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科学知识创新规律的理论框架

2009-08-08

科学知识创新规律的理论框架
于建春 / 燕山大学经济管理学院,河北 秦皇岛 066004
刘助柏 / 燕山大学机械工程学院,河北 秦皇岛066004
摘 要:为了让科学研究者更好地掌握科学技术研究的规律,加速创新入门与缩短取得科研成果的时间,经本文研究,提出了科学知识创新规律的内容。它由五个阶段组成:形成科研问题、科学抽象、科学实验、科学结论和承认与评价。经实践验证,该规律正确,对科学研究工作者有启迪作用。
关键词:科学;创新;理论框架
中图分类号:G301  文献标识码:A   DOI:10.3772/j.issn.1673-6516.2009.08.002

一、概述
 科学知识创新规律的理论框架[1]具体地由形成科研问题、科学抽象、科学实验、科学结论和承认与评价5个子系统组成,在认识论上相应地由感温具体、理性认识、抽象第一具体、抽象第二具体——高一级的理性认识和客观的真理性来完成。
 科学知识创新规律被构建在一个框图(见图1)中。图中的每一个单元都有它的内涵,甚至图中的一条线就代表抽象或者直觉思维的一个过程。这是科学知识创新规律的高度概括。
 科学知识创新——科学研究始于信息获取。信息获取不等于课题获取。课题获取是由信息获取→问题→科学问题→科研课题的整个动态过程。要具有敏锐的观察力才能获取到信息。要应用正确的逻辑思维去进行分析、推理与判断:是否是一个科学问题;是否是一个有综合价值的科研问题;是否有能力和条件承担。
 根据“实践是主观见之于客观的活动”、“认识是人们对客观对象的反映”的概念,在实践、认识、再实践、再认识的科学研究的循环过程中,包含着不同阶段不同情况下的科研活动,即科研的实践。随着不同情况下的科研活动,就跟随产生不同情况下的认识。如在实践过程中在人脑中产生的感觉、知觉、表象,就是随着不同情况下的实践而产生的,称之为感性认识或感知认识,是低层次的认识,是认识的初级阶段。在不同实践过程中的查资料、读资料,也包括读书,“查”、“读”都是活动,所以都是实践的内涵,实践的结果,得到温知认识,即在人脑中对前人与同时代的人所创造与积累的有关知识与技能进行了理解与掌握。“温知”成为认识形态之一,是新提出来的。人们的温知认识,就其本质而言,是人们对客观知识产物的反映,属于中层次的认识。取名来源于汉语成语“温故而知新”,所以温知的内涵就有形成新知识的趋势和可能。在科技蓬勃发展的今天,只有感知认识,没有温知认识,要发展成为高层次、深层次的理性认识是不可能的。事实上,人们总是以前人已经获得的认识为基础(通过温知认识做中介)去发展知识的,温故而知新,“新”就是发展知识。所以,在有些情况下,没有感知认识,只有温知认识,经过思维加工,可以上升、转化为理性认识。但科研课题的信息获取,在很多情况下,是在感知认识中得到的,再经过温知认识,然后经过思维加工而上升为理性认识。而且,感知认识与温知认识都依赖于实践。因为,不接触事物,就得不到该事物的直接的感知(感觉与知觉)认识;不去参与查资料、读资料和读书这些实践活动,就得不到温知认识,而且在后者的实践活动中,如不仔细地读,深入地理解,还是得不到真正的温知认识。
 在自然科学研究中,往往是感知认识与温知认识的融合,称之为感温认识,为理性认识飞跃创造了必要的条件。所谓感温具体就是指人们的感官和大脑对各种感知现象和温知认识具体的反映。前者的“融合”与后者的“反映”,在认识的内涵上是等同的。所以感温认识即感温具体。
 理性认识就是科学抽象。根据“在抽象的基础上形成思维具体的过程,叫做从抽象上升到具体”的概念,把科学实验称之为“抽象第一具体”,而把科学结论得出这个综合、升华、正确描述的过程,称之为“抽象第二具体”。
 


 根据发现问题比解决问题更难的概念,把科学抽象的明朗化和完善化的交界定义其为分水岭:从信息获取到科学抽象的明朗化这个认识过程称之为发现问题;由科学抽象的完善化到科学结论得出这个认识过程称为解决问题。
 下面对五个子系统分别进行阐述。
二、形成科研问题
 (一)信息获取
