“求实——创新”现代科学研究方法论.pdf

求实 求实—— ——创新 创新 现代科学研究方法论 中国科学院新疆分院研究生、博士生导师 周俊林 2011年 2011 年11月 11月25日，新疆大学 25日，新疆大学 前言： • 扣响科学研究工作的大门 扣响科学研究工作的大门;; • 树立科学的价值观 树立科学的价值观; ; • 学习科学研究工作的方法 学习科学研究工作的方法; ; • 熟悉科研工作的工具和环境； • 适应新环境, 适应新环境,学会与科学研究团队的共事。 罗默（1986） 技术收益递增型增长模型 社会收益=f( 社会收益= f(物质资本， (物质资本， 物质资本 劳动， 社会平均知识水平， 特定创新专业知识)) 特定创新专业知识 f是什 是什么：管理—— 是什么：管理 管 ——资源和环境优化调度。 资源和环境优化调度。 资源 环境 调度 获取社会平均知识水平，是大学阶段的任 务——支配式学习，计划式学习； 支配式学习 计划式学习 培养获取特定创新专业知识的能力，是研 究生阶段的任务——探索式学习，主动式学习。 探索式学习 主动式学习 报告内容 • 预备 预备知识—— 预备知识 ——现代知识系统 现代知识系统 现代 系 • 科学研究工作的生命周期 • 科学研究工作的环境与工具 • 科学研究工作的组织艺术 一、现代知识系统 现代知 系统 • 现代知识系统的构成——客观的知识世界， 现代知识系统的构成 客观的知识世界 知识世界之间的的关系； • 知识系统进化的规律、可持续和未来的方向； • 科学的分化和整合。 1、知识系统的“三个世界” ——1967年英国哲学家波普尔提出 • 物理客体或物理状态世界：第一世界O(Object) –物体、产品、属性、运动； 物体 产品 属性 运动 • 意识状态或精神状态世界：第二世界R(Recognition) –主观认知：印象、感觉、归纳和规律； • 思想领域客观内含的世界：第三世界K(Knowledge) –科学理论、思想，科学著作，猜想和不断扩展的新推 –科学理论 思想 科学著作 猜想和不断扩展的新推 动。 “三个世界”的属性 个世界 的属性 第一世界O(Object)； 第 世界 ( 第二世界R(Recognition); ) 第三世界K(Knowledge)。 • 三个世界间关系：第一世界、第二世界、第三世界依 次产生 第三世界 次产生；第三世界——知识将自觉和不自觉地促进第 知识将自觉和不自觉地促进第 一世界的进步。 • 独立性：“第三世界”具有独立性：假设特定事物的 一、二世界毁灭，第三世界将能重建知识系统；假定 一、二、三世界同时毁灭，知识系统将会灭亡。 2、“三个世界”的关系 • 三个世界具有共同的联系点——知识表达 L： ——语言L(Language）,包括主观陈述、规范整理、语 言思考方法(描述、整理、归纳、表达) L 三个世界之间的关系 三个世界之间的关系： O-R 对象—认识，认识论 R-K 认识—知识，方法论 K O K-O 知识—对象，本体论（实践论） 三个世界与知识表达L 三个世界与知识表达 个世界与知识表达L的关系 的关系： O-L 对象—语言，语义学 R R-L 认识—语言，语用学 认识—语言 语用学 K-L 知识—语言，语型学 L 四个平面之间的关系 O-R-K 平面，知识系统基础平面 O-R-L 平面（ 平面（报道 报道），认识平面 ），认识平面 平面（报告 报告），逻辑平面 ），逻辑平面 K R-K-L 平面（ K-O-L 平面（ 平面（论文及解决方案 论文及解决方案 Article & Solution ） 知识系统解释发展 O R ■O-R-K是基础平面，当我们把基础平面与表达系统连接起 ■O R K是基础平面 当我们把基础平面与表达系统连接起 来，才能成为现代知识系统。 