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solomoe銅蟲 (初入文壇)
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【其他】科研創(chuàng)新十六法——by徐光憲 已有13人參與
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●知識(shí)創(chuàng)新都有前因后果,來(lái)龍去脈。故而勤奮學(xué)習(xí),建立知識(shí)框架,積累深厚基礎(chǔ);加上追根到底,萬(wàn)事逼問(wèn)為什么的好奇心,就是創(chuàng)新的源泉。前者是學(xué),后者是問(wèn)。學(xué)而不問(wèn)則殆,問(wèn)而不學(xué)則茫。學(xué)而問(wèn),問(wèn)而思,思而行,行而果,這就是創(chuàng)新。 ●如果你夢(mèng)想要做一個(gè)科學(xué)家,那么勤奮學(xué)習(xí)就是實(shí)現(xiàn)你的夢(mèng)想之“舟”。但舟有快如宇航飛機(jī),慢如蝸牛。所以勤奮必須是高效率的勤奮,不要去做“磨擦生熱”的“無(wú)用功”,更不要做“負(fù)功”。 ●在科學(xué)研究中常常會(huì)遇到“山窮水盡疑無(wú)路”時(shí),粗心大意的人很容易放過(guò)這種機(jī)遇。只有具有敏銳眼光和扎實(shí)基礎(chǔ)的科學(xué)家才能抓住它,取得重大的突破。 ●實(shí)際的學(xué)科基礎(chǔ)是金字塔,有比較廣的知識(shí),但是又要有塔尖,有高度,也就是你的專業(yè)知識(shí)高度。但是一條竹竿是站不直的,所以你除了“高”,還要有一些“寬”。 多年以來(lái),我一直在實(shí)踐中探索科研如何創(chuàng)新的方法,總結(jié)了16條。我可以告訴大家,我的天賦很平常,但“天道酬勤”,只要依靠勤奮,是可以取得科學(xué)成就的。大發(fā)明家愛(ài)迪生說(shuō):天才=98%的汗水+2%的靈感。而2%的靈感也可用勤奮來(lái)培養(yǎng)。各位同學(xué)只要勤奮努力,相信都能成為出色的科學(xué)家。 1 創(chuàng)新與知識(shí)積累 創(chuàng)新必須先有知識(shí)積累,這是創(chuàng)新和繼承的關(guān)系。我幼年時(shí)常生病,生了病去看中醫(yī),到中藥鋪去抓藥,看到中藥分類歸檔,放在上百個(gè)抽屜里。從那時(shí)起就模糊認(rèn)識(shí)到要把學(xué)到的東西放在腦中的抽屜里,并把眾多抽屜有序排列,才能記住。以后就慢慢形成要在自已的頭腦里建立知識(shí)框架的概念。知識(shí)框架即知識(shí)文檔樹,建立知識(shí)文檔樹便于知識(shí)存貯檢索、記憶、聯(lián)系比較、分析歸納和創(chuàng)新。 2 創(chuàng)新鏈和創(chuàng)新樹 科學(xué)研究是接力賽跑,起跑點(diǎn)要在科學(xué)研究的前沿,要把前人的有關(guān)知識(shí)接過(guò)來(lái)。研究生的導(dǎo)師很重要,他把接力賽跑的棒交給你,你就可以在科學(xué)研究的前沿起跑。牛頓說(shuō):“我是站在巨人的肩膀上,所以能看得遠(yuǎn)一些”。這是創(chuàng)新和繼承的關(guān)系。 科學(xué)研究既然是接力賽跑,所以每一項(xiàng)科學(xué)創(chuàng)新都有前因后果。把這些前因后果串聯(lián)起來(lái),就構(gòu)成一條“創(chuàng)新鏈”。創(chuàng)新鏈常有分支,于是構(gòu)成“創(chuàng)新樹”。建立創(chuàng)新樹的方法,可以啟發(fā)你的創(chuàng)新靈感,活躍你的創(chuàng)新思維,特別是在分枝點(diǎn)上,可以思考一下:還有什么新路可走? 3 分類研究法 “分類法”是一種重要的科學(xué)方法?茖W(xué)(Science)原來(lái)的含義就是分科之學(xué)。例(1)動(dòng)植物的宏觀分類法——門,綱,目,類,科,亞科等。