关于从事科学前沿研究的基本方法和环境

张道民

（青岛大学，山东青岛 266071）

关于从事科学前沿研究的基本方法和环境

张道民

（青岛大学，山东青岛 266071）

科学方法对科学前沿研究中取得创新成果具有重要作用，直接影响着科学前沿研究的步伐和成果。科学研究方法包括科学思维方法和科学实践方法两大类，只有善于把思维方法与实践方法融为一体的人才，方具有优势，才能满足科学发展之需求或经济、社会发展之需求的问题（课题），又能按照科学的工作部署有序而深入地展开研究活动，充分展现自己在研究过程中的创造性才能。同时，科学前沿研究工作还需要具备一定的学术环境：高质量的人才团队；充分的学术自由；活跃的学术思想；不畏攻坚的奋进精神；以及较为优越的生活待遇和先进的研究手段等。

科学方法；科学前沿；基本方法；学术环境

科学方法对科学前沿研究中取得创新成果具有重要作用，自近代科学以来，科学家们一直非常重视解决的手段问题。随着现代科技的飞速发展，新的更先进的科研方法不断涌现，更新换代很快，直接影响着科学前沿研究的步伐和成果。

依据从事科学前沿研究的历史经验可知，要出创新成果，关键在于首先找到自己感兴趣而又满足科学发展之需求或经济、社会发展之需求的问题（课题），其后必须找到能有效地解决问题的科学方法。

科学研究方法包括科学思维方法和科学实践方法（如观察、实验、考察、探测等）两大类。在当代的科研活动中，只采用单一的科研方法，往往难以奏效。善于把思维方法与实践方法融为一体的人才，方具有优势，既能有效地解决上述两个关键问题，又能按照科学的工作部署有序而深入地展开研究活动，充分展现自己在研究过程中的创造性才能。为了达到此目的，下面阐述四个方面的问题。

一、当代科学前沿的特征是什么？

科学前沿，按照钱学森的观点沿着三个方向发展。一是对无机世界的认识由宏观向宇观至胀观方向深处发展；二是对无机世界的认识，由宏观向微观至渺观 方向深入发展；三是对生命世界的认识由宏观至微观方向深入发展，同时对生命起源、人类起源、人类社会的发展前途等问题进行全方位的整合研究。[1]（P2）宇观研究是从17世纪初伽利略发明望远镜开始的，微观研究是从17世纪中期胡克发明显微镜开始的。

一般说来，科学前沿是指各个学科中具有一定创造性且有助于学科发展的研究领域及其科研活动。既指研究别人没有研究或研究中尚未解决的问题，又指虽然别人研究过但自己的研究课题仍有较大创意的科研工作。

科学前沿是个具有时态性的术语，与时俱进，日新月异。现代科学技术经过一个多世纪的发展，当前具有了一些新的特征。

其一，沿着交叉综合发展趋势，已形成立体式的前沿结构

当代的科学前沿阵地已不是平面结构，更不是线性结构，而是一种立体结构，已很难区分前方和后方。科学具有认识世界的功能，技术具有改造世界的功能，通过高科技领域的发展，科学知识与技术融合为一体，科学知识直接为经济、社会发展服务的功能日益显示出来，新技术的开发也会成为科学前沿研究的课题。如人工智能的开发就与研究大脑的结构与功能紧密联系在一起，量子信息技术的开发，也必须研究光子纠缠的难题。

其二，研究对象日趋复杂化、超距化、超微化，攻坚难度日益增大

不论胀观研究，还是渺观研究，要想直接观察客体的运动状态很难，多为间接推测其结果。如太阳系以外行星的发现，玻色子和共振态的发现等。超重化学元素的发现，由于核反应截面随着原子序数的增大而急剧变小和半衰期变短，在线检测的难度越来越大，鉴定其化学性质的难度更大，致使发现超重化学元素的工作已临近尾声。和平利用核聚变能的研究工作，虽然科学家们经历了半个多世纪的跋涉，但要达到实用，仍有理论和技术难题需要逐个解决。如亿度（℃）高温的产生和控制以及“热密度界限”的克服等。人脑被钱学森称为一个巨复杂系统。要认清人脑的思维过程，不仅要搞清电波信息与化学信息的关系，而且更难的课题是解决感性认识如何转化成理性认识的机制问题。

