第五章 科学理论的形成

第五章科学理论的形成

第一节科学问题的确立

科学问题是科学研究的起点

一、科学问题的主要来源

1.为寻求事实之间的联系提出问题。

2．从理论与事实之间的矛盾中发现问题。

3.理论内部的矛盾中发现问题。

4．从不同理论之间的矛盾中发现问题。

5．从社会需要中发现问题。

二、科学问题的选择——科研选题

1、科研选题的重要意义

第一，选题是整个科研程序的首要步骤；

第二，课题选择是否恰当，直接关系着科研工作进展的速度、成果的大小乃至工作的成败；第三，正确地选择科研课题，决定了科研人员的主攻方向和进行此项工作所应采取的研究方法。

2、选题的基本原则

创新性原则是指选出的课题应是前人没有解决或没有完全解决的疑难问题，并预期从中能产生创新性的科学技术成果。创新性是科学研究也是科研选题的灵魂。

科学性原则是指所选课题一定要有相关的科学事实和科学理论作为依据。

可行性原则是指选择课题时，必须要认真考虑完成课题的主观条件和客观条件是否可行，即根据已经具备的或经过努力可以具备的条件进行选题。

需要性原则是指应面向社会需要和科技发展的需要，面向社会、造福人类，使社会和科学能从中获益。

3．科研选题的步骤

（1）课题调研

课题调研就是要求研究者对所拟课题的一般历史背景、现状及发展趋势进行充分的调查研究，作出描述和评论。

（2）课题选择

课题选择阶段是根据课题调研结果，运用选题的基本原则，对若干个课题进行分析、筛选，确定一个最隹的课题。

（3）课题的可行性研究

课题的可行性研究的目的，是要全面评价课题的研究的目的性、必要性以及实现的可能性，以确保选题的正确。课题的可行性研究一般请同行专家来研究评议。

第二节科学事实的获取

一、观察与实验是获取科学事实的基本方法

1．观察

（1）观察－－是人们通过感官或借助科学仪器在自然发生的条件下有目的、有计划地感知研究对象，从而获得科学事实的一种研究方法。

（2）观察的特点

观察并非消极的、被动的注视，而是积极的、能动的反映。

观察的重要特点是在自然发生的条件下对自然现象进行研究。

（3）科学观察的基本原则

①坚持观察的客观性。观察的客观性，是指在对观察对象进行观察过程中，要求实事求是地进行周密的观察和反映，不能有主观臆断，必须客观地、如实地反映研究对象各方面的

状态。

②坚持观察的全面性。观察的全面性，是指在观察过程中必须系统、全面地观察研究对象，以获取完整的信息。

（4）观察的作用和局限性

第一，为科学假说的提出和科学理论的形成提供第一手的原始材料。

第二，观察可为检证科学假说和科学理论提供事实根据。

观察方法有其局限性

2．实验

（1）实验是人们根据一定的科学研究目的，运用一定的物质手段（科学仪器和设备），在人为控制或变革客观事物的条件下获得科学事实的方法。

（2）实验方法的特点

简化和纯化研究对象。

强化和激化研究对象。

再现、加速、延缓或模拟研究对象

经济可靠

（2）实验方法的类型

依据测量手段的不同，可分为定性实验和定量实验。

根据实验手段是否直接作用于实验对象，可分为直接实验和模拟实验。

根据实验的直接目的不同，又可分为探索性实验、验证性实验、析因实验、对照实验和判决性实验等。

（3）实验方法的作用

实验方法所具有的特点，决定了它在科学研究中具有越来越重要的作用，以至成为一个相对独立的社会实践。

（1）实验是检验（即证明或反驳）在科学认识中得到的理论原理真理性的标准，是证明科学知识的手段；

（2）实验是获得新假说、新理论的直接来源，是发展科学知识的手段。

二、模拟实验中模型方法的应用

在科学研究中，把现实的对象叫做“原型”，而把原型的相似替代物叫做“模型”，模型方法就是以模型与原型之间存在相似性为基础，用于揭示模型与原型（实物）相似关系的方法，体现了认识主体的主观能动性。

