1、第六章第六章 科学观察与科学实验科学观察与科学实验一、科学事实一、科学事实 无论鸟的翅膀是多么完美，如果不凭借着空气，无论鸟的翅膀是多么完美，如果不凭借着空气，它是永远不会飞翔高空的。事实就是科学家的空它是永远不会飞翔高空的。事实就是科学家的空气。你们如果不凭借事实，就永远也不能飞腾起气。你们如果不凭借事实，就永远也不能飞腾起来。来。-巴甫洛夫巴甫洛夫1 1）客观事实）客观事实 在时空中实际存在着的事件、现象和过程。在人们的在时空中实际存在着的事件、现象和过程。在人们的 意识之外，不依赖于人们的意识而独立存在。意识之外，不依赖于人们的意识而独立存在。n特点：特点：客观性客观性 可观察性，即可以
2、被人们的感观或借助仪可观察性，即可以被人们的感观或借助仪 器所观察、反映和认识。器所观察、反映和认识。2 2）经验事实）经验事实 指用某种语言或文字对观察的事实所作出的陈述指用某种语言或文字对观察的事实所作出的陈述 性判断。性判断。n特点：特点：可错性可错性1 1、科学事实的含义、科学事实的含义(1)(1)错觉种类：大小错觉错觉种类：大小错觉 1 1、科学事实的含义、科学事实的含义(2)(2)3 3）科学事实）科学事实 指通过科学观察和实验所获得的，并经过整理和指通过科学观察和实验所获得的，并经过整理和 鉴定了的经验事实。鉴定了的经验事实。科学事实一般分为两类：事实科学事实一般分为两类：事实I
3、 I和事实和事实IIIIn事实事实I I，指客体与仪器相互作用结果的表征，如观，指客体与仪器相互作用结果的表征，如观 测仪器上记录和显示的数字、图象等。测仪器上记录和显示的数字、图象等。n事实事实IIII，指对观察实验所得结果的陈述和判断。，指对观察实验所得结果的陈述和判断。如，镭具有放射性。如，镭具有放射性。2、科学事实的条件或特点、科学事实的条件或特点1 1）个别存在的陈述）个别存在的陈述n科学事实是单称判。科学事实是单称判。n“镭具有放射性镭具有放射性”“”“氦具有惰性氦具有惰性”等均是科学事实，而等均是科学事实，而 “生物都有新陈代谢生物都有新陈代谢”“”“一切物质都是可分的一切物质都
4、是可分的”等普遍等普遍 陈述，则不能视为科学事实。陈述，则不能视为科学事实。2 2）可重复性）可重复性n科学事实是可重复、可复核的，能够在相同条件下为科学事实是可重复、可复核的，能够在相同条件下为 多个观察者重复检验。多个观察者重复检验。3 3）比较精确、系统）比较精确、系统n科学事实如果不够精确，则不足以说明问题；不具备科学事实如果不够精确，则不足以说明问题；不具备 系统性，则缺乏说服力。系统性，则缺乏说服力。3、科学事实的作用、科学事实的作用1 1）是科学抽象和科学理论的基础）是科学抽象和科学理论的基础n如，量子力学：黑体辐射、固体比热、光电效应；如，量子力学：黑体辐射、固体比热、光电效应
5、；自组织理论：贝纳德花样、化学振荡、激光。自组织理论：贝纳德花样、化学振荡、激光。2 2）是检验科学假说和科学理论的基本手段）是检验科学假说和科学理论的基本手段n门捷列夫发现元素周期律，预言类铝、类硼、类硅门捷列夫发现元素周期律，预言类铝、类硼、类硅 的存在。的存在。元素周期律的发现元素周期律的发现n18751875年法国化学家布瓦博德朗宣布发现了新元素镓，年法国化学家布瓦博德朗宣布发现了新元素镓，它的比重为它的比重为4.74.7，原子量是，原子量是5959点几。点几。n门捷列夫根据周期表，断定镓的性质与铝相似，比重门捷列夫根据周期表，断定镓的性质与铝相似，比重 应为应为5.95.9，原子量应
6、为，原子量应为6868，且估计镓是由钠还原而得。，且估计镓是由钠还原而得。n一个根本没有见过镓的人，竟然对它的第一个发现者一个根本没有见过镓的人，竟然对它的第一个发现者 测定的数据加以纠正，布氏感到非常惊讶，实验的结测定的数据加以纠正，布氏感到非常惊讶，实验的结 果，果然和门氏判断极为接近，比重为果，果然和门氏判断极为接近，比重为5.945.94，原子量，原子量 为为69.969.9，按门氏提供的方法，布氏新提纯了镓，原来，按门氏提供的方法，布氏新提纯了镓，原来 不准确的数据是由于称中含有钠，大大减少了它本身不准确的数据是由于称中含有钠，大大减少了它本身 的原子量和比重。的原子量和比重。4、获
