科研方略十八讲之六：见微知著 明察秋毫 （观察篇） | 戴世强专栏
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本文从自然科学研究中的“应用数学过程”谈起，阐述科学观察的基本原则，即客观性原则，全面性原则，典型性原则和理性指导原则，并提供若干案例。欢迎大家就所述内容进行讨论，并提出批评或建议。
知社在2017年会继续带大家学习戴老师的文章，讨论科研运作中的一些技巧，分别是：实验篇，假说篇，建模篇，机遇篇，顿悟篇，推理篇，写作篇。敬请关注！
往期回顾：
大纲
一、引言
二、科学观察的基本原则
三、案例分析
四、观察的局限性
五、结束语
第6讲 见微知著 明察秋毫（观察篇）
一、引 言
我们从科学研究的应用数学过程谈起。
1978年，著名应用数学家、力学家林家翘教授（中科院外籍院士）提出了解决实际问题的“应用数学过程”，我在1979年他到访清华大学时第一次听他详细讲述了相关内容。他指出，在研究数理科学的实际问题时，经常采用：
搜集实验、观察资料→建立数学模型→发明数学工具或沿用已有方法解决模型中的问题→验证所得到的结果→总结出普遍规律。
这就是所谓“应用数学过程”。自然科学的其它分支学科中，许多基本规律的发现、解析和描述，都或多或少地运用了应用数学过程。
后来，布朗大学的谢定裕教授到我所讲学，谈及治学之道时，也讲授了这一应用数学过程。并用牛顿建立三大定律为例子加以阐释，牛顿搜集伽利略关于落体运动的实验结果和行星运动的观测数据，特别是了解了关于行星运动的开普勒定律，对物体的运动与作用力之间的关系有了清晰的认识；在此基础上建立了数学模型（物体运动方程）：F=ma等；并动用各种数学工具，求得了运动方程的解，并催发了微积分这一有力武器的诞生；这些解在实验、观察中得到了验证，最后总结出牛顿三大定律。这是一个完美的“应用数学过程”。1987年，他把上述看法写进了《流体力学》（南开大学出版社）的序言中了。
下面以应用数学过程为线索，逐一讲述八种主要科研技巧。概括地说，要在科学研究中有所作为，必须做到：勤于观察，善于实验，敢于假说，长于建模，敏于机遇，功于顿悟，精于推理，擅于总结。
二、科学观察的基本原则
应该强调指出，科学观察是科学研究的“敲门砖”，是开始进行科研的必不可少的首要步骤。
科学观察的任务是：借助人的感官或仪器，从客观存在的事物获取信息，搜集大量感性材料，作为科学理论的坚实基础。任何科学认识成果都直接或间接地来源于科学观察。
许多前辈优秀科学家阐明了观察在科学研究中的重要性。巴甫洛夫说：“应该先学会观察，观察。不学会观察，你永远当不了科学家。”青霉素的发现者弗莱明说：“我的唯一功劳是没有忽视观察。”德国物理学家普朗克指出：“物理定律的性质和内容，都不可能单纯依靠思维来获得，唯一可能的途径是致力于对自然的观察，尽可能搜集最大量的各种经验事实，并把这些事实加以比较，然后以最简单最全面的命题总结出来。”达尔文曾谦逊地表示：“我既没有突出的理解力，也没有过人的机智。只是在觉察那些稍纵即逝的事物并进行细致观察的能力上，我可能在众人之上。”
科学观察必须遵循四大基本原则：
客观性原则；
全面性原则；
典型性原则；
理性指导原则。
现分述如下：
1、客观性原则
要求在科学观察中如实地按客观事物本来面目去认识事物，不加任何主观因素，实事求是地获取各种客观材料，必须注意克服先入之见，要精细入微，反复观察，不要以主观臆测取代客观事实。
著名科学家赫胥黎说过:“我要做的是教我的愿望符合事实，而不是让事实与我的愿望调和，你们要像小学生那样坐在事实面前，准备放弃一切先入之见，恭恭敬敬地照着大自然指的路走，否则，就将一无所得。”
