案，这才是科学研究的智慧。,生态学中的假设检验与验证(2),田鼠种 群崩溃,食物短 缺假设,人工补 充食物,长期观 察实验,证明假 设推论,野蜂认 路回家,地物定 位假设,移动地 物推论,长期观 察实验,证明假 设推论,现象观察,科学假设,反向推论,观察实验,假设检验,生态学中的假设检验模式及研究程序,实证研究即所谓的“假说-验证”，是对假设进行证实或证伪的逻辑方法。它告诉人们“是什么”，与什么因素有关等，近年来无论在数量上还是质量上都得到很大提高。提出假设，通过设立指标、数据搜集和计量分析，证实或者证伪一个命题。其中，最重要的不是观点和结论，而是假定、数据采集和分析的方法。旅游是应用性的研究领域，实证研究方法的引入，使得学界和业界的能力边界不断清晰，在对待同一事件、同一素材的时候，观察角度才可能产生本质差异，也才可能使学界透过现象的迷雾，探寻旅游发展的普遍规律，进行科学预测，从而对业界有一定的帮助。窃以为，唯有如此，才能形成业界和学界的良好互动，旅游研究也才可以获得应有的尊重，旅游学科才会逐渐走向成熟。,自然史的观察,研究的问题,假设 A,预测 A,假设 B,预测 B,假设 C,预测 C,针对性实验设计,数据收集与分析,比较预测与数据,假设拒绝,假设确认,回答问题,形成 结论,追加 试验,返回重新界定问题,资源禀赋,集聚经济,转移成本,区域差异性,高级要素 低级要素,区域比较优势,企业竞争优势,效率、质量、技术 品牌、营销、管理,区域竞争力,自然资源,人力资源,资本资源,