《自然科学基础》 2015.03

第一章 科学

一、科学的概念、内涵与本质 1.“科学”名词演变及含义 据说文解字，科，会意字：“从禾从斗，斗者量也”；故“科”学一词乃取“测量”之学问之义为名。 从唐朝到近代以前，“科学”作为“科举之学”的略语，“科学”一词虽在汉语典籍中偶有出现，但古中文中“科学”一词所指涉的概念与近代中文“科学”不同，大多指“科举之学”。

中国传统上将所有的知识统称“学问”，古代将关于自然物道理的学问称为“物理”因此古代的物理即是自然科学，数学学科独立于“物理”。 而自明代时中国则称为格致，即格物致知，以表示研究自然之物所得的学问。直至中日甲午战争以前出版的许多科学书籍多冠以“格致”或“格物”之名。

“科学”一词由近代日本学界初用于对译英文中的“Science”及其它欧洲语言中的相应词汇，欧洲语言中该词来源于拉丁文“Scientia”，意为“知识”、“学问”，在近代侧重关于自然的学问。 中国最早使用“科学”一词的学者大概是康有为。他出版的《日本书目志》中就列举了《科学入门》、《科学之原理》等书目。

伪科学（Pseudoscience、Bad Science） 又称假科学、坏科学、疑似科学，是指任何经宣称为科学，或描述方式看起来像科学，但实际上并不符合科学方法基本要求的知识、缺乏支持证据，经不起可信性测试，或缺乏科学形式，伪科学常常使用模糊的、自相矛盾的、夸张的或无法证明的主张，过度依赖确认而不是严格的反驳，缺乏其它专家的公开确认，缺乏系统化、理性化的理论过程。

一个领域、实践或知识体系如果自称是科学的，但无法到达相应的标准和规范时，就可以被称之为伪科学。 二十世纪中叶，卡尔·波普尔将可证伪性视为科学和伪科学的标准。例如：“上帝创造了宇宙”，占星术，相对论。 有的科学是从伪科学中剥离出来的。一个例子是化学，它来自伪科学炼金术。 科学研究会反错误，但是会随着时间推移自我更正。但是，伪科学思想却不会这样，因为他们面对自相矛盾的证据时不会自我修复。占星术在过去的两千年中没有任何进步。

一、科学的概念、内涵与本质 2.科学的内涵 （1）科学是以范畴、定理、定律等思维形式反映现实世界各种现象的本质和运动规律的知识体系。——（《辞海》1999年版） （2）科学不仅是知识体系，还是产生知识体系的认识活动。 （3）科学又是一种“社会建制”，即一项作为现代社会组成部分的社会化事业。

一、科学的概念、内涵与本质 3.科学的分类 （1）基础科学 基础科学以自然界的物质形态及其运动形式为研究对象，目的在于探索和揭示自然界物质运动的基本规律。它的任务是探索新领域，发现新原理。基础科学是整个自然科学的基石。 数学物理化学天文地学生物 ……. 1.法拉第发现电磁感应原理（发电原理）   2.麦克斯韦提出电磁波理论 基础科学

（2）技术科学 技术科学是将基础科学知识向实践应用的中间环节，是基础科学转化为直接生产力的桥梁，它一方面是基础科学的应用，另一方面又是直接指导工程技术研究的理论基础。 应用数学 应用物理学 应用生物学 。。。。 计算机技术科学 材料技术科学 能源技术科学 。。。。。 1.西门子制成励磁电机,可以发电,但尚不能应用   2.赫兹发现电磁波,制成电磁波发生装置,使无线电通信成为可能，但还没实现。 技 术 科 学

工程科学主要是研究基础科学和技术科学的理论在生产过程中的具体运用,从而提供改造自然的手段和方法，研究的是具体的技术原理、结构和工艺。 （3）工程科学 工程科学主要是研究基础科学和技术科学的理论在生产过程中的具体运用,从而提供改造自然的手段和方法，研究的是具体的技术原理、结构和工艺。 动力技术、材料技术、 机械技术、栽培技术、 控制技术、建筑技术、 …… 1.爱迪生制成电机,建成电厂,建立电力技术体系,迎来电世界   2.波波夫与马可尼进行无线电通信获得成功,实现跨越大洋的无线电通信,迎来电信时代

一、科学的概念、内涵与本质 3.科学的特征 1）理论抽象性。 科学是对自然现象高度抽象概括而形成的理性认识。是由一系列学说、原理、定律组成的系统的理论知识体系。 2）客观真理性。 科学反映的是自然现象和事物的客观规律和事实的知识体系。

