爱华网已有 2803 次阅读2013-6-18 10:07|个人分类:寄语学子|系统分类:观点评述|关键词:科学方法论 重要性
楔子
我们正处于中华民族复兴的伟大时代，祖国突飞猛进的步伐不可阻挡。想要投身洪流，为民族复兴尽绵薄之力，就要掌握真才实学；想掌握真才实学，就要认真学习；想事半功倍地学习，就要掌握科学方法论。因为古人早就说过，工善其事，必利其器；爱因斯坦老先生说过，方法比知识更重要。
凭借这个平台，想与博友们一起，系统地讨论学习科学方法论的有关问题。
作为引子，本文想探讨三个问题：
——什么是科学方法论？
——科学方法论在实践中有怎样的地位和作用？
——科学工作者为什么要掌握科学方法论？
我想告诉大家的是：
l 机遇只垂青于那些懂得怎样追求她的人；
l 工欲善其事必先利其器，方法极其重要；
l 正确运用科研方法可收到事半功倍之效；
l 掌握有效方法的关键在于反复实践总结。
一、关于科学
我们先来搞清一些基本概念。先说说什么是科学？
大家对“科学”这个名词耳熟能详，但对其确切涵义却不一定说得清楚。事实上，不同的学者，对“科学”有不同的界定。
一般认为，科学是关于自然、社会和思维的知识体系，是由建立在经验和逻辑基础之上的有关各种现象及其相互关系的、具有普遍性和精确性的陈述所构成的有组织的知识。
这个定义太拗口，相比之下，我更喜欢如下的两位大科学家的说法：
“科学是寻求我们看绝经验之间规律性的有条理的思想，它是直接产生知识、简介产生行动的手段。”——爱因斯坦
“科学就是整理事实，以便从中得出普遍的规律或结论。”——达尔文
“科学”一词是“舶来品”，英语“science”一词源于拉丁文scientia（求知、知识）；现译名“科学”源于日语译法（福泽谕吉首创，1874年）；由康有为引进中国（1898年），在上奏光绪劝说废除科举制度时，三次用到了“科学”一词。此前，严复翻译《天演论》时将“science”译作“格致”，后来在翻译亚当·斯密的《原富》（1902年出版）时才改用“科学”。经多年演化，science的美英式涵义主要指自然科学，而德法式涵义则泛指自然科学和社会科学，这是文献中的说法，在科学工作者大流动的今天，情况不那么绝对。目前国内的“科学”一词（在用作名词时）取德法式涵义。为确定起见，本文及后续文章中论及的“科学”大多采用美英式涵义，即指的是自然科学。
概括起来说，科学的内涵是：
1、科学是系统化、理论化的知识体系；
2、科学是创造知识体系的认识活动；
3、科学是一种社会机制。
之所以有第三条，是因为现在科学的研究对象越来越复杂，越来越仰仗于多方协同合作，社会化程度越来越高。
二、关于科学方法
2.1 科学研究的任务
我们知道，自然科学研究的任务在于
1、对未知的自然领域进行研究探索，以揭示和掌握自然界各种事物的本质和运行变化规律——基础研究。
2、研究如何将科学研究的成果转化为生产力和物质产品——应用基础研究。
关于科学研究，法国生物学家拉马克（J. Lamarck）有一段精辟的描述：
“观察自然，研究它们所生的万物；追求万物，推究其普遍或特殊的关系；再想法抓住自然界中的秩序，抓住它行进的方向，抓住它发展的法则，抓住那些变化无穷的构成自然界的秩序所用的方法；这些工作在我看来，乃是追求真实知识的唯一法门。这等工作还能给我们以真正的益处；同时还能给我们找出许多最温暖、最纯洁的乐趣，以补偿生命场中不能避免的苦恼。”这段话浅近地概括了科学研究的内容。
2.2关于方法
在一般意义下，“方法”指的是为达到某种目的采取的途径、手段或策略;主体为从实践或理论上把握客体而采用的思维手段和操作步骤之总和。
