8-科学研究与创新.pptx

科学研究与科学创新科学研究与科学创新 一、几个创新案例一、几个创新案例 1、一个曾被遗忘的创新案例一个曾被遗忘的创新案例 汤佩松和王竹溪对植物细胞水分关系研究的创新贡献 1940年8月9日，美国物理化学杂志（Journal of Physical Chemistry）编辑部收到寄自中国的一篇来稿，地址是中国昆明国立清华大学生理学实验室和物理系，作者为汤佩松和王竹溪。他们所寄论文的标题是：离体活细胞水分关系的热力学论述（Thermodynamic formulation of water relation in an isolated living cell）。这篇论文未经修改被发表在1941年出版的物理化学杂志第45卷第2期上。次年，论文的摘要被收入美国生物学文摘杂志（Biological Abstracts，1942，16：2758）论文发表后没有什么反响。据说是生理学家看不大懂，而能看懂的物理化学家却认为该理论与他们的专业没有什么关系。于是，这篇文章就有意无意地被遗忘了。其实这篇文章解决了当时描述植物细胞中水分运动的一个极为关键的问题。从热力学理论来说，水是向低处流的，但水在植物体中却是向高处流的。为解释这一反常现象，20世纪70年代以来，植物细胞中水分运动的问题成为探讨的重要课题。植物细胞如何与外界交换水分，先后出现过三种描述植物细胞吸水、排水规律的理论解释。第一种是“渗透压”解释。第二种是“吸水力”解释。第三种是“水势”解释。1966年后，确立了建立在热力学基础上的关于植物细胞吸水、排水的水势概念体系。1984年和1985年，Kramer相继在美国植物学会的新闻通讯和专业杂志上写文章介绍汤佩松和王竹溪1941年的论文，并表示“但愿这篇短文可以在某些程度上，弥补我们长期忽略汤、王关于细胞水分关系热力学先驱性论文的遗憾”汤佩松和王竹溪1941年论文确实已经包含了1966年完成的植物-环境体系水分运动关系水势概念描述体系的几乎全部内容。这个创新案例有两点值得注意：1、汤佩松是生物学家；王竹溪是物理学家。学科交叉是这一创新的特点。2、西南联大的学术氛围 西南联大的生活艰苦 学术创造性的高涨 2、稀有气体的发现稀有气体的发现 英国物理学瑞利在测定氮气的密度时发现：从空气中分离出来的氮气密度为每升1.2572克；从化合物中分离出来的氮气密度为每升1.2508克。卡文迪什在一个空气容器中，用起电机激发空气使氮氧化，结果不论激发的时间多长，总有一些气体残存（容器中留下一个小气泡）。瑞利重复了卡文迪什的实验，得到的是同样的结果，并得出结论：大气中还有一种新的组成物。拉姆塞用化学方法也得到了这种残存物，并用分光镜来检查，发现它的光谱中有橙色和绿色的明线，这是已知气体所没有的。瑞利和拉姆塞相信这种残存物是一种新的气体元素。这个气体元素取名为“Argon”，即氩，含有“懒惰”、“迟钝”的意思。稀有气体的发现曾一度给化学家带来了许多的惊奇和困惑：其一其一，当人们普遍认为对空气的研究早已详尽无遗时，但却万万没有想到在大家自以为最熟悉的空气中竟隐藏着一整族的未知元素。是自然界有意捉弄我们，还是人们的认识上出了问题?其二其二；氩的发现曾给元素周期系带来严重威胁，它的原子量、单原子分子、零价及化学惰性都给确定其在周期表中的位置带来很大困难。其三其三，稀有气体的化学惰性更是令化学家感到惊讶和迷惑。化学家们又陆续对发现的氦、氖、氪、氙等元素，也逐一使它们与各种化学试剂作用，但均末发现有任何化学反应发生。稀有气体元素不能生成热力学稳定化合物的结论给科学家人为地划定了一个禁区，致使绝大多数化学家不愿再涉猎这一被认为是荒凉贫瘠的不毛之地，关于稀有气体化学性质的研究被忽略了。