1．模型方法的重要意义

由于科学研究的对象受到各种客观条件的限制，所以往往不能直接运用实验手段作用于研究对象自身（原型）。人们不得不力求找到或设计一个与原型相似的替代物（模型），通过模型来认识原型。

2．模型实验中的物理模型

物理模型，是以自然界原有的或人工制造的材料，应用模拟方法设计出的、与原型相似的模式。依据模型与原型之间相似关系的特点，可以分为物理模型、化学模型、生物模型等。它们分别是以模式与原型之间物理、化学或生物性质的相似为基础的，通过模型来认识原型的物理、化学或生物运动过程。对应的是物理模拟实验观察、化学模拟实验观察或生物模拟实验观察。

3．模型实验中的功能模拟方法

（1）功能模拟方法的含义

功能模拟法－－是以系统的功能和行为的相似性为基础，用模型来模拟原型的功能和行为的方法。

（2）功能模拟方法的特点：

第一，它是一种功能和行为的模拟。

第二，不追求模型的结构与原型相同。

第三，模型不再仅仅是一种研究的手段，它本身就是研究的目的。

（3）功能模拟方法的作用

第一，运用功能模拟方法进行人工智能研究，创造出具有人工智能的电脑和人工智能机器人，使机器代替人脑和人体部分功能成为现实。

第二，功能模拟方法的创立开辟了人类向生物界寻求技术设计思想和了解复杂系统运行规律的途径。

4．模拟实验中的数学模型

思想模型是运用科学思维的形式，发挥想象力在思想中构思的、与对象相似的模型。数学模型是最重要的思想模型，它是对研究对象在数量关系、逻辑关系与空间形式的模拟，以揭示出研究对象（原型）的内在本质或必然联系。数学模型表现为一个或一组数学方程、一个或一组函数、一些几何图形和逻辑关系。

5．计算机仿真模型

数学模型多数要依赖电子计算机来求解，因而它常常被计算机仿真模型取而代之。仿真模型将原型的数学模型转变成能在计算机上运行的仿真模型；编出仿真程序，运行仿真模型进行实验观察；分析实验结果，对原型做出评价。

三、观察实验中重要的认识论问题

1、观察与理论的关系

观察是属于认识领域的范畴，不单纯是生理活动的过程。这就决定了观察要受到观察者已有的经验和所掌握的理论的影响，即观察渗透理论。

理论对观察的影响，还表现在人们观察时的注意力与理论有极大的关系。科学观察是有目的、有选择的，观察什么、详略如何，都与研究的问题有关，与观察者的理论素养有关。爱因斯坦也曾明确指出：“是理论决定我们能够观察到的东西……只有理论，即只有关于自然规律的知识，才能使我们从感觉印象推理出基本现象”。

2、微观领域中仪器的影响问题

在微观领域中，实验仪器对微观客体状态的影响（“干扰”）很大，与宏观测量时的情况有明显的区别。仪器对观察对象的影响，在宏观领域与微观领域都是存在的，在对客观性的影响方面并没有原则的差异。就拿量子力学中的“不确定性原理”来说，它也没有否定观察的客观性。因为，微观粒子本来就不同时具有精确的位置和动量，所以在测量中就无法同时精确地测定粒子的位置和动量，这说明了观察的客观性在微观领域也是成立的。所以，在微观领域的实验观察仍是主客观相统一的过程。

3、观察和实验中的机遇

（1）机遇的特点和作用

机遇的最大特点就是意外性。

（2）机遇产生的客观根据和认识论根源

机遇产生的客观根据在于自然界本身就是偶然性和必然性的辩证统一。

机遇产生的认识论根源在于科学研究的目的性和探索性与自然现象间的错综复杂的矛盾。（3）如何正确对待机机遇

具备丰富的准备知识

保持对意外事物的警觉性和敏感性

善于抓住机遇提供的线索，追根究底，作出科学解释

第三节科学抽象与科学思维

一、科学抽象

1．什么是科学抽象

科学抽象就是抽出和排除事物非本质的次要因素，通过思维揭示其固有的本质特征。

2．科学抽象的意义

使知识本质化。

使知识层次化。

使过程纯粹化。

3．科学抽象的一般过程

感性上的具体－－抽象的规定－－思维中的具体

感性的具体：是人对具体事物的感性直观，它在人的种种主观感受中综合为一个完整的表象，成为整个认识的起点。

抽象的规定：从大量经验材料出发，经过科学概括，建立某些局部的科学定律（经验定律或经验公式），这些定律和公式反映了这一类自然现象的某一侧面或特点，反映了了其中某些规律性的东西。

