科技论文写作-科技创新与论文写作-第2章-科研基本方法与创新(50)课件

第第2 2章章 科技研究基本方法科技研究基本方法 2.1 2.1 研究方法分类研究方法分类 科技研究方法是指在研究中发现新现象科技研究方法是指在研究中发现新现象 新事物新事物,或或提出新理论提出新理论 新观点新观点,揭示事物内在规律的工具或手段揭示事物内在规律的工具或手段,是是运用智慧进行科学思维的技巧运用智慧进行科学思维的技巧.包括包括:文献调查法文献调查法 观察法观察法 思辩法思辩法 概念分析法概念分析法 比比较研究法等较研究法等.不同的角度有不同的分类方法不同的角度有不同的分类方法.第2章 科技研究基本方法 2.1 研究方法分类 科获取科学事实的方法获取科学事实的方法观察方法观察方法,实验方法实验方法科学思维方法科学思维方法逻辑方法逻辑方法:分析与综合分析与综合,归纳与演绎归纳与演绎,类比等类比等非逻辑方法非逻辑方法:直觉直觉,灵感灵感,创造性思维创造性思维数学方法数学方法:一元回归一元回归,多元回归等多元回归等假设检验与假设检验与理论方法理论方法逻辑分析逻辑分析,实践检验实践检验,证实与证伪证实与证伪,判决性实验判决性实验;理论构建理论构建,公理化方法公理化方法,抽象到具体的方法抽象到具体的方法技术方法技术方法技术预测技术预测:类比性预测类比性预测,归纳性预测等归纳性预测等技术评估技术评估:效果评估法效果评估法,多目标评估法多目标评估法,环境评估环境评估原理构思原理构思:实验提升实验提升,自然模拟等自然模拟等工程设计方法工程设计方法系统科学方法系统科学方法系统分析法系统分析法,信息方法信息方法,反馈控制法反馈控制法,黑箱法黑箱法,系统规划方法系统规划方法,功能对比法功能对比法,自组织理论方法自组织理论方法获取科学事实的方法观察方法,实验方法科学思维方法逻辑方法:分普利高津1917年生于莫斯科，1945年在比利时布鲁塞尔自由大学获得博士学位后留校工作，两年后被聘为教授。他主要研究非平衡态的不可逆过程热力学，提出了“耗散结构”理论，并因此于1977年获得诺贝尔化学奖。耗散结构理论就是研究系统怎样从混沌无序的初始状态向稳定有序的组织结构进行演化的过程和规律普利高津之所以受到科学家们的敌视，很可能是因为他揭示了20世纪末自然科学的阴暗面，甚至从某种意义上说是掘就了科学的坟墓。而80高龄的普利高津本人，也豁出去了，直言霍金时间简史的谬误86岁的普利高津（Ilya Prigogine），“合上了科学史上的一个篇章”（2003年7月3日英国自然杂志讣告）。有人认为，作为“20世纪最有影响的科学思想家之一”普利高津1917年生于莫斯科，1945年在比利时布鲁塞尔自由 2.2 2.2 归纳与演绎法归纳与演绎法 推理是根据一推理是根据一个或一些判断得个或一些判断得到另一个判断的到另一个判断的思维形式。思维形式。归纳法归纳法演绎法演绎法2.2.1 2.2.1 归纳法归纳法 2.2 归纳与演绎法 推理是根据一归纳法演绎法2（1 1）求同法）求同法 因素因素 对象对象 A、B、C a A、D、E a A、F、G a A a（A A是是a a的原因）的原因）求同法是从不同的场合中寻求相同的因素求同法是从不同的场合中寻求相同的因素 一、一、归纳法的主要类型与特点归纳法的主要类型与特点特点：特点：个别个别一般；一般；结果有一定的可靠依据；结果有一定的可靠依据；具有或然性。具有或然性。（1）求同法 因素 对象求同法是从 左图为左图为门捷列夫元素门捷列夫元素周期表初稿周期表初稿 18691869年年 门捷列夫将已有的数门捷列夫将已有的数据进行归纳，于据进行归纳，于1869年年确定了化学元素性质与确定了化学元素性质与原子量之间关系。归纳原子量之间关系。归纳概括出了化学元素的周概括出了化学元素的周期律。门捷列夫又以这期律。门捷列夫又以这普遍规律为指导，进行普遍规律为指导，进行演绎推理，预言了当时演绎推理，预言了当时尚未发现的新元素尚未发现的新元素Al、B、Si、Sc(钪）等元素。钪）等元素。但在但在当时大多数科学当时大多数科学家对此都进行了不同程家对此都进行了不同程度的批评。度的批评。例例2-1 2-1 元素周期律元素周期律 左图为门捷列夫元素周期表初稿 1869年 例2-（2 2）求异法）求异法 因素因素 对象对象 A、B、C a B、C 不不 a A a A A是是a a的原因，有因果关系的原因，有因果关系从两种场合的差异中找出事物的因果关系从两种场合的差异中找出事物的因果关系例子例子 钟声在空气中响能听到，钟声在空气中响能听到，在真空中听不到在真空中听不到 声音是在空气中传播的。