科学观察法科学实验法市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。科学技术研究常规方法科学技术研究常规方法一、一、观察与察与试验：获取科学事取科学事实方法方法1、科学事、科学事实科学事科学事实是科学是科学认识主体关于客主体关于客观存在事件、存在事件、现象、象、过程、关系等真程、关系等真实描述或判断。描述或判断。科学事科学事实内容是客内容是客观，而形式是主，而形式是主观。第1页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。1953年，一次年，一次40多人与会国多人与会国际心理学会心理学会议在德在德国哥廷根召开。当会国哥廷根召开。当会议主席主席刚宣告大会开幕，宣告大会开幕，突然从会突然从会场外外闯进两个人，一个在前面逃跑，两个人，一个在前面逃跑，另一个在后面追赶，而且开了一另一个在后面追赶，而且开了一枪，会，会场上上顿时一片担心。整个事件一片担心。整个事件约连续了了20秒秒钟。事后。事后会会议主席要求全部与会代表主席要求全部与会代表马上写出事件上写出事件观察察汇报。结果在果在40篇篇汇报中，只有中，只有1篇篇错误小于小于20%；14篇篇错误在在20-40%之之间；25篇篇错误大于大于40%。按普通了解，如此多按普通了解，如此多错误是不可思是不可思议。因。因为：1）与会者都有是）与会者都有是训练有素科学家，熟知有素科学家，熟知观察要察要领和撰写和撰写汇报要求；要求；2）事情）事情发生后生后马上要求撰上要求撰写写观察察汇报，丝毫没有毫没有遗忘之嫌；忘之嫌；3）当事人与）当事人与观察者没有任何特殊社会关系，故如察者没有任何特殊社会关系，故如实统计不不会受其它原因干会受其它原因干扰。第2页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。这一一试验表明，表明，获取取“事事实”绝非易事。可将非易事。可将“事事实”作以下划作以下划界：界：1）客客观事事实，是指物，是指物质对象真象真实现象和象和过程，程，这是是对“事事实”本体本体论定定义。2）经验事事实，是，是经过一定伎一定伎俩，对客客观物物质对象象现象和象和过程程所作一个反所作一个反应和描述。和描述。这就是就是“事事实”认识论定定义。3）科学）科学处理事理事实都是都是这种种经验事事实，普通是，普通是经过观察和察和试验伎伎俩对客客观事事实进行反行反应、描述、描述结果。果。4）科学事）科学事实普通分普通分为两两类：事事实I，指客体与，指客体与仪器之器之间相互作用相互作用结果描述。比如，果描述。比如，观察察仪器上所器上所统计和和显示数字、示数字、图像等。像等。事事实II，是，是对观察察试验所得到所得到结果果陈说和判断。和判断。被被观察与察与试验证实了理了理论结论，被称，被称为理理论事事实，有，有时也也被人被人们称称为事事实。第3页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。客客观观事事实实（本体（本体论论）事事实实 事事实实 （客体客体 仪仪器器）经验经验事事实实（认识论认识论）事事实实 （主体主体 仪仪器）器）事事实实 （理（理论论事事实实）图图图图1 1 关于关于关于关于“事事事事实实实实”概念分析概念分析概念分析概念分析图图图图示示示示第4页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。2、科学、科学观察察科学科学观察是指人察是指人们直接直接经过感官或借助于感官或借助于仪器，有目器，有目标、有、有计划地感知和描述客划地感知和描述客观事物事物一个方法。一个方法。在科学在科学观察中必察中必须遵照以下遵照以下标准：准：A）客）客观性性标准。是指在科学准。是指在科学观察活察活动中要按中要按照照观察察对象原来面貌如象原来面貌如实记载。第5页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。B）全方面性）全方面性标准。客准。客观世界事物都是世界事物都是处于普于普遍遍联络之中，只有全方面之中，只有全方面观察，才能尽可能察，才能尽可能完整反完整反应客客观实际。竺可竺可桢先生所以能在物候学研究中取得重大先生所以能在物候学研究中取得重大结果，也是和他数十年如一日果，也是和他数十年如一日坚持系持系统观察察分不开。