理性的具体：对这一系列的经验定律加以分析和综合，从那些最基本的的规定扩展到整体，把事物的各种联系在思维中完整地复制出来，即把事物作为整体在思维中再现出来。

感性的具体

抽象的规定

理性的具体

磨擦生热等

机械能转化为热能等

能量守恒与转化定律（热力学体系）

光的生动的表象

光的波动性、量子性、光速

波粒二象性及光学理论体系

4。科学抽象结果的基本形态

（一）科学概念

（二）科学符号

（三）思想模型与理想实验

二、理想化方法

所谓理想化方法，就是在抽象思维中，抓住主要矛盾，完全排除次要因素的干扰，把研究对象和研究条件置于理想化的纯粹状态下进行研究的一种方法。

理想化的方法在自然科学中的应用，主要包括两个方面：（1）建立理想模型；（2）设计理想实验。

（一）理想模型及其作用

1、思想模型及其作用

（1）理想模型－－就是为了便于研究而建立的一种高度抽象的理想客体。

（2）作用

第一，使问题处理极度地简化、纯化。

第二，帮助我们认识事物的规律性。

第三，突出事物的主要特征，便于发挥想象和逻辑思维的力量。

（二）理想实验及其作用

1、理想实验的特点

理想实验是在思维中把现实的实验条件和研究对象加以极度理想化，抽象塑造出来的一种理

想过程的思维推演过程。又为思想实验、假想实验、抽象实验等等。

理想实验同真实的科学实验是有原则区别的。前者是一种思维的活动；后者是一种实践活动。前者是由人们在抽象思维中设想出来而实际上不易做到的“实验”，则就对象的发展将过程理想化；后者是人们将设计通过物化过程而实现的实验。

伽利略设计的小球从斜面滚下的机械运动考察，打破了1000多年来亚里士多德关于受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止的陈旧观念，为近代力学的建立奠定了基础。

2、作用

⑴理想实验具有实际的科学实验达不到的极度简化和纯化程度，因而有利于探索和揭示自然事物或现象的规律性。

⑵理想实验可以帮助人们提出一些基本的科学原理。

⑶理想实验具有使逻辑证明和反驳更加明确、直观的作用。

⑷理想实验还为微观和宇观等不易进行实物实验的科学研究提供了实验基础。

三、科学思维的方法

科学思维的方法是多种多样的，主要有演绎方法(分析与综合、归纳与概括、类比与联想等)和非演绎方法两种基本类型。

（二）演绎

1、演绎－－是从一般原理推演出个别结论的思维方法。它也是一种推理方法，主要形式是三段式。

如直言三段式，其结构为：

大前提 M－P（已知一般原理）

小前提 S－M（已知的个别事实与一般原理的关系）

结论 S－P（用已知的一般原理推断个别事实）

例1：大前提：自然界中一切物质都是可分的；

小前提：基本粒子是自然界中的一种物质；

结论：基本粒子是可分的。

例2：大前提：一切金属都能导电；

小前提：铁是金属；

结论：所以，铁能导电。

2、演绎推理是一种必然性的推理。

因为推理的前提是一般，推出的结论是个别，一般中概括了个别。凡是一类事物所共有的属性，其中的每一个别事物必然具有，所以从一般中能够推出个别。

3、演绎推理在科学认识中的作用

第一，演绎推理是逻辑证明和知识体系化的工具。

第二，演绎推理是作出科学预见的手段。

第三，演绎推理是发展假说和理论的一个必要环节。

公理方法是一种重要的演绎方法。

公理化方法－－简称公理法，是对一门学科全面进行逻辑重建的理论方法。具体来说，是从已有的全部概念和全部命题中，选择一组不释自明的概念（称为初始概念）和一组不证自明的命题（称为公理），以它们为基础，应用演绎推理法则，重新定义出其他概念（称为导出概念），推导出其他命题（称为定理），从而把全部概念和命题组成一个公理系统（一个简明严密的逻辑整体）。

