科研創(chuàng)新的方法

《新華文摘》2009年第12期上轉(zhuǎn)載了北京大學(xué)化學(xué)系徐光憲的文章《科研創(chuàng)新的16條方法》，現(xiàn)簡單介紹如下：知識創(chuàng)新都有前因后果，來龍去脈。故而勤奮學(xué)習(xí)，建立知識框架，積累深厚基礎(chǔ)；加上追根到底，萬事逼問為什么的好奇心，就是創(chuàng)新的源泉。前者是學(xué)，后者是問。學(xué)而不問則殆，問而不學(xué)則茫。學(xué)而問，問而思，思而行，行而果，這就是創(chuàng)新?！袢绻銐粝胍鲆粋€科學(xué)家，那么勤奮學(xué)習(xí)就是實現(xiàn)你的夢想之“舟”。但舟有快如宇航飛機，慢如蝸牛。所以勤奮必須是高效率的勤奮，不要去做“磨擦生熱”的“無用功”，更不要做“負(fù)功”?！裨诳茖W(xué)研究中常常會遇到“山窮水盡疑無路”時，粗心大意的人很容易放過這種機遇。只有具有敏銳眼光和扎實基礎(chǔ)的科學(xué)家才能抓住它，取得重大的突破?！駥嶋H的學(xué)科基礎(chǔ)是金字塔，有比較廣的知識，但是又要有塔尖，有高度，也就是你的專業(yè)知識高度。但是一條竹竿是站不直的，所以你除了“高”，還要有一些“寬”。1.創(chuàng)新與知識積累：中藥鋪的抽屜和知識框架。把學(xué)到的知識放在大腦的抽屜里并進行有序排列。創(chuàng)新必須有知識積累，這是創(chuàng)新的先決條件。以后就慢慢形成要在自已的頭腦里建立知識框架的概念。知識框架即知識文檔樹，建立知識文檔樹便于知識存貯檢索、記憶、聯(lián)系比較、分析歸納和創(chuàng)新。華羅庚把讀書過程歸結(jié)為“由厚到薄”、“由薄到厚”兩個階段。2.創(chuàng)新鏈和創(chuàng)新樹科學(xué)研究是接力賽跑，起跑點要在科學(xué)研究的前沿，要把前人的有關(guān)知識接過來。研究生的導(dǎo)師很重要，他把接力賽跑的棒交給你，你就可以在科學(xué)研究的前沿起跑。牛頓說：“我是站在巨人的肩膀上，所以能看得遠一些”。這是創(chuàng)新和繼承的關(guān)系。科學(xué)研究既然是接力賽跑，所以每一項科學(xué)創(chuàng)新都有前因后果。把這些前因后果串聯(lián)起來，就構(gòu)成一條“創(chuàng)新鏈”。創(chuàng)新鏈常有分支，于是構(gòu)成“創(chuàng)新樹”。建立創(chuàng)新樹的方法，可以啟發(fā)你的創(chuàng)新靈感,活躍你的創(chuàng)新思維，特別是在分枝點上，可以思考一下：還有什么新路可走？3.分類研究法“分類法”是一種重要的科學(xué)方法?？茖W(xué)(Science)原來的含義就是分科之學(xué)。例（1）動植物的宏觀分類法——門，綱，目，類，科，亞科等。例（2）生物的微觀分類法——基因分類法。例（3）萃取機理的分類。例（4）經(jīng)濟模式的分類——自由資本主義經(jīng)濟（如美國），歐洲資本主義經(jīng)濟，中國特色社會主義市場經(jīng)濟等。世界上的事物是非常復(fù)雜的巨系統(tǒng)，要探索這個巨系統(tǒng)，先要把它進行分類，才能找到其中的規(guī)律。現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的大趨勢之一，是學(xué)科越分越細(xì)。例如1900年是500門學(xué)科，2000年是5年增加10倍。2100年可能到50000門。4.學(xué)科交叉法學(xué)科交叉法就是在不同學(xué)科之間，進行“比較”、“類比”和“移植”的研究方法，從而產(chǎn)生新研究領(lǐng)域或新的學(xué)科?！氨容^法”是具有悠久歷史的傳統(tǒng)方法，也是科學(xué)研究中的重要邏輯方法。在語言學(xué)的研究中有一分支，叫做“比較語言學(xué)”，就是用比較的方法來研究兩種或多種語言的異同。在生物學(xué)中有“比較生物學(xué)”。學(xué)科交叉的無人區(qū)是創(chuàng)新的生長點。在比較語言學(xué)中，可以互相取長補短，促進本門語言學(xué)的發(fā)展。例如英文的Crisis，中文是“危機”。危機有危險和機遇兩層意思。處理得當(dāng)可以把危險化為機遇，而Crisis只有危險的意思。中文有“做學(xué)問”一詞，通常翻譯為Learning，但后者只有學(xué)習(xí)的意思，沒有問的含義。做學(xué)問要既學(xué)又問，學(xué)而不問則殆，問而不學(xué)則茫。5.