声音是在空气中传播的。（2）求异法 因素 对象从两种 （3 3）同异并用法）同异并用法 把求同法和求异法两种推理把求同法和求异法两种推理形式结合起来寻求研究对象的形式结合起来寻求研究对象的因果关系。因果关系。（4 4）剩余法）剩余法 在一组复杂的自然事物或现在一组复杂的自然事物或现象中，排除已有因果关系后，象中，排除已有因果关系后，来研究其它现象产生的原因。来研究其它现象产生的原因。实质上是求异法的变种。实质上是求异法的变种。实例实例 居里夫人观察到沥青铀矿的放射线居里夫人观察到沥青铀矿的放射线要比已知铀量的放射线强许多倍。经分要比已知铀量的放射线强许多倍。经分析推测：除铀以外，剩余的放射线强度析推测：除铀以外，剩余的放射线强度肯定是由于其它元素引起的。经过试验肯定是由于其它元素引起的。经过试验和提炼，终于又发现了镭。和提炼，终于又发现了镭。1867-1934.7.4）。世界著名科学家，研究）。世界著名科学家，研究放射性放射性现象，发现现象，发现镭镭和和钋钋（p）两种天然放射性元素，一生两度获）两种天然放射性元素，一生两度获诺贝尔奖诺贝尔奖（第一次获得诺贝（第一次获得诺贝尔物理奖尔物理奖1903，第二次获得诺贝尔化学奖，第二次获得诺贝尔化学奖1911）。）。（3）同异并用法 把求同法和求异法两种推理形式结合二、二、归纳法的作用与局限性归纳法的作用与局限性 实例实例 生吞鱼胆新丧人命生吞鱼胆新丧人命 鸡苦胆鸡苦胆治百日咳；治百日咳；猪苦胆猪苦胆治气管炎；治气管炎；蛇苦胆蛇苦胆治风湿。治风湿。鱼胆能美容。鱼胆能美容。一妇女一妇女生吞鱼胆丧人命。生吞鱼胆丧人命。卫生与生活报卫生与生活报,1993.1,1993.1报道报道 归纳法具有一定的归纳法具有一定的科学性科学性：科学研究也是从积累大量：科学研究也是从积累大量数据到概括出一般原理的过程；归纳法具有很大的数据到概括出一般原理的过程；归纳法具有很大的创造性创造性，主要用于科学发现。主要用于科学发现。归纳法有归纳法有局限性局限性。是一种或然性的推理方法。是一种或然性的推理方法。二、归纳法的作用与局限性 实例 2.2.2 演绎法演绎法从已知的一般原理、定理、法则、公理或科从已知的一般原理、定理、法则、公理或科学概念出发，推论出某些事物或现象具有某学概念出发，推论出某些事物或现象具有某种属性或规律的新结论的一种科学研究方法。种属性或规律的新结论的一种科学研究方法。是从一般原理推理出个别结论的方法。即由是从一般原理推理出个别结论的方法。即由大前提（一般原理）、小前提（已知个别事大前提（一般原理）、小前提（已知个别事实与大前提中全体事实的关系）和结论（个实与大前提中全体事实的关系）和结论（个别事实的认识）组成。别事实的认识）组成。数学、物理等学科的广泛使用的公理化方法。数学、物理等学科的广泛使用的公理化方法。2.2.2 演绎法从已知的一般原理、定理、法则、公理或科学一、一、演绎法的作用与局限性演绎法的作用与局限性1 1）用逻辑推理方式为科学知识提供逻辑证明）用逻辑推理方式为科学知识提供逻辑证明2 2）演绎法也是解释和预见科学事实、提出科）演绎法也是解释和预见科学事实、提出科 学假说的重要方法学假说的重要方法3 3）演绎推理在检验假说中也有很重要的作用）演绎推理在检验假说中也有很重要的作用4 4）演绎法的局限性）演绎法的局限性 结论包含在前提中结论包含在前提中难以作出新的概括难以作出新的概括 结论可靠性受到前提制约结论可靠性受到前提制约不绝对可靠的不绝对可靠的 一、演绎法的作用与局限性1）用逻辑推理方式为科学知识提供逻 归纳与演绎法领域的三位著名科学家代表：归纳与演绎法领域的三位著名科学家代表：培根培根 “知识就是力量知识就是力量”名言。他重视实名言。他重视实验观察、科学方法论，偏重归纳法。验观察、科学方法论，偏重归纳法。但轻视演绎推理和数学方法。但轻视演绎推理和数学方法。笛卡尔笛卡尔伽利略伽利略 法国哲学家、数学家、物理学家，法国哲学家、数学家、物理学家，是唯理论代表。提出了以数学为基础是唯理论代表。提出了以数学为基础的唯理论演绎法。的唯理论演绎法。意大利物理学家意大利物理学家.主张用观察、实验主张用观察、实验和数学相结合的方法来研究自然世界。和数学相结合的方法来研究自然世界。典型例子典型例子 落体定律和惯性原理。人落体定律和惯性原理。人们称他为近代实验科学之父和近代科们称他为近代实验科学之父和近代科学方法的奠基人学方法的奠基人。归纳与演绎法领域的三位著名科学家代表：培根 “知 2.3 分析与综合法分析与综合法分析法在思维方式上的特点分析法在思维方式上的特点 1 1、分解整体，、分解整体，分别研究。