7、取科学事实的基本途径、获取科学事实的基本途径1 1）直接途径）直接途径n如，伽伐尼发现生物电流；昂尼斯发现如，伽伐尼发现生物电流；昂尼斯发现汞汞超导性。超导性。2 2）间接途径：）间接途径：主要是收集文献资料主要是收集文献资料n一次文献：以作者本人的科研工作为依据而创作的一次文献：以作者本人的科研工作为依据而创作的 原始文献原始文献 包括图书期刊、学位会议论文、科技政府包括图书期刊、学位会议论文、科技政府 报报 告、专利文献、产品样品和技术档案等。告、专利文献、产品样品和技术档案等。n二次文献：是一次文献加工整理后的产物，主要有二次文献：是一次文献加工整理后的产物，主要有 书目、题录、文献等检
8、索类出版物。书目、题录、文献等检索类出版物。n三次文献：在二次文献的基础上，选用部分一次文三次文献：在二次文献的基础上，选用部分一次文 献内容，加以分析综合而创作出来的文献，如动态献内容，加以分析综合而创作出来的文献，如动态 综述、专题述评、数据统计等文献。综述、专题述评、数据统计等文献。二、科学观察二、科学观察1 1、科学观察的涵义、科学观察的涵义n人们有目的、有计划地利用自己的感官认识和描述各人们有目的、有计划地利用自己的感官认识和描述各种自然现象，获取经验知识的基本手段。种自然现象，获取经验知识的基本手段。n与人们日常的活动相区别，不是盲目的、随意的，而与人们日常的活动相区别，不是盲目的
9、、随意的，而是从一定的问题出发有目的、有计划地进行的。是从一定的问题出发有目的、有计划地进行的。n与理论思维方法不同，科学观察不是通过演绎、类比与理论思维方法不同，科学观察不是通过演绎、类比等抽象过程，而是依赖感官以及观测仪器直接认识外部等抽象过程，而是依赖感官以及观测仪器直接认识外部世界，记录和报道事实。世界，记录和报道事实。2 2、科学观察的分类、科学观察的分类1 1）根据观察方式的不同）根据观察方式的不同n直接观察：仅仅利用人的感官直接观察：仅仅利用人的感官n间接观察：借助仪器或其他物质手段间接观察：借助仪器或其他物质手段2 2）根据观察目的不同）根据观察目的不同n定性观察：观察现象是否
10、存在，过程是否发生定性观察：观察现象是否存在，过程是否发生n定量观察：观察对象的量化属性的大小数值定量观察：观察对象的量化属性的大小数值3 3、科学观察的特点、科学观察的特点1 1）具有能动性）具有能动性n观察是与一定课题相联系的，是有计划、有目的、有意观察是与一定课题相联系的，是有计划、有目的、有意识的感性认识。识的感性认识。2 2）具有客观性）具有客观性n观察是在自然发生条件下进行的，必须尊重客观事实。观察是在自然发生条件下进行的，必须尊重客观事实。3 3）必须要有理论指导）必须要有理论指导n主体能否正确地观察到自然现象，取决于用什么样的理主体能否正确地观察到自然现象，取决于用什么样的理论
11、知识，去判断和理解所观察的结果。论知识，去判断和理解所观察的结果。4 4）科学观察需要准确而周密的记录）科学观察需要准确而周密的记录，才能加以统计和概括，才能加以统计和概括，为揭示自然事物的本质规律提供科学依据。为揭示自然事物的本质规律提供科学依据。4 4、科学观察的基本原则、科学观察的基本原则1 1）观察的客观性和目的性）观察的客观性和目的性 n赫胥黎赫胥黎:你们要象小学生那样坐在事实面前，放弃你们要象小学生那样坐在事实面前，放弃一切先入之见，恭恭敬敬地照着大自然所指的路走。一切先入之见，恭恭敬敬地照着大自然所指的路走。2 2）观察的全面性和系统性）观察的全面性和系统性n竺可桢建立物候学。竺