3、知识系统的进化论 知识系统的 化 • 在O-R-K的平面上，构成了封闭环路； • K点具有生长能力，在严密完善自己的同时，又不断发现 新的矛盾和问题，形成活跃的新生命力，创新的孕育点； • 在K点向外，是严重发散的，这种发散证明了第三世界的 独立性，以及知识的进化。 改进系统 O R K 丰富 扩展 丰富、扩展 建立严谨理论 探索新的科学世界 发展系统 （完善、缺陷、猜想） 改进系统 改进系统—— ——发展系统 发展系统 • 完善—— 完善——伽利略 伽利略1609 1609年的光学望远镜、分光学、光度学、 年的光学望远镜、分光学、光度学、 光谱学，射电天文学，对宇宙物质、物质运动、未来的 认识； • 缺陷 缺陷—— ——牛顿经典力学，量子力学，狭义相对论，广义 牛顿经典力学 量子力学 狭义相对论 广义 牛顿经典力学，量子力学，狭义相对论，广义 相对论，粒子与场（引力作用、电磁力、强相互作用、 弱相互作用）； • 猜想 猜想—— ——哥德巴赫猜想、费马素数猜想、格里斯“四色 哥德巴赫猜想、费马素数猜想、格里斯“四色 猜想 猜想”” ，推动着数学发展。这一切都来源于 ，推动着数学发展。这一切都来源于“ 推动着数学发展 这 切都来源于“ 切都来源于“数学拥有的 不仅是真理，而且还有着自高无上的美—— 不仅是真理，而且还有着自高无上的美 ——就跟雕塑一 就跟雕塑一 样有着冷峻 朴素的美（罗素）”。 样有着冷峻、朴素的美（罗素） —— ——“唯一的真理存在于流动和演化之中（爱因斯 “唯一的真理存在于流动和演化之中（爱因斯 坦）”” 。 坦） 4 科学的矛盾和可持续问题（1） 4、科学的矛盾和可持续问题（1） • 科学的发展也遇到新的挑战 –科学是在人类环境产生，但科学发展推动使开发能力 迅速提高已使环境和生态严重受损； 科学是人类杰作 但也导致 球 济差异加大 人 –科学是人类杰作，但也导致地球经济差异加大、人口 膨胀，Internet使个性化社会趋同； 科学是道德之源，但当代科学发展的若干前沿领域， –科学是道德之源，但当代科学发展的若干前沿领域， 如Clone克隆技术、个人遗传密码破译与伦理、道德发 生矛盾； –科学有时也会成为政治讹诈的工具。 科学自身需要改造吗？ 科学的矛盾和可持续问题（2） • 科学文化和人文文化的结合 –科学和人文的关系是真与善的关系； 科学和人文的关系是真与善的关系； –科学探索的方向需要道德和法律的指导——科学服从 伦理 防止负面效应 促进社会进步； 伦理，防止负面效应，促进社会进步； –科学发展观的产生——资源、环境、人口、可持续发 展的研究 –Internet与社会信息的透明。 • 科学的系统化 –现代科学体系是大系统，包括了社会科学、自然科学 和数学 技术科学 和数学、技术科学； –人为的分离不利科学发展，更不利对现实世界的反推 动。 科学的矛盾和可持续问题（3） • 科学的分化和整合 –科学和人文回归，走向新的统一——大学； –小科学逐步统一，走向大科学，从科学精英的行为走 向团队奋斗，国际合作； –面向学科的科学，走向面向问题的科学； 面向学科的科学，走向面向问题的科学；((Science of Question Oriented) –现代科学的重心，走向对复杂系统、大系统的认识， 如对生命系统 环境系统 空间系统的重新认识 如对生命系统、环境系统、空间系统的重新认识—— 这是涉及到科学、社会、经济发展的重大问题。 力学、物理学、天文学 电子学 材料科学 电子学、材料科学 化学、有机化学、物理化学 生物学 植物学、动物学 生物化学、生物物理学 Q-O ? 