分别研究。三个环节：三个环节：解剖，解剖，分析部分；分析部分；分析相互联系分析相互联系 2 2、贯穿于科、贯穿于科学研究的全过学研究的全过程，并渗透到程，并渗透到所有的研究方所有的研究方法中。法中。3 3、有局限性。、有局限性。容易将人们眼容易将人们眼光限制在片面、光限制在片面、狭窄的领域里。狭窄的领域里。认识事物整体，认识事物整体，综合法。综合法。分析：就是把研究对象分解成几个组成部分，然后分别加以分析：就是把研究对象分解成几个组成部分，然后分别加以 研究，从而认识事物的基础或本质的一种科学方法。研究，从而认识事物的基础或本质的一种科学方法。2.3 分析与综合法分析法在思维方式上的特点 1、分综合综合：是在已经认识到本质的基础上，将对象各方面的本质有机地联合成一个整体，即把事物的各个部分的认识有机结合，形成对事物整体认识和思维的方法。综合方法和分析方法的认识过程的方向是完全相反的。长期以来，大多数人擅长分析而不擅长综合或系统思想。长期以来，大多数人擅长分析而不擅长综合或系统思想。20世纪五十年代，系统思想和系统方法日益受到重视。世纪五十年代，系统思想和系统方法日益受到重视。综合：是在已经认识到本质的基础上，将对象各方面的本质有机地联综合是通向综合是通向科学发现的科学发现的重要途径重要途径综合是技术综合是技术发明创造的发明创造的重要途径重要途径突出典型突出典型牛顿万有引力定律牛顿万有引力定律和力学三大定律和力学三大定律 对前人成果分析对前人成果分析 创造性综合。创造性综合。牛顿的成果是科学综合的结果牛顿的成果是科学综合的结果 美国宇宙飞船总设计师曾说过：美国宇宙飞船总设计师曾说过：今天的世界，没有什么新东西不今天的世界，没有什么新东西不是通过综合而制成的是通过综合而制成的 综合法在思维方式上的特点：联系部分，综合统一。综合法在思维方式上的特点：联系部分，综合统一。综合为多样性的统一体。综合为多样性的统一体。有人分析：日本是靠三分欧洲技术和有人分析：日本是靠三分欧洲技术和七分美国技术的综合，七分美国技术的综合，富于创造性的富于创造性的日本技术。日本技术。综合是通向综合是技术突出典型牛顿万有引力定律 对前人成果分 现代科学发展呈现了整体化的趋现代科学发展呈现了整体化的趋势，所以只有运用综合方法才能更好势，所以只有运用综合方法才能更好地开拓新领域。许多综合性学科、边地开拓新领域。许多综合性学科、边缘学科、交叉学科、新学科的出现，缘学科、交叉学科、新学科的出现，都是与综合方法的运用密切相关的。都是与综合方法的运用密切相关的。综合总是与分析并用的。分析和综合是综合总是与分析并用的。分析和综合是互为前提、互相补充、渗透、转化。互为前提、互相补充、渗透、转化。科学认识的发展总是沿着“分析 综合 新的分析 新的综合。现代科学发展呈现了整体化的趋势，所以只有运用综2.4 2.4 类比与移植法类比与移植法一、一、类比法的作用类比法的作用基本通式基本通式 A A类对象具有类对象具有a a、b b、c c、d d属性或事属性或事物或规律；物或规律；B B类对象具有类对象具有a a1 1、b b1 1、c c1 1属性或事属性或事物或规律；物或规律；其中，其中，a a1 1、b b1 1、c c1 1分别与分别与a a、b b、c c相同或相似。相同或相似。结论：结论：B B类对象可能具有类对象可能具有d d1 1属性或属性或事物或规律，且事物或规律，且d d1 1与与d d相同或相似相同或相似基本类型基本类型 数学相似类比法，因果类比法，数学相似类比法，因果类比法，综合类比法，对称类比法，综合类比法，对称类比法，剩余类比法等。剩余类比法等。类比法指通过两个或两类事物或现象进行对比，根据相似点或相同点类比法指通过两个或两类事物或现象进行对比，根据相似点或相同点推论出他们的其他属性或规律也可能有相似点或相同点的结论。这是推论出他们的其他属性或规律也可能有相似点或相同点的结论。这是以比较为基础，包含特殊以比较为基础，包含特殊-特殊、一般特殊、一般-一般的逻辑思维方法。一般的逻辑思维方法。2.4 类比与移植法基本通式 A类对象具有a、b 例例2-2 2-2 泡沫金属材料的发明泡沫金属材料的发明 面包的多孔疏松面包的多孔疏松自身释放气体形成小气泡。自身释放气体形成小气泡。因果类比：因果类比：在金属中增加了一些添加剂、改变制造工在金属中增加了一些添加剂、改变制造工艺，发明了泡沫金属材料艺，发明了泡沫金属材料类比法类比法作用作用（1 1）类比为模拟试验提供逻辑基础；）类比为模拟试验提供逻辑基础；（2 2）不受专业、学科的界限的束缚；）不受专业、学科的界限的束缚；（3 3）在技术上可做出重大发明；）在技术上可做出重大发明；（4 4）不同领域创新方法的移植和渗透）不同领域创新方法的移植和渗透 水利大工程模拟试验是综合类比法。