 信息获取有三个途径:一是工程中存在的问题;二是科技著作中存在的问题,这可能是常规科学问题,也可能是非常规科学问题;三是国内外科技文献中反映出来的问题。这三个方面出现的问题,只有通过实践才有可能获得,可称之为信息获取。
 根据信息获取时的认识形态可分为由“感知”获取和由“温知”获取两类:工程实际中存在的问题,一般由“感知”而获取;而从科技著作和国内外科技文献中暴露出来的问题,则由“温知”获取。
 1.“感知”获取,即信息获取由感觉(对事物的个别特性的直接反映)、知觉(感觉的集合)、表象(感觉和知觉后留下的映象)的依次发展,使人的感官对某一事物表面现象有一个具体直观的反映。
对一个具体科研工作者说,要对事物或问题的个别特性有直接反映,有灵敏的感觉,这就需要在广博的知识基础之上具有敏锐的观察力才能实现;反之,就会视而不见,听而不闻。另外,为了直接反映能形成长久记忆,应把反映出事物或问题的个别特性用笔记记录下来,这是其一。其二,要在大脑中把有关事物或问题的各种感觉集中在一起,组织起来,形成反映该事物或问题各方面特性的整体的直接反映的感性形象,这也需要感知者进行材料的集中与整理,这就是感觉的集合。最后,再经过感知后留下的映象材料进行某种程度概括性地加工与正确地描述,形成曾经作用于感官的那些客观对象的形象的再现,这就是表象。表象离开了同具体事物的接触。
 所以,实际工程中问题的科研信息获取的过程,是先从问题的个别特性入手(观察能力),将其有关问题的各种感觉集中在一起(概括能力),形成问题的完整再现(语言能力)的过程。
 2.“温知”获取,即通过查资料、读资料、读书的实践活动而完成的。从科技著作的问题中得到信息获取,有难度比较大、偏重于理论问题的特点。从国内外科技文献中获取到的信息,偏重于高新技术者居多。
 信息获取后,对不同知识层次和科研能力的人,尔后所经路径是不一样的。对科研经验不甚丰富的科研工作者来说,信息获取是问题的局部出现于人脑的感知。所以,感知的东西不是问题的全部,只是问题的萌芽。由问题的萌芽到问题的全部,由问题的全部到科学问题,由科学问题到研究者的科研课题,还要经过一系列的认识过程。该过程由信息获取发展成一个科学问题,进一步发展成为一个科研课题的过程,属于温知性认识范畴,不是理性认识范畴。
 (二)由信息到问题
 首先,收集与信息相关的科学事实。它包括问题出现的各种场合,问题出现的各种现象,问题出现的科学背景等等,也就是与信息相关的科学事实。其次,综合与信息相关的科学事实。收集到的材料是分散的,没有系统的,要想由收集的科学事实能反映问题的全部,必须将收集到的材料经过综合处理,才能得出问题的全貌:问题出现的场合,问题出现的条件,问题出现的表现形式,表达所形成问题的科学名词,已研究的程度与水平等。达到认识对象的矛盾所在及其矛盾各方面的关系。 通过收集与综合,信息形成了问题。
 (三)问题到科学问题
 从问题到科学问题,要区分知识性疑难问题与科学探索的疑难问题。知识性疑难问题产生于对科学背景知识的无知,是因人而异的。知识性疑难问题仅仅是相对于个别主体而言的,它反映了认识主体对所提出问题的求解理想与主体对科学背景知识了解的差距。
   科学探索中的疑难问题,产生于对科学背景知识的分析,它反映出当前科学技术背景能力对于所提问题的求解理想的差距。科学工作者正是通过提高科学技术背景能力(理论、技术、实验、仪器和方法等因素所显示的能力),来设法消除背景能力与所提问题求解理想之间的差距。这类问题才是真正的科学问题。
 科学问题与未知自然现象相联系,但是两个不同的概念。未知自然现象是客观存在的自然之谜,是第一性的东西;科学问题则是认识主体形成的概念,是一种意识,是对自然之谜的主观映象,是第二性的东西。
 其次,要弄清楚该问题在国内外的研究情况,是否处于国际前沿?最好的方法,是跟踪该学科的国际会议信息,要不就通过国际联网查新。
 (四)从科学问题到科研课题
 从科学问题到科研课题要经过值不值得研究(科学性、创新性等)和有没有条件研究的综合分析。
 首先,要区分常规科学问题与非常规科学问题。
   1.常规科学问题是在原有科学体系中提出的有待解决的科学问题。常规科学问题的提出与解决将使原有科学理论体系更加充实、完善和系统,使科学理论逐渐地扩大和精确。在原有科学理论的框架下提出和解决科学问题,也是一种科学创新活动,是一种在相对稳定的整体科学理论体系量变过程中的局部性科学质变。