例(2)生物的微觀分類法——基因分類法。例(3)萃取機(jī)理的分類。例(4)經(jīng)濟(jì)模式的分類——自由資本主義經(jīng)濟(jì)(如美國(guó)),歐洲資本主義經(jīng)濟(jì),中國(guó)特色社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)等。 世界上的事物是非常復(fù)雜的巨系統(tǒng),要探索這個(gè)巨系統(tǒng),先要把它進(jìn)行分類,才能找到其中的規(guī)律,F(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的大趨勢(shì)之一,是學(xué)科越分越細(xì)。例如1900年是500門學(xué)科,2000年是5000門。100年增加10倍。2100年可能到50000門,2050年到20000門,50年中創(chuàng)建15000門新學(xué)科,我們中國(guó)人至少創(chuàng)建3000門。你們要有創(chuàng)建3000門新學(xué)科的雄心壯志。 4 學(xué)科交叉法 學(xué)科交叉法就是在不同的學(xué)科之間,進(jìn)行“比較”、“類比”和“移植”的研究方法,從而產(chǎn)生新的研究領(lǐng)域或新的學(xué)科。 “比較法”是具有悠久歷史的傳統(tǒng)方法,也是科學(xué)研究中的重要邏輯方法。在語(yǔ)言學(xué)的研究中有一分支,叫做“比較語(yǔ)言學(xué)”,就是用比較的方法來(lái)研究?jī)煞N或多種語(yǔ)言的異同。在生物學(xué)中有“比較生物學(xué)”。學(xué)科交叉的無(wú)人區(qū)是創(chuàng)新的生長(zhǎng)點(diǎn)。 中文有“做學(xué)問(wèn)”一詞,通常翻譯為L(zhǎng)earning,但后者只有學(xué)習(xí)的意思,沒(méi)有問(wèn)的含義。做學(xué)問(wèn)要既學(xué)又問(wèn),學(xué)而不問(wèn)則殆,問(wèn)而不學(xué)則茫。 5 移花接木法 “移花可以接木,雜交可以創(chuàng)新”,這是科學(xué)創(chuàng)新的“移植法”?茖W(xué)可按照它的研究對(duì)象由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的程度分為上、中、下游。數(shù)學(xué)、物理學(xué)是上游,化學(xué)是中游,生物、醫(yī)學(xué)、社會(huì)科學(xué)等是下游。上游科學(xué)研究的對(duì)象比較簡(jiǎn)單,但研究的深度很深。下游科學(xué)的研究對(duì)象比較復(fù)雜,除了用本門科學(xué)的方法以外,如果借用上游科學(xué)的理論和方法,往往可收事半功倍之效。所以“移上游科學(xué)之花,可以接下游科學(xué)之木”。 6 四兩撥千斤法 中國(guó)有句成語(yǔ),叫做“四兩撥千斤”,這就是“力的放大”。例如杠桿、齒輪、千斤頂?shù)龋诎徇\(yùn)東西和機(jī)械工程中被廣泛使用。在科學(xué)研究中,我們要把一種已知的方法盡量推廣拓展到未知的領(lǐng)域,這就是“創(chuàng)新”。 7 逆向思維法 在飛機(jī)的設(shè)計(jì)中,要試驗(yàn)飛機(jī)的外型和材料在高速飛行中與空氣阻力的關(guān)系。這種試驗(yàn)很難在空中飛行時(shí)進(jìn)行。于是創(chuàng)造出“風(fēng)筒”來(lái)模擬飛行。這是一種“反其道而行之”的逆向思維方法,即把飛機(jī)固定,讓高速空氣流向飛機(jī),其效果是一樣的。這就是在空氣動(dòng)力學(xué)和航空技術(shù)研究中常用的“風(fēng)洞”實(shí)驗(yàn)室方法。又如在輪船的設(shè)計(jì)中,可以做一個(gè)縮小的模型,放在一個(gè)縮小的水槽中,用各種流速來(lái)試驗(yàn)船體的阻力。 8 柳暗花明法 在科學(xué)研究中常常會(huì)遇到“山窮水盡疑無(wú)路”時(shí),粗心大意的人很容易放過(guò)這種機(jī)遇。