科学研究中的逻辑思维与非逻辑思维.ppt

1 第七章 科学抽象与科学思维 自然辩证法 讲义 高亮华 清华大学科学技术与社会研究所 Tel: 62773013-233 ; 82866697 Email: 2 问题 事实 假说与理论 个别 普遍 单称判断 全称判断 思 维 加 工 (科学抽象 科学思维 ) 3 科学抽象是科学认识从感性认识阶段上升到理性阶段的飞 跃的决定性环节。 科学思维，则是利用科学抽象的成果概念、符号和思 想模型所进行的深入的认识活动，是主体把握客体本质的 认识活动和认识形式。 逻辑思维、形象思维和直觉思维是科学思维的三种基本类 型。 4 目录 1 科学抽象 2 科学思维 ：科学研究中的逻辑方法 3 科学思维 ：科学研究中的非逻辑方法 5 1 科学抽象 6 概念 科学抽象是思维加工即科学认识由感性阶段向理性阶段 飞跃的决定性环节 感性具体 思维中的具体 （科学事实） （科学理论） 抽象的规定 （科学概念，符号、思想模型） 综合 分析 7 感性的具体是科学事实 抽象的规定是未经综合的概念、经验规律（如开普勒三定律）、 科学假说等 思维的具体是指经过辩证综合的、完整的科学理论体系 8 科学抽象：在科学研究中通过对各种经验材料的比较与分 析，去其次要因素，抽取本质因素，形成科学概念或科学 符号，以达到揭示研究对象的普遍规律和因果关系的思维 方法 9 列宁： “ 当思维从具体的东西上升到抽象的东西时，它不是离开 真 理，而是接近真理。物质的抽象，自然规律的抽象，价值的抽象 等等，一句话，那一切科学的（正确的、郑重的、不是荒唐的） 抽象，都更深刻、更正确、更完全地反映着自然。 ” 10 科学抽象与科学发现 科学抽象的产物：科学概念、科学符号、思想模型。 广义地，还包括科学判断、科学假说和理论等。 11 科学概念 科学认识中人们对事物本质属性的认识，是科学思维的最 基本的单元与形式 概念的外延和内涵： 外延：概念所涉及的类的总合 。 内涵：概念中所思考的属性 、 关系和本质特征的总和 。 两者既相互联系又相互区别 。 12 科学概念的特征 可确定性 。 指概念在逻辑上的可确定性 ， 可接收性 。 因此 ， 概 念的制作中是允许科学猜想和假设成份的 。 可检验性 。 不仅要有逻辑上的可确定性 ， 而且必须要有实践上 的可检验性 。 包括直接检验和间接检验 。 一定的稳定性与可变动性的统一 。 科学概念的生命力在于随着 认识的发展而深化 、 变化 ， 甚至更新 ， 但是在一定阶段和时段具 有稳定性 。 13 科学概念的制作 (通过抽象法 ) 抽取共同点 :本质总是通过共同点而表现出来的 ， 所以抽象首 先要抽取共同点 . 限制思路 ， 深入抽取本质 :共同点不等于本质 ， 需经过辩证分 析 ， 有选择地重点深入 ， 着重把握共同点中的本质的东西 . 理想地复现对象 :处理丰富内涵的概念 ， 要对概念的要素进行 辩证综合 ， 或进一步理想化 ， 理想地复现对象 (如质点 、 刚性等 ). 14 科学符号 符号：对象的人工指称物 从认识论角度看，符号是一定的可感知的物质对象，它在贮存、 传递另一对象的信息方面充当另一对象的替代物。 如果 A引起关于 B的观念，那么 A就是 B的符号 特点： 物质性， 可感知性， 含义（被赋予） 15 16 历史上的符号体系 自然语言 :某一社会中历史地形成的一种民族语言。它的基本特征：多义性、 歧义性、语法结构不够严格和统一。 人工语言符号系统 科学术语符号系统， 如元素符号。 专业符号语言： 形式化语言，是以数学、数理逻辑符号语言为蓝本的 科学语言，如计算机语言。 18 符号是思想、意义的承载体，在方法上是科学研究的有力工具。 如计算机语言的发展。 自然语言相对人工语言是基础，是元语言，但又是繁杂的土地。 人工语言越来越精确化、抽象化，其中意义也越来越蒸发掉了。 科学实践和科学抽象的产物，也是推动科学发展的不可缺少的工 具。 19 思想模型 思想模型是人们为科学研究而建立的对原型高度抽象化了 的思想映象系统。 