科學研究的過程和方法市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

科學研究過程和方法馬力12月第1頁人創(chuàng)造才能科學研究過程和方法科學工作者必須具備素質(zhì)第2頁人創(chuàng)造才能第3頁依據(jù)創(chuàng)造心理學研究結(jié)果，創(chuàng)造才能包含以下方面：探索問題敏銳性、統(tǒng)攝思維活動能力、轉(zhuǎn)移經(jīng)驗能力、側(cè)向思維、形象思維能力、聯(lián)想能力、記憶力、思維靈活性、評價能力、聯(lián)接和反聯(lián)接能力、產(chǎn)生思想能力、預見能力、利用語言能力、完成能力第4頁探索問題敏銳性愛因斯坦說：“你能不能觀察眼前現(xiàn)象，取決于你利用什么樣理論，理論決定著你到底能觀察到什么?！?，所以，新理論能夠使人們發(fā)覺以往看不見東西（如“日心說”造成50年里發(fā)覺了許多新天體）專心觀察事物，利用已經(jīng)有知識觀察事物，做到獨具慧眼（比如張學文粒子富集理論）預報員看天氣圖是在天氣學原理指導下進行第5頁統(tǒng)攝思維活動能力我們需要了解事物全貌：提出事物概念——用一個概念概括多個概念——高度抽象概念——符號——用符號標識概念間關(guān)系——進入知識深度和廣度比如：力概念包含了“運動”、“相互作用”、“轉(zhuǎn)移”、“概括力”、“主動”；再如“氧化”概念發(fā)展讀書：從薄讀到厚，從厚讀到薄思索：“知識爆炸”是怎么回事？第6頁轉(zhuǎn)移經(jīng)驗能力善于發(fā)覺不一樣問題之間類似之處（比如鋸子創(chuàng)造）“泛函分析”創(chuàng)始人之一——波蘭數(shù)學家斯.巴拿赫說：一個人是數(shù)學家，那是因為他善于發(fā)覺判斷之間類似；假如他能判明論證之間類似，他就是優(yōu)異數(shù)學家；假如他竟識破理論之間類似，他就成了出色數(shù)學家。第7頁側(cè)向思維利用“局外”信息來發(fā)覺處理問題路徑能力比如：阿基米德定律得出第8頁形象思維能力形象思維與抽象思維是相關(guān)聯(lián)對世界或人類社會形象事物掌握越多，越有利于抽象思維第9頁聯(lián)想能力這是一個使概念相靠近能力，其心理機理是神經(jīng)元模型之間暫時聯(lián)絡(luò)，它依賴于經(jīng)驗和知識積累。木質(zhì)—樹林，樹林—田野，田野—足球場，足球場—皮球呆板最正確穩(wěn)固度區(qū)域零亂第10頁記憶力記住知識是進行創(chuàng)造活動主要條件愛因斯坦認為：成功=艱辛勞動+正確方法+少說空話第11頁思維靈活性思維快速地，輕易地從一類對象轉(zhuǎn)變到另一類內(nèi)容相隔甚遠對象能力，它必須以廣博學識為基礎(chǔ)。它反面是思想呆滯、僵化。（比如，制造飛機阻力）第12頁評價能力從許多可能方案中選定一個能力。評價標準：符合客觀事實、邏輯上不矛盾、優(yōu)美和簡單性（即自然界統(tǒng)一性）如地球系統(tǒng)五大圈，如太極陰陽第13頁“聯(lián)結(jié)”和“反聯(lián)結(jié)”能力“聯(lián)結(jié)”：感知到對象之間以及其與知識和經(jīng)驗快速結(jié)合，它是產(chǎn)生新思想前提感覺——知覺——思維——知識或經(jīng)驗聯(lián)結(jié)“反聯(lián)結(jié)”：使觀察“純凈化”，它與“聯(lián)結(jié)”一起經(jīng)過抗衡到達平衡第14頁產(chǎn)生思想能力學習——探索研究——產(chǎn)生新思想思想：暫時思想火花——探索研究——變成能夠回想語言或符號思想評判標準：（1）思想真實性：概念所代表現(xiàn)象與客觀聯(lián)絡(luò)；（2）思想廣度：把浩瀚零亂觀察資料納入一個嚴密體系；（3）思想深刻性和基本性：比如，愛因斯坦相對論來自于“同時性是相正確”這么一個深刻思想第15頁預見能力是經(jīng)過想象來推測未來能力。比如：牛頓預研了“假如用8km/s速度水平發(fā)射一顆炮彈，它將能夠圍繞地球飛行”。這一預見為航天技術(shù)興起奠定了基礎(chǔ)。比如：元素周期律預見新元素比如：各種科幻小說預見性第16頁利用語言能力語言是思維工具，是思想直接現(xiàn)實，是思想記載。（比如，在思索和邏輯推理時，需要做大量筆記）科學研究時，關(guān)鍵是用好專門術(shù)語和符號。術(shù)語最大特點是單義和準確。（比如，“信息”這個古老術(shù)語永恒性）第17頁完成能力完成能力是指持之以恒地完成已經(jīng)開創(chuàng)工作，以及不畏艱險、一絲不茍地刻畫細節(jié)和使獨創(chuàng)思想臻于完美能力。這是因為，科學研究往往是會碰到許多困難。有了一個想法，它只是千里之行“第一步”。一個思想假如沒有必要細節(jié)使它完善，不論它怎樣精深，都將難以得到公認，甚至煙沒無聞。第18頁科學研究過程和方法第19頁