其三，发展与变革速度加快

电子计算机自20世纪40年代发明以来，经过20世纪下半叶连跳四代的快速发展，21世纪以来已经进入高速运算时代（目前我国云计算已达每秒7000万亿次，美国正打算提高到每秒1亿亿次），同时也向多功能和智能化方向发展。基本粒子的发现，从20世纪30年代发现正电子开始，每十年上一个台阶，21世纪以来，科学家们已集中于质量极小的中微子结构和运动形态的研究。对希格斯玻色子的发现，已加速了对加速器的改装，使质子能量已高达7000亿电子伏，目前仍打算提高到8万亿电子伏。生命科学的实验技术发展也很快，在近十几年时间内，便形成了DNA合成技术、DNA序列分析技术、基因置换技术、DNA芯片技术、微RNA干扰技术、微流技术、荧光标记技术、纳米技术、功能性磁共振技术等技术体系，促进了生命科学研究工作快速发展。

我国的科研活动，由于高级人才的大力培养和引进以及国家科研经费的逐年增长，自进入21世纪以来发展也很快，不仅论文的数量增长快，质量也不断提高。据中国科技信息研究所去年底发布的2010年《科学引文索引》（SCI）的统计结果，被收录的中国科技论文数量为14.84万篇，排在世界第二位。

其四，微观研究与宏观、宇观研究相配合可深化对世界统一性的认识

从19世纪末发现铀的放射性到20世纪中期，科学家们已基本上认清了由原子核内放射出的射线类型及其本质，如α粒子、β射线、γ射线、电子、正电子、中子、质子、中微子等。依据这些知识说明了宇宙射线的基本组成。通过研究氘和氚在高温下聚合成氦的核反应，科学地解释了太阳发光的原因。狭义相对论和广义相对论都涉及到时间变慢的现象，虽然在狭义相对论中认为是物体高速运动的作用，在广义相对论中认为是强引力的作用，但都没有从物体时间变慢的机理上去说清原因。据科学家的理论预测，希格斯玻色子如果真的被实验发现了，并探明了它的实质和特性，就有可能解释物质为什么会有质量，而质量为什么会产生引力，到那时人们对世界统一性的认识就有可能豁然贯通。所以，科学前沿研究的新成果，将会对回答世界统一性的难题，做出新的贡献。

二、如何把科学前沿研究成果转化成科学生长点？

科学生长点有两个基本的含义：一指各个学科不断出现的新生点。如化学科学在建立周期系理论过程中新发现的化学元素；络合物化学中新发现的络合物；催化化学中新发现的催化剂及催化反应等。二指科学体系中产生新学科的分生点。如物理科学中牛顿力学、电动力学、统计力学、相对论力学、量子力学等学科的创立与形成。[2]（P1）

科学生长点的生命力在于两个方面：一是科技系统自身发展对其需求的程度及其研究成果能满足的程度；二是人类社会发展对其需求的大小与迫切程度及其研究成果能满足的程度。只要需求程度高，都会极大地激发出科学家研究的积极性。如铀元素早在1841年就被发现了，可是当时科学家们只把它当成一个普通元素，没有引起研究的兴趣。可是到了19世纪末贝克勒尔发现了铀的放射性之后，尤其1939年哈恩·迈特纳发现了铀核的裂变反应和链式反应，科学家们马上意识到铀作为核燃料的重大意义，便迅速投入了高度的注意力，于是原子能科学生长点很快形成了，进而加速分化，核物理、核化学、原子能物理、原子能化学、核燃料化学、工艺学等学科纷纷成长起来。

科学生长点都由科学知识的基本要素（科学事实、科学理论、科学方法）所构成，其中任何一个要素有了新发现或新创造或新发明，都有可能发展成新学科。

从发现新的科学事实到形成科学生长点，往往需要经过从偶然性到必然性、从模糊到精确的过渡过程。如化学元素镧系理论的提出，只有发现了大多数稀土元素，对其必然性的变化规律有了系统性认识时，才得以成功。