1932年，苏联的阿因托波夫（ARAntropoff）曾报道，他在液体空气冷却器内，用放电法使氪与氯、溴反应，制得了较氯易挥发的暗红色物质，并认为是氪的卤化物。但当有人采用他的方法重复实验时却未获成功。1933年，美国著名化学家鲍林（LPauling）通过对离子半径的计算，曾预言可以制得六氟化氙（）、六氟化氪（）、氙酸及其盐。6XeF6KrF 扬斯特（DMYounst）用紫外线照射和放电法试图合成氟化氙和氯化氙，均未成功。他在放电法合成氟化氙的实验中将氟和氙按一定比例混合后，在铜电极间施以30 000伏的电压，进行火花放电，但未能检验出氟化氙的生成。到了1961年，鲍林也否定了自己原来的预言，认为“氙在化学上是完全不反应的，它无论如何都不能生成通常含有共价键或离子键化合物的能力”。历史的发展颇具戏剧性，就在鲍林否定其预言的第二年，第一个稀有气体化合物六氟合铂酸氙（）竟奇迹般地出现了。6XePtF 英国年轻化学家巴特列特（NBartlett，1933）一直从事无机氟化学的研究。1962年，巴特列特用 与等摩尔氧气在室温条件下混合反应，得到了一种深红色固体，经实验确认此化合物的化学式为 ，其反应方程式为：6PtF62PtFO6PtF2O62PtFO 巴特列特善于联想类比和推理。他考虑到 的第一电离能是1 1757千焦摩尔，氙的第一电离能是1 1755千焦摩尔，比氧分子的第一电离能还略低，既然 可以被 氧化，那么氙也应能被 氧化。他同时还计算了晶格能，若生成 其晶格能只比 小4184千焦/摩尔。这说明一旦 生成，也应能稳定存在。2O2O6PtF6PtF6XePtF62PtFO6XePtF 巴特列特仿照合成 的方法，将 的蒸气与等摩尔的氙混合，在室温下得到了一种橙黄色固体 ：62PtFO6PtF6XePtFXe6PtF6XePtF 这样，具有历史意义的第一个含有化学键的“隋性”气体化合物诞生了，震动了整个化学界。持续70年之久的关于稀有气体在化学上完全惰性的传统说法，从实践上被推翻了。有两点：1、拘泥传统观念是创新的大敌 稀有气体在化学上完全惰性的传统说法已有70年之久；鲍林否定了自己的预言；巴特列特年轻29岁。2、正确理论的指导作用 巴特列特从逻辑上推导出生成 的可能性。6XePtF“理论要靠实验结果来丰富和发展，实验要有理论作指导”唐敖庆 这几个案例说明科学家们的认识经历了极其复杂和曲折的过程。其一其一，过分拘泥于传统观念，把一定历史条件下的科学认识视为不可逾越的金科玉律，必然要走进形而上学和教条主义的迷宫。在传统观念的束缚下，先入为主的偏见常常成为一种桎梏，堵塞了科学家创造的思想路线，阻碍了科学认识的发展。其二其二，科学创造是一个长期积累的过程，许多发现都是科学家在长期科学实践中追求对自然认识的完满性，在主观、客观条件成熟时做出来的。其三其三，传统的科学认识是时代的产物，是我们认识发展的前提和起点，但决不是认识的终结。当传统认识发展到一定阶段就可能成为科学进一步发展的阻力，使人们在思维方法上产生一种维护旧规范的惰性，阻碍人们对事物深层规律的认识。二、关于创新的障碍二、关于创新的障碍思维定势思维定势 一个问题只有一个答案吗？一个问题只有一个答案吗？对一个事物只能从一个角度去认识吗对一个事物只能从一个角度去认识吗？根据句子意思写成语：“思想一致，共同努力”，“齐心协力”，错，答案是“同心协力”；“刻画描摹得非常逼真”“栩栩如生”，错，答案是“惟妙惟肖”。教育在让人学会实事求是的同时，也在教育在让人学会实事求是的同时，也在扼杀想象力。扼杀想象力。思维定势是什么东西？思维定势是主体认识活动的一种准备状态，即把新的认识纳入旧有的思路的待发状态。在这种待发状态下，一旦相关的刺激出现，主体就会把对刺激的认识活动拉入旧有的思路。