12、可桢建立物候学。3 3）观察的典型性）观察的典型性n孟德尔选择豌豆；摩尔根选择果蝇。孟德尔选择豌豆；摩尔根选择果蝇。3 3）观察的连续性）观察的连续性n第谷的天文观测。第谷的天文观测。5 5、科学观察的作用、科学观察的作用1 1）获取科学事实，为科研提供必要的感性材料）获取科学事实，为科研提供必要的感性材料n天文学、地质学、气象学、物候学、临床医学等。天文学、地质学、气象学、物候学、临床医学等。2 2）导致科学发现，为科研开辟新的研究领域）导致科学发现，为科研开辟新的研究领域n魏格纳提出的大陆漂移说；达尔文的进化论。魏格纳提出的大陆漂移说；达尔文的进化论。3 3）检验假说和评价理论的重要手段）
13、检验假说和评价理论的重要手段n19161916年，爱因斯坦提出广义相对论假说，根据该假年，爱因斯坦提出广义相对论假说，根据该假 说光线在引力场会发生弯曲效应。说光线在引力场会发生弯曲效应。6 6、科学观察的局限性、科学观察的局限性1 1）感官感知的范围极其有限受）感官感知的范围极其有限受n眼：眼：约约400-700nm波长；波长；耳耳:20-20000:20-20000赫兹赫兹2 2）感官的观察精确性较低）感官的观察精确性较低3 3）感官会产生错觉）感官会产生错觉這是一個螺旋嗎？這是一個螺旋嗎？实验乃确定性之母！实验乃确定性之母！达达 芬奇芬奇三、科学实验三、科学实验1 1、科学实验的涵义、科
14、学实验的涵义n 人们根据研究的目的，利用科学仪器、设备，人为人们根据研究的目的，利用科学仪器、设备，人为地控制或模拟自然现象，排除干扰，突出主要因素，在地控制或模拟自然现象，排除干扰，突出主要因素，在有利的条件下获得科学事实的方法。有利的条件下获得科学事实的方法。n与观察方法相比，实验方法可以获得更精确可靠的与观察方法相比，实验方法可以获得更精确可靠的科学事实，更主动地从自然现象获得人们所期望的东科学事实，更主动地从自然现象获得人们所期望的东西，能更深刻地揭示事物的本质。西，能更深刻地揭示事物的本质。n科学实验已经发展成为一个相对独立的社会实践领科学实验已经发展成为一个相对独立的社会实践领域。
15、有专职实验人员，有专门的实验手段和装备，形成域。有专职实验人员，有专门的实验手段和装备，形成专门的实验技术和方法。专门的实验技术和方法。2 2、科学实验的类型（、科学实验的类型（1 1）1 1）根据实验结果的性质不同）根据实验结果的性质不同n定性实验定性实验是不是、有没有？(验证电磁波、光压和以太 的存在)n定量实验定量实验是多少、有多少？(引力常数、光速)n结构分析实验结构分析实验研究事物空间结构(原子结构、DNA结构及医学中对细菌、病毒等的形态结构分析的实验)美科学家首次美科学家首次揭开了科研中揭开了科研中常用的一种金常用的一种金纳米颗粒的神纳米颗粒的神秘面纱。并利秘面纱。并利用用X射线结
16、晶射线结晶学技术，首次学技术，首次对它们的精确对它们的精确结构进行了成结构进行了成像，是突破性像，是突破性的进展。的进展。2 2、科学实验的类型（、科学实验的类型（2 2）2 2）根据实验功能的不同）根据实验功能的不同n析因实验析因实验由已知结果去找原因（詹纳发现挤奶女工不易 患天花）n对照实验对照实验比较异同(大多数的生物和医学实验，安慰剂)n验证实验验证实验麦克斯韦预言导电体周围存在电磁波，速度等 于光速，赫兹发现了电磁波。3 3）根据研究手段和研究对象的关系）根据研究手段和研究对象的关系n直接实验直接实验n模拟实验（理想实验）模拟实验（理想实验）设计与原型相似的模型，利用模 型间接研究原
17、型3、科学实验的特点（、科学实验的特点（1）1 1）可以简化和纯化研究现象）可以简化和纯化研究现象n伽利略研究自由落体运动规律伽利略研究自由落体运动规律2 2）可以强化控制研究对象）可以强化控制研究对象n超低温、超高压、超强磁场、高真空、失重等超低温、超高压、超强磁场、高真空、失重等3 3）可以加速或延缓观察对象的变化过程）可以加速或延缓观察对象的变化过程n生物学中研究生物遗传、变异特性，往往利用生物学中研究生物遗传、变异特性，往往利用 人工培育、人工杂交等在短期内取得效果。人工培育、人工杂交等在短期内取得效果。n医学研究中常使用抑制剂、缓冲剂、冬眠灵等医学研究中常使用抑制剂、缓冲剂、冬眠灵等