建立公理化体系的条件（准则）

构造一门学科的公理系统，大致分两步进行：

第一，确定初始概念和公理组；

第二，遵循演绎法，逐步定义出新概念，推论出全部定理。

一个严格的公理化体系，公理的设置和选择必须具备以下三个条件（也是三个逻辑准则）：

①无矛盾性（相容性）

②独立性

③完备性

公理化方法的作用和局限性

①作用：

第一，公理化方法是科学在积累了丰富的经验材料和理论成果的基础上，使科学知识进一步系统化、建立科学体系的重要方法。

第二，公理化方法也是在理论上探索事物发展的逻辑规律、作出新的发现和预见的一种重要方法。

第三，公理化方法也是检验命题正确与否的一种辅助手段。

②局限性：

第一，公理系统的完全无矛盾性（相容性）至今尚未能得到很好的证明，完备性也无法完全实现。

第二，公理及推导出的结论的真实性，也无法在这个公理系统内部证实，这说明，一个理论的真理性是不可能在这个理论本身的领域内来解决的。

2、非演绎方法

在创新思维方法中，除了演绎方法是必然性的推理之外，其他方法都带有不同程度的或然性、偶适性和跳跃性，它们是分析与综合、归纳与概括、类比与联想(思想模型)等。

①分析与综合

所谓分析，是把研究对象的整体分解为各个要素、部分、方面、层次、环节并加以研究的思维方法。分析是从感性具体到抽象规定的过程。

分析方法的特点是，暂时把各个部分看作是彼此孤立的，从它们的联系中抽象出来。通过分析，可以深入对象的内部，了解它的细节，并为认识它的内部结构，从整体上认识对象的本质奠定基础。用分析方法所获得的东西，比直观经验要深刻、细致，更有说服力。

所谓综合，则是在分析的基础上，将人们对各个要素、部分、方面、层次、环节的研究认识整合起来，以形成对研究对象统一的、整体的认识的思维方法。是从抽象规定到思维具体的过程。

科学的综合不是拼凑，不是捏合，不是各个部分的简单罗列和堆积。各个部分的相加并不是有机整体。我们应当寻找各个部分的有机联系，探索它们的有机结构，从而在分析的基础上，在我们的思维中再现一个完整的整体。

用综合的方法研究事物，会获得新知识，因为系统论告诉我们，整体大于部分之和，整体的功能不能完全还原、归结为部分的功能，即整体具有部分所没有的功能，所以综合认识不是各个部分的分析认识的相加，而是出现了新的认识。

“互补原理”指出，两种图像互相排斥，不能同时存在。无论哪一种图像，都不能单独向我们提供一个完事的描述。实际上，这两种互相排斥的图像是互相补充的，只有把这两种图像综合起来，才能提供某种完整的描述。在科学史上，一些看起来对立的理论，也是可以综合在一起的。

分析与综合相互联系、相互补充、相互渗透。分析是综合的前提和基础，我们认识事物一般是先分析后综合。只有对部分有了一定的认识后，才有可能进行综合。恩格斯说：“没有分析就没有综合。”分析需要综合补充，才能使我们的认识发展到新阶段。分析与综合相互渗透，如光的微粒说和波动说都是对光的本质进行分析的结果，可是这两种理论又都是对大量光的现象进行综合的产物。分析——综合——再分析——再综合……如此循环往复，不