3)人类共享性。 自然科学反映的是自然规律，它不属于特定的社会、阶级和国家。 4)重复验证性。 自然科学所反映的自然规律可以重复验证，无论时间先后、空间区域变动、认识主体变化。

一、科学的概念、内涵与本质 3.科学发展的规律 （1）带头学科更替规律 （2）科学发展加速规律 （3）科学中心转移规律

二、科学的思想、方法与精神 1.科学思想 科学思想是使我们的头脑更加有效思考问题的工具。 （1）狭义的科学思想：（科学研究领域） 在各种特殊科学认识和研究方法的基础上提炼出来的、能够发现和解释其它同类或更多事物的合理观念和推断法则，它对进一步的、更广泛的科学研究和社会实践具有导向作用。

（2）广义的科学思想：（社会生活领域） 科学思想泛指一切崇尚科学、追求真理，正确反映客观事物，按照客观规律办事的正确思想、观念和意识。

（3）典型的科学思想 1.整体和综合思想 2.层次结构思想 3.渗透移植思想

另：科学思想还可以用以下语词概括： 1）公正：以公正的立场观察事物。哥白尼精神 2）简单入手多元思考：选择简单对象开始研究，建立理想模型，尽量应用数学，完整的考虑各要素，建立理论，并通过修改和扩展，扩大应用范围。笛卡尔精神 3）证实加证伪：能用实验证实，不能被证伪的理论就是科学。波普尔精神 4）理性怀疑：科学只是最逼近真理。马克思精神（怀疑一切） 5）争论与激励：玻尔精神。玻尔与薛定谔的激烈争论，建立了量子力学。

二、科学的思想、方法与精神 2.科学方法 （1）科学方法：人们在认识和改造世界中遵循或运用的、符合科学一般原则的各种途径和手段，包括在理论研究、应用研究、开发推广等科学活动过程中采用的思路、程序、规则、技巧和模式。简单地说，科学方法就是人类在所有认识和实践活动中所运用的全部正确方法。

（2）科学方法的层次 科学方法是人们为获得科学认识所采用的规则和手段系统。它是科学认识的成果和必要条件。可分为三个层次： (1)单学科方法，也称专门科学方法； (2)多学科方法，也称一般科学方法，是适用于自然科学和社会科学的一般方式、手段和原则； (3)全学科方法，是具有最普遍方法论意义的哲学方法。

（3）科学研究方法 一般步骤： 1）在进行科学研究时，应当首先认识到问题的存在。例如，在研究物体的运动时，首先应当注意到物体为什么会像它所发生的那样进行运动，亦即物体为什么在某种条件下会运动得越来越快（加速运动），而在另一种条件下则会运 行得越来越慢（减速运动）。 2）要把问题的非本质方面找出来，加以剔除。例如，一个物体的味道对物体的运动是不起任何作用的。

3）要把你能够找到的、同这个问题有关的全部数据 都收集起来。例如，可以有意地让一些球从一些斜面上滚下来；这样做时,既可以用各种大小不同的球，也可以改变球的表面性质或者改变斜面的倾斜度，等等。这种有意设计出来的情况就是实验，而实验对近代科学起的作用是如此之大，以致人们常常把它称为“实验科学”，以区别于古希腊的科学。 4）有了这些收集起来的数据，就可以作出某种初步的概括，以便尽可能简明地对它们加以说明，亦即用某种简明扼要的语言或者某种数学关系式来加以概括。这也就是假设或假说。

5）有了假说以后，你就可以对你以前未打算进行的实验的结果作出推测。下一步，你便可以着手进行这些实验，看看你的假说是否成立。 6）如果实验获得了预期的结果，那么，你的假说便得到了强有力的事实依据，并可能成为一种理论，甚至成为一条“自然定律”。

（3）科学研究方法 种类及运用： 1）等效法（替代法） 例： (1)在力的合成中，若干个共同作用的分力可以等同于作用效果相同的一个合力；相反，一个力也可以分解为作用效果相同的若干个分力 (2)在电路中，若干个电阻，可以等效为一个合适的电阻，反之，如串联电路的总电阻、并联电路的总电阻都利用了等效的思想 (3)在“曹冲称象”中用石块等效替换大象，效果相同 (4)在研究平面镜成像实验中，用两根完全相同的蜡烛，其中一根等效另一根的像