我们不妨探索一下英语“method”（“方法”）一词的来源，经探究，它来自希腊语“μετοδ”(“途径、方法”），该词由“μετα”(“沿着”）和“οδο?”（“道路”）这两部分构成，因此，原意更贴近于“途径”。而汉语“方法”一词则最早出现在《墨子?天志》中，原先指的是“量度方形之法”，后来演化成“知行之法”之意。
正如哲学家黑格尔（G.W.F. Hegel）所指出的：“在探索的认识中，方法也就是工具，是主观方面的某个手段，主观方面通过这个手段与客体发生关系……。相反地，在真理的认识中，分析方法不仅是许多已知规定的集合，而且是概念的自在和自为的规定性。”
2.3关于科学方法
“科学方法”指的是认识自然或获得科学知识的程序或过程；是从科学认识过程中总结出来的规律；是具有普遍性的方法，包括科学研究中的实验观察方法、科学抽象方法、逻辑方法、数学方法、创造性思维方法、系统科学方法、综合科学方法、科学评价方法等等。
可以按各种方式对科学方法进行分类。
按适用的普遍程度可分为如下三个层次
l 第一层次：各个自然科学门类的特殊研究方法；
l 第二层次：各门自然科学中的一般研究方法（这是本文的主要关注点）；
l 第三层次：普遍性的哲学方法。
按科学方法本身的特点可分为两大类：
——经验认识方法（观察、测量、实验等）；
——理论思维方法（逻辑、数学、类比等）。
这两类方法没有明确的界限，经常相互交织、交互使用。一般来说，采用前一类方法获得最基本的研究材料，采用后一类方法提取相关信息，进行演绎、发展，通过实践的检验之后，上升为科学假说或科学理论。
按研究对象主要可分为
l 物质科学方法（用于物质和非生命系统）；
l 信息科学方法（用于信息和程序系统）；
l 生命科学方法（用于生命系统）；
l 意识科学方法（用于人类意识活动和人工智能系统）；
l 人体科学方法（用于人体研究）。
当然，还可以有别的分类样式。
正如比利时科学方法论专家萨顿（G. Sarton)所说，“在科学领域，方法至为重要。一部科学史，在很大程度上就是一部工具史，这些工具——无论有形或无形——由一系列人物创造出来，以解决他们遇到的某些问题。每种工具和方法都是人类智慧的结晶。”
2.4关于科学方法论
科学方法论的内涵在于：研究探讨科学研究活动本身的一般规律及一般方法，以及人类认识客观事实的基本程序及一般方法。既研究个别特殊研究方法的规律性，也研究这些方法整体上的相互联系。
人类的科学探索经历了一个长期曲折的过程，科学方法论的发展过程也漫长而艰难。著名物理学家玻恩（M. Born）指出：“我相信在科学上并没有平坦的大道……。在我们前进的道路上荆棘丛生，只有经历了不断试探，一再失败，才能寻找出合适的方法，开辟出赖以前进的道路。”
2.5科学方法的发展历程
下面用大事记的形式简要回顾科学方法的发展历程：
观察方法的产生在农业、畜牧业的实践中，为了满足确定农时、制作历法等实践需要，产生了原始的观察方法，为早期的天文学、数学、力学、物理学等的诞生奠定了基础；
逻辑方法的创始公元前6－3世纪，古希腊的泰勒斯、德谟克利特、亚里士多德、欧几里德等人运用演绎推理，从经验观察上升到理论认识。亚里士多德创立形式逻辑上的科学方法论和公理方法，导致欧几里德《几何原本》问世；
数学方法开始形成公元前5－2世纪，古希腊的毕达哥拉斯、帕拉图、阿基米德等人首先提出自然界的规律可用数学把握的观点，提倡用数学解释万物。阿基米德首次把实验的经验研究与演绎推理结合，建立杠杆定理、浮力定律。
实验方法逐渐形成13世纪，英国科学家罗吉尔·培根率先提出实验科学；15世纪，意大利画家、科学家达·芬奇等人强调实验在认识中的作用；15至16世纪，意大利科学家伽利略成为现代实验科学的奠基人；16世纪，英国哲学家弗朗西斯·培根成为实验科学的哲学代言人，他的《新工具》的问世是标志；
逻辑方法的发展其中的两条主线为
*16世纪，英国哲学家弗朗西斯·培根发展了归纳逻辑方法，建立了逻辑分析中的求同法、差异法和共变法；17世纪波义耳、18世纪林奈将其拓广到化学和生物学；