原子模型、 DNA模型 广义地讲，思想模型也包括数学模型 思想模型是科学理论与现实原型之间的中间环节 20 理想模型 思想模型的特殊类型，既具有高度抽象性，又具有某种极限特征。 如 数学 点、线、面， 质点 、 刚体 ，理想 气 体。 21 思想模型是科学抽象的产物 ， 将对象的本质属性和基本过 程以最纯粹的形式甚至以某种极限状态表现出来 。 科学理 论研究的直接对象是思想模型 。 22 思想模型在科学认识过程中的作用 ， 解释功能：由于它是对现实原型的摹写 ， 所以应当与其实验基 础相符合 ， 从而能对有关现实原型的各种观察 、 实验事实作出科 学解释 。 ， 判据功能：以实践为基础建立的思想模型 ， 可间接地起到关于 原型知识的真实性的判据作用 。 ， 预见功能：因是对客体绝对化 、 纯粹化后的产物 ， 往往可以超 越现实条件 ， 揭示研究对象在理想条件下可能出现的情况 。 23 理想实验 运用理想模型在思维中塑造实验过程，并进行严密逻辑推理的一 种思维方法。 它具有一般实验的结构模式，但又具有假想的性质。 严格按照逻辑，抽象理想的过程，按照实际实验的基本步骤进行 思维推演，是思想的操作。 案例 ： 伽利略理想惯性运动实验；反驳亚里士多德落体定律的逻辑推演； 爱因斯坦关于同时的相对性实验；关于惯性质量和引力质量等效的理想实 验。 24 2 科学思维 ：科学研究中的逻辑方法与数学方 法 25 科学思维，则是利用科学抽象的成果概念、符号和思 想模型所进行的深入的认识活动，是主体把握客体本质的 认识活动和认识形式。 逻辑思维、非逻辑思维（形象思维和直觉思维）是科学思 维的基本类型。 26 比较与分类 归纳与统计 分析与综合 形式演绎法 数学方法 27 比较与分类 比较 确定对象之间的相同点与差异点的方法 同中求异 异中求同 比较可以在异类对象之间进行，也可以在同类对象之间进行，还 可以在同一对象的不同方面、不同部分之间进行 28 比较方法的作用 可以建立科学概念：如比重、比热等。 可以导致新的理论的诞生，如用比较的方法研究自然地理，产生 了比较自然地理学。用比较的方法研究生物机体和器官，产生了 比较解剖学，提出 “ 同源器官 ” 概念。 比较方法有其局限性，绝对就容易片面化。 29 相同点的比较 对于两个或两个以上对象进行比较而认识其异中之同 A有 a、 b、 c、 d B有 a、 b、 c 则 A与 B具有相同的特性 a、 b、 c 各种胚胎演化中的相同性比较 31 相异点的比较 对于两个或两个以上对象进行比较而认识其同中之异 . A有 a、 b、 c、 d、 e B有 a 、 b 、 c 、 d、 e 则 A以特性 a、 b、 c 与 B相异 食昆虫 食 仙 人 掌 的 花 和 果 食 带 坚 硬 外 壳 的 种 子 雀啄的比较 33 同异综合的比较 对于两个或两个以上对象进行比较而认识其同中之异与异中之同 . A有 a、 b B有 a、 b p、 q 则 A以特性 a、 b 相似于 B，又以特性 p、 q 区别于 B 同异比较兼有前述两种比较的特点，能够提供较为全面的认识 . 34 比较方法的一些原则要点 事物之间的差异性和同一性是比较认识方法的基础 。 比较必须在同一关系下进行：对象是否具有可比性：但可比性也 是一个历史范畴 。 选择与制定精确的 、 稳定的比较标准：定量比较的基础；也是定 性比较所必需 。 在越是不同的对象中探求相同点 ， 或在越是相同的对象中探求不 同点 ， 对于的就越大 。 35 分类：根据对象的相同点和不同点，将对象划分为不种类 的方法 使复杂的材料条理化、系统化， 谱化体系 36 归纳与统计 归纳：从同类的个别事实推演出共同本质或一般原理的逻辑 思维方法。是从个别到一般的思维方法（也是一种推理形 式） 个别 一般 单称 全称 37 类型： 完全归纳法：如穷举法 （ 前提完全 ） 不完全归纳法： 简单枚举法 科学归纳法： 求同法 ， 求异法 ， 求同共异法 共变法 剩余法 。 