移花接木法“移花可以接木，雜交可以創(chuàng)新”，這是科學(xué)創(chuàng)新的“移植法”?？茖W(xué)可按照它的研究對象由簡單到復(fù)雜的程度分為上、中、下游。數(shù)學(xué)、物理學(xué)是上游，化學(xué)是中游，生物、醫(yī)學(xué)、社會科學(xué)等是下游。上游科學(xué)研究的對象比較簡單，但研究的深度很深。下游科學(xué)的研究對象比較復(fù)雜，除了用本門科學(xué)的方法以外，如果借用上游科學(xué)的理論和方法，往往可收事半功倍之效。所以“移上游科學(xué)之花，可以接下游科學(xué)之木”。例（1）量子化學(xué)是把量子力學(xué)的理論和數(shù)學(xué)方法移植到化學(xué)中來，因而產(chǎn)生的交叉學(xué)科。美國理論物理學(xué)家科恩和英國數(shù)學(xué)家波普爾，把量子力學(xué)的理論和計算數(shù)學(xué)的方法移到化中來，解決了量子化學(xué)中的計算難題，因而獲得1998年諾貝爾化學(xué)獎。例（2）把數(shù)學(xué)方法移植到經(jīng)濟學(xué)中來，可以實現(xiàn)經(jīng)濟學(xué)的突破。1994年的諾貝爾經(jīng)濟獎授予納什，他把數(shù)學(xué)中概率論之花，移到經(jīng)濟學(xué)中來，提出預(yù)測宏觀經(jīng)濟發(fā)展趨勢的“博弈論”。例（3）移花接木創(chuàng)新法的另一例子是仿生學(xué)。例如第一架飛機就是模仿蜻蜓制造出來的。流線型的噴氣飛機和高速火車的造型是模仿魚類的，特別是海豚的皮膚表面有一種可吸收能量的彈性結(jié)構(gòu)，借以消除流體的阻力，使湍流變?yōu)槠搅?。例?）生物學(xué)與化學(xué)的交叉產(chǎn)生生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生物物理學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等?，F(xiàn)在后基因組時代已經(jīng)到來，生物學(xué)與化學(xué)之間又有一個新的交叉學(xué)科——蛋白質(zhì)組學(xué)已經(jīng)形成。6.四兩撥千斤法力的放大：如杠桿、齒輪、千斤頂?shù)?。在科學(xué)研究中，我們要把一種已知的方法盡量推廣到未知的領(lǐng)域，這就是創(chuàng)新。如克隆——從卵細(xì)胞到生命的發(fā)育成長，發(fā)展成為克隆技術(shù)。7.逆向思維法在飛機的設(shè)計中，要試驗飛機的外型和材料在高速飛行中與空氣阻力的關(guān)系。這種試驗很難在空中飛行時進行。于是創(chuàng)造出“風(fēng)筒”來模擬飛行。這是一種“反其道而行之”的逆向思維方法，即把飛機固定，讓高速空氣流向飛機，其效果是一樣的。這就是在空氣動力學(xué)和航空技術(shù)研究中常用的“風(fēng)洞”實驗室方法。又如在輪船的設(shè)計中，可以做一個縮小的模型，放在一個縮小的水槽中，用各種流速來試驗船體的阻力。反其道而行之。8.柳暗花明法只有具有敏銳眼光和扎實基礎(chǔ)的科學(xué)家才能抓住它，取得重大的突破。例（1）按照經(jīng)典遺傳學(xué)的觀點，水稻是自花授粉，不能雜交的，“雜交水稻之父”袁隆平也相信這一點。上世紀(jì)60年代初，他在田間發(fā)現(xiàn)一株優(yōu)勢非常強的水稻，第二年他把它種下去，結(jié)果大失所望，跟上年選的植株完全不同，高的高，矮的矮，生長期長的長，短的短。就在失望之余，他突然產(chǎn)生了震撼：為什么遺傳會有這樣大的分離呢？只有雜種才會有分離，純種不會有分離。他于是大膽提出假設(shè)：他選的這株是天然雜交稻，推翻了經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為水稻不能雜交的結(jié)論。當(dāng)然這只是大膽的初步假設(shè)，還有待做艱苦的研究工作，培養(yǎng)出人工雜交水稻來證實。為避免自花授粉，他選擇雄性不育植株來受粉，取得了很大成功，使我國水稻由畝產(chǎn)300公斤提高到500公斤。例（2）光的本質(zhì)是波動還是微粒？9.天上人間法有些物質(zhì)是天文學(xué)家在天上先發(fā)現(xiàn)，然后由化學(xué)家把天上之花，移植到地球人間的。例（1）1868年天文學(xué)家在觀察日全蝕時，從日珥的光譜中發(fā)現(xiàn)一種未知原子的譜線，命名這一未知元素為“太陽元素(Helium)”。