 常规科学问题具有明显的背景知识的特点。所谓明显的背景知识,是指原有科学体系的概念、原理和定律等知识是众所周知的。在这一前提下提出的科学问题不会与已知概念、原理和定律相冲突,因此常规科学问题的解决也不会与背景知识相冲突,只能促使原有科学理论体系更加完善化、精确化和系统化。
 例如,文献[2]中的广义滑移线解就属于常规科学问题的范畴,因为它是在原有理论的框架下,由只能解平面问题发展到解轴对称问题。无疑,这对工程应用塑性力学中的滑移线理论是一个新的发展。
 2.非常规科学问题是原有科学理论体系本身的弊端所隐藏着的问题,是在排斥现有理论体系的前提下提出的有待解决的疑难。非常规科学问题的提出与解决,宣告了原有科学理论体系的崩溃,预示人类对自然界的认识将达到一个新的阶段。显然,非常规科学问题总是与科学认识的质变联系在一起的。非常规科学问题具有潜在革命性的特点。它会引起一系列问题的出现与解决。
 文献[2-3]中所阐述的平板间镦粗圆柱体的新理论就属于非常规科学问题。它的发现与解决,引起了一系列问题的提出与解决,诸如锥形板镦粗的新工艺及其力学原理[4-5],方柱体平板镦粗的两个新力学模型[6-7],平砧拔长新理论以及在此基础上提出的LZ锻造法[5,8],新FM(Free from Mannesmann effect)锻造法[9-10],水平V形砧锻造法[5],大锻件锻造的关键技术[11]等。
如果说常规科学问题的解决就是使原有的科学理论获得新的发展,那么非常规科学理论的解决就是新理论的发现[3]。当新的科学理论建立以后,就要继续解决新理论的常规问题,使新理论不断地发展、精确和完善[12-15]。这就是为什么非常规科学问题的发现与解决,能带动一系列科学与技术问题的提出与解决的理论依据所在。
其次,要对可行性进行分析,即要对主客观条件进行分析。就主观条件来说,主要指科研人员为完成研究课题所必须具备的科学知识、研究方法、实验技能及正确的思维能力。客观条件主要指进行科研所必需的设备、仪器、工具等物质手段及必要的资金、人力和研究资料。
二、科学抽象
理性认识就是科学抽象,是认识的一次飞跃。科学抽象是科技工作者借助科学思维所把握的关于研究课题的本质,是研究课题的全貌,是研究课题的内部联系的认识。科学抽象的理想化形式是提出新设想、新概念与建立理论模型,称之为科学抽象的明朗化。
 科学抽象在科研过程中是最难的、最关键的一环,包括三个阶段:
 (一)酝酿期
 酝酿期主要是抓住主要矛盾,冥思苦想。其中有:
 1.反问。反问有助于使思想摆脱意识惰性的束缚。第一,对课题的疑难提出自问,为什么出现这种现象?本质是什么?从哪找到突破口?在脑海中不停地自问。第二,它作为一种形式的引发关系是以对原来的命题加以否定为出发点,它的公式表述为:“如果不是这样,从它的反面出发,应该得出什么结论。”
 2.“用手去想”。科研活动、发明活动象其他制造活动一样,需要智慧、匠心和手的协调工作。然而,人们常常对“用手去想”这一技能估计不足,甚至有些人鄙视它,这是一种十足的偏见[16]。
 “用手去想”就是用手“产生在纸上”的东西与智力产生的科学抽象联系起来。例如理论模型,特别是物理模型、力学模型的建立,实验模型的形成,“用手去想”可发生奇特的功效。它可以充分发挥人的形象思维与抽象思维相结合富有巨大创造力的特点。这点作者深有体会。
 3.比较。它作为一种引发关系包括找共同点,找相似性,找对称性;由此而导出新发现。
 4.利用传统的知识和方法,对问题作各种试探解决。
 (二)明朗期
 明朗期是在上阶段酝酿成熟的基础上脱颖而出,豁然开朗。比如是突然出现灵感,在作者的科研生涯中就曾出现过多次。有的在自问中长期找不到答案,而突然闪出一个新概念给予作者以“奖赏”。
 有的是“用手去想”产生顿悟,这对那些喜欢在纸上画图甚至无意识随便勾画的人容易产生。画前脑海并没有一个完善的想法与构思,只是在冥思苦想中轻松一下,用笔在纸上勾画可能产生结果的示意图,不是一画就成,左画右画,可能在某次画图中产生顿悟。一般说,“用手去想”对难度大的疑难花时间长,虽难度大有类比的、或难度较小的花时间相对的短。尤其是属新构造发明的疑难,一定要充分应用“用手去想”,明朗期可能就在笔下。作者在文献[2]中所阐述的关于残余应力回弹力学模型的形成、平板间圆柱体镦粗与平板间方柱体镦粗两个力学模型的建立、减力法液压胀形新装置的提出等等都是“用手去想”与比较法相结合而完成的。
