張建清

摘要：近代科學(xué)誕生的主要標(biāo)志，是建立了一套有別于古代和中世紀(jì)的自然觀和方法論，近代科學(xué)方法最大的特色就是實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用和牢固確立、實(shí)驗(yàn)—數(shù)學(xué)方法、科學(xué)歸納法和直觀—演繹法的結(jié)合、簡(jiǎn)單和統(tǒng)一的審美方法。

關(guān)鍵詞：科學(xué)方法；物理學(xué)；教育功能

中圖分類號(hào)：G632.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）09-0093-03

近代科學(xué)方法的先驅(qū)培根把科學(xué)方法比作在黑暗中給人照路的明燈。另一位科學(xué)方法論的先驅(qū)笛卡兒則斷言：“方法，對(duì)于探求事物真理是絕對(duì)必要的?！睈垡蛩固怪阅軌蛟诳茖W(xué)上做出劃時(shí)代的貢獻(xiàn)，被譽(yù)為世紀(jì)最偉大的科學(xué)家，是與他的科學(xué)思想、科學(xué)方法分不開的。關(guān)于科學(xué)方法，中國(guó)學(xué)者也有自己獨(dú)到的見解。任鴻雋視科學(xué)方法為“科學(xué)的種子”。在他看來(lái)，“現(xiàn)代的科學(xué)與它的方法已經(jīng)合而為一，不能指出某部分是方法，某部分是科學(xué)，因?yàn)榉椒ㄖ皇茄芯靠茖W(xué)的一些過(guò)程。我們不能說(shuō)結(jié)果是科學(xué)，過(guò)程不是科學(xué)，因?yàn)閺V義地說(shuō)來(lái)，所有的科學(xué)都是在過(guò)程中的?！笔聦?shí)上，在科學(xué)研究中，一切理論的探索，歸根結(jié)底也是方法的探索，二者可以說(shuō)是相輔相成、相得益彰的。也許正因?yàn)榭茖W(xué)方法與科學(xué)自身的關(guān)系如此緊密，許多學(xué)者甚至把科學(xué)方法和科學(xué)等量齊觀。

一、科學(xué)方法的分類

學(xué)科方法的構(gòu)成要素主要有：（1）對(duì)事實(shí)的觀察，包括稱之為實(shí)驗(yàn)的人為的觀察。（2）把相同的事實(shí)歸納起來(lái)，標(biāo)上名稱以備應(yīng)用，比較和分類，其目的就是給一堆事實(shí)標(biāo)上名稱，可稱為一般前提。（3）演繹，使我們從一般前提再回到個(gè)別事實(shí)，它教我們從那個(gè)標(biāo)簽上找到所期待的那些事實(shí)。（4）證明，就是根據(jù)事實(shí)來(lái)確定我們的結(jié)論是否正確的過(guò)程。