38 完全归纳法： S1P S2P SnP 所以 ， SP 穷举法 39 简单枚举法： 如 S1、 S2、 S3 是 S类事物的一部分对象 ， 已知它们都具有属性 P且无例外 ， 则可推及该类事物 S都有 P的属性 ， 缺点：容易犯 “ 以偏概全 ” 的错误 ， 例如：从 H2SO4、 HNO3、 H3PO4和 H3BO5都含氧 ， 得出一切酸都含氧 ， 而 HCL、 HF等不含氧； 例如：一切金属都导电 ， 而锗在通常情况下导电性很差 。 40 科学归纳法：引进了因果关系作为推理依据 求同法：场合 条件 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 41 求异法：场合 条件 研究对象 1 A、 B、 C a 2 B、 C 所以 ， A是 a 的原因 42 求同共异法：场合 条件 研究对象 1 A、 B、 C a 2 A、 D、 E a 3 F、 G 所以 ， A是 a 的原因 43 共变法：场合 条件 研究对象 1 A1、 B、 C a1 2 A2、 B、 C a2 3 A3、 B、 C a3 所以 ， A是 a 的原因 44 剩余法：场合 条件 研究对象 1 A、 B、 C a, b, c 2 B b 3 C c 所以 ， A是 a 的原因 45 归纳法的作用： 与科学认识过程一致 ， 有很大的创造性 （ 科学发现的逻辑 ） ， 从 范围较窄的一般原理到普遍的一般原理 。 46 局限性： 完全归纳法固然可靠 ， 但很难做到； 不完全归纳法具有或然性（需要多种方法配合） 47 归纳问题 Some All Now Future 由已经经验到的东西不可能完全，不可能确切证明未经验到的东西。 归纳本质是不保真的、扩充了的论证。 48 归纳原理不能在逻辑上得到证明： 在时间 t1观察到天鹅 x1是白色的 ， 在时间 t2观察到天鹅 x2是白色的 ， 在时间 t3观察到天鹅 x3是白色的 ， 在时间 tn观察到天鹅 xn是白色的 ， 所以 ， 一切天鹅都是白色的 。 事实上 ,存在黑天鹅 . 49 归纳原理也不能从经验上证明： 在 x1场合运用归纳原理是有效的 ， 在 x2场合运用归纳原理是有效的 ， 在 x3场合运用归纳原理是有效的 ， 在 xn场合运用归纳原理是有效的 ， 所以 ， 在任何场合运用归纳原理总是有效的 。 事实上，并非总是有效，不能保证总是有效。 50 罗素火鸡问题 从前在一个火鸡饲养场里，有一只火鸡发现，第一天上午 9点钟主 人给它喂食，后来每天上午 9时都是。然而，作为一个卓越的归纳 主义者，火鸡并不马上作出结论。它一直等到已收集了有关上午 9 点给它喂食这一经验事实的大量观察；而且，它是在多种情况下 进行这些观察的：雨天和晴天，热天和冷天，星期三和星期四。 最后，火鸡进行归纳推理，得出了下面的结论：“主人总是在上 午 9点钟给我喂食。”可是，事情并不像它所想像的那样简单和乐 观。有一天，主人并没有给它喂食，而是将他它宰杀了，而它通 过归纳概括而得到的结论终于被无情地推翻了。这一天是圣诞节 前夕。 51 归纳辩护 归纳法是到目前为止行之有效的科学方法，所以应继续使用。 问题：用归纳法证明归纳法，循环论证。 自然齐一律的辩护 自然界是有规律的，归纳法可以帮助我们发现这些规律。 问题： 我们如何知道自然界是有规律的 ? 如果是归纳得出的，那么仍是循环论证。 52 对归纳法的消解 科学研究中不应使用归纳法，而是假说 否证法。 “假说 否证法”的形式与“假说 演绎法”的形式相似 TO ， O，得到 T。 53 对归纳辩护的消解 对于所有的方法之辩护，都需要更基本的方法来说明。 归纳法是用以证明其他方法的最基本方法，它本身不能再被证明 。 54 黑天鹅事件 直到 1697年一位探险家在澳大利亚发现了黑天鹅之前，欧洲人一 直认为天鹅都是白色的。因此， “黑天鹅” 有时便用来表征着 一种不可能存在的事物或不可能发生的事件。 55 黑天鹅：如何应对不可知的未来（ The Black Swan: The Impact of the Highly Improbable） “黑天鹅事件”是指满足以下三个特点的事件： 稀有性、 冲击性和 事后（而不是事前）可预测性。 