科学实验方法及其技术设备的创新，尤其大型仪器、设备的创立，都有可能形成新的学科生长点。因为这些方法都为新学科的形成提供并积累了大量的科学事实。如射电望远镜的发明，形成了射电天文学；离子加速器的发明，形成了核物理学等。思维科学方法引入各学科中也能形成新学科，如比较法应用于生理学，形成比较生理学；统计数学方法引入物理学中，形成统计物理学；量子力学的理论、方法应用于化学和生物学中，相应地形成了量子化学和量子生物学等。总之，重视科学理论和科研方法在各个学科之间的移植，都有可能形成新的科学生长点和新的学科。这就是交叉科学发展的优势。

通过科学研究提炼或综合成的科学原理而产生的科学生长点，与前两者不同。前两者都得先发现并积累科学事实，经过认清其本质或变化规律，然后给予理论解释而形成；后者往往先提出假说、模型或猜想，后经实验证实而形成。如杨振宁和李政道提出的弱相互作用下宇称不守恒的理论观点，就是经过吴健雄的精确实验验证之后，才正式推翻了长期被公认的宇称守恒定律普遍适用的错误观点。

三、科学前沿研究中四种基本的思维方法及其重要作用

1、综合思维——探索世界的统一性

综合和分析是人们认识过程中相辅相成、辩证统一的科研方法。分析是手段，综合是目的，实现创造性的大小，关键在于综合所达到的高度和成果。在科学前沿研究中任何一次新的综合成果都是对客观世界统一性的一种新认识。较小的综合，是对人们认识世界统一性的补充和丰富；大的综合可导致科学发生革命性的变化。

下面介绍几种经常用到的综合方式：

其一，依据对事物本质的认识进行综合

牛顿发现的万有引力，实现了天体星球的综合；道尔顿的原子论，得出了一切物质均由原子构成的综合结论；麦克斯韦的电磁理论实现了电场与磁场、电磁波与光波的综合；20世纪以来，爱因斯坦相对论和普朗克量子论的创立以及玻尔原子模型和薛定谔方程的创建等，都是应用综合思维以揭示事物的本质所获得的成果，也都强化和丰富了人们对世界统一性的认识。

其二，依据不同事物之功能的互补性进行综合——亦称横向综合

进入20世纪以来，随着研究范围的扩大和研究对象日益复杂化，涉及的知识面越来越广，研究方法也日趋多元化、集约化，单一学科的理论和方法已不能满足解决实际问题的要求。尽管各个学科都有自身的理论和研究方法，但各个不同学科的理论、方法功能之间又具有互补性，使各种不同学科（领域）之间的交叉、综合既有必要性，又有可能性。如物理学中热力学、光学、电学及量子力学的理论和方法引入化学中相应地形成了化学热力学,光化学,电化学,量子化学等学科，构成化学科学的重要理论基础，极大地促进了无机化学和有机化学及分析化学的发展。进入21世纪以来，交叉科学的综合发展势头更加活跃，不仅加快了物理学和化学向生物学的渗透，而且自然科学与社会科学、人文科学的相互交叉渗透，也形成了必然的发展趋势。生态科学、环境科学、网络科学以及医学的形成与发展，都是交叉综合发展的结果。其中存在和出现的问题，既有自然科学的原因，更有社会科学、人文科学的原因。

其三，依据目标的一致性将各种技术、方法综合成功能齐全的工艺工程——也称纵向综合

如机械设备的制造（生产）流程，化学工艺流程，建筑工程、水利工程，两弹一星工程等，都属于这种综合类型。系统工程的出现，把各种综合方式提高到了更科学的水平。

其四，依据知识结构层次由低向高层次的综合

整个现代科学技术系统大致可分成四个层次，由低到高依次为工程技术→技术科学→基础科学→哲学。通过这种综合，人们的认识可由实践具体上升至抽象的至理认识。抽象的方法有形式逻辑、数理逻辑、辩证逻辑等。