 有的对问题作各种试探而豁然开朗,关键在于你要不厌其烦地试探。例如,文献[17,18]“圆筒受余弦分布压力之解及其K→0的极限”,当选新应力函数φ=f(r)sinkz代入双调和方程▽2(▽2Φ)=0,就得出确定f(r)的四阶常微分方程
 到这里,问题就发生了,上述四阶常微分方程不容易求解。只有利用传统的知识和方法,对上述方程作各种试探求解。结果用级数解使上述方程得到了解决。
 又如文献[2]中关于“厚壁圆筒弹塑性问题的工程应用解”也有类似的情况,问题出现在屈服条件βL系数推导结果简化前与简化后。简化前βL系数显得庞大,使得轴对称平衡方程式长久无法求解。一天,作者无意试探βL系数可以简化成非常简单的表达式,结果没有花太长时间就把该轴对称平衡微分方程式求解出来了。
 (三)完善期
 在完善期所要完成的有两个内容。第一,已建立理论模型者还需进行理论公式推导;已提出新设想者有要建立理论模型和不需要建立理论模型的两种可能,前者需要在完善期进一步完善下去。第二,把科学抽象的内容进行正确描述与总结,为下步的再实践作准备。
三、科学实验
 一般情况,科学实验即模拟实验。模拟实验是对解决问题的思想——科学抽象进行验证。验证是确定科研(或发明)课题解决思想的成功程度,自然是极其重要的。应当说,在这阶段主要是技术方面的工作。如果受检验的是课题的原则性答案,那么就利用定性模拟的想法和标准,进行原理性的评价,以及测出主要参数的数量级。为了验证拟制出的详细参数,要进行精确的数值计算。在此过程中,既利用试件或整机的数学模型,又利用相应的物理模型。注意,数值计算的结果,首先要经得起定性模拟原理性评价的检验。
 验证的结果:第一种情况,与设想相吻合;第二种情况,在科学抽象中发现某些或较大的缺点与矛盾,科学研究者(或发明者)应在形成设想或理论模型的思想基础上,对它进行改进与完善,一步一步地克服所出现的障碍;第三种情况,当验证得出否定的结论时,要求科学研究者或发明者既要表现出顽强的精神,又要有灵活的思想。应清醒地进行分析,是科学抽象带来的原则性错误呢,还是通过改进可以克服的困难。如果他的思想真的值得坚持,就不应破坏自己的信念,如确实“此路不通”,他就应该放弃自己所珍爱的思想。
四、科学结论
 (一)用理论思维对实验结果进行处理
 实验结果本身是客观的,为人们正确把握对象的客观规律性提供了认识基础。然而,实验结果本身都不会自在地呈现这种规律性,它必须经过人们的理性处理,从中提炼出所谓的实验事实,并对之进行恰当的解释,作出理论概括。所有这些活动,都离不开理论思维,都是渗透在实验之中的或立足在实验事实基础上的理性活动。
 对实验结果本身进行分析处理,从中提炼出的所谓实验事实,其实就已经是一种理性概括的形式。实验事实所反映的不仅是客观的、不依赖于主体实验结果(某种事件或现象),而且是客观与主观的相互作用,以及观测客体的条件和手段。如果光强调实验事实的客观性,以为科研工作者只是如实地记录他的观测结果,这些结果自然会导致正确的概括或原理,这种看法未免把实验活动过分理想化和简单化了。科学家发表的实验事实,大都经过“去粗取精、去伪存真”的加工制作功夫。因此可以说,理论思维帮助研究者寻找实验事实,处理实验过程中很难避免的系统误差和偶然误差,分析结果中的主次和真伪,剔除假象,以达到实验事实更加接近客观实际、反映客观规律的目的。
 对实验结果的解释和理论概括,尤其需要正确的理论思维。否则,即使走到了真理的面前,也很可能错过它。例如,早在1920年,卢瑟福(E.Rutherford,1871—1937)在研究原子核的基础上就提出了可能存在一种质量与质子相近的中性粒子的假说。1932年,约里奥-居里夫妇(Frederic Joliot- Curie,1900—1958与 Irene Joliot- Curie,1897—1956)在用α粒子轰击铍的实验中,发现一种很强的辐射,事实上已获得了中子,但他们未曾认真对待过中子假说,错误地把这种辐射解释为γ射线。英国青年物理学家查德威克(S.J.Chadwick,1891~1974)在卢瑟福领导下长期从事寻找中子的工作,立即把中子假说与新辐射联系起来了。他设计了新的实验来证明这种新辐射是粒子组成的,这种粒子的质量与质子大致相同,但不带电荷,因而证实了卢瑟福的假说,发现了一种全新的粒子——中子,荣获1935年诺贝尔物理学奖。据说约里奥曾为此叹道:“我真笨呀!”