在模型和原型之间，水利大工程模拟试验是综合类比法。在模型和原型之间，除几何尺寸成比例之外，还必须保持相似准数的一致。除几何尺寸成比例之外，还必须保持相似准数的一致。例2-2 泡沫金属材料的发明 面包的多孔疏松二、二、移植法的特点与作用移植法的特点与作用 定义定义 将某学科的原理、方法或技术用于将某学科的原理、方法或技术用于研究分支科学或其它学科技术领域的理研究分支科学或其它学科技术领域的理论、技术或方法问题。它是通过横向、论、技术或方法问题。它是通过横向、纵向联想和类比等方法进行的。所以和纵向联想和类比等方法进行的。所以和类比、联想法有密切联系或相似。类比、联想法有密切联系或相似。特点特点 显著的创新性和综合性显著的创新性和综合性类型类型 技术移植创新法。技术移植创新法。原理移植创新法；原理移植创新法；方法移植创新法；方法移植创新法；综合移植创新法。综合移植创新法。二、移植法的特点与作用 定义 将某学科的原例例2-3 2-3 螺旋桨技术的推广螺旋桨技术的推广 螺旋桨技术最初是为省力船而发明的螺旋桨技术最初是为省力船而发明的推进桨轮推进桨轮，经过一个，经过一个多世纪，人们把这项技术移植到飞机上，成为多世纪，人们把这项技术移植到飞机上，成为航空推进器航空推进器，发明了螺旋桨飞机。后来又将其改型后移植到吹风领域，发发明了螺旋桨飞机。后来又将其改型后移植到吹风领域，发明了明了电风扇电风扇。这是技术移植创新法。这是技术移植创新法。船用螺旋桨的桨船用螺旋桨的桨叶尖在水中运动时叶尖在水中运动时描绘出一条无限延描绘出一条无限延伸的螺旋状曲线，伸的螺旋状曲线，称为圆锥体螺线。称为圆锥体螺线。实际螺线与理想螺实际螺线与理想螺线之差称为线之差称为“滑矢滑矢”，这是衡量螺旋，这是衡量螺旋桨效率的标准。桨效率的标准。例2-3 螺旋桨技术的推广 船用螺旋桨的桨叶尖在水中 例例2-4 2-4 气针的发明与移植推广气针的发明与移植推广 例例2-5 2-5 外科医学用的消毒剂外科医学用的消毒剂医用注射器医用注射器活塞加压活塞加压针头针头药物推入体内药物推入体内方法移植方法移植创新创新气针、气筒气针、气筒注射器、针头注射器、针头 结构类似结构类似球类球类打气打气 法国微生物法国微生物家巴斯德发现家巴斯德发现酒变酸和肉汤酒变酸和肉汤变质是因细菌变质是因细菌所造成的所造成的 原理移植原理移植医学领域。医学领域。发明外科手发明外科手术用消毒剂术用消毒剂英国外科医生英国外科医生 利斯特利斯特 联想：联想：伤口化脓伤口化脓 例2-4 气针的发明与移植推广 例2-5 外科医学用 例例2-6 2-6 拉链的发明与推广拉链的发明与推广拉链发明拉链发明 美国发明，美国发明，19051905年专利。开、合年专利。开、合功能独特，用途很多。功能独特，用途很多。2020世纪十大世纪十大科技发明排序调查，排在第一位。科技发明排序调查，排在第一位。应用广泛应用广泛 衣、裤、箱、鞋、帽、包、袋等衣、裤、箱、鞋、帽、包、袋等日常生活。日常生活。方法移植方法移植 美国医生以创新的方法应用于手术病人。该美国医生以创新的方法应用于手术病人。该医生把拉链用在肚子上，随时打开拉链检查腹医生把拉链用在肚子上，随时打开拉链检查腹腔。这就是皮肤拉链缝合技术。腔。这就是皮肤拉链缝合技术。例2-6 拉链的发明与推广拉链发明 美国发明，190科技论文写作-科技创新与论文写作-第2章-科研基本方法与创新(50)课件 例例2-7 2-7 美国推出镂空自行车：最结实的自行车美国推出镂空自行车：最结实的自行车 镂空管取代钢管。镂空镂空管取代钢管。镂空管是由碳纤维编织而成，管是由碳纤维编织而成，并由凯夫拉尔绳捆扎，形并由凯夫拉尔绳捆扎，形成蜘网式结构。强度胜过成蜘网式结构。强度胜过钢、铝和钛。钢、铝和钛。整车则要整车则要11995美元，美元，它的重量只有它的重量只有2.75磅。磅。2008.3报道报道 l磅磅=0.454kg，1.25kg 例2-7 美国推出镂空自行车：最结实的自行车 镂空管 例例2-8 2-8 现代流行服装的根源现代流行服装的根源喇叭裤喇叭裤 我国古代发明。远在几千年前我国古代发明。远在几千年前的商周时期，人们就穿着的商周时期，人们就穿着“宽松宽松式式”服装，无论裙子和裤腿，都服装，无论裙子和裤腿，都呈一种喇叭形状。呈一种喇叭形状。