第2章科研基本方法与创新(50)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 科技研究基本方法,2.1,研究方法分类,科技研究方法是指在研究中发现新现象,新事物,或,提出新理论,新观点,揭示事物内在规律的工具或手段,是,运用智慧进行科学思维的技巧,.,包括,:,文献调查法,观察法,思辩法,概念分析法,比,较研究法等,.,不同的角度有不同的分类方法,.,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,:,分析与综合,归纳与演绎,类比等,非逻辑方法,:,直觉,灵感,创造性思维,数学方法,:,一元回归,多元回归等,假设检验与,理论方法,逻辑分析,实践检验,证实与证伪,判决性实验,;,理论构建,公理化方法,抽象到具体的方法,技术方法,技术预测,:,类比性预测,归纳性预测等,技术评估,:,效果评估法,多目标评估法,环境评估,原理构思,:,实验提升,自然模拟等,工程设计方法,系统科学方法,系统分析法,信息方法,反馈控制法,黑箱法,系统规划方法,功能对比法,自组织理论方法,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”,2.2,归纳与演绎法,推理是根据一,个或一些判断得,到另一个判断的,思维形式。,归纳法,演绎法,2.2.1,归纳法,（,1,）求同法,因素 对象,A,、,B,、,C a,A,、,D,、,E a,A,、,F,、,G a, A a,（,A,是,a,的原因）,求同法是从不同的场合中寻求相同的因素,一、 归纳法的主要类型与特点,特点：个别一般；,结果有一定的可靠依据；,具有或然性。,左图为,门捷列夫元素周期表初稿,1869,年,门捷列夫将已有的数据进行归纳，于,1869,年确定了化学元素性质与原子量之间关系。归纳概括出了化学元素的周期律。门捷列夫又以这普遍规律为指导，进行演绎推理，预言了当时尚未发现的新元素,Al,、,B,、,Si,、,Sc(,钪）等元素。,但在,当时大多数科学家对此都进行了不同程度的批评。,例,2-1,元素周期律,（,2,）求异法,因素 对象,A,、,B,、,C a,B,、,C ,不,a, A a,A,是,a,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,例子,钟声在空气中响能听到，,在真空中听不到,声音是在空气中传播的。,（,3,）同异并用法,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因果关系。,（,4,）剩余法,在一组复杂的自然事物或现象中，排除已有因果关系后，来研究其它现象产生的原因。实质上是求异法的变种。,实例,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,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,和提炼，终于又发现了镭。,1867-1934.7.4,）。世界著名科学家，研究,放射性,现象，发现,镭,和,钋,（,p,）两种天然放射性元素，一生两度获,诺贝尔奖,（第一次获得诺贝尔物理奖,1903,，第二次获得诺贝尔化学奖,1911,）。,二、 归纳法的作用与局限性,实例,生吞鱼胆新丧人命,鸡苦胆治百日咳；,猪苦胆治气管炎；,蛇苦胆治风湿。,鱼胆能美容。,一妇女,生吞鱼胆丧人命。,卫生与生活报,1993.1,报道,归纳法具有一定的,科学性,：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,创造性,，,主要用于科学发现。,归纳法有,局限性,。是一种或然性的推理方法。,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。,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。,数学、物理等学科的广泛使用的公理化方法。,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辑证明,2,）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,3,）演绎推理在检验假说中也有很重要的作用,4,）演绎法的局限性,结论包含在前提中难以作出新的概括,结论可靠性受到前提制约不绝对可靠的,归纳与演绎法领域的三位著名科学家代表：,培根,“,知识就是力量”名言。他重视实,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。,笛卡尔,伽利略,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,的唯理论演绎法。,意大利物理学家,.,主张用观察、实验,和数学相结合的方法来研究自然世界。,典型例子 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,学方法的奠基人,。,2.3,分析与综合法,分析法在思维方式上的特点,1,、分解整体，,分别研究。,三个环节：,解剖，,分析部分；,分析相互联系,2,、贯穿于科,学研究的全过,程，并渗透到,所有的研究方,法中。,3,、有局限性。,容易将人们眼,光限制在片面、,狭窄的领域里。,认识事物整体，,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,研究，从而认识事物的基础或本质的一种科学方法。,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。,20,世纪五十年代，系统思想和系统方法日益受到重视。,综合是通向,科学发现的,重要途径,综合是技术,发明创造的,重要途径,突出典型,牛顿万有引力定律,和力学三大定律,对前人成果分析 创造性综合。,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：,今天的世界，没有什么新东西不,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。,综合为多样性的统一体。,有人分析：日本是靠三分欧洲技术和,七分美国技术的综合，,富于创造性的,日本技术。,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，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,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。