鉴于客观事物纷繁复杂、多种多样，必须全面地、多方位地进行观察。要求把观察对象放在与之相联系的系统中，动态地、广泛地观察，发现各种现象的内在联系，把握其本质和规律。特别应周密考察其时空演化规律，不仅注意预料之中的正常现象，还要留意异常的意料之外的反常现象，抓住事物的偶然性，发现其内在必然性。
列宁指出:“要真正认识事物，必须把握、研究它的一切方面、一切联系和中介。我们决不能完全做到这一点，但是全面性的要求可以使我们防止错误和防止僵化。”
英国医学家格雷格说：“人们猜想，对大自然最细微逸出常规举动十分注意，并从中得益，这种罕见的才能是否就是最优秀研究头脑的奥秘，是否有些人能出色地利用表面上微不足道的偶然事件而取得显著成果的奥秘。在这种注意的背后，则是始终不懈的敏感性。”
3、典型性原则
鉴于人们不能穷尽所有事物，为使观察事实反映现象的本质，必须认识典型与一般的关系，抓住典型，简化对象，撇开次要因素，减少可变因素和干扰因素，凸现研究对象的主要特性。所选择的典型包括有代表性的观察对象和观察的时机、地点。
正如格雷格所说：“研究人员必须运用其绝大部分的知识和相当部分的才华，方能选出值得观察的对象。这是一个举足轻重的选择，往往决定几个月工作的成败，并往往能把一个卓绝的发明家同一个只是老实肯干的人区别开来。”
4、理性指导原则
观察目的和观察对象的选择受到理论的影响；观察过程是一个积极的思维过程，加工信息的过程；对过程结果的陈述也渗透理性因素。理论先于观察，观察必须在正确的理论指导下进行。
爱因斯坦强调：“理论决定我们能够观察到的东西。”“只有正确的理论，即只有关于自然规律的知识，才能使我们从感觉印象推出基本印象。”
三、案例分析
为了演示上述各点，这里给出两个著名的案例：
案例1：伦琴发现X射线的过程
伦琴（W.R. Röntgen，1845-1923）是德国物理学教授，先后任教于斯特拉斯堡大学（1876～1879）、吉森大学（1879～1888）、维尔茨堡大学（1888～1900）和慕尼黑大学（1900～1920），治学刻苦严谨，善于单打独斗。
1895年11月，他发现了X射线。
1901年他成为获得诺贝尔物理学奖的第一人。
这里简述他发现X射线的过程，从中可见正确的观察的重要性。
魅影初现
1895 年，他在维尔茨堡大学钟情于气体放电和阴极射线研究。那年11 月8 日下午，他在实验室里进行气体放电观察。先把克鲁克斯放电管用黑纸包严，拉上窗帘，使房间里一团漆黑，然后接通感应线圈，令放电管在高压下放电，接着截断电流。这时，他眼前似乎闪过一丝绿色荧光；眨眼间，荧光消失。他大吃一惊，看看放电管，黑纸包得严严实实，怎么会有荧光？莫非是错觉，自己老眼昏花了？( 时年50) 。 于是，再行放电，神秘的荧光再度出现！不是错觉！反复几次后，在放电时他始终看到飘忽不定的淡绿色的荧光，发光方位大致相同。于是他擦亮一根火柴，发现离他的工作台一米开外处有一个涂有亚铂氰化钡的小屏，荧光来自这个小屏！
走火入魔
接下来的几个星期，伦琴玩起了失踪，躲在家里的实验室中继续做新射线的实验，每次用餐都是他夫人贝尔塔派工友去反复催，他才在餐厅露面。偶遇熟人相询，他对自己的发现讳莫如深。经过一个多月的反复实验和观察，他对X射线的秉性逐渐熟悉起来。贝尔塔发现他越来越“ 走火入魔”，吃饭时竟把面包往鼻子里送，很想探个究竟。于是溜进了伦琴的“ 禁区”—— 实验室，只见伦琴正拿起一个硬币放在空中，那个小屏上居然出现日全食那种情景。碰巧伦琴心情不错，没有责怪贝尔塔私闯实验室，还把她拉到跟前做帮手，让她捧着荧光屏前后移动。
逮住“妖魔”
