科学观察与实验作业.doc

科学观察与实验——以伦琴发现X射线为例

伦琴在研究阴极射线时，意外地发现阴极射线管１米外的亚铂氰化钡荧光屏上出现了绿色的闪光，这是阴极射线所不能达到的。因为阴极射线不可能穿越几厘米的空气。他抓住了这一奇特的现象作为课题进行研究，最终发现了x 射线，敲开了原子世界的大门，为微观物理学理论的逐步形成做出了杰出的贡献。
一、科学观察与科学实验
1、科学观察（scientific observing）。
科学观察是指人们有目的、有计划地感知和描述客观事物的一种科学认识方法。它作为一种基本的认识活动，贯穿于整个科学研究过程中。科学观察不只是感性活动，而且是由科学理论知识和科学思维方法武装起来的认识活动。理性思维渗透于观察过程的始终。正因为如此，科学观察才能达到客观性、全面性和系统性，才可能透过现象发现本质。在科学观察中既要善于抓住最主要的东西，同时又要注意捕捉那些意外的偶然现象，跟踪追查，从偶然中发现必然的东西。因为观察中的机遇常常是重大科学发现的契机，伦琴发现X射线的例子即是如此。可以这样认为，科学观察就是对观察对象的精确描述。
2、科学实验（scientific experiment）。
根据研究目的，运用一定的物质手段，通过干预和控制科研对象而观察和探索科研对象有关规律和机制的一种研究方法。科学实验的基本类型是探索试验和验证实验 ，常见的实验类型有比较实验、析因实验、模拟实验、判决实验等。实验可以简化和纯化研究对象，使自然过程以比较纯粹、典型的形式表现出来，从而有利于科学研究。实验可以强化和激化研究对象，造成自然界中无法直接控制而在生产过程中又难以实现的特殊条件，从而做出在常规条件下难以获得的重要科学发现和技术发明。实验可以加速和延缓在自然发生条件下变化过慢或过快的自然现象，再现和重演事过境迁，规模巨大的自然现象，以楼拟的方式进行实验研究。总之，与单纯的观察相比较，科学实验更有利于人们获得经验材料，更有利于发挥人的主观能动性。因此，从观察方法到实验方法的发展，标志着经验认识方法的进步和科学认识水平的提高。
3、科学观察与科学实验的辩证关系。
科学实验和科学观察一样，都是是搜集科学事实、获得感性材料的基本方法，同时也是检验科学假说，形成科学理论的实践基础，二者互相联系、互为补充，同属于科学认识中的感性直观方法，都以认识自然为直接目的。但观察是在自然发生条件下获得认识；实验是在变革自然中认识自然，是在人为控制和变革对象的条件下认识事物，因而有着独特的认识功能。原因是科学实验中多种仪器的使用，使获得的感性材料更丰富、更精确 ，且能排除次要因素的干扰，更快揭示出研究对象的本质；此外，它还能发挥人的主观能动性和对自然条件的控制力，揭示极端条件下物质运动的规律，提供更多的发现新事物、新现象的机会。

