第六章 科学观察与科学实验

一、科学事实

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 气。你们如果不凭借事实，就永远也不能飞腾起 来。 ----巴甫洛夫

1、科学事实的含义(1) 1）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 意识之外，不依赖于人们的意识而独立存在。 特点： ⑴客观性 ⑵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。 2）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 性判断。 特点：可错性

错觉种类：大小错觉

1、科学事实的含义(2) 3）科学事实 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。 科学事实一般分为两类：事实I和事实II 事实I，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。 事实II，指对观察实验所得结果的陈述和判断。 如，镭具有放射性。

2、科学事实的条件或特点 1）个别存在的陈述 科学事实是单称判。 “镭具有放射性”“氦具有惰性”等均是科学事实，而 “生物都有新陈代谢”“一切物质都是可分的”等普遍 陈述，则不能视为科学事实。 2）可重复性 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。 3）比较精确、系统 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。

3、科学事实的作用 1）是科学抽象和科学理论的基础 如，量子力学：黑体辐射、固体比热、光电效应； 自组织理论：贝纳德花样、化学振荡、激光。 2）是检验科学假说和科学理论的基本手段 门捷列夫发现元素周期律，预言类铝、类硼、类硅 的存在。

元素周期律的发现 1875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4.7，原子量是59点几。 门捷列夫根据周期表，断定镓的性质与铝相似，比重 应为5.9，原子量应为68，且估计镓是由钠还原而得。 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 果，果然和门氏判断极为接近，比重为5.94，原子量 为69.9，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 的原子量和比重。

4、获取科学事实的基本途径 1）直接途径 如，伽伐尼发现生物电流；昂尼斯发现汞超导性。 2）间接途径：主要是收集文献资料 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 包括图书期刊、学位会议论文、科技政府 报 告、专利文献、产品样品和技术档案等。 二次文献：是一次文献加工整理后的产物，主要有 书目、题录、文献等检索类出版物。 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 综述、专题述评、数据统计等文献。

二、科学观察

1、科学观察的涵义 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。 与人们日常的活动相区别，不是盲目的、随意的，而 是从一定的问题出发有目的、有计划地进行的。 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 世界，记录和报道事实。

2、科学观察的分类 1）根据观察方式的不同 直接观察：仅仅利用人的感官 间接观察：借助仪器或其他物质手段 2）根据观察目的不同 定性观察：观察现象是否存在，过程是否发生 定量观察：观察对象的量化属性的大小数值

3、科学观察的特点 1）具有能动性 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。 2）具有客观性 观察是在自然发生条件下进行的，必须尊重客观事实。 3）必须要有理论指导 主体能否正确地观察到自然现象，取决于用什么样的理论知识，去判断和理解所观察的结果。 4）科学观察需要准确而周密的记录，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。

4、科学观察的基本原则 1）观察的客观性和目的性 赫胥黎: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。 2）观察的全面性和系统性 竺可桢建立物候学。 3）观察的典型性 孟德尔选择豌豆；摩尔根选择果蝇。 3）观察的连续性 第谷的天文观测。

5、科学观察的作用 1）获取科学事实，为科研提供必要的感性材料 天文学、地质学、气象学、物候学、临床医学等。 2）导致科学发现，为科研开辟新的研究领域 魏格纳提出的大陆漂移说；达尔文的进化论。 3）检验假说和评价理论的重要手段 1916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。

6、科学观察的局限性 1）感官感知的范围极其有限受 眼：约400-700nm波长；耳:20-20000赫兹 2）感官的观察精确性较低 3）感官会产生错觉

這是一個螺旋嗎？

实验乃确定性之母！ ——达•芬奇

三、科学实验

1、科学实验的涵义 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 有利的条件下获得科学事实的方法。 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 西，能更深刻地揭示事物的本质。 科学实验已经发展成为一个相对独立的社会实践领 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。

2、科学实验的类型（1） 1）根据实验结果的性质不同 定性实验—是不是、有没有？(验证电磁波、光压和以太 的存在) 定量实验—是多少、有多少？ (引力常数、光速) 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 揭开了科研中 常用的一种金纳米颗粒的神秘面纱。并利用X射线结晶学技术，首次对它们的精确结构进行了成像，是突破性的进展。

2、科学实验的类型（2） 2）根据实验功能的不同 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） 对照实验—比较异同(大多数的生物和医学实验，安慰剂) 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）根据研究手段和研究对象的关系 直接实验 模拟实验（理想实验）—设计与原型相似的模型，利用模 型间接研究原型

3、科学实验的特点（1） 1）可以简化和纯化研究现象 伽利略研究自由落体运动规律 2）可以强化控制研究对象 超低温、超高压、超强磁场、高真空、失重等 3）可以加速或延缓观察对象的变化过程 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。 医学研究中常使用抑制剂、缓冲剂、冬眠灵等 延缓自然现象过程。

3、科学实验的特点（2） 4）可以模拟研究对象的属性及其变化过程 1952年美国米勒模拟原始大气层生成了氨基酸 5）具有可重复性 1925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 虫致癌的学说（他称之为“癌虫”）。

4、实验的作用 1）证明或反驳假说 1956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 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。 2）提示新的理论 1786年伽伐尼解剖青蛙发现“动物电”，引出伏打电池 的发明和电生理学的建立 1820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。

四、观察与理论的关系

1、古典经验主义的纯观察说 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。 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。

2、逻辑经验主义的中性观察说 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。 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 过程没有影响

观察是一种主客体的相互作用。

少女还是老妇

情侶还是骷顱

案例：氧气的发现 恩格斯：“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‘既有的’燃素说‘范畴所束缚’。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， 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 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 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”。 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 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 用。 爱因斯坦：“是理论决定我们能够观察到的东西.”

观察与理论的关系 观察是接受信息和加工信息的过程 观察陈述是用与特定的科学理论联系的语言表述的 使用仪器是按照仪器所蕴涵的理论来工作的 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

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 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、机遇的涵义 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，遇到或发现某些出乎意料的自然 现象。

2、机遇的类型 按照与科学问题关系的不同 1）期望型：与研究问题有关，促成了问题的解决。 如，1839年美国古特依发明橡胶的硫化技术。 2）意外型：与研究的问题无直接关系。 如，1913年英国布里尔利发明不锈钢。 3）线索型：提供了新问题的线索。 如，伽利略发明望远镜，佛莱明发现青霉素，伦琴 发现X射线。

3、如何捕捉机遇 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 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 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。 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。 ——巴斯德

2. 机遇的特点------意外性。 l 完全意外性，研究目的是为了发现现象A，但却意外发现一种完全不同于A的现象B，而且B比A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，然后把它放到炉子上烤，不料围裙“噗”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无烟地烈性炸药。 l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、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。