这种综合方式运用得当，可有效地提高上述三种综合方式的效率。

2、哲学思维

像核科学家卢瑟福、相对论创始人爱因斯坦、理论物理学家玻尔等国际著名科学家对哲学的重视已为科学界所敬佩。我国著名（亦是国际著名）的科学家钱学森对哲学的重视程度更令人羡慕和赞誉，[1]（P129-131）他不仅有理解和把握辩证唯物主义哲学的深度，而且在解释科学问题时运用得很娴熟，提出了独到而有远见卓识的思想和见解。读后令人茅塞顿开、心旷神怡。这是我写哲学思维的第一个理由；其二是因为长期以来有些青年人对辩证唯物主义哲学存在着片面的理解，往往把研究哲学的人看成是搞政治的，这可能是由于我国过去长期把哲学作为一门政治课而造成的。因而就出现了学自然科学的人可以不要掌握哲学，甚至对哲学不感兴趣。须知，马克思主义哲学中包括辩证为唯物主义、认识论和历史唯物主义三个部分，其中只有历史唯物主义才归于政治或社会科学范畴。认识论和历史唯物主义都属于辩证唯物主义哲学的应用部分。辩证唯物主义和认识论既可应用于自然科学研究工作也可应用于社会科学和人文科学的研究工作。不论从辩证唯物主义哲学本身看，还是从认识论的角度看，两者对搞好自然科学前沿研究（尤其涉及到基本理论的研究和疑难问题的研究）均起着不可替代的理论指导作用，况且还有方法论的重要作用。刘路对西塔潘猜想的破解，采用反向思维，运用反向数理逻辑而获得成功，在一定的程度上就是重视方法论研究的回报。

3、系统思维

著名的人民科学家钱学森在其辉煌的一生中，尤其44岁归国之后，为了祖国的国防建设事业和科学教育事业的发展做出了不朽的巨大贡献，把自己的才能发挥到极致，除了他有强烈的爱国心之外，从他的知识结构看，主要是牢固而雄厚的力学知识、系统科学知识和哲学知识。我认为从事科学前沿研究的人才（尤其是拔尖人才、帅才），除了掌握研究课题的专门科学知识外，还应掌握哲学知识和系统科学知识。因后两种知识是人才搞好综合思维，创造高水平的科研成果所必须具备的思维功能和指挥功能。

1981年，钱学森老人从工作一线领导岗位上主动退下来以后，又满怀激情地投入到世界观、科学观、系统观和哲学观的研究活动之中，创立了系统学、科学体系学、思维科学以及综合集成方法学等新学科，丰富了系统科学，推动了系统科学理论与方法的发展和普及。钱老通过哲学的概括，把自然科学称之为“物理学”，社会科学称之为“事理学”，人文科学称之为“人理学”，并大力提倡三者之间的交叉融合。

在学习掌握系统思维的过程中，主要把握系统论的三个基本原理，即整体性原理、层次结构原理和相关性原理。系统方法主要是系统分析与系统综合法、系统工程和综合集成方法。[3]（P107）

4、元科学思维

虽然“元物理学”概念早在古希腊时期由亚里士多德提出，但现代意义的“元科学”概念却在20世纪30年代由英国科学家贝尔纳提出。自进入20世纪以来，科技发展呈现出科技社会化和社会科技化的趋势，科技逐渐成为一种社会建制，其发展过程受影响的因素日益增多，既有动力，也有阻力。于是有社会责任和远见的科学家就开始转向以科学为对象的研究工作，研究科学的形成和发展的规律，进而提出促进科学不断向前发展的对策，因而研究科学的科学（即元科学metascience）便应运而生。到目前，以科学学为名的各种学科已经产生和形成，如数学学、物理学学、化学学、生物学学、哲学学等，说明元科学思维具有很强的生命力。

元科学的研究方法称为元研究（metaresearch）。这种方法是以某门学科的活动和知识体系的整体为对象，研究它如何成为科学和如何实现合理应用的科学。就整个科学系统而言，还要回答科学是什么的问题。该方法的主要特点是：①时态性。由于是先有科学活动及其形成的科学体系，然后才能把它作为研究对象，元研究应该是现在对过去的研究。但这种研究不全同于纯历史学的研究，不是详细地研究每个历史细节，而是以哲学思维为导向，抓住影响科学全局发展的主要因素和重要因素，得出规律性的认识，以前展性谋划该学科的未来发展趋势。②反思性。虽然元研究方法具有反向思维和反复思维（不是反思一次就结束了，应随着科学的发展进程，不断进行反思）的含义，但不能等同于反向思维。因为逻辑学中正向思维与反向思维的路径刚好相反，得出的结论不同。③多视角性。由于科学技术的发展，既涉及科学与技术的关系，又涉及到自然界与社会的关系，应把自然科学与社会科学及横断学科结合起来，综合各个角度的反思认识，方能得出全面而正确的结论。④知识的再创造性。在科学前沿研究过程中已获得创造性成果的人会有一种这样的体会，当你面对一堆调查材料或一批批实验结果反复地整理加工、分析和思考时，会突然出现一种灵感或顿悟，发现了新的问题或解决问题的方法。这就是知识的再创造性。如果通过反复思考，你只是对原有的知识认识得更深入更透彻了，并进一步完善了自己的想法和观点，也算是一种知识的再创造。任何人寻找和确立一项研究课题时，都要先进行资料搜集工作，并对资料进行分析研究。这就是一种元科学研究，只是过去可能有的人尚未提到这个高度来看待罢了。