把复杂问题简单化，摒弃次要条件，抓住主要因素，对实际问题进行理想化处理，构建理想化的物理模型。 2）理想模型法 把复杂问题简单化，摒弃次要条件，抓住主要因素，对实际问题进行理想化处理，构建理想化的物理模型。 例： (1)匀速直线运动，就是一种理想模型，在生活实际中严格的匀速直线运动是无法找到的。 (2)杠杆也是一种理想模型，会形变。 (3)光线、磁感线都是虚拟假定出来的。 (4)汛期是发生的 “管涌”，其物理模型是连通器。

3）控制变量法 在研究物理问题时，某一物理量往往受几个不同物理量的影响，为了确定各个不同物理量之间的关系，就需要控制某些量，使其固定不变，改变某一个量，看所研究的物理量与该物理量之间的关系。 例： (1)研究滑动摩擦力与压力和接触面之间的关系 (2)研究物体的动能与质量和速度的关系 (3)研究电流与电阻、电压之间的关系即欧姆定律

4）实验推理法 实验推理法它以大量的可靠的事实为基础，以真实的实验为原形，通过合理的推理得出结论，深刻地揭示物理规律的本质，是物理学研究的一种重要的思想方法． 例： (1)研究牛顿第一定律 (2)研究真空中能否传声 (3)“自然界中只存在两种电荷”这一重要结论，是在实验的基础上进行推理得出来的

5）转换法 物理学有时需要研究看不见的物质(如电流、分子、力、磁场)，这时就必须将研究的方向转移到由该物质产生的各种可见的效应、效果上，由此来分析、研究该物质的存在、大小等情况，这种研究方法称为转换法． 例： (1)分子运动看不见、摸不着，不好研究，但可以通过研究扩散现象认识它 (2)磁场看不见、摸不着，判断磁场是否存在时，用小磁针放在其中看是否转动来确定

用具体的、有形的、人们所熟知的事物来类比要说明的那些抽象的、无形的、陌生的事物． 6）类比法 用具体的、有形的、人们所熟知的事物来类比要说明的那些抽象的、无形的、陌生的事物． 例： (1)研究电流时用水流比作电流 (2)用“水压”类比“电压” (3)用抽水机类比电源

二、科学的思想、方法与精神 3.科学精神 （1）科学精神是人们在长期的科学实践活动中形成的共同信念、价值标准和行为规范的总称。 科学精神就是指由科学性质所决定并贯穿于科学活动之中的基本的精神状态和思维方式，是体现在科学知识中的思想或理念。它一方面约束科学家的行为，是科学家在科学领域内取得成功的保证；另一方面，又逐渐地渗入大众的意识深层。

（2）科学精神的特征 探索精神、创新精神、继承精神、理性精神、 求真求实精神、分析精神、协作精神、独立精神、 开放精神、功利精神、怀疑批判精神

三、科学研究内涵与成果评价 1、科学研究的内涵 科学研究（ research）一般是指利用科研手段和装备，为了认识客观事物的内在本质和运动规律而进行的调查研究、实验、试制等一系列的活动。为创造发明新产品和新技术提供理论依据。科学研究的基本任务就是探索、认识未知。 内涵： （1）整理继承知识 （2）创新发展知识 （3）开拓知识新用途 三方面不可分割，都是科学研究的组成部分。

2、科学研究的类别 （1）基础研究。是对新理论、新原理的探讨，目的在于发现新的科学领域，为新的技术发明和创造提供理论前提。 （2）应用研究。是把基础研究发现的新的理论应用于特定的目标的研究，它是基础研究的继续，目的在于为基础研究的成果开辟具体的应用途径，使之转化为实用技术。 （3）开发研究。又称发展研究，是把基础研究、应用研究应用于生产实践的研究，是科学转化为生产力的中心环节。

3、科学研究的成果 （1）成果类型。 直接经济效益、技术成果转让与发明专利、学术论文、学术著作、成果鉴定与奖励 （2）成果评价。 基础研究成果的评价：引用和评论的情况、发表在什么刊物上、创新性。 应用研究成果的评价：创造的经济效益和社会效益

4、部分世界性科学技术奖简介 （1）诺贝尔奖。世界上最著名、学术声望最高的国际大奖。 （2）沃尔夫奖。 （3）菲尔兹奖。奖励40岁以下的数学家，“数学的诺贝尔奖”。 （4）泰勒环境成就奖。 （5）图灵奖。计算机届最负盛名、最崇高的奖项。 （6）维特勒森奖。地球科学领域最高荣誉。 （7）格拉芙奖。 ……