（一）科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法

近代科學(xué)方法最大的特色之一就是實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用和牢固確立。古代科學(xué)的研究方法是觀察、猜測(cè)、直覺、概括、演繹等。直到中世紀(jì)后期和文藝復(fù)興時(shí)期，西方近代科學(xué)才逐漸從自然哲學(xué)的母體中分離出來(lái)，走上了獨(dú)立發(fā)展的道路。而其中科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法是近代科學(xué)從自然哲學(xué)中獨(dú)立出來(lái)的催化劑，同時(shí)也是推動(dòng)近代科學(xué)迅猛發(fā)展的一個(gè)最基本、最重要和最普遍的方法。物理實(shí)驗(yàn)方法是指人們根據(jù)研究的目的，利用物理儀器設(shè)備，人為地控制或模擬物理現(xiàn)象，排除各種偶然、次要因素的干擾，突出主要因素，在有利的條件下能重復(fù)地去研究物理現(xiàn)象及其規(guī)律。對(duì)物理實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)立并把它應(yīng)用于檢驗(yàn)科學(xué)知識(shí)做出巨大貢獻(xiàn)的人當(dāng)屬伽利略。自由落體問(wèn)題的研究是伽利略力學(xué)研究的突破口。對(duì)于自由落體問(wèn)題當(dāng)時(shí)盛行亞里士多德的觀點(diǎn)，即自由落體以勻速下落，其速度的大小與落體的重量成正比。伽利略首先利用邏輯推理的方法指出亞里士多德落體觀念的邏輯矛盾，接著用實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)駁斥亞里士多德的落體觀念。為了讓人們清楚地看到球體下落的過(guò)程，伽利略設(shè)想了一種“沖淡沖力”的方法：將長(zhǎng)約8米的光滑木板放置成一斜面，斜面的夾角可隨意調(diào)節(jié)。使重量不同的小球從同一高度沿斜面同時(shí)滾下，夾角越小，小球滾得越慢，這就好比沖淡了引力。伽利略發(fā)現(xiàn)，重量不同的球在相同的斜面上滾動(dòng)的速度是相同的，與斜面傾角的大小無(wú)關(guān)。作為其極限情形，當(dāng)斜面傾角為90°時(shí)，小球的滾動(dòng)就成了自由落體。由此得出結(jié)論——物體自由下落的速度與其重量無(wú)關(guān)。這一實(shí)驗(yàn)也因其巧妙的設(shè)計(jì)被英國(guó)著名的雜志《物理學(xué)世界》評(píng)為“歷史上最美麗的十大物理實(shí)驗(yàn)”之一。伽利略在推導(dǎo)“慣性定律”的過(guò)程中，還第一次采用了理想實(shí)驗(yàn)的方法。他首先假定小球從一個(gè)無(wú)摩擦的斜面上滾下來(lái)，然后在一個(gè)無(wú)限延伸的光滑平面上運(yùn)動(dòng)。很顯然，沒(méi)有摩擦的斜面和無(wú)限延伸的平面是不存在的。這些實(shí)驗(yàn)雖然只是想象中的實(shí)驗(yàn)，但它是建立在可靠的事實(shí)基礎(chǔ)上的，這種抽象的方法既彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)條件的限制，所得的結(jié)論又能令人信服。伽利略正是靠自己出色的實(shí)驗(yàn)奠定了近代物理學(xué)之父的尊位，事實(shí)上也是因?yàn)榭茖W(xué)實(shí)驗(yàn)，使他成為整個(gè)近代科學(xué)的揭幕人。最善于進(jìn)行理想實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家是愛因斯坦，這是他科研方法的重要組成部分和顯著特點(diǎn)。愛因斯坦從16歲起就在頭腦中做“追光”的理想實(shí)驗(yàn)，開始思索“如果我以光速追隨光波將會(huì)看到什么？”正是它推動(dòng)著愛因斯坦對(duì)物理學(xué)中傳統(tǒng)觀念進(jìn)行重新審理，萌發(fā)狹義相對(duì)論的思想。為證明同時(shí)性的相對(duì)性，愛因斯坦提出了著名的理想實(shí)驗(yàn)——“車廂試驗(yàn)”。他就是用這列理想化了的“火車”，為我們證明了事件的同時(shí)性因參照系的差異而差異，這也就是“同時(shí)”的相對(duì)性。

（二）科學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)方法的結(jié)合

數(shù)學(xué)方法是指在科學(xué)研究中，應(yīng)用數(shù)學(xué)提供的概念、符號(hào)和規(guī)則進(jìn)行定量的描述、推導(dǎo)和演算，然后對(duì)數(shù)學(xué)結(jié)果進(jìn)行分析和判斷，從量和結(jié)構(gòu)方面運(yùn)用數(shù)學(xué)形式表示事物的特征和規(guī)律。數(shù)學(xué)方法為物理學(xué)研究提供了精確的形式化語(yǔ)言和表達(dá)工具。數(shù)學(xué)方法較少地受物質(zhì)和技術(shù)條件的限制，依靠其抽象推理可以從理性上認(rèn)識(shí)客觀世界，也便于物理理論的推廣。在近代科學(xué)中將數(shù)學(xué)理性和實(shí)驗(yàn)理性有機(jī)結(jié)合起來(lái)的這種方法突出地表現(xiàn)在伽利略的力學(xué)研究中。伽利略以準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言證明物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和表達(dá)物理的定律。他認(rèn)為數(shù)學(xué)是人類思維的一種完全可靠的邏輯形式。“大自然這本書是用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言寫成的”。不懂?dāng)?shù)學(xué)語(yǔ)言，就不能揭開自然界的奧秘。伽利略不僅巧妙設(shè)計(jì)了前面談到的斜面實(shí)驗(yàn)，還以自己提出的“勻加速度”和“慣性”等重要概念為前提，以幾何圖解法等數(shù)學(xué)方法為手段，根據(jù)“速度與降落時(shí)間成比例”的假設(shè)得出球和斜面的坡度雖然都可不同，但小球沿斜面滾下的距離總是與時(shí)間的平方成正比的結(jié)論。當(dāng)傾角等于90°時(shí)，就過(guò)渡到了自由落實(shí)運(yùn)動(dòng)，這就是物理學(xué)中的落體定律：物體墜落所經(jīng)過(guò)的空間按時(shí)間的平方而增加。用現(xiàn)代數(shù)學(xué)語(yǔ)言表述，這個(gè)定律可寫成s=1/2gt2。從以上可以看出，伽利略在研究力學(xué)的過(guò)程中把實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)結(jié)合在一起，既注重邏輯推理，又依靠實(shí)際觀察和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，這就構(gòu)成了一套完整的行之有效的科學(xué)研究方法：觀察現(xiàn)象→提出假設(shè)→邏輯推理→實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)→數(shù)學(xué)演繹→形成理論。為物理學(xué)的發(fā)展開辟了新的途徑。英國(guó)科學(xué)史家亞·沃爾夫評(píng)價(jià)伽利略的實(shí)驗(yàn)—數(shù)學(xué)法：“伽利略對(duì)于落體定律、單擺和拋射體運(yùn)動(dòng)的研究，樹立了科學(xué)地把定量實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)論證相結(jié)合的典范，它至今仍是精密科學(xué)的理想方法?！钡拇_，伽利略所運(yùn)用的這套科學(xué)研究方法，直到今天對(duì)我們的科學(xué)工作者，在科技創(chuàng)新方面仍有著重要的指導(dǎo)作用。