我们面对的未来既有惯性的一面，也有无法预知的一面， 后者或好或坏，让我们希望与恐惧。我们创造的文明与文 化就是要抚平未来的不规则性，将未来纳入到可控的轨道 上，尽管我们取得了巨大的成就，但世界最终仍然是我们 所无法控制得了的。黑天鹅事件无处不在。 56 统计：所研究的对象总体中抽出若干样本，然后根据样本的 统计事实，推论出关于整体的结论 归纳前提 e： 100名肺癌患者中 70人吸烟 归纳统计的结论 h：吸烟是导致肺癌的原因，概率确证度 c(e,h)=0.70 缺点：往往没有揭示事物的原因与本质 57 形式演绎法 科学原理和科学体系必须遵循演绎逻辑的规则。 演绎主义：科学的基础是公理 (天赋、直观、不证自明 ),公理是所 有科学理论的原始前提 ,由此通过演绎方法可以导出整个科学理论 系统。所以 ,科学的方法就是演绎法。 从古代开始 ,欧氏几何就是演绎系统的典范。 经验科学中 ,也将时空的绝对性看作也是一种显而易见、不证自明 的公理。 58 特点：从一般到个别 ， 必然性； 要求：前提可靠 ， 推理合乎规则 。 演绎中的公理： 凡对一类事物有所肯定或否定 ， 则一定对该类事物中的每一个事 物都有所肯定或否定 。 59 推理规则： （ 1） 白头翁会飞 ， 王大爷是白头翁 ， 所以王大爷会飞 。 （ “ 似概 念 ” 的推理 ） （ 2） 有些金属是固体 ， 水银是金属 ， 所以水银是固体 。 （ “ 周 延 ” ） 60 三段论：演绎推理的基本形式， 大前提 M-P 小前提 S-M 结论 S-P 61 大前提：一切 M是（或不是） P 小前提：这个 S是 M 结论：这个 S是 （或不是） P 大前提：一切 M是（或不是） P 小前提：这个 S不是 M 结论：这个 S是（或不是） P 62 假言演绎法：以假言判断为大前提的演绎推理 如果 P，那么 q P真或 P假， q真或 q假 所以 q真或 q假， P真或 P假 63 公理化方法 公理化是从尽量少的原始概念和在大量实践基础上概括出来的， 具有逻辑简单性的不证自明的原始命题出发，通过演绎推理来建 构体系。 三个原则： 无矛盾性 完备性 独立性 64 由公理化方法所得的逻辑演绎体系称为公理化体系 。 欧几 里得在 几何原本 中以 23个定义 、 5条公设和 5条公理作 为出发点 ， 推演出 467个数学命题 ， 将古代关于几何学的知 识系统化为一个逻辑上完美 、 严密的体系 。 几何原本 不仅奠定的集合学的基础 ， 而且提出了公理化方法的范例 （ 虽然并不严格 ） ， 对科学理论的发展产生了深远的影响 。 65 演绎法的作用： 为科学知识的合理性提供逻辑证明 ， 这是主要的作用 ， 如把知识 联系起来 ， 形成公理体系； 反驳错误学说： 例如 ， 伽利略反驳 “ 重物先落地 ” ， 例如 ， “ 永动机 ” 不可能 。 66 预见科学事实 ， 提出科学假说： 例如：泡里提出 “ 中微子 ” （ 衰变能量损失 ） 例如：门捷列夫修改原子量 。 帮助检验假说： 例如 ， 广义相对论验证 ， 光线弯曲到空间弯曲 67 局限性： 创造性小 ， 结论原则上包含在前提之中 ， 主要用于 “ 证明 ” ， 而不是 “ 发现 ” ， 可靠性受前提制约 。 68 数学方法 数学是研究客观世界量与空间结构的科学 。 数学方法是运用数学工具进行科学研究的方法 。 科学只有当它能成功地运用数学时 ， 才算达到了真正完备 的地步 。 69 数学方法的特点是： 高度的抽象性； 精确性 ， 即逻辑的严谨性和量的确定性； 普适性 。 70 现实世界中任何物质系统都是质和量的统一体 。 一切科学 技术研究原则上都需要运用数学方法 。 数学方法为科学研 究提供了 简洁精确的形式化语言； 提供了定量分析和计算的手段； 提供了严密的逻辑推理和科学抽象的工具； 开辟了 “ 数学实验 ” 这种崭新的科学认识途径 。 71 数学模型方法 是通过建立和研究客观对象的数学模型来 揭示对象的本质特征和 变化规律的方法 。 