18、 延缓自然现象过程。延缓自然现象过程。3、科学实验的特点（、科学实验的特点（2）4 4）可以模拟研究对象的属性及其变化过程）可以模拟研究对象的属性及其变化过程n19521952年美国米勒模拟原始大气层年美国米勒模拟原始大气层生成了氨基酸生成了氨基酸 5 5）具有可重复性）具有可重复性n1925年丹麦病理学家和寄生虫学家菲比格声称发现了年丹麦病理学家和寄生虫学家菲比格声称发现了 某些寄生虫可导致动物患上胃癌的现象，提出了寄生某些寄生虫可导致动物患上胃癌的现象，提出了寄生 虫致癌的学说（他称之为虫致癌的学说（他称之为“癌虫癌虫”）。）。4、实验的作用、实验的作用1 1）证明或反驳假说）证明或反驳假
19、说n19561956年李政道和杨振宁提出在基本粒子的弱相互作用年李政道和杨振宁提出在基本粒子的弱相互作用中宇称可能是不守恒的假说，吴健雄用实验证实，推翻中宇称可能是不守恒的假说，吴健雄用实验证实，推翻了过去在物理学界被奉为金科玉律的宇称守恒定律，为了过去在物理学界被奉为金科玉律的宇称守恒定律，为人类在探索微观世界的道路上打开了一扇新的大门。人类在探索微观世界的道路上打开了一扇新的大门。2 2）提示新的理论）提示新的理论n1786年伽伐尼解剖青蛙发现年伽伐尼解剖青蛙发现“动物电动物电”，引出伏打电，引出伏打电池池的发明和电生理学的建立的发明和电生理学的建立 n18201820年，丹麦物理学家奥斯
20、特证明了电和磁能相互转年，丹麦物理学家奥斯特证明了电和磁能相互转化，这为电磁学的发展打下基础。化，这为电磁学的发展打下基础。四、观察与理论的关系四、观察与理论的关系1 1、古典经验主义的纯观察说、古典经验主义的纯观察说n以培根为代表的古典经验主义认为，理论依赖于以培根为代表的古典经验主义认为，理论依赖于观察，而观察却独立于理论，不受理论制约。观察，而观察却独立于理论，不受理论制约。n把观察看作是一种纯粹的感官反映活动，一种生把观察看作是一种纯粹的感官反映活动，一种生 理过程而非认识过程。理过程而非认识过程。2 2、逻辑经验主义的中性观察说、逻辑经验主义的中性观察说n逻辑经验主义者将科学语言分为
21、观察语言和理论逻辑经验主义者将科学语言分为观察语言和理论 语言，理论语言从观察语言获得。语言，理论语言从观察语言获得。n他们认为观察语言不受任何理论的影响，也就是他们认为观察语言不受任何理论的影响，也就是 观察者的理论框架、既往经验、文化环境对观察观察者的理论框架、既往经验、文化环境对观察 过程没有影响过程没有影响观察是一种主客体的相互作用。观察是一种主客体的相互作用。少女少女还是还是老妇老妇情侶还是骷顱案例：氧气的发现案例：氧气的发现n恩格斯：恩格斯：“普利斯特列和舍勒析出了氧气，但不知道他们普利斯特列和舍勒析出了氧气，但不知道他们所析出的是什么。他们为所析出的是什么。他们为既有的既有的燃素
22、说燃素说范畴所束缚范畴所束缚。这这种本来可以推翻全部燃素说观点并使化学发生革命的元素，种本来可以推翻全部燃素说观点并使化学发生革命的元素，在他们手中没有能结出果实。但是，当时在巴黎的普利斯特在他们手中没有能结出果实。但是，当时在巴黎的普利斯特列立刻把他的发现告诉了拉瓦锡，拉瓦锡就根据这个新事实列立刻把他的发现告诉了拉瓦锡，拉瓦锡就根据这个新事实研究了整个燃素说化学，方才发现：这种新气体是一种新的研究了整个燃素说化学，方才发现：这种新气体是一种新的化学元素；在燃烧的时候，并不是神秘的燃素从燃烧物体中化学元素；在燃烧的时候，并不是神秘的燃素从燃烧物体中分离出来，而是这种新元素与燃烧物体化合。这样，
23、他才使分离出来，而是这种新元素与燃烧物体化合。这样，他才使过去在燃素说形式上倒立着的全部化学正立过来了过去在燃素说形式上倒立着的全部化学正立过来了”。n恩格斯：当真理碰到鼻尖上的时候，还是没有得到真理。恩格斯：当真理碰到鼻尖上的时候，还是没有得到真理。3、观察的理论负荷论、观察的理论负荷论n美国物理学家汉森提出了观察渗透理论，认为认识美国物理学家汉森提出了观察渗透理论，认为认识 主体对事物预先具有的知识对认识事物具有建构作主体对事物预先具有的知识对认识事物具有建构作 用。用。n爱因斯坦：爱因斯坦：“是理论决定我们能够观察到的东西是理论决定我们能够观察到的东西.”.”观察与理论的关系观察与理论的