微结构材料科学 信息科学、能源科学 生态学 环境科学、生命科学 科 科 空间科学、系统科学 微系统、 过程科学 科学 矛盾 科学的矛盾和可持续问题（4） 持续问题 • 科学理性—— 科学理性——实验理性； 实验理性； • 科学理性—— 科学理性——逻辑理性； 逻辑理性； • 科学理性 科学理性—— ——数学理性（没有数据的科学是伪科学， 数学理性（没有数据的科学是伪科学， 没有数学模型的科学是低级科学）； • 科学理性 科学理性—— ——“ “价值理性 价值理性” ”成为科学和社会共同关 心的问题，创新成为有明确社会和经济目标的行为， 这也是面向学科的科学 这也是面向学科的科学，走向面向问题的科学的主 这也是面向学科的科学，走向面向问题的科学的主 面向学科的科学 走向面向问题的科学的主 要根据。 要根据。 有许多人所以热爱科学，是因为科学给他们以超乎寻 常的智力上的快感…… 常的智力上的快感 ……人们总是想以最适当的方式划出一 人们总是想以最适当的方式划出 人们总是想以最适当的方式划出一 幅简化和易领悟的世界图像 幅简化和易领悟的 世界图像…..( …..(爱因斯坦 爱因斯坦)) 科学已经成为我们文明的 个不可缺少的和最重要的 科学已经成为我们文明的一个不可缺少的和最重要的 部分，而科学工作就意味着对文明的发展 部分，而科学工作就意味着对 文明的发展做出贡献 做出贡献…… …… （波恩） • 古天文学 古天文学—— ——农历；现代空间科学 农历；现代空间科学—— 现代 ——从深空到地表， 从深空到地表， 射电谱学，探月工程，He3 射电谱学，探月工程， He3 ； 物理学—— ——材料科学、电子学、通讯技术、网络技术和 材料科学、电子学、通讯技术、网络技术和 • 物理学 网络经济； • 生物学 生物学—— ——生态科学、环境科学，从微观 生态科学 环境科学 从微观DNA 生态科学、环境科学，从微观DNA 从微观DNA到宏观 到宏观 的数字地球；从描述到预测、指导和干预。 企业从追逐利润指标到涉及社会责任 是 个进步 企业从追逐利润指标到涉及社会责任，是一个进步， 科学家应当引领这种社会进步。 二 科学研究工作的生命周期 二、科学研究工作的生命周期 • 科学问题和科研项目的来源 科学问题 科研项 来 • 科研项目的前期工作 • 方案和计划的制定 • 实验室和实践工作 • 资料积累与建立模型 • 成果的形成 • 论文写作 1、科学问题和科研项目的来源 科学问题和科研项目的来源 • 科学问题的来源 –科学连续性的需求——DNA与蛋白组学； 科学连续性的需求 与蛋白组学； –技术对科学的需求——低损耗变压器、新材料； –生产对科学的需求——系统科学。 生产对科学的需求 系统科学 • 科研项目的来源 –政府行为——政府计划（863、973、基金）； 企业行为 企业委托合同； –企业行为——企业委托合同； –科技工作自身的延伸行为。 2、科研项目的前期工作 • 充分了解背景和已有的工作基础 –确定要解决的对象目标； –文献检索（图书-网络-期刊-人员活的资料▲）； 文献检索（图书 网络 期刊 人员活的资料▲） –充分读懂2-3篇经典文献（科学思路、创新点、结构、 结论、引文）。 • 目标的可行性 –科学的可解性，合乎逻辑、推理，有必要条件支持； –目标的有限性，相关知识的准备； 目标的有限性 相关知识的准备 –必要的价值理性。 3、方案和计划的制定 （系统工程方法：概念设计、逻辑设计、物理设计） • 项目的执行方案 –总体目标 总体目标的确定，可行性研究，目标分解； –科学路线 科学路线：科学思路推理过程的框图（逻辑进程设 计）； –技术路线： 技术路线：数据来源、设备、试验方法、计算方法、 精度评估（物理设计）； • 项目的执行计划 –项目过程的分解，PERT图； 项目过程的分解 PERT图 –过程—人员—资源的配置； –单个阶段的验收，向下一个阶段前进。 