数学模型的基本类 型有：确定性数学模型 、 随机性数学模型 、 突 变性数学模 型 、 模糊性数学模型 。 运用数学模型方法的步骤是： 抽取数量关系 ， 建立数学模型； 对数学模型求解； 对模型解作出解 释和评价 ， 形成对实际问题的判断或预见 。 72 科学思维 ：科学研究中的非逻辑方法 73 非逻辑方法在科学发现中的作用 非逻辑方法与创造性思维 74 联想与类比 联想：从一个概念或事物想到有关的其他概念或事物的心 理活动。 类比推理：根据两个（或两类）不同对象的部分属性相似， 联想推论出两个（或两类）对象的其他属性也可能相似的 一种推理方法。 75 推理格式： A对象有： a,b,c,d属性 B对象有： a ,b ,c 属性，且分别与 a,b,c相似 所以， B对象可能有与 d相似的 d 属性 76 类比推理在科学研究中的作用： 在各种逻辑推理中 ， 最富于创造性； 应用范围广： 康德： “ 每当理智缺乏可靠的论证思路时 ， 类比这个方法往往能指引我 们前进 。 ” 对新的设计思想和技术原理的提出有重要作用： 例如： “ 电子警犬 ” ， “ 电子蛙眼 ” ， “ 超声眼镜 ” ； 声纳 、 雷达的设计思想 ， 类比是模拟实验的逻辑基础： 物理模拟：因果类比 、 综合类比 数学模拟 （ 计算机模拟 ） ：协变类比 。 77 类比推理的局限性： 类比法在各种推理方法中 ， 可靠性最小 ， 例如：勒维列 “ 火神星 ” 预言的破产 “ 火星人 ” 预言的破产 。 不可靠的原因： 类比法的客观基础不牢固：异中求同； 类比法的逻辑根据不充分：前提与结论只是一种可能性 。 78 想象，灵感与直觉 想象：在头脑中改造记忆中的表象而创造新形象的过程 理想模型：质点，绝对刚体，理想液体 可以直观形象地揭示对象的本质和规律，充分利用大脑右半球的 思维能力。 更具有创造性，容易突破思维活动中常规的限制。 79 爱因斯坦：想象力比知识更重要，因为知识是有限 的， 想象力是科学研究中的实在因素。 80 灵感：主体对于反复思考而尚未解决的问题，因某种偶然 因素或潜意识信息启发而得到突然顿悟的心理状态 81 灵感的特征和作用 A、 灵感是对人们长期艰苦劳动的一种报偿和奖励 例如：阿基米德的发现 （ 金冠参假和浮力定律 ） 82 B、 灵感是不知不觉产生的 ， 要能及时 “ 抓住 ” 例如：汤川秀树 ， 及时用笔记下 83 产生灵感的条件： 因人而异：一般来说 ， 环境清静 ， 心情安宁是产生灵感的好时光 。 例如： 原子在我家中 费米在玩捉壁虎游戏时产生 “ 费米统计法 ” 英国 布朗发现 ， 浴盆 、 床铺和农村散步适宜产生灵感 。 例如：汤川秀树在床上产生介子的预言 。 例如：生物学家坎农利用夜间产生灵感。 84 直觉：创造者在已有知识和经验基础上对事物本质的直接 领悟和判断。 直觉思维是指思维对感性经验和已有知识进行思考时，不受某种 固定的逻辑规则约束而直接领悟事物的本质的一种思维方式。 85 直觉思维在科学认识中的作用 1、直觉思维在科研创新中是不可缺少的， 爱因斯坦对科研认识过程的阐述： “ 从特殊到一般的道路是直觉的，而从 一般到特殊的道路是逻辑性的。 ” 例如：狭义相对论建立的关键：直觉地形成了时间和空间概念，然后再用 演绎方法 86 依靠直觉思维进行选择 例如： 1900年 ， 普朗克提出能量子假说后 ， 选择： 修改旧理论来维护经典物理学 ， 革命：创立量子力学 （ 爱因斯坦选择光量子假说 ） 泡利的评价：爱因斯坦依赖了他的非凡的直觉能力 。 例如：求积分 ， 除了一些手段和技巧外 ， 全凭直觉能力 。 几 何证明 。 87 科学家依靠 “ 战略直觉力 ” ， 决定研究发展的方向 例如：卢瑟福确定研究原子核方向 玻尔评价： “ 卢瑟福很早就以他深邃的直觉而认识到由复杂原子 核的存在及其稳定性所带来的那些奇异而新颖的问题 。 泡利指出： “ 物理学的新发现对科学家的直觉和机智有强烈的要 求 88 直觉思维的局限性： 可靠性最小 ， 与类比方法相比 ， 不受逻辑规则的约束； 不提供成果 ， 只提供新的启示 、 设想 、 思路和途径 。