*17世纪，法国科学家、哲学家笛卡儿发展了演绎逻辑方法，构建了数学新体系——解析几何；17世纪牛顿将力学整理成演绎体系，《自然哲学的数学原理》问世。
假说方法的普遍应用17世纪由笛卡儿提出，经洛克、莱布尼兹丰富和发展；19世纪后普遍应用。假说方法突破了传统方法。著名的假说有：宇宙演化的星云假说、生物学的进化论、物理学的热素假说、化学中的物质结构假说等。假说本身是理论知识的一种形态，一旦验证成立，就上升为科学理论或定律。
自然辩证法方法的创立19世纪马克思、恩格斯创建了自然辩证法，为正确研究自然科学方法论奠定了理论基础。恩格斯的《自然辩证法》对观察、实验、归纳和演绎、分析和综合、历史与逻辑的统一、科学假说等科研方法都做了深入考察和分析。
系统科学方法的形成朴素的系统科学方法由亚里士多德、莱布尼兹、黑格尔等提出，近几年才挖补全形成。此方法摆脱了传统方法的束 缚，将事物联系起来，系统地、动态地考察，从整体上考察复杂系统，将定量方法（如动态模拟法、信息方法、反馈方法、综合集成方法等）引入各个学科，使科研方法产生质的飞跃。
数学方法的发展亚里士多德－欧几里德－伽利略－牛顿－莱布尼兹发展的数学方法近年来取得了长足的进步，对宏观、微观特性的描述发挥了很大的作用。随着计算机技术的发展，数学已渗透到所有的自然科学领域以及部分社会科学领域。
以上的大事记并不完善，将陆续补齐。
2.6 科学方法的特征
概括地说，科学方法有如下特征：
1）科学方法来源于科研实践；
2）科学方法引领科学的发展；
3）科学方法的适用性和作用超越具体领域；
4）科学方法具有多元互补性；
5）科学方法呈现美学特征。
三、掌握科学方法论的重要性
关于科学方法论的重要性，前辈名人有许多论述：
“跛足而不迷路的能赶过虽健步如飞但误入歧途的人。”——弗朗西斯·培根（F. Bacon）
“科学方法是通向绝对知识或真理的唯一入口和唯一道路。……整个科学的统一是在于其方法而不在于材料。”——皮尔逊（K. Pearson）
“吾尝终日而思矣，不如须臾之所学也；吾尝歧而望矣，不如登高之博见也。登高而招，臂非加长也，而见者远；顺风而呼，声非加疾也，而闻者彰。假舆马者，非利足也，而致千里；假舟楫者，非能水也，而绝江河。君子生非异也，善假于物也。”——荀况
3.1科学研究必须有正确的方法
探索科技领域的未知问题，如同在崎岖小道上攀登，必须采用先进的科学方法，才能无往而不胜。
英国著名博物学家达尔文（C. Darwin）早就指出：“方法掌握着研究的命运。”他还说：“方法是最主要和最基本的东西，有了良好的方法，即使没有多大才干的人也能做出许多成就。如果方法不好，即使有天才的人也将一事无成。”
俄国著名生理学家巴甫洛夫（I.P. Pavlov）说：“初期研究的障碍，乃在于缺乏研究方法。无怪乎人们常说，科学是随着研究方法所获得的成就而前进的。研究方法每前进一步，我们就提高一步。因此我们头等重要的任务是制订方法。”
英国生物学家、著名的科学方法论专家贝弗里奇（W.I.B. Beveridge）指出：“未来的研究工作者多数不是天才，给这些人以若干科研方法的指点，较之听任他们凭借个人经验事倍功半地去摸索，应有助于他们早出成果。”他还说：“如果在实践中有可能通过研究方法的指导来缩短科学工作者不出成果的学习阶段，那么，不仅可以节省训练的时间，而且科学家做出的成果也会比用较慢方法培养出来的科学家多得多。”
3.2.掌握方法比掌握知识更重要
爱因斯坦有一句名言：“方法比知识更重要”；我国大教育家蔡元培则用形象的比喻指出：“科学知识是点成的金，最终有限；科学方法则是点石成金的手指，可以产生无穷的金。”两位的见解有异曲同工之妙，对我们每个人都很有启发意义。