只有具有敏銳眼光和扎實(shí)基礎(chǔ)的科學(xué)家才能抓住它,取得重大的突破。 9 天上人間法 有些物質(zhì)是天文學(xué)家在天上先發(fā)現(xiàn),然后由化學(xué)家把天上之花,移植到地球人間的。 例如1868年天文學(xué)家在觀察日全蝕時(shí),從日珥的光譜中發(fā)現(xiàn)一種未 知原子的譜線,命名這一未知元素為“太陽(yáng)元素(Helium)”。28年后,化學(xué)家才從地球大氣中把He元素氣體分離出來(lái)。 再例如天文學(xué)家用射電天文望遠(yuǎn)鏡研究分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜,發(fā)現(xiàn)了幾十種星際分子,有一類是直線形的HCiN分子;瘜W(xué)家Smally想象宇宙中有閃電C C C C;C,空氣中有氮?dú)夂蜌錃,企圖用激光或電弧作用于石墨,在地球上來(lái)制備這類化合物,卻意外地得到C-60,并獲得諾貝爾獎(jiǎng)。但這類HCiN分子,至今在地球上尚未合成。 10 傻瓜提問(wèn)法 創(chuàng)新的第一步是“提出問(wèn)題”。年輕人好奇提問(wèn)往往是創(chuàng)新的開(kāi)端。好奇性是科學(xué)發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ,所以“好奇性”也是科學(xué)家應(yīng)具備的素質(zhì)之一。 11 大膽假設(shè)、小心求證法 胡適在考古學(xué)研究中提出“大膽假設(shè),小心求證”的科學(xué)方法,我認(rèn)為也可用于自然科學(xué)研究,而且是一個(gè)很重要的科學(xué)創(chuàng)新的方法。如果你不明白為什么,對(duì)老師、專家、權(quán)威都可提出質(zhì)疑,敢于好高騖遠(yuǎn)大膽假設(shè),善于實(shí)事求是,小心求證。對(duì)于你的假設(shè)預(yù)期,要認(rèn)真安排實(shí)驗(yàn)來(lái)小心求證。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不外四種: (1)證明了你的假設(shè),于是進(jìn)一步去尋求新的實(shí)驗(yàn)證明。證明越來(lái)越多,假設(shè)就能發(fā)展成為理論; (2)部分否定了你的假設(shè),于是你可以部分修改你的假設(shè),使之更為完善; (3)全部否定了你的假設(shè),于是你可以根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出新的假設(shè); (4)得到完全意外的結(jié)果。例如從設(shè)計(jì)合成一個(gè)新化合物的失敗,到發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的結(jié)構(gòu)類型。如果你的運(yùn)氣好,可能發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象或新效應(yīng),但必須有敏銳眼光才能抓住它。 所以這四種可能性,在科學(xué)上都有收獲。尤其是第四種,可能有巨大收獲。 12 意外機(jī)遇法 例(1)弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素。 例(2)X射線的發(fā)現(xiàn)。 例(3)宇宙的微波背景輻射。 13 靈感培養(yǎng)法 國(guó)學(xué)大師王國(guó)維在《詞話》中寫到治學(xué)的三個(gè)境界:“獨(dú)上高樓,望盡天涯路”,這是第一境界,是治學(xué)或研究的開(kāi)始,要找到學(xué)科發(fā)展的前沿,作為你科研創(chuàng)新的起點(diǎn)!耙聨u寬終不悔,眾里尋她千百度”,這是第二境界,正是科學(xué)研究的緊張階段,遇到困難,不知如何解決才好!膀嚾换厥祝寥苏跓艋痍@珊處”,這是第三境界,正在山窮水盡的時(shí)候,忽然靈感到來(lái),驀然回首,伊人(這里指你希望得到的結(jié)果,或解決困難的方案和辦法)出來(lái)了,卻在忽明忽暗的燈火闌珊處。 