断前进，所以列宁把分析与综合的结合，确定为辩证法的一个要素。

第二节科学思维的逻辑方法

比较、分类、分析、综合、

统计、归纳、演绎、类比

②归纳与概括

归纳是从个别事实中概括出一般原理的思维方法

归纳法的类型：

（1）完全归纳法。是根据某类事物中每一个都具有某种属性，推演出这类事物有此属性的

一般结论的推理方法。

（2）不完全归纳法。是归纳了某类事物的部分对象而得出的一般性结论的方法。

简单枚举法

科学归纳法。

科学归纳法（穆勒五法）

求同法：

如所研究现象a分别在若干不同场合出现，但每一场合中只有情况A相同，由此判明A与a

有关。

场合不同情况被研究对象

1 A、B、C a

2 A、D、E a

3 A、F、G a ————————————————————————————

所以A是a的原因

求异法：

如果所研究的对象a在第一个场合出现，在第二个场合不出现，而这两个场合只有情况A

不同，由此判明A与有a因果关系。

场合不同情况被研

究对象

1 A、B、C

a

2 B、C

a 不出现

—————————————————————————————

所以A是a的原因

求同求异共用法：

场合不同情况被研究对象

1 A、B、C a

2 A、D、E a

3 B、C a

不出现

4 D、E a

不出现

——————————————————————————

所以A是a的原因

共变法：

如果在所有考察的场合中，A发生变化时被研究对象a也随之相应变化，则可判定A与a有

因果联系。

场合不同情况被研究对象

1 A 1 、B、C a1

2 A 2 、B、C a2

3 A 3 、B、C a3 ————————————————————————————

所以A是a的原因

剩余法：

如果得知被研究的某一复合现象是由一组条件引起的，把其中已判明因果联系的部分减去，

那么，可判定剩余部分有因果。

场合 A、B、C a、b、c

已知 B、C b、

c

剩余 A a ————————————————————————————

所以A是a的原因

归纳法在科学认识中的作用

第一，是从经验事实中找到普遍特征的认识方法。

第二，对科学实验有指导意义。

概括也是一种从个别或特殊性知识上升为一般性认识的思维方法。经验概括是以不完全

归纳方式进行的；定律概括是在经验概括的基础上，通过与理论的演绎结果相结合，而得出

结论的，因此是与科学归纳法相通的。

③类比与联想

类比－－是根据两个（或两类）对象之间在某些方面的相似或相同而推出它们在其他方面

也相似或相同的一种思维方法。是从一个客体或客体系统的知识向另一客体或客体系统的

知识的过渡。

类比是一种从特殊到特殊的推理。

类比法的思维方式可表示为：

A类对象具有属性a、b、c、d

B类对象具有属性a′、b′、c′且分别与a、b、c相似或相同

所以，B类对象可能具有属性d′（与d相似）

类比的类型

（1）因果类比

它是根据两个（或两类）对象的各自属性之间存在同一因果联系而进行的推理。

设A对象中a、b、c同d有因果关系，则B对象中a′、b′、c′同d′ 有因果关系。

（2）对称类比

它是根据对象的属性之间具有对称性而进行的推理。

设A对象中a与b有对称关系，则B对象中a′与b′有对称关系。

（3）协变类比

它是根据对象的属性之间具有某种确定的协变关系而进行的推理。即根据对象属性的地位

和作用相似，推出其数学关系相似。

设A对象中有f（a，b）＝0关系，则B对象中有f（a′ ，b′ ）＝0关系

（4）综合类比

它是根据对象属性的多种关系的综合相似而进行的推理。

类比的作用和局限性

（1）具有启发作用。

（2）是提出科学假说的重要途径。

局限性：在于结论的或然性。

类比推理所得的结论具有推测性（或然性），其结论不一定是可靠的，如：

地球：在太阳系、有壳、构成元素同、有生命等属性；

月球：在太阳系、有壳、构成元素同、等属性；

因此，月球上是有生命的。

事物之间的同一性和差异性是类比推理的客观基础。同一性提供了类比推理的的根据，差异性限制了类比的结论。

如何提高类比推理结论的可靠性？

（1）要积累有关对象的知识；

（2）要增加类比对象属性的数量并提高其相关程度；

（3）要注意本质属性方面的类比。

类比的思维过程，离不开联想，即从一个对象联想到另一对象，从一个对象的性质、关系或功能联想到另一个对象的性质、关系或功能，否则就不可能进行类比。

三、科学思维的基本形态

1、抽象思维与形象思维

抽象思维的“细胞”是概念，用概念揭示事物的本质，表达认识的内容，又以概念为基础进行判断和推理。概念思维可以说是抽象地反映客观事物本质和规律的思维活动。因为传统的逻辑学主要以抽象思维为研究对象，所以习惯上被称为“逻辑思维”。