法国著名数学家拉普拉斯（P.S. Laplace）说：“认识一位天才的研究方法，对于科学的进步并不比发现本身更少用处，科学研究的方法经常是极富兴趣的部分。”正因为如此，年青学子在学习过程中应该特别关注学术前辈所用的科学方法，不断往自己的“科学方法武器库”里添加新的感悟和“武器”
法国大生物学家贝尔纳(C. Bernard)强调指出：“良好的方法能使我们更好地发挥运用天赋的才能，而拙劣的方法可能阻碍才能的发展。因此，科学中难能可贵的创造性才华，由于方法拙劣可能被削弱，甚至被扼杀；而良好的方法则会增长、促进这种才华。”这样的先例实在不胜枚举，我们将在下一节中给出若干案例。
近年来我国教育界一直在强调素质教育，不少人认为应该教给学生多方面的知识和技能，其实，与其向学生灌输知识或者硬要他们学一些技艺，不如教会学生掌握和应用学习和科学探索的方法，后者远比前者重要。
我国著名教育家钱伟长特别强调在教学过程中，应该“授人以渔”而非“授人以鱼”，他指出：“教，关键在于‘授之以渔’；教书，关键在于教给学生一种思考问题的方法。也就是说，教师给予学生的，不应是‘鱼’，而应是捉鱼的方法。教学的过程，就在于让学生搞清‘模型’的意义。因为‘模型’反映的是事物的本质，是对客观事物的近似描述。我们要引导学生提出‘模型’，通过抓‘模型’，教给学生提出问题、分析问题、解决问题的方法。”
3.3 完善自身知识体系——从事创造性科研的必由之路
具有必要的科学知识积累是进行创造性科研工作的必要条件，而学习和研究科学研究的思维方式和方法，则是充分条件。而知识积累过程中，正确的科学方法更是必不可少的。
英国著名的科学方法论专家泰勒（E.L. Taylor）指出：“具有丰富知识和经验的人，比只有一种知识和经验的人更容易产生新的联想和独到的见解。”我国著名数学家华罗庚在回顾自己的成才经验时说：“我们每个人手中都有一把自学成材的钥匙，这就是：理想、勤奋、毅力、虚心和科学方法。”他把“勤奋”和“科学方法”等同时列为成材六要素，极有参考价值。
四、案例分析
本节将采用科学史上三个著名的案例来阐明上一节中提出的观点。
4.1 案例1：伽利略的自由落体研究
近代科学方法奠基人伽利略在力学和天文学研究中以实验、观察方法为中心，综合运用逻辑方法、观察方法、抽象方法、数学方法等基本方法，为近代力学和物理学开了先河。下面以他的自由落体研究为例，具体分析他所运用的各种方法。
先讲述一下研究背景。两千多年前，亚里士多德（384~322，BC）对自由落体运动规律提出了一种错误观点：落体以匀速下落，速度与落体的重量成正比。说来奇怪，这种错误观点居然统治了学术界一千多年，直到意大利科学家伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）提出了认真的挑战。经整理、分析史料，伽利略为了推翻亚里士多德的错误观点，采取了如下六个步骤：
步骤一：伽利略首先采用逻辑方法，设计了一个“思想实验”：用短绳系住重量不同的大小石块，使之自由下落，按亚里士多德观点立即导得矛盾；
步骤二：伽利略利用当时有人采用观察方法在1589年进行了的比萨斜塔落体试验结果，了解到10磅的球与1磅的球同时落地；
步骤三：因比萨斜塔仅56米，落体落地过程太快，不易看清细节，特别是以当时的条件无法精确测定下落时间。伽利略进一步采用实验方法，设计了一个“冲淡引力”的斜面滑落实验。让一个光滑小球在斜置光滑槽内滚下，槽斜置后，作用在球上的重力分力小于铅垂方向的重力。实验发现，大小球滚动速度相同，而且跟斜面与水平方向的夹角无关。
步骤四：接着，伽利略做了单摆实验，发现只要摆长相同，摆动速度与摆重无关，从另一个角度佐证对上述结果提供了佐证；
步骤五：伽利略运用数学方法，确定了下落高度与加速度、时间的依赖关系。从而彻底否定了亚里士多德的错误观点；