二、科学观察有什么特征，它与科学事实之间是什么关系
1、科学观察的特征。
科学观察的涵义中，提出“人们在自然存在的条件下，对自然的、社会的现象和过程，通过人的感觉器官或借助科学仪器，按照一定的计划，为实现一定的研究目标，对研究对象进行系统、全面的观察，从中收集各种现象资料，并进行分析研究的方法”。它是一个既包括信息的输入，又包括对原始信息进行初步处理、识别的一个主动认知过程。所谓“自然存在的条件”，是指对观察对象不加控制、不加干预、不影响其常态；所谓“有目的、有计划”，是指根据科学研究的任务，对于观察对象、观察范围、观察条件和观察方法作了明确的选择，而不是观察能作用于人感官的任何事物。
因此可以这么认为，科学观察有两个主要特征：一是客观性，就是从实际出发，真实地反映现实，决不能带着主观偏见，随意取舍，甚至歪曲现实。二是辩证性，就是要求观察时要按照对立统一的规律，用联系的、发展的、全面的观点观察事物，避免用孤立的、静止的、片面的观点看问题。因为宇宙万物，都是相互联系的，相互依赖着，相互制约着，不断地运动、变化，从量变到质变，从产生到灭亡。所以，观察事物必须符合事物本来的辩证法，正确地认识客观事物。
2、科学观察与科学事实的关系问题。
简而言之，观察只能发现新的事实。这种新事实将检验已有的理论，也许支持已有的理论，也许要求建立新的理论给予解释。科学观察是通过对科学事实的认识来对科学理论进行验证的。
但是科学观察与科学事实不是简单的认识与存在的关系，“目的性”使二者发生联系。这是由于科学事实的内在属性决定的。科学事实是指经验事实构成科学的经验基础。从内涵上讲，它是指人们通过感官获得的以感觉、知觉、直觉、表象形式描述出来的外经验知识；从外延上说，它则主要分为观察事实与实验事实。科学认识中的经验事实，即也就是科学事实。科学事实是事实性与解释性的辨证统一，即科学事实作为一种经验事实，一方面它具有事实的属性，是可以据之为根据的东西，另一方面则说明了科学事实不是对观察到的事件的简单复述，它本质上是一种不能脱离具体的概念框架的理论解释。因此，科学观察是局限在对某一科学理论所推论出的科学事实的目的性寻找，不是对某一现象、过程的全部信息的无条件接收。