他天天清晨起来第一件事就是分不开。他天天清晨起来第一件事就是测量量气温、气气温、气压、风向、湿度等气象要素，从青向、湿度等气象要素，从青年起一直年起一直坚持到逝世前一天，持到逝世前一天，终于在晚年出于在晚年出版了版了物候学物候学一一书。第6页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。C）经典性典性标准。准。为了把了把错综复复杂自然自然现象象简化，化，选择经典事物典事物进行行观察是必要。察是必要。美国美国遗传学家学家Morgan在做在做遗传基因研究基因研究时，就，就选择了含有了含有经典性果典性果蝇作作为研究研究对象。果象。果蝇染色体很染色体很简单，只有，只有4对，易于，易于观察；果察；果蝇生活史只有两周，生活史只有两周，观察周期短；果察周期短；果蝇生殖力生殖力强，每，每对亲本能本能够产生成生成百上千个子代，能百上千个子代，能够观察很各种察很各种亲代与子代代与子代间遗传变异异现象。象。这使研究工作大大使研究工作大大简明化，明化，创建了建了遗传学学“基因学基因学说”。第7页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。3、科学、科学试验所所谓科学科学试验是指人是指人们获取依据研究取依据研究课题需需要，利用科学要，利用科学仪器器设备人人为地地变革、控制或革、控制或模模拟研究研究对象，在象，在经典或特定条件下典或特定条件下获取科取科学事学事实一个科研方法。一个科研方法。第8页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。o科学试验在科学研究中作用科学试验在科学研究中作用A A）含有简化、纯化研究对象作用）含有简化、纯化研究对象作用。1799年年，英英国国科科学学家家H.Davy为为了了否否定定“热热素素说说”，必必定定“热热动动说说”，就就在在真真空空中中用用一一根根钟钟表表发发条条使使两两块块冰冰相相互互摩摩擦擦，并并把把整整个个试试验验装装置置都都保保持持在在水水冰冰点点，这这么么就就排排除除了了试试验验物物与与周周围围环环境境热热交交换换，使使试试验验在在比比较较纯纯粹粹条条件件下下进进行行。结结果果两两块块相相互互摩摩擦擦冰冰融融化化了了。试试验验有有力力地地证证实实冰冰融融化化所所需需热热，只只能能起起源源于于摩摩擦擦，以以铁铁事事实驳实驳斥了斥了“热热素素说说”。第9页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。B）能够强化或激化试验对象。自然界事物在常态下普通不易暴露其特殊性质及规律，试验方法可用人为伎俩使试验对象处于某种极端状态，方便发觉新现象，寻找新规律。19 Bridgeman创造了超高压技术，当初可达20,000个大气压，当前静压可达200-300万个大气压，动压可达1,000万个大气压，可使在正常自然条件下不能发生过程在高压下发生。还有H.K.Onnes用液氦方法创造超低温技术，能够靠近绝对0度，由此又产生超导研究。第10页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。C C）能够延缓解加速自然过程。）能够延缓解加速自然过程。对电闪雷鸣、地震山崩、岩体滑坡这类转瞬即逝过程，对电闪雷鸣、地震山崩、岩体滑坡这类转瞬即逝过程，在自然条件下难以搞清其运动改变，能够使其在试验室中迟在自然条件下难以搞清其运动改变，能够使其在试验室中迟缓进行，方便详细研究、分析。有些自然过程十分迟缓，不缓进行，方便详细研究、分析。有些自然过程十分迟缓，不便于人们尽快窥其全貌，又能够在试验室中加紧其过程，尽便于人们尽快窥其全貌，又能够在试验室中加紧其过程，尽可能节约研究时间。可能节约研究时间。D D）能够模拟研究对象。）能够模拟研究对象。有些自然过程已时过境迁，经过模拟试验方法，能够在有些自然过程已时过境迁，经过模拟试验方法，能够在试验室再现这些过程。试验室再现这些过程。Miller试验就是在试验室模拟原始生试验就是在试验室模拟原始生命在地球上形成过程，为科学生命起源学说奠定了可靠、有命在地球上形成过程，为科学生命起源学说奠定了可靠、有说服力试验基础。说服力试验基础。第11页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。