这时，贝尔塔突然浑身发抖，大声尖叫道：“ 妖魔，妖魔，你这里出了妖魔！” 伦琴赶紧安抚她，问她见了什么？她说：“ 手，我见到了我的手！骨头还在，戒指还在，肉没有了。” 伦琴拉起她的手说：“亲爱的，你的手不是好好的么！” 接着说：“我确实逮住一个‘ 妖魔’ ，这妖魔能够穿透血肉！” 伦琴干脆把贝尔塔的手放在荧屏附近，用放电管照射了15 分钟，拍下了人类第一张X光照片。
大功告成
到了1895 年的最后几天，伦琴完成了X 射线的发现工作，赶写了一篇论文《一种新射线，初步报告》，送交维尔茨堡物理学医学学会，将副本寄给了几位好友，包括维也纳的物理学家艾克斯奈尔，后者立即认定这是一个伟大的发现。于是，1896 年1 月5 日，奥地利的《新闻报》以“ 耸人听闻的发现” 为题，在头版发布了消息；翌日，伦敦《每日纪事》等报纸报道了这一重大发现；1 月23 日，伦琴在自己的研究所举行了关于新射线的报告会。
自我评价
“ 关于放电研究，赫兹、雷纳特、克鲁克斯等科学家做了很多有益的工作。1879 年克鲁克斯先生在做真空放电实验时就发现放电管附近的照相底片发黑，1880 年，美国的两位同行也遇到这种情况，1892 年我国（德国）的物理学家也注意到了放电管附近的荧光，但是大家的注意力集中在阴极射线上，觉得这些怪异来自偶然的失误。我自己不过是重复了前人的工作，我的成功只不过是因为比他们细致罢了。我抓住X 这个未知数去努力求解。当然，我们现在对它还知之甚少。不过已经确知，它能穿透大部分物体，可用来制作特殊的照片。至少可以帮外科医生的大忙。”
案例2：达尔文的科学考察与科学创造
达尔文（1809－1882）英国博物学家、进化论的创立者。酷爱大自然，从小就想探索自然的奥秘。达尔文在进化论的创立过程中科学观察起了决定性的作用，这里简述他的著名的环球考察。
1831年秋到1836年11月，他自费搭乘英国皇家海军军舰“贝格尔”号作环球考察旅行，为他创立进化论奠定了坚实的基础。
栉风沐雨，历尽艰辛，掌握第一手资料。每当船靠岸，就跋山涉水，在当地向导带领下，观察自然景观，搜集动植物标本，每天记下工作日志。他说：“如果我在这次航行中半途而废，即使在坟墓中也不会安息。”加拉帕戈群岛总共有大约250种植物，达尔文采集了193种标本。
殚精竭虑，深入思考，定向积累相关资料。考察各地的不同物种，比较其异同，发现自然条件所造成的变异，逐渐否定了上帝创造世界的观点，开始意识到生物是逐步进化的，但何以进化，仍有存疑。
条分缕析，整理材料，深化认识。从1837年到1854年，他用了17年时间整理观察成果，思考关于生物进化的问题。特别学习了赖尔的《地质学原理》，结合地质构造演变，理解生物变异。
战胜困难，精雕细刻，写成不朽巨著《物种起源》。1842年写出35页的提要；1852年至1858年，历时7年，完成著作，期间疾患困扰，经历丧子巨痛。特别是在阅读马尔萨斯的《人口论》时得到“适者生存”的顿悟。长期观察成果得到理论上的升华。
四、观察的局限性
必须指出：科学观察是在自然发生的条件下进行的，因此限制了它起作用的范围；另外，由于种种主客观因素，有时会观察不当，容易夹杂错觉等导致的错误结果。
因此，需要采用一些仪器、设备来控制、改变和模拟观察对象，使其更多的属性暴露出来，于是发展成为另一种实践形式——科学实验。下一讲中我们将专门论述科学实验的目的、作用和步骤。
五、结束语
综上所述，我们有如下结论：
观察是开展科学研究中的起始步骤；
科学观察必须客观、全面、准确、理性；
科学观察必须抓住典型，抽丝剥茧，步步深入；
应充分注意观察中发现的反常现象。
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