步骤六：伽利略进一步运用实验方法，设计了双斜面滚球实验，并再次用抽象方法，发现了惯性原理（牛顿第一定律）。
结果分析：由这个案例可见，只有在正确的科学方法论指导下，运用有效的科学方法步步为营稳扎稳打，才有可能做出重大发现
4.2案例2：发现氧气的曲折过程
根据科学史记载，人类于1777年发现了氧气，发现者是法国化学家拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743~1794）。然而，由于一些科学家因循守旧而且没有采用正确的方法，人类发现氧气的历史被整整推迟了一百年。
让我们简要地回顾发现氧气的曲折过程。
波义耳误入歧途，观念失当：1673年英国化学家波义耳进行了金属煅烧实验，发现铜铁锡铅煅烧后增重，在密闭容器中煅烧也是如此。他得到错误结论：煅烧时容器外的“火微粒”穿壁而入，与金属块结合，使之增重。他的致命失误——没有去称容器的总重量（它保持不变），金属煅烧增重来自容器内的氧气。“火微粒”演变成“燃素”，产生“燃素说”，这种错误学说统治了全球化学界100年。
舍勒墨守成规，功亏一篑：1771年瑞典化学家舍勒做了封闭容器里磷的燃烧实验，发现磷燃烧后变成了磷酸酐，容器里空气的体积减少了1/5，剩下的4/5气体不能再使物质燃烧。若把波义耳的金属增重与舍勒的气体减重结合，就能揭示燃烧秘密，新气体（氧气）就脱颖而出了，可惜舍勒头脑僵化，坚信燃素说，犯了类似的错误，没有去称磷酸酐的重量（恰好增加容器中的1/5气体的重量），从而功亏一篑。
普里斯特利食古不化，失之交臂：1774年8月1日，英国化学家普里斯特利做了氧化汞加热分解实验，人类第一次人工制备了氧气，它能助燃。普里斯特利实际上发现了新元素——氧，而他对此却浑然不觉。原来他是燃素说的忠实信徒，对燃素说膜拜到顽固不化的程度，他用燃素说解释他的实验，空气中燃素含量不同，就表现岀不同的形式。氧化汞分解所释放的是“无燃素气体”，对燃素很贪婪，所以最易燃烧。因此，头脑僵化使得普里斯特利与氧气的发现擦肩而过。正如恩格斯所说：“从歪曲的、片面的、错误的前提出发，循着错误的、弯曲的、不可靠的途径进行探索，往往当正确的东西碰到他的鼻尖上的时候，他（普里斯特利）还是没有得到正确的东西。”（《自然辩证法》，人民出版社，106页）。
拉瓦锡冲破桎梏，修成正果：1774年10月普里斯特利到巴黎访问拉瓦锡，无私地传授了他做的实验技术，从那时起到1775年9月，刚过而立之年的拉瓦锡重复了波义耳、舍勒和普里斯特利的实验，分别同时称了金属、磷酸酐和容器的重量；并使普里斯特利的实验中的汞与氧化合重新变成氧化汞。拉瓦锡一向怀疑燃素说，在掌握了足够的证据后，勇敢地创造了新学说——氧化说，断定燃烧中参与金属化合的或氧化汞分解时产生的是一种新的气体元素，1777年拉瓦锡将这种气体命名为oxygen（中译名：氧），并向巴黎科学院提出出版题为《燃烧通论》的报告，正式宣告氧的诞生和燃素说的寿终正寝。
结论：尽管拉瓦锡的实验技巧并不比波义耳、舍勒、普里斯特利等人高明，工作也不比他们更勤奋，但是他创新意识超群，思维活跃，善于用正确的理论来指导、概括、分析实验结果，不为错误理论所惑，从不把自己桎梏于传统的藩篱中，所以才有为后人所铭记的创造；而另外三位则或者建立谬论或者迷信错误理论，头脑僵化，固步自封，结果是“为他人做嫁衣裳”。从科学方法论的角度看来，实在是很好的一课。耐人寻味的是：普里斯特利至死都抱住燃素说不放，1801年，即他辞世的前一年，他还出版了《论燃素说的成就并驳水是化合物》，坚持为燃素说辩护，深信水是一种元素，这时，拉瓦锡创立氧化学说已过去了四分之一个世纪。可见这位化学家头脑僵化到何种程度！
4.3案例3：孤立波的发现与确认
最后，举一个流体力学方面的例子，讲一讲发现孤立波的历史。