從中可以得到三點(diǎn)啟發(fā):(1)開(kāi)題的重要性;(2)勤奮是成功的關(guān)鍵,如果你夢(mèng)想要做一個(gè)科學(xué)家,那么勤奮學(xué)習(xí)就是實(shí)現(xiàn)你的夢(mèng)想之“舟”。但舟有快如宇航飛機(jī),慢如蝸牛。所以勤奮必須是高效率的勤奮,不要去做“磨擦生熱”的“無(wú)用功”,更不要做“負(fù)功”;3)創(chuàng)新除了勤奮外,還要有一定的“靈感”。當(dāng)你在科研中已“進(jìn)入角色”,“身心投入”后仍然遇到難題,百思不得其解,這時(shí)你可以忘掉它,輕松愉快地去做別的工作,或看電影,或散步,或聽(tīng)音樂(lè),然后好好睡一覺(jué)。睡眠中大腦會(huì)把白天困擾你的問(wèn)題進(jìn)行知識(shí)的反芻、醞釀和陳化的慢波處理,早上一覺(jué)醒來(lái),往往就忽有所悟。 14 虛擬實(shí)驗(yàn)法 現(xiàn)在常用的虛擬現(xiàn)實(shí)法也是“建立模型”的方法之一。提出一個(gè)理論模型,用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí),得到希望得到的結(jié)果。這一方法現(xiàn)已廣泛用于科學(xué)研究和高新技術(shù),例如: (1)虛擬大氣溫度、濕度、氣流的未來(lái)變化,做出近期和中期的天氣預(yù)報(bào); (2)建立模型,虛擬小浪底水庫(kù)放水沖洗黃河的泥沙,提供最優(yōu)化實(shí)際放水時(shí)間和流量等參數(shù); (3)虛擬原子彈爆炸過(guò)程,代替實(shí)際爆炸實(shí)驗(yàn),為原子彈設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ); (4)北京大學(xué)在稀土分離研究中,以串級(jí)萃取理論為模型,用計(jì)算機(jī)模擬“搖漏斗”的實(shí)驗(yàn),獲得稀土工藝設(shè)計(jì)的“一步放大專家系統(tǒng)”,并在全國(guó)推廣應(yīng)用。 15 綜合集成法 系統(tǒng)科學(xué)是從傳統(tǒng)科學(xué)中提出帶有共性的問(wèn)題來(lái)研究,因而產(chǎn)生的科學(xué)。它是最廣泛的交叉學(xué)科。如果把自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、社會(huì)科學(xué)看作科學(xué)分類的經(jīng)線,那么系統(tǒng)科學(xué)就是橫跨自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、社會(huì)科學(xué)的緯線,所以也可稱為橫斷科學(xué)。它包括系統(tǒng)論、控制論、信息論、耗散結(jié)構(gòu)理論、非線性科學(xué)、協(xié)同學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、混沌理論、分形理論、突變論、超循環(huán)論等。下面僅以控制論為例,說(shuō)明它是怎么發(fā)展起來(lái)的。 控制論是把自動(dòng)調(diào)節(jié)、通信工程、計(jì)算機(jī)技術(shù),以及神經(jīng)生理學(xué)和病理學(xué)等學(xué)科,以數(shù)學(xué)為紐帶聯(lián)系在一起而形成的新學(xué)科。它是1948年美國(guó)數(shù)學(xué)家維納創(chuàng)立的,他在二次世界大戰(zhàn)期間,接受了研制防空火力的控制系統(tǒng)的任務(wù),嘗試用機(jī)器來(lái)模擬人腦的功能。他把生命機(jī)體和機(jī)器作比較研究,總結(jié)出自動(dòng)機(jī)應(yīng)具備的一些特點(diǎn)。