（三）歸納—演繹法

歸納法即從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，由特殊到一般的認(rèn)識(shí)方法。英國(guó)著名哲學(xué)家弗蘭西斯·培根在他于1620年出版的《新工具》一書中提出了這種重要的認(rèn)識(shí)方法，即從“簡(jiǎn)單的感覺知覺出發(fā)，建立新的思維方式，以直接到達(dá)事物的本性。”這種被稱為“科學(xué)歸納法”的認(rèn)識(shí)方法，強(qiáng)調(diào)認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中物理實(shí)驗(yàn)的作用，以歸納的思維為指導(dǎo)，對(duì)由觀察、實(shí)驗(yàn)所獲取的經(jīng)驗(yàn)材料進(jìn)行邏輯的分析和整理，以求得出科學(xué)結(jié)論。物理學(xué)中的歸納法就是在物理現(xiàn)象中通過(guò)對(duì)一些個(gè)別的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和感性材料進(jìn)行概括和總結(jié)，從中抽象出一般的結(jié)論、原理、公式和原則的一種邏輯推理方法。演繹法是以理論為主，由一般到特殊的認(rèn)識(shí)方法。法國(guó)哲學(xué)家笛卡兒在他的《方法論》一書中提出了數(shù)學(xué)演繹法。他認(rèn)為認(rèn)識(shí)自然界客觀規(guī)律的基本方法，就是用理性的邏輯思維，從直觀認(rèn)識(shí)的“首要和基本的原則”中演繹出這些規(guī)律。胡明復(fù)把歸納與演繹視為科學(xué)方法的特點(diǎn)：科學(xué)之方法，乃兼合歸納與演繹二者。先做觀察，微有所得，乃設(shè)想一理以推演之，然后復(fù)做實(shí)驗(yàn)，以視其合否。不合則重創(chuàng)一新理，合而不近精切則修補(bǔ)之，然后更試以實(shí)驗(yàn)，再演繹之，如是往返于歸納與演繹之間。歸納與演繹既相間而進(jìn)，故歸納之性不失，而演繹之功可收，斯為科學(xué)方法之特點(diǎn)。物理學(xué)中的演繹法是從一般物理規(guī)律引出對(duì)特殊事例結(jié)論的邏輯推理與認(rèn)識(shí)的方法。也就是說(shuō)，它與歸納法相反，是從一般到特殊（或個(gè)別），由共性推廣個(gè)性的方法。牛頓在科學(xué)方法上的重大貢獻(xiàn)就是把歸納法與演繹法結(jié)合起來(lái)。他認(rèn)為：“雖然用來(lái)從實(shí)驗(yàn)和觀察中進(jìn)行論證不能算是普遍地結(jié)論，但它是事物的本性所許可的最好的論證方法，并且隨著歸納的愈為普遍，這種論證看來(lái)也愈為有力?！迸ｎD的自然哲學(xué)思想以及歸納法和演繹法相結(jié)合，模型和數(shù)學(xué)相結(jié)合的科學(xué)研究方法，不僅使他成功地建立了經(jīng)典力學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大綜合，而且推動(dòng)了近代科學(xué)的大發(fā)展。同樣，在科學(xué)史上，有許多科學(xué)家正是把歸納與演繹法結(jié)合起來(lái)加以正確運(yùn)用，從而導(dǎo)致科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)。