第二章 科学简史

图为为不同科学领域中较有影响力的科学家 。从左到右为: 第一行 - 阿基米德, 亚里斯多德, 海什木, 达芬奇, 伽利略, 列文虎克; 第二行 - 牛顿, 詹姆斯·赫顿, 拉瓦锡, 道尔顿, 达尔文, 孟德尔; 第三行 - 路易·巴斯德, 麦克斯韦, 儒勒·昂利·庞加莱, 弗洛伊德, 特斯拉, 普朗克; 第四行 - 欧内斯特·卢瑟福, 玛丽·居里, 爱因斯坦, 尼尔斯·玻尔, 薛定谔, 恩里科·费米; 第五行 - 艾伦·图灵, 理查德·费曼, 艾德华·威尔森, 珍·古道尔, 史蒂芬·霍金, 奈尔·德葛拉司·泰森

一、古代的科学 一、古代科学的萌芽 （一）原始时代 1、原始时代的技术与经验态的自然知识 （1）最初的技术是在一百乃至二百万年以前产生的用“以石击石”的方法制造石器的技术 （2）人类学会的第二个技术是用火和人工取火

（3）人类学会的第三种技术是植物栽培技术和动物驯养技术。 （4）人类学会的第四方面的技术是制陶技术、纺织技术、建筑技术和运输技术。 （5）人类学会的第五种技术是文字的发明。

随着这些技术的产生和发展，人类也就积累着越来越多的经验形态的自然知识。

这些在生产实践中产生并以经验形态存在于技术之中的自然知识，就构成了自然科学萌芽的最初形式。

科学起源的两种线索 技术的发展 科学的起源 理性的线索 （在解释自然的过程中） 理性思维 感性思维

2、对自然的敬畏和原始的宗教自然观

拟人化 原始自然观： 万物有灵论 （泛灵论）

3、古代朴素的唯物主义自然观 （肺） 金 水 （肾） （脾） 土 （心） 火 木 （肝）

当时古巴比伦和古埃及的文明成了后来希腊文明的源泉

在这种条件下，一些自然学者开始用理性考察自然，用技术经验解释自然界的万物，这就是古代的自然哲学，也就是古代人的朴素唯物主义的自然观。

（1）最早对自然界进行理性考察的是米利都学派的自然哲学家。 泰勒斯 阿那克西曼德

（2）毕达哥拉斯学派 毕达哥拉斯学派虽象伊奥尼亚的哲学家一样谈论世界的本源，但他们不把世界的本源看作是具体的物质，而看作是抽象的“数”

苏格拉底： “接生术” 辨证法： 苏格拉底讽刺

亚里士多德（集大成者） 柏拉图 将理性精神和求实精神统一起来了。

4、古代科学的繁荣 （1）欧几里得几何学 通过几十个公理 几何体系 演绎

（2）天文学： 阿利斯塔克已早在哥白尼一千八百年前提出了太阳中心说

5、基督教的兴起与中世纪的宗教神学自然观 （1）历史背景 公元前334年到公元前30年，马其顿王亚历山大征服许多国家，建立了地跨欧、亚、非的亚历山大帝国。

在巴勒斯坦地区，人们受到压迫，希望救世主来拯救他们。

日耳曼骑兵扫光了其他文明，仅留了基督教。 到公元476年，西罗马帝国灭亡，从此西欧进入了封建时代。 （2）教会的神父们企图利用哲学和科学为基督教教义进行论证。这就要求把教义和哲学结合起来。

（3）在漫长的中世纪，在神学的自然观的支配下，科学不可能得到发展，科学要想发展，就必须冲破宗教神学的自然观。近代科学就是在这种斗争中产生的。

（二）近代科学革命与形而上学自然观 1、“文艺复兴”与科学解放。 （1）时期本质：生产关系变革时期 （2）宗教改革运动 （3）地理大发现对科学的影响

航海活动直接推动：天文学、力学、数学、大地测量学的发展 开阔了人们的眼界，促进了生物学的发展

2、自然科学革命 （1）1543年出版的两本著作 哥白尼的《天体运行论》 维萨里的《人体的构造》 标志着近代科学革命的开始

（2）实验科学的兴起 近代科学有两个轮子 一是哥白尼的《天体运行论》 二是实验科学的方法

近代实验科学的主要奠基人和主要代表是伽利略。 近代在哲学上充当近代实验科学发言人的是弗朗西斯.培根

3、经典力学体系的建立 哥白尼给出了一个正确的坐标系 第谷：测量数据，重要贡献在天文观测 开卜勒在第谷基础提出了行星运动三定律 伽利略奠定了动力学基础 牛顿建立了经典力学的基本理论体系