在元研究中经常采用的创造性思维方法有：分析与综合方法，发散思维方法（如列举事物或现象的新特征、新要素，扩大原有概念或术语的内涵和外延）和收敛思维方法（如从众多要素和因素中提炼出最基本的要素及主要的因素），类比法、联想法以及在上述方法运用中出现的直觉、灵感和顿悟。[3]（P102,98-100）

四、科学前沿研究需要什么样的学术环境？

为了有利于说清这个问题，找到正确的答案，先举个典型的事例：DNA双螺旋结构的发现者沃森和克里克于1951年开始立志研究DNA结构时，都属于青年（沃森才23岁，克里克为35岁）。当时沃森属于美国信息学派。他是于1951年参加在意大利召开的生物分子结构学术会上，听了英国物理学家威尔金斯关于DNA的X射线衍射图像的报告后，而下定决心专门研究DNA结构的。并经导师推荐进入了英国剑桥大学实力雄厚的卡文迪什实验室佩鲁茨研究组，在此与英国结构学派的克里克结伴研究DNA结构。他们从1951年底到1953年2月底共提出过三个结构模型。起先，他们依据威尔金斯提供的DNA X射线衍射图并经自己的计算提出了“三条链的螺旋结构”。当他们邀请威尔金斯和弗兰克林讨论自己的模型时，两位客人发现他们把DNA的含水量算少了，导致DNA的密度估算值过大，因此该模型被否定。在1952年期间，沃森和克里克一面各自回到原来的研究工作，一面继续坚持DNA结构研究，请教有关的专家、学者，获取新的学术信息。如剑桥大学数学家格里菲斯告诉克里克，DNA的碱基之间结合力是A-T和G-C类型，异配而不是同配；同年6月他们从生物化学家查加夫那里了解到嘌呤与嘧啶的碱基比为1:1；随后又从美国著名化学家鲍林那里获得了方法论的启示，即采用多种方案、模型进行比较研究，以获取最优结论；同时又听说鲍林很快就有可能建成DNA结构模型，于是从1952年末开始，沃森和克里克就针对DNA结构模型是三链式还是双链式，碱基在内侧还是在外侧等方案夜以继日地进行研究。1953年2月初沃森再次走访了皇家学院的威尔金斯和弗兰克林，于2月后两周提出了第二个模型，即双螺旋结构、碱基在中间、同配。就在沃森高兴时刻，同室的化学家多诺休却提出异议，认为模型中鸟嘌呤和胸腺嘧啶不是烯醇型，应是酮型。这样就使碱基配对1:1关系和氢键的形成都得到很好的说明，第三个正确的模型便成功诞生。近一个多世纪以来，在科技界类似这样的事例不胜枚举。从上述事例的实践中可以总结出，什么样的学术环境最有利于科学前沿研究工作。我初步归纳出五个方面的内容，请专家、学者们雅正。

其一、组建高质量的人才团队

高质量的人才团队创造出高水平的科研成果，造就高质量的青年人才。20世纪50年代生物学研究工作就有生化学派、信息学派和结构学派三大学派，各有一批优秀、精干的人才团队。DNA双螺旋结构的发现者沃森和克里克分别是信息学派和结构学派的青年学者，他们的成功有其必然性。如果没有其他专家、学者友好地提供X射线衍射图像及其研究的成果和见解，单靠其个人的想象力是不可能成功的。在一定的程度上可把DNA双螺旋结构的发现看成是科研团队集体的贡献。像英国剑桥大学卡文迪什实验室的研究团队，丹麦玻尔的研究团队，在20世纪初期就培养出了一批又一批的杰出青年人才，都是确凿的事实。