在世界進步中，起作用不是我們才能，而是我們怎樣利用才能。

——布雷斯福德.羅伯遜（英國著名生物化學家）第20頁

熱愛科學，對任何問題都不倦思索，鍥而不舍，勤于觀察和搜集事實材料，還有那么點兒健全思想。實在令人詫異是，只有這些平凡才能我，竟能對人們在某個主要科學問題上看法產(chǎn)生非常大影響。

——達爾文謙虛自述第21頁成功=艱辛勞動+正確方法+少說空話

——愛因斯坦第22頁

一個成熟科學理論形成包含以下5個步驟：提出問題——搜集證據(jù)——提出假說——檢驗假說——形成理論以上每一個步驟都有不一樣特征，完成這些步驟都需要科學方法和科學思維，這些科學方法和科學思維綜合就組成了科學精神全部內(nèi)涵。第23頁提出問題

積累為認清和提出問題所需要知識和經(jīng)驗。明確地提出問題，等于任務(wù)已經(jīng)處理了二分之一。這里要發(fā)揮探索問題敏銳性。選擇有現(xiàn)成資料問題選擇輕易出結(jié)果問題或有發(fā)展前途問題選擇業(yè)務(wù)工作中急于處理問題總之，首先要把問題提清楚，要提出科學問題第24頁搜集證據(jù)科學問題經(jīng)驗證據(jù)兩個起源：一是科學家自己進行科學觀察和科學試驗。科學觀察是借助感官和儀器而進行一個有目標、有計劃、有選擇性感知活動；科學試驗就是利用試驗工具，經(jīng)過人為控制、干預或模擬自然現(xiàn)象而進行一個科學研究活動。這些科學觀察和科學試驗必須是能夠重復進行，得到經(jīng)驗證據(jù)是能夠被驗證；二是來自于權(quán)威證據(jù)。只有那些在科學家認可書刊（即專業(yè)刊物、專業(yè)書籍）上得到正式發(fā)表科學原理、模型、公式、圖形、數(shù)據(jù)等權(quán)威證據(jù)才有可能被認為是經(jīng)驗證據(jù)。第25頁搜集證據(jù)