思维定势怎么形成的？已有的经验和既有的知识 制约着主体认识活动的框架 思维定势既是一定时期思维活动的总结，又是进行新的思维的起点；既是人们继承前人知识的重要依据，更是创造性思维得以产生的重要依据。“扬弃”某种固定的思维定势以实现理论的跃进和革命性的观念变革。人们容易在思维定势的作用下教条地搬用以往的经验，妨碍创造性思维的形成。三、什么样的方法论是好的？三、什么样的方法论是好的？介绍：美国的一位科学哲学家费耶阿本德（Paul Feyerabend，1924-1994）的一个观点 他在1975年出版了一本著作：反对方法：无政府主义知识论（Against Method：Outline of an Anarchistic Theory of Knowledge）他认为在哲学中有两种传统：历史的经验的传统 抽象的理论的传统 什么是历史的经验的传统？有三者的关系：权威、经验和认识，这三者的关系应该受一些规则的指导：阅读他人写的东西，但不要太信赖它们，尊敬你的先驱，但不要做他们的奴隶；要重视使用专业经验积累的知识和技能，但不要满足而要改进它们；根据与做出断言。什么是抽象的理论的传统？它的规则是：排除偏见；注重经验；使你的思想与经验一致，或者从经验中引出思想。这些规则受到了批判，于是人们又试图找到新的规则。费耶阿本德认为，20世纪以来人们把注意力集中于理性探索工具，从逻辑上看方法论的精致性增加了，但是却越来越远离正在进行的科学研究过程。他从反对经验主义、理性主义的一元方法论，走向了非理性主义的认识论与方法论 无政府主义的认识论。所谓“无政府主义”指的是什么呢？是指科学不是按某种固定的模子发展的。他的反理性态度：科学没有“纯事实”，进入我们知识的“事实”已经包含着一定的看法和思想。而思想和发明它们的精神一样复杂、混乱、充满错误、引人入胜。不过今天的教育却把科学弄得又枯燥又单调，仿佛一个人的宗教、形而上学、幽默感与他的科学创造性毫无联系，好象一个人的科学见解的信仰和文化背景无关，这种教育容易抑制人的想象力。他引用了列宁话来说明他的观点：“一般历史，特别是革命的历史，总是比最优秀的历史学家和最优秀的方法论家（列宁原文是：最优秀的政党、最先进阶级的最觉悟的先锋队）所想象的更富有内容，更多种多样，更生动活泼，更巧妙。”“因此可以得出两个很重要的实际结论：第一，革命阶级即或要变革作为社会一部分的科学，或要变革整个社会的那些阶级为了实现自己的任务，必须善于毫无例外地掌握社会活动的一切形式或方面必须善于理解和应用不只是一种特定的方法论，而且能够想象到的任何方法论，第二，革命阶级必须准备最迅速和突然地用一种形式来代替另一种形式。”共产主义运动中的“左派”幼稚病见列宁选集第四卷，人民出版社，1972年版，P249 他还认为Einstein下面的话也是支持他的观点；“经验事实为（科学家）安排的外部条件不允许他在构筑他的概念世界时由于坚持某种认识论系统而太受限制。”他提出：科学家必须是一个象不受约束的机会主义者那样的认识论者。两个理由：第一，我们要探索的世界主要是一个未知的实体，所以我们的选择应是开放的，不能预先就把我们束缚起来。第二，目前那种一个模子的科学教育与人道主义态度不相容。应摈弃一切普遍的标准和一切刻板的传统。他进一步认为，儿童的学习、人们的认识和科学家的研究是通过把自己浸沉在实践中，通过模仿、激情和直觉而完成的，尤其是科学研究这种探索未知的事业，不是通过掌握规则完成的。他的结论是：在人类发展的一切环境和一切阶段能够维持的只有一个原则：“怎么怎么都行都行”。他认为目前强调规律，崇尚理性的倾向束缚了科学的发展，对症的良约便是他的认识论无政府主义。他反对那种刻板的、僵硬的方法论的想法是可取的。演讲完毕，谢谢观看！