单个阶段的验收 向下 个阶段前进 4、实验室和实践工作 实验 和实践 作（有目标数据获取） 实验是真理的唯一源泉（彭加勒—数学物理学家） • 设计一个试验 设计 个试验 –目的、实验方法（对照、筛选）、设备、流程、数据 处 方法 处理方法； –数据收集，可靠性识别，误差评估； –方法和工具保证“再现性”。 • 数据处理 –数据予处理，剔除干扰数据； –利用设定的数据处理方法进行处理； 利用设定的数据处理方法进行处理 –结果分析，与预想的符合度； –重复试验方法。 5、资料积累与建立模型 z 资料的有序积累 –时间序列数据分类； –空间序列数据分类； –对比数据(对照组 对比通道) –对比数据(对照组、对比通道)。 z 从数据到曲线，从曲线到模型 –从数据到曲线，完成了知识系统认识平面O-RL； –从曲线到模型，客观世界抽象，完成了知识系 统逻辑平面R-K-L 。 6、成果的形成 z 新知识的形成 –新规律的发现； 实例验证，普遍性验证，数学验证，形成严密的结 –实例验证，普遍性验证，数学验证，形成严密的结 论——新知识的形成。 z 从知识到成果 –创新点，新知识在知识系统中的位置； –社会评价系统的认同程度(SARS事件)； –形成知识产权——论文、专利、软件著作权，以及衍 形成知识产权 论文、专利、软件著作权，以及衍 生的商标、标准； 产生新技术及产品（材料、器件、药物、系统）； 器件 药物 系统）； –产生新技术及产品（材料 –进入应用，进入产业链。 7、论文写作(简要知识) z 形式 –题目、作者、作者单位； 作 作 位 –摘要（中、英文）：领域重要性、核心问题、解决方 案、实验方法、结果与发现； –关键词； –正文：引言（研究的动机和目的）；研究目标；实验 正文 引言（研究的动机和目的） 研究目标 实验 设计；实验结果和分析；对方法和结果的讨论；结论 （论文成果 误差 新的发现） （论文成果、误差、新的发现）； –致谢； –辅助资料（某些推导过程）； –参考文献（论文研究领域前人的方法和结论——作者、 参考文献（论文研究领域前人的方法和结论 作者、 题目、出版刊物、时间 ）。 z 内容——核心是创新： –科学思想 or新物种、新方法、新算法 or技术路线 or 实验方法 or测试技术； 实 z 投向那里： 投向那里 –国际刊物、会议，国内刊物、会议——渠道； –刊物档次与文章档次，学术声誉，读者群； 采用的原则：创新、格式、表达； 格式 表达； –采用的原则：创新 –接收，修改接受，修改再投，不接收。 三 科研工作的工具和环境 三、科研工作的工具和环境 实验环境 数学工具 网络环境 文献环境 实验环境、数学工具、网络环境、文献环境 科学研究方法的新突破e 科学研究方法的新突破 e-Science • 实验环境 实 –基本实验系统，现场数据收集是基本功，是考 验发现能力的基础； 验发现能力的基础 –仪器操作能力的培养，基础试验自己动手； –野外工作环境，长期定点观测方法和积累。 • 数学工具 –回归分析，偏微分方程求解； 离散数学分析，模糊集合分析，最优化计算； –离散数学分析，模糊集合分析，最优化计算； –人工智能技术，人工神经网络… • 网络环境 –最重要的站点：资料站点、知识站点、消息站点； –只能给你社会平均知识——大众网络。 • 文献环境 –检索工具； –前沿研究工作，了解同类人员的工作状况； 知识的综合带来启发。 –知识的综合带来启发。 