数百年前传人欧洲，数百年前传人欧洲，被设计师吸收改造，曾被设计师吸收改造，曾在在20世纪初世纪初流行流行 到到7070年代，人们从西年代，人们从西方闲置不用的喇叭裤中方闲置不用的喇叭裤中看到美感，风行一时看到美感，风行一时 现在世界流行的宽松现在世界流行的宽松式服装，实际上是把孔式服装，实际上是把孔夫子那衣服改一改，又夫子那衣服改一改，又穿上罢了穿上罢了 丝路花雨丝路花雨歌舞剧歌舞剧设计出一种优美的舞设计出一种优美的舞蹈喇叭裤蹈喇叭裤 例2-8 现代流行服装的根源喇叭裤 我国古代发明。远健美裤健美裤 把身体的曲线全部显示出来把身体的曲线全部显示出来 更有感力，更显抚媚。更有感力，更显抚媚。其实，这宽上衣、紧裤子原是穿在哈姆雷特身上其实，这宽上衣、紧裤子原是穿在哈姆雷特身上的。过了五百年，人们把这套衣服转而穿在女人身的。过了五百年，人们把这套衣服转而穿在女人身上，真是不可思议。上，真是不可思议。筒裤筒裤19771977年日本电影年日本电影望乡望乡在中国放映。在中国放映。演员栗原小娟穿的简裤，产生了很大余演员栗原小娟穿的简裤，产生了很大余波。苗条的身姿，令无数观众倾倒。波。苗条的身姿，令无数观众倾倒。眨眼之间，北京便成为简裤之海。可以说，任眨眼之间，北京便成为简裤之海。可以说，任何世界名模，都没有象栗原小娟那样给中国人留何世界名模，都没有象栗原小娟那样给中国人留下过如此深刻的印象和如此强大的吸引力。下过如此深刻的印象和如此强大的吸引力。健美裤 把身体的曲线全部显示出来 其实，这宽 蛛丝虽然细小但韧性十足。蜘蛛都有属于自己的领地，所蛛丝虽然细小但韧性十足。蜘蛛都有属于自己的领地，所以不能像蚕一样被人类饲养。想大量获得蛛丝不是容易的事。以不能像蚕一样被人类饲养。想大量获得蛛丝不是容易的事。例例2-9 2-9 蜘蛛丝的研究与移植蜘蛛丝的研究与移植 蛛丝虽然细小但韧性十足。蜘蛛都有属于自己的领人造蛛丝人造蛛丝以色列科学家以色列科学家研究方法研究方法 采用花园蜘蛛的基因来复制采用花园蜘蛛的基因来复制 人工蛛丝中所必须的蛋白质，人工蛛丝中所必须的蛋白质，将能够进行基因生产的微生物将能够进行基因生产的微生物 注入提取出的蜘蛛蛋白，就可注入提取出的蜘蛛蛋白，就可 以大量生产蛛丝。人造蛛丝直以大量生产蛛丝。人造蛛丝直 径只有千分之一毫米。径只有千分之一毫米。蛛丝用途蛛丝用途 可用于外科手术用线，光纤可用于外科手术用线，光纤和钓鱼用具。和钓鱼用具。人造蛛丝以色列科学家研究方法 采用花园蜘蛛的基因来基因棉花基因棉花巴西科学家巴西科学家研究方法研究方法 研究思维更进一步，将研究思维更进一步，将蜘蛛基因蜘蛛基因植入棉花植入棉花，以求获得纤维更加结实、，以求获得纤维更加结实、柔韧性更好的棉花新品种。柔韧性更好的棉花新品种。认为蜘蛛网之所以结实，是因认为蜘蛛网之所以结实，是因蜘蛛有一种特殊基因。蜘蛛有一种特殊基因。20052005年开始年开始采摘首批试验棉。采摘首批试验棉。用途用途 转基因棉花可以用来制转基因棉花可以用来制 作作运动服和防弹衣运动服和防弹衣基因棉花巴西科学家研究方法 研究思维更进一步，将蜘球形水上步行器球形水上步行器 例例2-10 2-10 水上步行器水上步行器发明发明球形水上步行器 例2-10 水上步行器发明2.5 2.5 数学与模型法数学与模型法一、一、数学方法及其应用数学方法及其应用 定义定义运用数学所提供的概念、理论和方法对研究对象运用数学所提供的概念、理论和方法对研究对象的数量、结构等方面的进行定量地分析、描述和的数量、结构等方面的进行定量地分析、描述和推导及计算，以便从量的概念上对研究问题做出推导及计算，以便从量的概念上对研究问题做出分析、判断，认识事物变化的本质规律。分析、判断，认识事物变化的本质规律。马克思马克思 一种科学只有在成功地运用数学时，一种科学只有在成功地运用数学时，才能达到了真正完善的地步才能达到了真正完善的地步爱因斯坦爱因斯坦 科学家必须在庞杂的经验事实中抓住科学家必须在庞杂的经验事实中抓住某些可用精确公式表示的普遍特征，由某些可用精确公式表示的普遍特征，由此探索自然界的普遍真理。此探索自然界的普遍真理。揭示研究对象的本质特征和变化规律的一种方法，是解决科学技术问题常揭示研究对象的本质特征和变化规律的一种方法，是解决科学技术问题常用的，也是最重要的方法。用的，也是最重要的方法。被人们称誉为被人们称誉为“科学的皇后科学的皇后”。2.5 数学与模型法定义运用数学所提供的概念、理论和方法对 数学在现代数学在现代科技中应用越科技中应用越来越重要来越重要 如纯数学的矩阵理论，六十如纯数学的矩阵理论，六十五年后应用于描述原子系统中矩五年后应用于描述原子系统中矩阵力学。阵力学。