（四）簡(jiǎn)單和統(tǒng)一的審美方法

牛頓在他的名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中寫到，“自然界不作無(wú)用之事。只要少做一點(diǎn)就成了，多做了卻是無(wú)用；因?yàn)樽匀唤缦矚g簡(jiǎn)單化，而不愛用多余的原因來(lái)夸耀自己。”牛頓力學(xué)的三大定律與萬(wàn)有引力定律，全面地概括了從文藝復(fù)興以來(lái)各種紛繁的力學(xué)、天文學(xué)等的研究成果，以簡(jiǎn)單的形式成功地統(tǒng)一了天上和地上的物體的運(yùn)動(dòng)，充分顯現(xiàn)了簡(jiǎn)單性原則的神奇力量。愛因斯坦則從更高的邏輯起點(diǎn)把物理學(xué)引向高速宇觀世界，并且把牛頓力學(xué)囊括在內(nèi)，并明確提出了邏輯簡(jiǎn)單性原則。他說(shuō)：“我們?cè)趯で笠粋€(gè)能把觀察到的事實(shí)聯(lián)結(jié)在一起的思想體系，它將具有最大可能的簡(jiǎn)單性。我們所謂的簡(jiǎn)單性，是指這體系所包含的彼此獨(dú)立的假設(shè)或公理最少，因?yàn)檫@些邏輯上彼此獨(dú)立的公理的內(nèi)容，正是那種尚未理解的東西的殘余。”自19世紀(jì)能量守恒定律被發(fā)現(xiàn)后，許多物理學(xué)家都相信物質(zhì)世界的統(tǒng)一性，愛因斯坦則把探索和理解自然界的這種統(tǒng)一性作為他的最高目的，并貫穿于整個(gè)探索過(guò)程中。愛因斯坦的探索性的演繹法、邏輯簡(jiǎn)單性原則、唯美學(xué)原則、形象思維等科學(xué)方法就是其集中的體現(xiàn)。愛因斯坦相信，世界是和諧的、有規(guī)律的，而且這種規(guī)律是可以被認(rèn)知的。他說(shuō)：“相信世界在本質(zhì)上是有秩序的和可認(rèn)知的這一信念，是一切科學(xué)工作的基礎(chǔ)。”也就是說(shuō)，任何科學(xué)家的研究工作，都是從世界的合理性和可知性這個(gè)信念出發(fā)的。這是一個(gè)不可或缺的預(yù)設(shè)，缺少了它，科學(xué)家的工作就成了無(wú)源之水、無(wú)本之木。他自己這樣來(lái)描述這種信念：“在一切比較高級(jí)的科學(xué)工作背后，必定有一種關(guān)于世界的合理性或者說(shuō)可理解性的信念，這有點(diǎn)像宗教感情。”這種深摯的信念正是鼓舞研究者強(qiáng)烈熱情的主要源泉。

二、科學(xué)方法具有教育功能

著名科學(xué)史家薩頓在論及實(shí)驗(yàn)方法的教育功能時(shí)曾說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)方法一直就培育著最精致的思維戒律，……正是實(shí)驗(yàn)方法才使人類的理性能充分發(fā)揮它的潛力，而與此同時(shí)，它本身又明白地顯示了它的局限性而且提供了限制它的方式。它證明了真理的相對(duì)性，同時(shí)又使對(duì)它的客觀性和它的近似程度的估量成為可能。更為重要的是，它教導(dǎo)人們要不偏不倚（或至少要努力做到）地追求完整的真理，而不僅僅追求也許能適合一時(shí)需要的或者使人高興的那部分真理?！痹谖锢淼慕虒W(xué)過(guò)程中科學(xué)方法的最大價(jià)值也許正是它的教育功能。科學(xué)方法不僅是認(rèn)識(shí)自然的利器，也是認(rèn)識(shí)社會(huì)以及人生的有用助手和工具。伏爾泰曾經(jīng)提出，牛頓的方法決不限于物理學(xué)，它一般而言對(duì)于所有人類知識(shí)也成立。經(jīng)過(guò)科學(xué)方法的訓(xùn)練和熏陶的心智，不僅能夠應(yīng)對(duì)日益擴(kuò)張的科學(xué)知識(shí)前沿，更重要的是能夠成為現(xiàn)代科學(xué)社會(huì)的健全公民。對(duì)此，皮爾遜洞若觀火：“近代科學(xué)因其訓(xùn)練心智嚴(yán)格而公正地分析事實(shí)，因而特別適宜于促進(jìn)健全公民的教育。于是，就科學(xué)對(duì)于實(shí)際生活的價(jià)值而言，我的第一個(gè)結(jié)論指向它在方法上所提供的有效訓(xùn)練。受到科學(xué)方法訓(xùn)練的人，將把他的科學(xué)方法帶進(jìn)社會(huì)問(wèn)題的領(lǐng)域。他將不滿意僅僅是表相的陳述，不滿足僅僅訴諸想象、激情、個(gè)人偏見、盲目的情緒，他將要求推理的高標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)事實(shí)及其結(jié)果的洞見，他的要求不能不充分地有益于共同體?！?/p>

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