团队人才的组合，应由团队主持人亲自选定那些既有兴趣又有优秀才能的科研人才，包括一定比例的青年人。

其二、科学前沿人才都要具有不畏攻坚的奋进精神

沃森和克里克尽管在不长的一年多的时间里实现了发现DNA双螺旋结构的科研目标，但也不是一帆风顺的，尤其提出的第一个模型被否定之后，推迟了近一年时间才提出了第二个模型。他们没有灰心，继续了解相关的信息，思考有关的问题。一但发现了新的机会时，便果断地投入到穷追不舍、日夜奋战的“战斗”之中，很快取得成功。

为了适应研究DNA结构的需要，沃森主动进修了生物化学，克里克自学了生物学。科学前沿研究由于其研究对象的复杂性，涉及的知识面越来越宽，原来已有的基础知识出现短板是常有的事。一旦出现这种情况，主动补课的精神很可贵，值得提倡。这样做有利于研究工作的深入，有助于充分利用别人的实验资料、听取别人的建议、吸取别人从事创新研究的方法和经验。

在前沿科学研究中，坚决杜绝虚荣心、镀金、抄袭、造假等学术不正之风。

其三、要有充分的学术自由，让科学研究回归科学本色

科学前沿研究是科研人员自主的活动，任何外行人都不许直接干预。科研项目主持人应由精通研究课题且具有科学管理能力的人才担任。在学术活动中对不同的观点能统一则统一，不能统一时不要勉强，允许再研究再讨论。即使有的人其观点不符合实际情况，或者研究工作失败了，对正确的观点和结论也能起到一方面佐证的作用。

其四、活跃学术思想，使创新活动蔚然成风

高等学校、科研院所应主动创造条件，让从事前沿科学研究的各类人才争取多参加国内外高水平的学术会议，同时在其内部发动、鼓励研究人员经常举办各个层次的学术交流活动，起到不断充实自己，启迪新思路的作用。可惜，我国目前仍有不少的高等学校和研究机构的学术交流气氛不浓，还没有形成经常性的多层次的学术交流习惯，甚至有些人还相互保密;也有的高校领导人和管理者仍持教学与科研对立的观点，没有把高校办成教学与科研和谐发展的学术阵地。须知，缺乏科研能力和学术思维的教师是培养不出高水平创新人才的。

其五、要有后顾无忧的生活待遇和先进的研究手段

前沿科学研究必须有健全的资金制度支持。举办学术活动、参加学术会议需要资金，建立先进的实验室、购买先进的仪器、设备和材料，更需要大量资金做后盾。沃森在1950年获得博士学位后，就是通过申请到研究员基金的支持赴欧洲深入研究DNA结构的。资金是完成科研项目重要的物质基础，其道理人人皆知。我在1997年发表的《现代科技发展的动力论》一书中已把“物质动力”作为第一动力要素而论述过。在此不再赘述。

[1] 上海交通大学.智慧的钥匙——钱学森论系统科学[M].上海: 上海交通大学出版社,2005.

[2] 张道民.试论科学生长点[J] .科学技术与辩证法,1986.

[3] 李庆臻.科学技术方法大辞典[Z].北京: 科学出版社,1999

责任编辑：侯德彤

Basic Methods and Environment of Doing Researches on Frontier Sciences

ZHANG Dao-min

( Qingdao University, Qingdao 266071, China )

Scientific methods play a key role in achieving results of frontier science researches.These methods include scientific ways of thinking and scientific practice,the combination of which can bring about advantages and satisfy the needs of scientific,economic or social development.This can ensure that scientific research is done in a systematic way and give full scope to the creative ability in research.Meanwhile,scientific research also needs some academic environment,high-level research teams,full academic freedom,active academ ic thoughts,good living conditions and advanced research means.

scientific method; frontier science; basic method; academic environment

C031

A

1005-7110（2013）03-0035-06

2013-02-26

张道民（1936- ），男，山东潍坊人，青岛大学教授，从事科学哲学、软科学研究。