开始创立的张量理论在开始创立的张量理论在3535年年后被爱因斯坦应用于相对论，成后被爱因斯坦应用于相对论，成为相对论的基本数学工具。这样为相对论的基本数学工具。这样的例子很多。的例子很多。数学方法数学方法作用作用 提供简洁精确的形式化语言；提供简洁精确的形式化语言；提供数量分析和计算的手段与技巧；提供数量分析和计算的手段与技巧；提供可靠的逻辑推理和证明的工具。提供可靠的逻辑推理和证明的工具。谷神星发现。意大利科学家观察，高斯谷神星发现。意大利科学家观察，高斯计算，称为计算，称为“铅笔尖铅笔尖”发现的新行星。发现的新行星。例子例子 数学在现代 如纯数学的矩阵理论，六十五年后二、二、模型化方法模型化方法 模型化模型化内涵内涵 模型决定研究对象的基本概念、方向、模型决定研究对象的基本概念、方向、方法和原理。方法和原理。理想模型是舍去次要、突出主要特征。理想模型是舍去次要、突出主要特征。模型建立、修改和完善。科学理论发展模型建立、修改和完善。科学理论发展常是模型的常是模型的修正和更替修正和更替。如牛顿的万有引力模型、达尔文的如牛顿的万有引力模型、达尔文的生物进化模型等。生物进化模型等。例例2-11 2-11 量子理论的创立量子理论的创立 卢瑟福对大量原子光谱做了很多精确的唯象分析卢瑟福对大量原子光谱做了很多精确的唯象分析 提出了原子结构模型。玻尔根据卢瑟福的模型和已有的提出了原子结构模型。玻尔根据卢瑟福的模型和已有的数据数据创立了量子理论。创立了量子理论。二、模型化方法 模型化 模型决定研究对象的模型化模型化 用适当的文字、图表和数学方程来表用适当的文字、图表和数学方程来表述系统的结构与行为的一种科学方法述系统的结构与行为的一种科学方法 数学模型数学模型具备条件具备条件1）反映原型本质特征和关系反映原型本质特征和关系,且且合理简化合理简化2）能对问题进行理论分析，能对问题进行理论分析，逻辑推导逻辑推导3）能合理描述具体研究对象，能合理描述具体研究对象，解决问题解决问题分类分类按建立的方法有理论型，经验型；按建立的方法有理论型，经验型；按变量性质分类有确定性和随机性型；按变量性质分类有确定性和随机性型；按函数关系分，有线性和非线性型；等按函数关系分，有线性和非线性型；等这里简单介绍理论模型和经验模型。这里简单介绍理论模型和经验模型。模型化 用适当的文字、图表和数学方程来表 数学模型1理论模型理论模型特点特点经验模型经验模型特点特点模拟模拟类型类型 模拟也称仿真（模拟也称仿真（SimulationSimulation），是模型化），是模型化的继续的继续。基本上可以分为三类：基本上可以分为三类：几何模拟；几何模拟；数字模拟；数字模拟；物理模拟物理模拟 关系式较复杂，有物理意义；关系式较复杂，有物理意义；理论意义，与实际差异大；理论意义，与实际差异大；分析和推导的难度较大。分析和推导的难度较大。数理统计分析得到关系式；数理统计分析得到关系式；性质是唯象的或半唯象的；性质是唯象的或半唯象的；应用范围限制。应用范围限制。唯象理论是实验现象更概括的总结和提炼，但是无法用已有的科学理论体系作出解释，所以钱学森说唯象理论就是知其然不知其所以然。唯象理论被称作前科学，被实践证明有效的一些理论和知识，无法用言语或文字表达出来，波兰尼认为这种知识无法通过现代学校教育的方式有效获得，而必须采用学徒制的方式。“象”是中国古代哲学的重要范畴，中国古代书画诗词强调意象，所以有“只可意会，不可言传”一说，理论模型经验模型模拟 模拟也称仿真（Simulation物理模拟物理模拟是通过实验室物理实验模拟真实物理过程的方法。将实际地形物理的缩小模型置于实验体（如风洞、水槽等）内，在满足基本相似条件（包括几何、运动、热力、动力和边界条件相似）的基础上，模拟真实过程的主要特征，如空气动力规律和扩散规律。由于所有相似条件不可能完全满足，针对具体要求恰当选取相似参数是实现物理模拟的关键。物理模拟主要用于数值计算模式难于处理的复杂地形以及建筑物影响时的扩散研究。物理模拟实验与现场实验相比条件易控制、重复，且省人力、物力，可进行较全面和规律性实验，是大气扩散研究的重要手段。数值模拟数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。比如某一特定机翼的绕流，通过计算并将其计算结果在荧光屏上显示，可以看到流场的各种细节：如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。通过上述方法，人们可以清楚地看到激波的运动、涡的生成与传播。