科学研究方法的新突破ee-Science 科学研究方法的新突破 • e-Science是科学领域全球合作的基础设施，也 Science是科学领域全球合作的基础设施，也 是支持全球合作的必须的基础设施 。 Science伴随计算技术 Science伴随计算技术、网络技术、网格的发 伴随计算技术 网络技术 网格的发 伴随计算技术、网络技术、网格的发 • e-Science 展而诞生。 • 是实现科学资源共享，使科学家个人能够方便地 是实现科学资源共享 使科学家个人能够方便地 共享广域分布的大规模计算能力、存储能力和科 学仪器的支持，使国际间的科学协作变得更为便 捷。 e Science的特点 e-Science的特点 • 开放式的科学研究 • 资源共享 – 高性能计算机，实验数据，科学仪器， 高性能计算机，实验数据，科学仪器，… … • 协同式的科学研究 – 就象在同一个实验室中一样与大洋彼岸的同事 进行合作研究； 合作 究 – 跨越多个领域的复杂的协同工作。 四、科学研究工作组织艺术 1、认清组织 、认清组织—— 认清组织——团队 团队——个人的关系 团队—— 个人的关系 –组织是支撑系统，环境系统，服务系统 组织是支撑系统，环境系统，服务系统 –现代科学只有团队才能成功——人类基因组 （生物学+物理学）； （生物学+物理学） 科学精英在团队中产 ； –科学精英在团队中产生； –个人在团队中做小兵，要有大将风度（了解和 把握全局） 将来才能成为大将 把握全局），将来才能成为大将。 2 科学人格和科学能力培养 2、科学人格和科学能力培养 • 科学人格和科学能力培养的10大要点（1-5）： （1 5） –要有明确的科学方向，明确的研究对象； 要有明确的科学方向，明确的研究对象； –学习、归纳、判断，学会提出自己的见解； –从系统看问题，从部件做工作； –选择2-3种偏前沿的刊物，作为自己研究工作的参照物， 选择2 3种偏前沿的刊物 作为自己研究工作的参照物 不断跟踪； –做1、2、3件事，科学生涯中做好1件事，决不要做10 件事。 • 科学人格和科学能力培养的 科学人格和科学能力培养的10 10大要点 大要点（6-10 10） ） –交几个学术界朋友（新疆、国内、国外）； 交几个学术界朋友（新疆 国内 国外）； –熟悉若干项目的渠道； –培育一批可靠的合作单位； –不说假话，不说大话； 假定自己是“ “完美 完美” ”的人， 的人，能够包容有缺点的同事 的人，能够包容有缺点的同事、 能够包容有缺点的同事 能够包容有缺点的同事、 –假定自己是 同行、老师一起合作，在这个过程中学会认识和善待 自己。 3、科学合作精神的培育 科学合作精神的培育 z “人文环境”的营造和“以人为本”的实践 人文环境 的营造和 以人为本 的实践 –对自己的能力有清醒的认识； –永远没有“大而全”，学术和技术的不断扩张提高； 永远没有“大而全” 学术和技术的不断扩张提高 –带头人的魅力： 坚持科学精神而不是追求权利的扩大； 组织集成能力 总体目标的把握 任务的合理分 组织集成能力，总体目标的把握，任务的合理分 配与有效的集成； 充分的民主方法 目标检查与管理 充分的民主方法，目标检查与管理； –带头人的魅力使队伍的凝聚，基于共同工作目标下的 资源优化配置，任务的分解和集成。 小结 结 • 要认识现代科学的特征 –大科学，团队科学，面向问题的科学； –完美的科学是充满人情、道德、社会责任； 完美的科学是充满人情 道德 社会责任 • 科学研究是最形式多样的活动 –重视科学活动基本生命周期的阶段和规律。 • 科学人格和科学能力的培养 –学会在团队中工作，准备在团队中冒尖； –把握基本原则和规律，构建未来发展的坚实阶 梯。 周俊林，中国科学院新疆分院研究员。