其他科学家的成就 生物学方面： 哈维发现了血液循环理论 维萨里出版《人体的构造》 林耐：提出系统分类思想（纲、目、科、属、种）

化学方面： 波意尔提出了元素的概念，把化学变为科学 光学方面： 惠狄斯提出光的波动说 牛顿提出光的微粒说

4、近代前期科学的特点与形而上学自然观的形成 （1）近代前期自然科学特点 从学科内容上看，力学较完善，其他科学基本上还处于收集材料的阶段。 自然科学主要研究既成事物，还没研究演化的问题。 近代自然科学主要采取研究方法是分析解剖的方法

（2）形而上学自然观的形成及其作用 上述研究方法久而久之，最终发展成为一种固定的、普遍的思维形式，即注意局部，不注意整体。

（三）近代自然科学的全面发展与辩证唯物主义自然观的产生。 1、近代后期科学的主要成就及其对形而上学自然观的冲击 （1）天文学新观念 康德：星云假说 （2）地质学的新理论 赖尔的地质渐变理论

（3）物理学的新综合 第一大综合是牛顿力学大综合 第二大综合是热力学大综合 第三大综合是电磁学大综合 （4）化学的新发现 原子、分子学说，元素周期表被发现 （5）生物学上的新进展 细胞理论、生物进化论

2、特点 （1）研究对象扩大了。 （2）研究方法上，学科之间，不同领域的综合。 （3）自然科学出现全面的繁荣 这样逐渐形成新时代的自然观 联系的观点，发展的观点 科学开始出现超前生产的势头

（四）现代科学革命与辩证唯物主义自然观的发展。 1、现代物理学革命的过程 （1）三大实验发现 （X射线、放射性、电子）被发现 （2）以太飘移实验与相对论的建立 迈克尔逊、莫雷实验 （3）黑体辐射实验与量子物理学的建立

（1）20世纪以来，物理学革命外，天文学、化学、生物学、地质学各领域也都取得了重大突破。 2、现代自然科学的发展 （1）20世纪以来，物理学革命外，天文学、化学、生物学、地质学各领域也都取得了重大突破。 现代宇宙学：相对论与宇宙结合 现代化学：量子学与化学结合 现代生物学：孟德尔遗传实验 遗传与进化论结合，产生综合进化论

（2）当代自然科学愈来愈深刻地揭示了自然界各种不同物质运动形式之间互相转化和统一性。 发现了前所未知的新的自然现象和自然界有规律的联系，从而产生了一大批分支学科，中间学科，边缘学科，横向学科和综合性学科，这种高度分化和高度综合的发展，显示了现代自然科学愈益走向整体化的重要趋势和特点。

（3）生物学革命——分子生物学的产生 （4）系统科学的产生与发展 第一是研究生命系统客体的理论生物学中产生的一般系统论。 第二是从研究人工技术系统客体的技术科学中所产生的控制论、信息论和系统工程等 第三是从研究非生物界物理系统客体的物理学中所产生的非平衡理论。

3、辩证唯物主义自然观的发展 （1）物理学革命，使经典物理学的理论基础发生了翻天覆地的变，在这种科学理的急剧变革面前，少数物理学家在物理学革命中走向了错误的哲学道路。

（2）“物理学”唯心主义产生的两个认识论根源。 （3）由物理学和其他自然科学革命、技术革命所提供的极为丰富的、新鲜的材料，雄辩地证明了辩证唯物主义自然观的正确性，而且进一步丰富和发展了自然辩证法的内容。

相对论以具体的科学事实提示了空间、时间与物质及物质的运动之间，空间与时间之间，质量与运动之间，质量与能量之间存在的深刻的辩证关系。自然界物质的一些基本属性之间再也不是孤立的，而是一个辩证关系。 分子生物学从分子水平上揭露了生物的统一性，大大丰富了人类的生命观。 系统论的建立，发现了自然和社会（包括技术装置）以共同的系统形式而存在和运动的规律性。

（4）科学技术当今发展的新变化 科学技术在社会中的地位发生了革命性的变化。 现代科学技术自身的知识结构发生了巨大的变化。

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