,2.4,类比与移植法,一、 类比法的作用,基本通式,A,类对象具有,a,、,b,、,c,、,d,属性或事物或规律；,B,类对象具有,a,1,、,b,1,、,c,1,属性或事物或规律；,其中，,a,1,、,b,1,、,c,1,分别与,a,、,b,、,c,相同或相似。,结论：,B,类对象可能具有,d,1,属性或事物或规律，且,d,1,与,d,相同或相似,基本类型,数学相似类比法，因果类比法，,综合类比法，对称类比法，,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,-,特殊、一般,-,一般的逻辑思维方法。,例,2-2,泡沫金属材料的发明,面包的多孔疏松自身释放气体形成小气泡。,因果类比：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,类比法,作用,（,1,）类比为模拟试验提供逻辑基础；,（,2,）不受专业、学科的界限的束缚；,（,3,）在技术上可做出重大发明；,（,4,）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，,除几何尺寸成比例之外，还必须保持相似准数的一致。,二、 移植法的特点与作用,定义,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,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,类比、联想法有密切联系或相似。,特点,显著的创新性和综合性,类型,技术移植创新法。, 原理移植创新法；, 方法移植创新法；, 综合移植创新法。,例,2-3,螺旋桨技术的推广,螺旋桨技术最初是为省力船而发明的,推进桨轮,，经过一个,多世纪，人们把这项技术移植到飞机上，成为,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,明了,电风扇,。这是技术移植创新法。,船用螺旋桨的桨叶尖在水中运动时描绘出一条无限延伸的螺旋状曲线，称为圆锥体螺线。实际螺线与理想螺线之差称为,“,滑矢,”,，这是衡量螺旋桨效率的标准。,例,2-4,气针的发明与移植推广,例,2-5,外科医学用的消毒剂,医用注射器,活塞加压,针头药物推入体内,方法移植,创新,气针、气筒,注射器、针头,结构类似,球类,打气,法国微生物,家巴斯德发现,酒变酸和肉汤,变质是因细菌,所造成的,原理移植,医学领域。,发明外科手,术用消毒剂,英国外科医生,利斯特,联想：,伤口化脓,例,2-6,拉链的发明与推广,拉链发明,美国发明，,1905,年专利。开、合,功能独特，用途很多。,20,世纪十大,科技发明排序调查，排在第一位。,应用广泛,衣、裤、箱、鞋、帽、包、袋等,日常生活。,方法移植,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,腔。这就是皮肤拉链缝合技术。,例,2-7,美国推出镂空自行车：最结实的自行车,镂空管取代钢管。镂空管是由碳纤维编织而成，并由凯夫拉尔绳捆扎，形成蜘网式结构。强度胜过钢、铝和钛。,整车则要,11995,美元，它的重量只有,2.75,磅。,2008.3,报道,l,磅,= 0.454kg,，,1,.,25,kg,例,2-8,现代流行服装的根源,喇叭裤,我国古代发明。远在几千年前的商周时期，人们就穿着“宽松式”服装，无论裙子和裤腿，都呈一种喇叭形状。,数百年前传人欧洲，,被设计师吸收改造，曾,在,20,世纪初,流行,到,70,年代，人们从西,方闲置不用的喇叭裤中,看到美感，风行一时,现在世界流行的宽松,式服装，实际上是把孔,夫子那衣服改一改，又,穿上罢了,丝路花雨,歌舞剧,设计出一种优美的舞,蹈喇叭裤,健美裤,把身体的曲线全部显示出来,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,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。,筒裤,1977,年日本电影,望乡,在中国放映。,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。,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,下过如此深刻的印象和如此强大的吸引力。,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。,例,2-9,蜘蛛丝的研究与移植,人造蛛丝,以色列科学家,研究方法,采用花园蜘蛛的基因来复制,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,注入提取出的蜘蛛蛋白，就可,以大量生产蛛丝。人造蛛丝直,径只有千分之一毫米。,蛛丝用途,可用于外科手术用线，光纤,和钓鱼用具。,基因棉花,巴西科学家,研究方法,研究思维更进一步，将,蜘蛛基因植入棉花,，以求获得纤维更加结实、柔韧性更好的棉花新品种。,认为蜘蛛网之所以结实，是因蜘蛛有一种特殊基因。,2005,年开始采摘首批试验棉。,用途,转基因棉花可以用来制,作,运动服和防弹衣,球形水上步行器,例,2-10,水上步行器,发明,2.5,数学与模型法,一、 数学方法及其应用,定义,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,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。,马克思,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,爱因斯坦,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,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用的，也是最重要的方法。,被人们称誉为,“,科学的皇后,”,。,数学在现代,科技中应用越,来越重要,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阵力学。,开始创立的张量理论在,35,年后被爱因斯坦应用于相对论，成为相对论的基本数学工具。这样的例子很多。,数学方法,作用,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,计算，称为,“,铅笔尖,”,发现的新行星。,例子,二、 模型化方法,模型化,内涵,模型决定研究对象的基本概念、方向、方法和原理。