可可观观察性察性标标准，是指科学研究范准，是指科学研究范围应该围应该是是标标准上可准上可观观察物察物质质客体。也就是客体。也就是说说，自然科学研究，自然科学研究对对象能象能够够被人被人们视觉们视觉器官直接感知到；或者借助器官直接感知到；或者借助于于观观察察仪仪器被器被视觉视觉器官器官间间接感知到。接感知到。坚持这一标准意义：坚持这一标准意义：（1）它表明科学技）它表明科学技术术研究必研究必须须将不含有客将不含有客观实观实在性臆想客体（如神灵、上帝、鬼怪）排除在外。在性臆想客体（如神灵、上帝、鬼怪）排除在外。（2）它要求）它要求观观察者明确客体、察者明确客体、仪仪器与主体之器与主体之间间相互作用客相互作用客观观性，确保性，确保观观察客察客观观性。性。4 4、观观察察试验试验中中认识论问题认识论问题第12页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。观察渗透理察渗透理论传统认为感性感性认识与理性与理性认识是是对立；立；实质上它上它们是相互渗透。是相互渗透。20世世纪50年代，美国科学哲学家年代，美国科学哲学家汉森在其森在其发觉逻辑一一书中中认为并不存在那种能独立于任何理并不存在那种能独立于任何理论观察，即察，即观察渗透理察渗透理论。1）理）理论决定着决定着观察察对象象选择。倘若没有广倘若没有广义相相对论，人，人们就就难以想象世界上有以想象世界上有“光光线弯曲弯曲”事事实。埃丁。埃丁顿也不会也不会组织考考查队专程到南半球去程到南半球去观察日察日蚀了。了。2）理）理论决定决定对观察察对象了解。象了解。格式塔心理学（亦称完形心理学）指出，格式塔心理学（亦称完形心理学）指出，观察察转换根源根源则在于在于观察者察者头脑中中过去知去知识与与经验。3）任何）任何观察、察、试验仪器器设计和和选择都有离不开理都有离不开理论指指导。第13页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。第14页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。仪器使用器使用1）克服）克服感官不足感官不足。如眼只能如眼只能见到波到波长在在4000-7600可可见光；耳光；耳朵只只能听到能听到频率在率在16-20,000Hz声波。先浸入声波。先浸入热水中手水中手会感到温水会感到温水较凉；而先浸入冷水手凉；而先浸入冷水手对一一样温水会温水会感到比感到比较热。2）测量量仪器是理性方法物化。器是理性方法物化。仪器制作需要分析器制作需要分析对象各种原因、属性；要依据象各种原因、属性；要依据被被测量量对象物理性象物理性质，制，制订测量基准和量基准和测量量单位；位；需要将各种待需要将各种待测物理量（如硬度、物理量（如硬度、电流流强度、度、电压）转化化为空空间刻度和数刻度和数值显示。示。第15页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。比如，从比如，从Galileo、Torricelli，到，到Newton、Boyle最最终到到Fahrenheit、Celsius，对温度温度计结构改构改进、测温温质选定、以及温度定、以及温度计适当原适当原点和刻度法探索。点和刻度法探索。从从Galileo1593年到年到1756年英国科学家年英国科学家J.Black把把温度和温度和热量量这两个概念区分清楚以前两个概念区分清楚以前160多年多年中，人中，人们虽已广泛地使用了温度已广泛地使用了温度计，却不知道，却不知道所所测量量是温度量量是温度还是是热量。以至温度量。以至温度计被称被称为“量量热计”、“测温温术”和和“量量热术”，至今英，至今英语中中仍把温度仍把温度计称称thermometer。第16页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。微微观领域域测不准关系不准关系量子理量子理论是以微是以微观客体及其客体及其规律作律作为研究研究对象。在象。在这里，里，观察察仪器是宏器是宏观，研究，研究对象却象却是微是微观；宏；宏观仪器器观察必定察必定对微微观粒子粒子产生生干干扰，这又又对我我们认识产生干生干扰。这就是就是测不准原理。不准原理。第17页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。