我們?nèi)〉眠@些經(jīng)驗證據(jù)能否成為這個科學問題有效和可靠經(jīng)驗證據(jù)，需要用理性思維和懷疑態(tài)度進行判斷。理性思維是嚴格恪守邏輯規(guī)則、采取歸納與演繹、分析與綜合等方法進行推理活動。我們必須對掌握和從別處搜集來經(jīng)驗數(shù)據(jù)是否完備可靠、觀察與試驗取得數(shù)據(jù)有多大誤差有數(shù)。第26頁提出假說

經(jīng)過以上一系列科學思維處理后經(jīng)驗證據(jù)，對提出科學問題做出可檢驗和待檢驗猜測性和嘗試性解答，這就形成了科學假說。

形成假說科學方法：（1）包含科學歸納：從大量經(jīng)驗證據(jù)尋找普遍特征（2）類比喻法：以一個事物經(jīng)驗證據(jù)為基礎(chǔ)向另一個事物經(jīng)驗證據(jù)過渡（3）統(tǒng)計方法：處理含有各種可能性隨機現(xiàn)象經(jīng)驗數(shù)據(jù)（4）數(shù)學方法：用抽象符號和數(shù)學語言把經(jīng)驗證據(jù)統(tǒng)一起來第27頁提出假說

科學假說基本特征是：（1）假說自洽性：假說各個組成部分是符合邏輯，不存在矛盾命題；（2）假說兼容性：它與得到確證科學原理是向下兼容（3）假說解釋性：它能夠解釋符合原來科學理論經(jīng)驗證據(jù)和自己取得新經(jīng)驗證據(jù)；（4）假說預見性：經(jīng)過科學思維能夠推論出經(jīng)驗證據(jù)超出它直接說明經(jīng)驗證據(jù)范圍，所以包含著還未檢驗經(jīng)驗證據(jù)；（5）假說可檢驗性：它是能夠被經(jīng)驗證據(jù)證實或者被經(jīng)驗證據(jù)證偽；（6）假說簡單性：簡單性標準是一個美學標準，它要求盡可能少地包含彼此獨立假說或者公理；（7）假說試探性：它只是嘗試性解答問題，是可修正、改變、并非唯一。第28頁提出假說

對科學方法選擇是科學家個人行為，不一樣科學家有不一樣思維格調(diào)，不過不一樣形式假說本質(zhì)上應該是等價，能夠相互轉(zhuǎn)換（如物理學中量子理論中薛定諤波動力學與海森堡矩陣力學）。

一個假說可能為真、可能為假，必須接收后續(xù)驗證?？茖W家經(jīng)過發(fā)表論文或者撰寫著作形式公開自己假說，去接收科學共同體驗證。非科學思維者也能夠得出某一假說，但他們往往到此為止，不經(jīng)過或者不愿意經(jīng)過后續(xù)檢驗假說和修正假說過程，直接把假說當成理論進行傳輸。第29頁檢驗假說

檢驗科學假說過程實際上是重新搜集和認識經(jīng)驗證據(jù)過程：一是科學家經(jīng)過不停地觀察與試驗增加了新經(jīng)驗證據(jù)；二是假說預測經(jīng)驗證據(jù)需要接收檢驗；三是原來經(jīng)驗證據(jù)可能與新假說預測經(jīng)驗證據(jù)產(chǎn)生矛盾而重新檢驗。第30頁檢驗假說