他的研究還表明,無(wú)論是自動(dòng)機(jī)器,還是神經(jīng)系統(tǒng)、生物系統(tǒng),以至經(jīng)濟(jì)、社會(huì)系統(tǒng),反饋都對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。他總結(jié)了這些思想,在1948年出版了《控制論》一書,把控制論定義為“關(guān)于機(jī)器和生物的通訊和控制的科學(xué)”。錢學(xué)森1954年在美國(guó)出版的《工程控制論》一書,是這個(gè)學(xué)科的奠基性著作。同年艾什比發(fā)表《大腦設(shè)計(jì)》,建立了“生物控制論”。 16 接近于“無(wú)中生有”的原始大創(chuàng)新 量子力學(xué)和相對(duì)論是突破當(dāng)時(shí)牛頓經(jīng)典力學(xué)的理論和傳統(tǒng)概念,提出全新思維和理論的創(chuàng)新。但即使這樣重大的原始創(chuàng)新,也不是完全“無(wú)中生有”,而是有跡可尋的。 以量子力學(xué)為例,實(shí)現(xiàn)這一類創(chuàng)新的第一步是“提出科學(xué)問(wèn)題”。正確敏銳地提出科學(xué)問(wèn)題,本身就是重大的創(chuàng)新。 第二步是要有敏銳的直覺(jué)和靈感,提出一些前所未有的新概念,并重新審視舊理論中的概念。 第三步是要建立新理論的基本方程。既然微觀粒子與光子一樣具有波粒二象性,它們的基本運(yùn)動(dòng)方程也應(yīng)相似。薛定鄂把光的Maxwell電磁波方程與德布羅意關(guān)系式結(jié)合起來(lái),得到量子力學(xué)的基本方程,即著名的薛定鄂方程。 第四步是要有深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),從基本方程推導(dǎo)出可以由實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)的結(jié)果。 第五步,一個(gè)新理論的基本方程建立以后,還要回過(guò)頭來(lái)看看這個(gè)理論體系是建筑在哪些基本假設(shè)的基礎(chǔ)之上的;炯僭O(shè)的要求是:物理概念要明確,表述要簡(jiǎn)潔,它的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)要鞏固,條數(shù)要愈少愈好。這樣才能建立簡(jiǎn)潔優(yōu)美的理論體系。 ——轉(zhuǎn)載自《文匯報(bào)》(wenhui.news365.com.cn)2009年4月16日,本刊作了修改。 *徐光憲,著名化學(xué)家,中國(guó)科學(xué)院院士。現(xiàn)任北京大學(xué)化學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師。 徐光憲長(zhǎng)期從事物理化學(xué)和無(wú)機(jī)化學(xué)的教學(xué)和研究,涉及量子化學(xué)、化學(xué)鍵理論、配位化學(xué)、萃取化學(xué)、核燃料化學(xué)和稀土科學(xué)等領(lǐng)域。通過(guò)總結(jié)大量文獻(xiàn)資料,提出普適性更廣的(nxcπ)格式和原子共價(jià)的新概念及其量子化學(xué)定義,根據(jù)分子結(jié)構(gòu)式便可推測(cè)金屬有機(jī)化合物和原子簇化合物的穩(wěn)定性。建立了適用于研究稀土元素的量子化學(xué)計(jì)算方法和無(wú)機(jī)共軛分子的化學(xué)鍵理論。合成了具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的一系列四核稀土雙氧絡(luò)合物。 2009年1月9日,胡錦濤等黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人在人民大會(huì)堂給徐光憲、王忠誠(chéng)兩位院士授予了2008年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。 |
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