比如，利用光学比如，利用光学显微微镜观察察电子。光子照射一粒灰子。光子照射一粒灰尘时，就象一个小石，就象一个小石头打到火打到火车上，上，光子反跳回来，光子反跳回来，灰灰尘本身不本身不动，在，在显微微镜下可下可测出灰出灰尘准确位子；准确位子；如如 光子照射光子照射电子，就象列子，就象列车撞上撞上婴儿一儿一样，电子早子早被被弹出去，消失得无影无踪，根本出去，消失得无影无踪，根本谈不上不上测量它位量它位置。置。因因为测不准关系客不准关系客观存在，便使宏存在，便使宏观领域因果律在域因果律在微微观领域出域出现动摇。Einstein说“上帝不会上帝不会掷骸子骸子”，Bohr则认为我我们更更应该关心上帝怎关心上帝怎样掷骸子骸子。第18页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。二、理想模型与理想二、理想模型与理想试验1 1、理想模型、理想模型理想模型方法是经过模型来揭示原型形态、特征理想模型方法是经过模型来揭示原型形态、特征和本质方法。理想模型方法是科学抽象一个经典和本质方法。理想模型方法是科学抽象一个经典方法。方法。比如数学上比如数学上“点点”、“线线”、“面面”；力学上；力学上“质点质点”、“刚体刚体”；“理想流体理想流体”、“理想理想溶液溶液”、“理想气体理想气体”；“点电荷点电荷”、“绝对绝对黑体黑体”等。等。理想模型有以下两特征：（理想模型有以下两特征：（1）作为理想化现实物）作为理想化现实物质形态，都是现实世界中找不到东西。（质形态，都是现实世界中找不到东西。（2）但它）但它又是以客观存在为原型。又是以客观存在为原型。第19页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。2、理想试验、理想试验 “理想试验理想试验”就是利用理想模型做推理或理就是利用理想模型做推理或理论研究，也可称论研究，也可称“思想上试验思想上试验”。“理想试验理想试验”是一个思维活动；是无法实际做到是一个思维活动；是无法实际做到“试验试验”。oEinstein评价伽利略惯性定律理想试验：评价伽利略惯性定律理想试验：“惯性定律标惯性定律标志着物理学上第一个大进步，实际上物理学真正开端。它志着物理学上第一个大进步，实际上物理学真正开端。它是考虑一个既没有摩擦又没有任何外力作用而永远运动理是考虑一个既没有摩擦又没有任何外力作用而永远运动理想试验而得来。从这个例子以及以后许多旁例子中，我们想试验而得来。从这个例子以及以后许多旁例子中，我们认识到用思维来创造理想试验主要性。认识到用思维来创造理想试验主要性。”（物理学进化物理学进化，上海科技出版社，上海科技出版社，P158）第20页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。Einstein在建立狭在建立狭义相相对论时作了一个同作了一个同时性相性相对性性“理想理想试验”。思索思索过程：程：设有两道有两道闪电同同时下下击一条一条东西方向西方向铁路路轨道，道，对于站在两道于站在两道闪电正中正中铁路旁一个路旁一个观察者来察者来说，这两道两道闪电是同是同时发生。生。对于乘坐一列由于乘坐一列由东向西以高速行向西以高速行进火火车恰好恰好经过第一个第一个观察者察者对面面第二个第二个观察者来察者来说，这两道两道闪电并不是同并不是同时下下击。因。因为第二个第二个观察察者（运者（运动观察者）是在行近西方察者）是在行近西方闪电而而远离离东方方闪电，西方，西方闪电抵抵达他眼里达他眼里时间要早一点。所以，在静止要早一点。所以，在静止观察者看来是同察者看来是同时发生生闪电，在运在运动观察者年来却是西方先亮，察者年来却是西方先亮，东方后亮。方后亮。再深入构想再深入构想这列火列火车以光速前以光速前进话，则列列车上上观察者将只能看到西察者将只能看到西方一道方一道闪电，永，永远看不到看不到东方那道方那道电火，因火，因为东方那道光根本追不方那道光根本追不上他。上他。（参（参见任任鸿隽隽爱因斯坦与相因斯坦与相对论，1956年版，年版，P35-36）同同时性相性相对性概念提出是狭性概念提出是狭义相相对论建立一个关建立一个关键。第21页文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。cc第22页