总之数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。物理模拟是通过实验室物理实验模拟真实物理过程的方法。将实际地 例例2-122-12 模拟验证伽马射线摧毁地球模拟验证伽马射线摧毁地球6 6成生命成生命 科学家提出科学家提出 地球上生命可能被宇宙伽马射线大爆地球上生命可能被宇宙伽马射线大爆炸毁灭过。炸毁灭过。很难找到直接证据很难找到直接证据 美国堪萨斯大学的科学家通过美国堪萨斯大学的科学家通过计算机模拟计算计算机模拟计算，证明了证明了伽马射线摧毁地球伽马射线摧毁地球6 6成生命。成生命。模拟实验模拟实验结果结果 博士生托马斯在导师指导下，建立博士生托马斯在导师指导下，建立计算机数字模型进行模拟计算，发现一计算机数字模型进行模拟计算，发现一次次4.54.5亿年前在离地球亿年前在离地球60006000光年处发生光年处发生的仅持续的仅持续1010秒的伽马射线大爆炸，竟然秒的伽马射线大爆炸，竟然能毁灭地球能毁灭地球60%60%以上的生命。主要是毁以上的生命。主要是毁坏大部分臭氧层。坏大部分臭氧层。例2-12 模拟验证伽马射线摧毁地球6成生命 科学家提出 2.6 系统与优化法系统与优化法一、一、系统方法的基本原则系统方法的基本原则 系统方法系统方法本质特征本质特征 整体性整体性整体与部分统一整体与部分统一 基本依据基本依据 最优化最优化状态、效果最优状态、效果最优 基本目的基本目的 模型化模型化实现优化定量化实现优化定量化 基本途径基本途径自然系统自然系统功能优化功能优化螳螂在螳螂在1/201/20秒确定昆虫的速度秒确定昆虫的速度 距离和方向距离和方向 现代化火炮跟踪系统所望尘莫及；现代化火炮跟踪系统所望尘莫及；海豚海豚 超过现代潜艇的航速；超过现代潜艇的航速；响尾蛇在相当远距离测到响尾蛇在相当远距离测到1/10001/1000的变化的变化 导弹红外跟踪系统难以达到。导弹红外跟踪系统难以达到。2.6 系统与优化法系统方法 整体性整体与部分统一 二、二、系统方法在科研创新中的作用系统方法在科研创新中的作用 1 1）系统方法具有）系统方法具有重大创造性重大创造性的功能的功能 阿波罗登月计划成功实施，总负责韦伯博士阿波罗登月计划成功实施，总负责韦伯博士2 2）系统方法是研究各种）系统方法是研究各种复杂系统复杂系统的有效手段的有效手段用定量化方法研究解决了大型复杂问题，建立用定量化方法研究解决了大型复杂问题，建立了系统工程理论了系统工程理论3 3）用系统方法经营事业，可以实现）用系统方法经营事业，可以实现整体优化整体优化综合地反复地利用自然资源，并且也要将废物综合地反复地利用自然资源，并且也要将废物转化为产品，循环为人类服务。在生产过程中转化为产品，循环为人类服务。在生产过程中要实现无废物循环，实现可持续发展的战要实现无废物循环，实现可持续发展的战略略-绿色生态园绿色生态园二、系统方法在科研创新中的作用 1）系统方 仿人体机器人，具有智能系统化功能。可以仿人体仿人体机器人，具有智能系统化功能。可以仿人体做做3232个动作。他既可以向大家介绍机器人的工作原理，个动作。他既可以向大家介绍机器人的工作原理，也能指挥乐队为大家演奏精美的乐曲。也能指挥乐队为大家演奏精美的乐曲。例例2-13 2-13 仿人体智能机器人仿人体智能机器人 仿人体机器人，具有智能系统化功能。可以仿人体做32个 20052005年年6 6月月2121日日，在在日日本本，一一名名日日本本东东北北大大学学的的研研究究生生正正在在与与伴伴舞舞机机器器人人共共舞舞。这这种种由由东东北北大大学学和和武武村村同同音音公公司司共共同同开开发发的的机机器器人人身身高高1.651.65米米，能能够够凭凭借借底底部部的的3 3个个轮轮子子向向任任何何方方向向自自由由移移动动。机机器器人人凭凭借借安安装装的的感感应应器器，可可以以从从舞舞伴伴的的手手部部感感知知对对方方的的跳跳舞舞意意图图，而而自自动动配配合合舞步。舞步。2005年6月21日，在日本，一名日本东北大学的韩国美女机器人能说会道面有表情韩国美女机器人能说会道面有表情日本美女机器人婀娜多姿回眸一笑日本美女机器人婀娜多姿回眸一笑韩国美女机器人能说会道面有表情2.7 2.7 原型启发与仿生法原型启发与仿生法 原型启发法原型启发法 对自然现象进行观察、探索受到启对自然现象进行观察、探索受到启发来进行科学研究和创造发明的。起发来进行科学研究和创造发明的。起启发作用的事物称为原型启发作用的事物称为原型仿生法仿生法 指原型启发法中的原型为自然界的指原型启发法中的原型为自然界的动植物或自然现象。动植物或自然现象。