形象思维，是指在人们对事物进行分析和综合的思维过程中，主要以图像、音调、动作等形象的符号，再现某类事物形象的一般特征和共性的思维方式。因为，这些符号容易被人们直接感知，故又称“直感思维”。

2、收敛思维与发散思维

收敛思维与发散思维是美国心理学家吉尔福特（J.P.Guiford）提出来的。收敛思维的特点是根据已有的理论和方法，按照严格的程序进行；发散思维的特点是开阔思路、从不同的方面进行思考，从不同的途径进行探索，甚至标新立异，不受传统思想观点的约束，不受已有理论和方法的束缚。对于创新思维来说，收敛思维与发散思维都是不可或缺的，它们互相联系、互相补充、互相促进。

3．科学思维的非逻辑方法

科学思维的非逻辑方法包括科学想象和科学直觉，它是创造性思维的核心部分；而创造性思维则是逻辑思维与非逻辑思维协同作用的过程和结果。

（一）科学想象

1、想象是人们在原有知识的基础上，对记忆中的表象经过重新组合和加工，创造出新的形象和概念的一种思维方式。

想象的基础是联想。

2、想象的作用

⑴想象力是科学创造的动力。

列宁：“有人认为，只有诗人才需要幻想，这是没有理由的，这是愚蠢的偏见！甚至在数学上也是需要幻想的，甚至没有它就不可能发明微积分。”

爱因斯坦：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界的一切，推

动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力是科学研究中的实在因素。”

2、想象的作用

⑴想象力是科学创造的动力。

⑵想象在类比方法中具有重要作用。

⑶创造性想象是模型方法的重要手段。

（二）顿悟——直觉与灵感

1、直觉的特点

直觉－－是对某一对象进行思考时，不受固定的逻辑规则的约束而直接领悟事物本质的一种思维方式。

⑴思维过程突发而迅速

⑵常有偶然事物和感性材料的触发

⑶常发生在大脑处于松驰状态下

2、直觉的作用

⑴直觉能帮助人们进行选择

⑵直觉能提出新的科学思想

⑶直觉有助于作出创造性预见

3、直觉与灵感的联系和区别

所谓灵感，是指一种可能触发科学直觉的心理状态。

灵感与直觉的主要区别在于：

第一，直觉不仅具有认知作用，而且具有超常的解题功能；而灵感本身既无认知作用，更无解题功能，只是一种可能触发直觉的心理状态。

第二，灵感具有强烈的情绪冲动，而直觉的产生并不一定带有强烈的情绪特征。

直觉是在探索过程中径情直遂的顿悟；而灵感是思路受阻后的顿悟。一个是酣畅淋漓如顺流直下；一个是山穷水尽转而柳暗花明。一个着重强调的是未经渐进的精细的演绎推理而对规律性的快捷洞察；一个着重强调的是在百思不得其解时顿悟现象间的规律性的奇效。

4、潜意识是灵感和直觉产生的基础

创造性思维是由意识活动和潜意识活动交织构成的。有意识活动是主要的、明显的，而潜意识活动只在暗中支配意识，如同“地火在地下运行”，直到灵感的闪现，潜意识完成它的创造性使命，悄然离去。潜意识是和灵感直接联系的，它是灵感产生的基础。

正确对待灵感和直觉

灵感和直觉虽然是在偶然的形式出现的，但它是对在科学研究、文学过程中，长期的巨大的艰苦劳动的一种报偿和奖励，有必然性。

灵感思维不但有其特殊性的实践积累，而且要有相应的物质基础

●认识主体脑生理物质基础

●认识对象（客体）的属性显露程度

●实验、观测工具的物质基础水平

三、创造性思维

1、创造性思维的本质

创造性思维是人类探求和创造新知识的思维形式和思维艺术，是一种具有开创意义的思维活动。发明新技术、形成新观念和创建新理论的思维活动都属于创造性思维。

创造性思维过程是逻辑思维与非逻辑思维协同作用的过程，是收敛式思维与发散式思维协同作用的过程。提高创造性思维能力的关键是提高发散式思维能力。

2、创造性思维的特征

（1）思维的新颖性

（2）思维的灵活性（3）激发性