,理想模型是舍去次要、突出主要特征。模型建立、修改和完善。科学理论发展常是模型的,修正和更替,。,如牛顿的万有引力模型、达尔文的生物进化模型等。,例,2-11,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 ,提出了原子结构模型。玻尔根据卢瑟福的模型和已有的,数据创立了量子理论。,模型化,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,数学模型,具备条件,1,）,反映原型本质特征和关系,且,合理简化,2,）,能对问题进行理论分析，,逻辑推导,3,）,能合理描述具体研究对象，,解决问题,分类,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。,理论模型,特点,经验模型,特点,模拟,类型,模拟也称仿真（,Simulation,），是模型化,的继续,。,基本上可以分为三类：, 几何模拟； 数字模拟； 物理模拟,关系式较复杂，有物理意义；, 理论意义，与实际差异大；, 分析和推导的难度较大。,数理统计分析得到关系式；, 性质是唯象的或半唯象的；, 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，,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,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。,例,2-12,模拟验证伽马射线摧毁地球,6,成生命,科学家提出,地球上生命可能被宇宙伽马射线大爆,炸毁灭过。 很难找到直接证据,美国堪萨斯大学的科学家通过,计算机模拟计算,，,证明了,伽马射线摧毁地球,6,成生命。,模拟实验,结果,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，发现一次,4.5,亿年前在离地球,6000,光年处发生的仅持续,10,秒的伽马射线大爆炸，竟然能毁灭地球,60%,以上的生命。主要是毁坏大部分臭氧层。,2.6,系统与优化法,一、 系统方法的基本原则,系统方法,本质特征,整体性,整体与部分统一 基本依据,最优化,状态、效果最优 基本目的,模型化,实现优化定量化 基本途径,自然系统,功能优化,螳螂在,1/20,秒确定昆虫的速度,距离和方向, 现代化火炮跟踪系统所望尘莫及；,海豚 超过现代潜艇的航速；,响尾蛇在相当远距离测到,1/1000,的变化, 导弹红外跟踪系统难以达到。,二、 系统方法在科研创新中的作用,1,）系统方法具有,重大创造性,的功能,阿波罗登月计划成功实施，总负责韦伯博士,2,）系统方法是研究各种,复杂系统,的有效手段,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,3,）用系统方法经营事业，可以实现,整体优化,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,要实现无废物循环，实现可持续发展的战,略,-,绿色生态园,仿人体机器人，具有智能系统化功能。可以仿人体做,32,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。,例,2-13,仿人体智能机器人,2005,年,6,月,21,日，在日本，一名日本东北大学的研究生正在与伴舞机器人共舞。这种由东北大学和武村同音公司共同开发的机器人身高,1.65,米，能够凭借底部的,3,个轮子向任何方向自由移动。机器人凭借安装的感应器，可以从舞伴的手部感知对方的跳舞意图，而自动配合舞步。,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,2.7,原型启发与仿生法,原型启发法,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,启发作用的事物称为原型,仿生法,指原型启发法中的原型为自然界的,动植物或自然现象。,自然界不断演化和进化,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，,是一个科学知识的宝库，也是发明专利的仓库。,例,2-14,细菌和微生物冶金,例,2-15,核潜艇破冰，仿鲸鱼功能,微生物冶,金的发现,300,年前，西班牙人发现铜矿井下水中有硫氧杆菌，可以使铜以沉淀的形式回收。,1951,年培养出铁硫氧杆菌，可回收铜矿废水的微量铜，也可处理含量小于,1%,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，,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,10%,以上，日本人工培植海,鞘来提取钒,。,例,2-16,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）,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,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。,北京奥运会开幕式,:,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,“,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，被广泛应用于演出的（,发光二极管,）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,蓄电瓶,等科技攻关技术，解决了的能源难题。,奥运村全面采用,太阳能光热技术,. “,鸟巢”的钢筋铁骨,三次攻关研制出,Q460,高强钢板,，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主知识产权的创新技术。,例,2-17,未来,10,年部分新技术将继续改变人类生活,2009,年,柔性显示器,不用买报纸了,2011,年斯特灵,太阳能镜,谁都用得起太阳能,2011,年特殊光敏性材料 家里不用再打扫,2013,年,培养真牙,牙齿能种植了,2013,年特殊碳纤维材料 撞车后不用再去修理厂,2015,年大屏幕,全息电视机,身临其境看立体电视,2015,年,智能毯建筑材料,房屋真正有了智能,2016,年,汽车智能系统,开车安全又便捷,既是显示器又可是一块绘图板,2007,年纽约新世贸中心竣工 摩天大楼有了环保标准,