只有在經(jīng)過科學共同體屢次檢驗科學假說才能成為可靠知識一部分——科學事實。

科學事實是高度證實科學假說，是能夠重復檢驗，形成了人類知識中真理部分。比如：生物組織進化、生命中核酸存在、大陸漂移等。第31頁形成理論科學理論是多個科學事實整合建構(gòu)?？茖W理論含有5個基本特征：準確性：從理論導出結(jié)論與觀察試驗結(jié)果相符；一致性：不但內(nèi)部自我一致而且與現(xiàn)有一些公認理論一致；廣泛性：理論結(jié)論遠遠超出了要最初要解釋特殊觀察、定律；簡單性：理論應該簡單，給現(xiàn)象以秩序；有效性：理論應該產(chǎn)生大量新研究結(jié)果。第32頁形成理論科學理論基本功效是解釋功效和預見功效。解釋功效是指人們能夠利用科學理論推斷出結(jié)論來驗證已經(jīng)存在經(jīng)驗證據(jù)。科學理論預見功效是指人們能夠從科學理論邏輯地推斷出未知經(jīng)驗證據(jù)，這些證據(jù)已經(jīng)存在但不為人知、或者暫時不存在但必將發(fā)生。第33頁形成理論科學理論包含：因果解釋：一個確定性事物在給定初始條件后，過去與未來都是能夠決定；概率解釋：因為一些事物本身含有不確定性造成現(xiàn)象符合統(tǒng)計規(guī)律；結(jié)構(gòu)解釋：事物性質(zhì)表現(xiàn)為其組成基本成份性質(zhì)綜合；功效解釋：事物系統(tǒng)功效表現(xiàn)為各種原因下功效綜合；漸進解釋：事物各種歷史階段存在邏輯關(guān)系；突變解釋：事物內(nèi)部性質(zhì)因外部條件突然改變而發(fā)生突變。第34頁形成理論比如：相對論、量子力學、進化論、基因工程學、宇宙大爆炸等科學理論等就是當前人類擁有最可靠、最嚴格知識體系，能夠?qū)τ钪?、自然、生命起源、發(fā)展、組成和未來給出最有力解釋或者預見。第35頁形成理論

嚴格意義上科學理論都是科學假說，科學理論也只是相對真理。因為科學是不停發(fā)展和進步，更新經(jīng)驗證據(jù)有還沒有納入到現(xiàn)存理論之中，有與現(xiàn)存理論相矛盾，所以產(chǎn)生了新科學問題，科學研究活動進入到下一個循環(huán)過程。第36頁比如山體滑坡氣象預報：科學問題：強降水作用于滑坡體至其失穩(wěn)過程、機理、規(guī)律——建立預報模型設(shè)計試驗和研究方案：搜集資料、觀察、做試驗、進行初步分析研究提出假說：統(tǒng)計知90%以上滑坡由強降水誘發(fā)——滑坡主要發(fā)生在強降水之后3天以內(nèi)——強降水很可能是誘發(fā)山體滑坡主要因子，而且有可能成為山體滑坡氣象預報指標，從而建立預報模型檢驗假說：第37頁第38頁科學工作者必須具備素質(zhì)第39頁1、主動、熱情、向上人生態(tài)度，對事物好奇心和興趣，對國家、社會、家庭、集體責任心，對所處時代使命感——處處留心、做有心人——對碰到問題有敏感性、善于思索、常提出問題；2、愛學習、善于學習、會學習——不停積累知識和經(jīng)驗——不停提升學習能夠是各種方式科學工作者必須具備素質(zhì)第40頁3、善于分析——將事物條理化、系統(tǒng)化善于總結(jié)——歸納、提煉——提升——使問題和做出結(jié)果明晰，提升在實際工作和生活中得到鍛煉、磨練——提升本身水平和能力4、不畏艱險、知難而上、鍥而不舍、持之以恒精神——惜陰如金、勤奮上進腦中常有幾個問題在轉(zhuǎn)，把它變成生命一部分科學工作者必須具備素質(zhì)第41頁5、善于適應環(huán)境，利用環(huán)境，而不是怨天尤人——把困難看成人生必經(jīng)——多問自己有沒有做到有貢獻精神——不斤斤計較——不要只看到眼前6、研究方向選擇要考慮久遠，要有宏觀把握，要抓住有限幾個方向，長久堅持下去科學工作者必須具備素質(zhì)第42頁年輕人要規(guī)劃好自己一生大學畢業(yè)23歲——工作年頭37年