28年后，化學(xué)家才從地球大氣中把He元素氣體分離出來。10.傻瓜提問法創(chuàng)新的第一步是“提出問題”，好奇提問往往是創(chuàng)新開端。例（1）三角形的內(nèi)角之和一定要等于180度嗎？其實，三角形的內(nèi)角之和等于180度是平面上的幾何學(xué)，即歐幾里德幾何學(xué)。人們發(fā)現(xiàn)用平面幾何學(xué)經(jīng)行大地測量，在范圍較大時有偏差。這是因為地球是球面的。在地球上距離較大的三點之間，作三條直線，組成一個三角形，它的三個內(nèi)角之和大于180度。這就是球面幾何學(xué)。反之，在凹面上的三角形的內(nèi)角之和小于180度。由此建立了一門新的學(xué)科：非歐幾何學(xué)。例（2）空間的維數(shù)是不是一定要整數(shù)？例如說一維、二維或三維空間?？刹豢梢杂蟹?jǐn)?shù)的維度？這個看似傻瓜的提問，終于發(fā)展成為一門新科學(xué)：分形理論。彎彎曲曲的海岸線的維數(shù)就在一維和二維之間。11.大膽假設(shè)、小心求證法敢于挑戰(zhàn)權(quán)威、老師。胡適在考古學(xué)研究中提出“大膽假設(shè)，小心求證”的科學(xué)方法，我認(rèn)為也可用于自然科學(xué)研究，而且是一個很重要的科學(xué)創(chuàng)新的方法。如果你不明白為什么，對老師、專家、權(quán)威都可提出質(zhì)疑，敢于好高騖遠大膽假設(shè)，善于實事求是，小心求證。對于你的假設(shè)預(yù)期，要認(rèn)真安排實驗來小心求證。實驗的結(jié)果不外四種：（1）證明了你的假設(shè)，于是進一步去尋求新的實驗證明。證明越來越多，假設(shè)就能發(fā)展成為理論；（2）部分否定了你的假設(shè)，于是你可以部分修改你的假設(shè)，使之更為完善；（3）全部否定了你的假設(shè)，于是你可以根據(jù)新的實驗結(jié)果，提出新的假設(shè)；（4）得到完全意外的結(jié)果。例如從設(shè)計合成一個新化合物的失敗，到發(fā)現(xiàn)一個新的結(jié)構(gòu)類型。如果你的運氣好，可能發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象或新效應(yīng)，但必須有敏銳眼光才能抓住它。所以這四種可能性，在科學(xué)上都有收獲。尤其是第四種，可能有巨大收獲。

12.意外機遇法例（1）弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素；例（2）可樂的其他作用；例（3）宇宙的微波背景輻射。13.靈感培養(yǎng)法國學(xué)大師王國維在《詞話》中寫到治學(xué)的三個境界：“獨上高樓，望盡天涯路”，這是第一境界，是治學(xué)或研究的開始，要找到學(xué)科發(fā)展的前沿，作為你科研創(chuàng)新的起點?！耙聨u寬終不悔，眾里尋她千百度”，這是第二境界，正是科學(xué)研究的緊張階段，遇到困難，不知如何解決才好?！膀嚾换厥?，伊人正在燈火闌珊處”，這是第三境界，正在山窮水盡的時候，忽然靈感到來，驀然回首，伊人（這里指你希望得到的結(jié)果，或解決困難的方案和辦法）出來了，卻在忽明忽暗的燈火闌珊處。從中可以得到三點啟發(fā)：（1）開題的重要性；（2）勤奮是成功的關(guān)鍵，如果你夢想要做一個科學(xué)家，那么勤奮學(xué)習(xí)就是實現(xiàn)你的夢想之“舟”。但舟有快如宇航飛機，慢如蝸牛。所以勤奮必須是高效率的勤奮，不要去做“磨擦生熱”的“無用功”，更不要做“負(fù)功”；3）創(chuàng)新除了勤奮外，還要有一定的“靈感”。當(dāng)你在科研中已“進入角色”，“身心投入”后仍然遇到難題，百思不得其解，這時你可以忘掉它，輕松愉快地去做別的工作，或看電影，或散步，或聽音樂，然后好好睡一覺。睡眠中大腦會把白天困擾你的問題進行知識的反芻、醞釀和陳化的慢波處理，早上一覺醒來，往往就忽有所悟。14.虛擬實驗法提出一個理論模型，建立模型。這已經(jīng)廣泛用于科學(xué)研究和高新技術(shù)?，F(xiàn)在常用的虛擬現(xiàn)實法也是“建立模型”的方法之一。提出一個理論模型，用計算機虛擬現(xiàn)實，得到希望得到的結(jié)果。這一方法現(xiàn)已廣泛用于科學(xué)研究和高新技術(shù)，例如：（1）虛擬大氣溫度、濕度、氣流的未來變化，做出近期和中期的天氣預(yù)報；（2）建立模型，虛擬小浪底水庫放水沖