 又如作者提出的镦粗体静水应力力学模型的切应力理论,就是利用他人的实验结果[2]而证实的,进行该实验的原作者只有难变形区(刚性区)的思想,而无镦粗体(h/d<1)静力应力区切应力模型的思维,也是走到了真理面前,而错过了它。
上述事实说明,为了从实验资料、数据、事实导出科学定律或科学发现,正确的理论思维是至关重要的。
科学实验把感性认识和理性认识的特点紧密联合在自身中,实验活动与理论思维交织在一起辩证地向前发展:一方面,实验必须建立在一定的科学知识体系之上,另一方面,实验又产生更深刻、更完善的知识构成。在实验过程中,最初致力于把抽象的思维形式体现在实验的物质形式中,而后,为了得到符合对象的更全面、更高级的抽象,人们重新撇开肤浅的感性印象而诉诸理性。
(二)形成科学研究论文或科学研究报告 
 这需要用语言来正确进行描述、综合与概括。在科学研究论文的形成过程中,要充分发挥“语言是抽象思维的外壳和工具”的作用。要善于应用科学术语,严格遵循严密的逻辑论证,应用所谓收敛思维,把众多的内容逐步引导到条理化的逻辑序列中去,以便最终得出一个合乎逻辑规范的科学研究论文或科学研究报告。
五、承认与评价
 承认与评价,属于客观真理性的反映。有下列几种形式:
 (一)生产应用,由实践检验被研究成果的有效性。
 (二)专家评审,形成鉴定证书。
 (三)公开发表,有三种形式:学术会议,期刊,专著。
 (四)获奖,单位推荐或主管部门组织专家评奖。
 (五)检索,如EI、SCI等。

参考文献
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作者简介
于建春(1972- ),燕山大学经济管理学院管理科学与工程学科博士生。
刘助柏(1936- ),燕山大学材料科学与工程及管理科学与工程学科博士生导师。
 Theory Frame of Innovation Law for Scientific Knowledge
YU Jian-chun1, LIU Zhu-bai2
(1.College of Ecnomics & Management of  Yanshan University,Qinghuangdao  066004,China;
   2.College of Mechanical Engineering of Yanshan University, Qinghuangdao  066004,China)
Abstract: In order to let scientific researchers master the law of scientific & technical research better, accelerate innovation and cut the time getting scientific findings, this article proposed the innovation laws for scientific knowledge. The law is composed by 5 stages as: the proposing of scientific research issues, scientific abstraction, scientific experiment, scientific conclusion, admission and assessment. Proved by practice, this law is correct and edificatory to scientific researchers.
Key words: science; innovation; theory frame