24、关系n观察是接受信息和加工信息的过程观察是接受信息和加工信息的过程n观察陈述是用与特定的科学理论联系的语言表述的观察陈述是用与特定的科学理论联系的语言表述的n使用仪器是按照仪器所蕴涵的理论来工作的使用仪器是按照仪器所蕴涵的理论来工作的n理论在观察中起定向和加工改造的作用理论在观察中起定向和加工改造的作用五、观察和实验中的机遇问题五、观察和实验中的机遇问题 绝大部分生物学和医学上的新发现都是意外作出的，或至少含有机遇的成分。-英国科学家 贝弗里奇1 1、机遇的涵义、机遇的涵义n人们在有计划地进行观察实验及其它研究工作中，由人们在有计划地进行观察实验及其它研究工作中，由 于某种偶然的机会，遇到或发
25、现某些出乎意料的自然于某种偶然的机会，遇到或发现某些出乎意料的自然 现象。现象。2 2、机遇的类型、机遇的类型n按照与科学问题关系的不同按照与科学问题关系的不同1 1）期望型）期望型：与研究问题有关，促成了问题的解决。：与研究问题有关，促成了问题的解决。n如，如，18391839年美国古特依发明橡胶的硫化技术。年美国古特依发明橡胶的硫化技术。2 2）意外型）意外型：与研究的问题无直接关系。：与研究的问题无直接关系。n如，如，19131913年英国布里尔利发明不锈钢。年英国布里尔利发明不锈钢。3 3）线索型）线索型：提供了新问题的线索。：提供了新问题的线索。n如，伽利略发明望远镜，佛莱明发现青霉
26、素，伦琴如，伽利略发明望远镜，佛莱明发现青霉素，伦琴 发现发现X X射线。射线。3 3、如何捕捉机遇、如何捕捉机遇n机遇观察的合理性在于客观世界本身就是必然性机遇观察的合理性在于客观世界本身就是必然性与偶然性的对立统一。因此，观察者能否抓住这些与偶然性的对立统一。因此，观察者能否抓住这些新现象，在很大程度上就取决于他对这种辩证关系新现象，在很大程度上就取决于他对这种辩证关系的理解和自觉性的高低，能否在注意预期现象的同的理解和自觉性的高低，能否在注意预期现象的同时又保持对意外现象的警觉性，能否有开放的思时又保持对意外现象的警觉性，能否有开放的思路、好奇善疑和穷追不舍的探索精神。路、好奇善疑和穷追
27、不舍的探索精神。n此外，还要求观察者具备一定的背景知识。此外，还要求观察者具备一定的背景知识。机遇只偏爱那些有准备的头脑。机遇只偏爱那些有准备的头脑。巴斯德巴斯德 2.机遇的特点机遇的特点-意外性。意外性。l l 完全意外性完全意外性，研究目的是为了发现现象，研究目的是为了发现现象A，但却意外发现一种完全不，但却意外发现一种完全不同于同于A的现象的现象B，而且，而且B比比A更有价值。更有价值。如，瑞士化学家雄班在厨房里利用纤维素作原料合成其他巨分子如，瑞士化学家雄班在厨房里利用纤维素作原料合成其他巨分子实验时，弄洒了一瓶硫酸和硝酸地混合物，他抓起妻子地棉围裙去擦，实验时，弄洒了一瓶硫酸和硝酸地
28、混合物，他抓起妻子地棉围裙去擦，然后把它放到炉子上烤，不料围裙然后把它放到炉子上烤，不料围裙“噗噗”地一声着起火来，烧得干干地一声着起火来，烧得干干净净，但是没有发生浓烟。受这一意外地启示，发明了威力巨大而又净净，但是没有发生浓烟。受这一意外地启示，发明了威力巨大而又无烟地烈性炸药。无烟地烈性炸药。l l部分意外性部分意外性，指结果时意料之中的事情，但发现这一现象的方式、，指结果时意料之中的事情，但发现这一现象的方式、时间或场合确是意外的。时间或场合确是意外的。“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处火阑珊处”.如古德意尔橡胶硫化技术的发明，就是在实验过程中不小心把橡如古德意尔橡胶硫化技术的发明，就是在实验过程中不小心把橡胶和硫磺德混合物掉在火炉上，出乎意料地发现这种混合物地良好性胶和硫磺德混合物掉在火炉上，出乎意料地发现这种混合物地良好性能。能。