自然界不断演化和进化自然界不断演化和进化物竞天择，适者生存物竞天择，适者生存。大自然是人们进行科学研究和发明创造的最好的老师，大自然是人们进行科学研究和发明创造的最好的老师，是一个科学知识的宝库，也是发明专利的仓库。是一个科学知识的宝库，也是发明专利的仓库。2.7 原型启发与仿生法 原型启发法 对自然 例例2-14 2-14 细菌和微生物冶金细菌和微生物冶金 例例2-15 2-15 核潜艇破冰，仿鲸鱼功能核潜艇破冰，仿鲸鱼功能微生物冶微生物冶金的发现金的发现 300300年前，西班牙人发现铜矿井下年前，西班牙人发现铜矿井下水中有硫氧杆菌，可以使铜以沉淀的水中有硫氧杆菌，可以使铜以沉淀的形式回收。形式回收。19511951年培养出铁硫氧杆菌，可回收年培养出铁硫氧杆菌，可回收铜矿废水的微量铜，也可处理含量小铜矿废水的微量铜，也可处理含量小于于1%1%铜的贫矿。铜的贫矿。现在微生物冶金已进入工业性生产。如玉米能聚金，现在微生物冶金已进入工业性生产。如玉米能聚金，海洋中的软体动物能聚铜，龙虾能集钴等。美国利用这海洋中的软体动物能聚铜，龙虾能集钴等。美国利用这方法生产的铜为铜总产量的方法生产的铜为铜总产量的10%10%以上，日本人工培植海以上，日本人工培植海鞘来提取钒鞘来提取钒。例2-14 细菌和微生物冶金 例2-15 核潜艇破冰，仿 例例2-16 2-16 蜂窝状结构复合材料蜂窝状结构复合材料 下图：蜂窝结构复合材料拱桥（中国科技博物馆展出）下图：蜂窝结构复合材料拱桥（中国科技博物馆展出）拱桥内部为蜂窝状结构，蜂窝两面胶合碳纤维复合材拱桥内部为蜂窝状结构，蜂窝两面胶合碳纤维复合材 料，具有重量轻、比强度高、比刚度高等优点。因此不料，具有重量轻、比强度高、比刚度高等优点。因此不 用担心在桥面上站满人而将它压塌。这种复合材料已用用担心在桥面上站满人而将它压塌。这种复合材料已用 于航空工业。于航空工业。例2-16 蜂窝状结构复合材料 下图：蜂窝结构复合材料拱 北京奥运会开幕式北京奥运会开幕式 :梦想，高科技制造梦想，高科技制造 开幕式总共用了几十项高新技术，涉及多个领域，航天开幕式总共用了几十项高新技术，涉及多个领域，航天材料也运用到开幕式上，其中画轴中使用的纸就是新开发出材料也运用到开幕式上，其中画轴中使用的纸就是新开发出来的来的“蜂窝材料蜂窝材料”。非凡的光影效果为本届开幕式的成功奠定了基础，被广非凡的光影效果为本届开幕式的成功奠定了基础，被广泛应用于演出的（泛应用于演出的（发光二极管发光二极管）在这里得到最大限度）在这里得到最大限度的利用，创历届之最。虽然整个开幕式时间很长，但的利用，创历届之最。虽然整个开幕式时间很长，但蓄电瓶蓄电瓶等科技攻关技术，解决了的能源难题。等科技攻关技术，解决了的能源难题。奥运村全面采用奥运村全面采用太阳能光热技术太阳能光热技术.“鸟巢鸟巢”的钢筋铁骨的钢筋铁骨,三三次攻关研制出次攻关研制出Q460Q460高强钢板高强钢板，成果填补世界建筑业空白。，成果填补世界建筑业空白。除通讯系统是引进技术外，其他核心技术全部是拥有自除通讯系统是引进技术外，其他核心技术全部是拥有自主知识产权的创新技术。主知识产权的创新技术。北京奥运会开幕式:梦想，高科技制造 例例2-17 2-17 未来未来1010年部分新技术将继续改变人类生活年部分新技术将继续改变人类生活 2009 2009年年柔性显示器柔性显示器 不用买不用买报纸了报纸了 20112011年斯特灵年斯特灵太阳能镜太阳能镜 谁谁都用得起太阳能都用得起太阳能 例2-17 未来10年部分新技术将继续改变人类生活 20 20112011年特殊光敏性材年特殊光敏性材料料 家里不用再打扫家里不用再打扫 20132013年年培养真牙培养真牙 牙齿能种植了牙齿能种植了 2011年特殊光敏性材料 家里不用再打扫 2013 20132013年特殊碳纤维年特殊碳纤维材料材料 撞车后不用再去撞车后不用再去修理厂修理厂 20152015年大屏幕年大屏幕全息电视全息电视机机 身临其境看立体电视身临其境看立体电视 2013年特殊碳纤维材料 撞车后不用再去修理厂 20 20152015年年智能毯建筑智能毯建筑材料材料 房屋真正有了房屋真正有了智能智能 20162016年年汽车智能系汽车智能系统统 开车安全又便捷开车安全又便捷 2015年智能毯建筑材料 房屋真正有了智能 2016 既是显示器又可是一既是显示器又可是一块绘图板块绘图板 2007 2007年纽约新世贸中心竣工年纽约新世贸中心竣工 摩天大楼有了环保标准摩天大楼有了环保标准 既是显示器又可是一块绘图板 2007年纽约新世贸中