孤立波的发现者是苏格兰爱丁堡大学数学教授拉塞尔（J.S. Russell，1808~1882）。他一向对造船感兴趣，精于实验观测和船舶设计。
拉塞尔骑马追赶大水团1834年8月的一天，拉塞尔为了考察船舶在运动中所受到的阻力，在学校附近的联合运河中，用两匹马牵引船舶进行全尺寸的观察和实验。在一次试验中，由于两匹马骤然停步，船只停了下来，他猛然发现，船头的水面上有一个孤立水团滚滚向前，他立即骑着马追踪观察，孤立的水波在浅水的窄河道中持续前进，保持着自己的形状和波速，直到河道拐弯时为止。这一奇妙现象的发现，就是孤立波研究的缘起。
拉塞尔在实验室里“复制”孤立波此后拉塞尔在实验室里反复做了10年实验研究，在长20英尺、宽1英尺的水槽里再现了孤立波，并发现它在传播中不变形，传播速度与波高有关。1844年，他向英国皇家学会报告了此结果，引发轩然大波。
艾里、斯托克斯等大权威不相信孤立波皇家天文学家艾里、皇家学会书记斯托克斯墨守成规不相信会出现孤立波；前者拘泥于非线性；后者忽视了浅水特征。不正确的观念和数学描述堵塞思路。
布辛涅斯克挺身支持拉塞尔法国科学家布辛涅斯克用非线性效应与色散效应相平衡的理念，建立新的浅水波模型，导出著名的布辛涅斯克方程，其中一组解用来证实拉塞尔的实验观察结果。此说得到英国科学家瑞利的支持。
博士生德·弗利斯一锤定音荷兰的研究生在1894年写成的博士论文中，导出了Korteweg-de Vries方程（KdV方程），证实拉塞尔发现的孤立波正是此方程的解——KdV孤立波，验证了波速与波高、波宽的关系。
林家翘和Clark为这场百年争论划上圆满句号他们引进波陡参数与色散参数之比，发现比值近于1时，非线性效应与色散效应平衡，这是孤立波的“催生剂”。
孤立波发现和确认过程带来的启示至少有如下几点：
——要善于运用观察方法，并关注偶然发现的反常现象；
——对发现的新现象要利用实验方法进行反复验证；
——要有重大发现必须打破迷信，解放思想；
——在利用数学方法建模时必须抓住主要因素，进行细致分析。
五、结束语
通过以上分析，我们可形成如下认识：
要创造性地开展科研活动，掌握先进的科学方法是必不可少的一环；
学习科学方法论，应该重视实际应用，并在实践中创造和运用科学方法；
精通科学方法论，就能在人生道路上无往而不胜。
参考书籍：
贝弗利奇, WIB，科学研究的艺术，陈捷译，科学出版社，1979；（有电子版）。
贝弗利奇, WIB，发现的种子，科学出版社，金吾伦、李亚东译，科学出版社，1987；（有电子版）。
王梓坤，科学发现纵横谈，北京师范大学出版社，1993。
彭加勒，科学与方法，李醒民译，商务印书馆，2008。
徐利治，数学方法论选讲（第三版），华中理工大学出版社，2000。
李建珊等,科学方法概览, 科学出版社，2002。
胡志强、肖显静,科学理性方法,科学出版社，2002。
刘仲林，科学臻美方法，科学出版社，2002。
周立伟，科学研究的途径，北京理工大学出版社，2007。
张伟刚，科研方法论，天津大学出版社，2006。
杨建军，科学研究方法概论，国防工业出版社，2006。
林德宏、张相抡（编著）创造的动力丛书：第一卷，科学思想卷；第二卷，科学方法卷；第三卷，科学精神卷，安徽教育出版社，2000。
附记从2005年开始，笔者到全国各地的高校和研究机构讲授科学方法论，陆续形成了一些讲稿。今年2~4月，应香港城市大学科学和工程学院的邀请，到那里访问，在完成东道主要求我做的事情的同时，给研究生开设了题为“科研方略十八讲”的系列讲座，借机整理了逐年形成的材料，现正进一步将其修改定稿。本文为其中的第一部分的提纲性内容，在博客中发布的目的是希望得到博友们的指正，敬请不吝指教。
初稿：2013年2月26日于香港
二稿：2013年6月18日于上海