三、科学实验包括哪些构成要素？如何看待科学实验中对于科学对象的人为控制？科学观察与科学实验与最终科学理论的建立是什么关系？
1、科学实验的构成要素。
无论何种类型的科学实验，都是由三个部分构成的：
（1）实验者
实验者是组织、设计和进行科学实验的人。实验目的的确定，实验方案的设计、实验步骤的制定、实验过程的操作、实验结果的处理解释等，没有一个环节可以脱离实验者。实验者是实验活动的主体。实验者从事科学实验是为了取得对自然界特定对象的认识。因此，从认识论上看，实验者又是认识的主体。没有实验者这个认识主体，科学实验就不会发生。不过在此需要指出的是，不能把实验者理解为孤立的个人。在任何情况下。实验者都不是作为孤立的个人在活动，而是作为社会的人在活动。实验者继承着前辈们所已经建树起来的积极成果，也借鉴着同时代的成功经验与失败教训，同时还依赖着人们之间进行的各方面的协作劳动。因此，实验者所取得的任何一点有益成果，都将融汇到社会精神财富的总体中去。这样说，并不是要否认实验者个人的创造能力，而是说这种创造能力只有不脱离社会这个基础时才能得到发挥。
（2）实验对象
这是实验者所要认识的对象。实验对象可以是自然界的物体及其现象，例如太阳光，也可以是人们生产出来的物体及其现象，例如机床、布匹。但是，不管何种种实验对象，它既是实验者进行变革和控制的对象，又是实验者的认识对象。因此，从认识论上看。实验对象是处于认识客体的地位。
（3）实验手段
　　实验手段是由实验的仪器、工具、设备等客观物质条件组成，实验仪器是其中的主要成分。
　　实验手段的作用主要表现在两个方面：
　　一方面是实验者通过实验手段把自己变革和控制实验对象的意图传递给实验对象，使实验者的意图得到物化。
　　另一方面，实验手段又显示实验对象的特性，而把实验对象在经受变革与控制后呈现的状态传递给实验者，使实验者能够获得关于实验对象的有关认识。
　　所以，实验手段是实验者和实验对象之间的中介环节。没有适当的实验手段，实验对象的某些特性就不能暴露出来，人们就不能获得对这些特性的认识。
　　在这个意义上，实验手段的状况，决定着科学实验所能达到的认识水平。实验手段的每一步改进，都意味着人们对实验对象的可观察量的增加，意味着科学实验水平的提高。从科学史上可以看出，新的实验手段的采用，往往会带来科学理论上的重大突破和发展。因此，有意识地改进实验手段是一项具有战略意义的措施。但是，一个时代的实验手段又是那个时代生产力水平的具体表现，为当时的生产力发展状况所制约。因此，实验手段的改进，新实验手段的装备，只有伴随着整个社会生产力水平的提高才能实现。
模型实验产生以后，人们用模型来代替原型进行实验。那么模型在科学实验的结构中是属于哪一部分?在科学实验中，模型具有双重的性质。就模型是实验者运用实验手段而对之进行实际的变革和控制的对象来说，模型是实验对象。实验者是对模型进行各种实验，从而取得关于模型的各种认识。但就模型只是原型的替代物，实验者的真正目的是要获取关于原型的认识这一点来说，实验的真正认识对象是原型，而模型则不过仍然是实验者所运用的实验手段。这是一种扩展了的手段。也许正是由于模型的这种双重性质，使它在科学实验中占有特殊重要的地位。
2、如何看待科学实验中对于科学对象的人为控制？
在科学实验中，只有对科学对象进行人为控制，才能掌握因果关系，找出事物变化规律，最终建立科学理论。下面的物理学科学实验实例可以更好地证明这一结论：
如早在十六世纪，以实验为基础的物理学的著名先驱者伽里略，走上比萨斜塔，进行有名的落体实验。他把两个外观体积相同而重量相差一百倍的球，在万人注视下，同时掉下，同时落到地面，打破了千多年来被奉为金科玉律的由亚里斯多德提出的“落体速度与它的重量成正比”的错误论断，这在科学史上是一个革命的行动。他是利用了同形状同体积的两个球受到相同的空气阻力这一条件，排除了由于空气阻力引起速度悬殊的干扰。虽然这是比较简单的设计，但在当时的历史条件下，伽里略不愧为一个开辟科学实验的先行者。此后，自然科学的研究和发展，逐渐推广了通过专门细致的科学实验，以寻找科学规律，建立科学理论的科学方法。由学院或私人设立的实验室也越来越多，成果显著。例如在电磁学理论方面，一八二O年奥斯特通过实验，发现通电的导线周围的磁针发生偏转，揭露了电与磁的密切关系；跟着，安培用实验证明，两条通电导线间也有作用力；法拉第经过长期实验研究，于一八三一年总结出变化的磁场能够产生电流—感应电流;楞次更进一步从实验找出感应电流方向的法则。在此基础上，麦克斯韦推导了一组联系电荷、电流、电场之间的关系的微分方程组，并预言了电磁波的存在，后来更提出光波本身就是电磁波，从而建立了完整的经典电磁学理论体系。
因此，科学实验必须在特定的设备下根据一定的目的要求有意识地控制研究对象，突出研究对象的主要矛盾，排除不利的因素，进行直接的、精密的、反复调整的观察和测量，通过认真的分析和综合，从而掌握因果关系，找出变化的规律。
3、科学观察与科学实验与最终科学理论的建立是什么关系？
科学是人们对自然界进行探索的一种认识活动。科学观察是人们对自然现象进行有目的的考察的一种科学方法。人们的认识总是从感性上升到理性的，科学认识作为一种高级的认识形态也不例外，它必须通过观察和实验(实验是人控条件下的观察)这种实践形式去获得自然信息(感性认识)，经过抽象和逻辑思维，提出假说(理性认识)。这种认识<假说>是否真有道理，还须放到观察和实验中去进行验证，然后上升成为科学理论，实现对自然界本质规律的认识。因此科学观察是取得科学认识的主要源泉。
任何自然信息的获得都必须经过人的感觉器氏而观察和实验就是依靠感官(包括延长的感觉器官--仪器)去获取自然信息的最普通和最基本的方法。虽然科学观察总是在一定的理论思维指导下的有目的的、有计划的实践活动，但这并不意味着理论先于实践。指导我们从事观察和实验的实践活动的那个理论，也是从以前的观察和实践的基础上产生的，离开了科学观察和科学实验决不能产生科学理论，所以任何科学理论都是建立在科学观察和科学实验的基础上的。

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