自然科学概要

袁聿军

目录

  • 1 第一单元  生命的起源与进化
    • 1.1 生命起源的教学视频
    • 1.2 第1课时   生命的起源
    • 1.3 生命的进化教学视频
    • 1.4 第2课时  生命的进化
  • 2 第二单元  生命活动的基础
    • 2.1 生命活动的物质基础教学视频
    • 2.2 第1课时  生命活动的物质基础
    • 2.3 生命的物质基础测试
    • 2.4 生命活动的结构基础教学视频
    • 2.5 第2课时  生命活动的结构基础
    • 2.6 生命活动的结构基础测试
  • 3 第三单元 植物的形态结构与功能
    • 3.1 本单元导学
    • 3.2 植物组织与营养器官教学视频
    • 3.3 植物组织与营养器官
    • 3.4 植物的组织与营养器官测试
    • 3.5 植物的繁殖器官教学视频
    • 3.6 植物的繁殖器官
    • 3.7 植物的繁殖器官在线测试
  • 4 第四单元 动物的形态结构与功能
    • 4.1 本章导学
    • 4.2 动物的组织教学视频
    • 4.3 动物的组织
    • 4.4 动物的器官与系统教学视频
    • 4.5 动物的器官与系统
    • 4.6 动物的繁殖与个体发育教学视频
    • 4.7 动物的繁殖与个体发育
    • 4.8 动物的形态结构与功能在线测试
  • 5 第五单元  生物的多样性
    • 5.1 生物分类基础知识教学视频
    • 5.2 第1课时 生物多样性基础知识
    • 5.3 生物的基础知识测试
    • 5.4 生物分类代表的教学视频
    • 5.5 第2课时 生物的分类代表
    • 5.6 生物分类代表测试
  • 6 第六单元  生命的延续——遗传与变异
    • 6.1 本单元导学
    • 6.2 生殖细胞的形成教学视频
    • 6.3 第1课时  生殖细胞的形成
    • 6.4 生殖细胞的形成测试
    • 6.5 生物的遗传与变异教学视频
    • 6.6 第2课时  生物的遗传与变异
    • 6.7 生物的遗传与变异测试
    • 6.8 生命的遗传信息
  • 7 第七单元  生命与环境
    • 7.1 本单元导学
    • 7.2 生态因子教学视频
    • 7.3 生态因子
    • 7.4 种群和群落
    • 7.5 生态系统的概念、成分及结构教学视频
    • 7.6 生态系统的概念、成分及结构
    • 7.7 生态系统的功能生教学视频
    • 7.8 生态系统的功能
    • 7.9 生命与环境在线测试
  • 8 第八单元  生物技术改变人类生活
    • 8.1 本单元导学
    • 8.2 现代生物技术教学视频
    • 8.3 现代生物技术
    • 8.4 现代生物技术在线测试
  • 9 拓展与延伸
    • 9.1 本单元导学
    • 9.2 拓展与延伸一:血型与遗传教学视频
    • 9.3 拓展与延伸一: 血型与遗传
    • 9.4 拓展与延伸二: 动物的行为教学视频
    • 9.5 拓展与延伸二 :动物的行为
  • 10 实验
    • 10.1 实验一、普通光学显微镜的使用
    • 10.2 实验二、质壁分离与洋葱表皮细胞装片的制作
    • 10.3 实验三 、果肉细胞观察与细胞后含物的观察
  • 11 自然科学研究综述
    • 11.1 科学、技术与社会
    • 11.2 科学素养、技术素养与科技教育
    • 11.3 西方科技发展历程
    • 11.4 中国科技发展历程
    • 11.5 现代科技发展及其成就
    • 11.6 现代自然科学研究思想
    • 11.7 现代自然科学研究方法
    • 11.8 科学精神
科学精神

16世纪以来,先后发生了深刻改变人们宇宙观、方法论的两次科学革命。从此,科学便成为人类文明进步的一面旗帜,科学精神成为一切社会生活中的精神导引。

要给科学精神下一个十分准确而完整的定义、对科学精神的内涵做出精确的解释和说明是一件困难的事情,因为科学本身就是难以定义的。

像人们可以把广义的科学定义为一种累积的知识体系、研究方法、生产力要素或者社会建制一样,广义的科学精神可以从多个视觉、多个层次来考察

对广义科学精神的经典描述来自于默顿,他提出了四条基本规范,即普遍性(Universalism)、共有性(Communalism)、无偏见性(Disinterestedness)、合理的怀疑性(Organized Skepticism)。

普遍性是指科学独立于种族、肤色、信仰和国家共有性是指科学知识为公共知识,研究结果必须公开,科学家可以自由地进行交流信息无偏见性是指科学必须是客观的,不受个人或团体利益、意识形态操纵合理的怀疑是指科学不承认绝对的权威和永恒的真理,科学家可以对科学进行自由的质疑和批判。

后来,齐曼又加上原创性(Originality)作为科学研究的基本规范。原创性意味着科学研究必须是创新的,一项不能对现有知识提供新内容的科学研究对科学就没有任何贡献。齐曼把五项基本规范的英文大写第一个字母合在一起简称为CUDOS,以方便记忆。

狭义的科学精神是指在自然科学的科学研究活动中应该遵守的思维方式、行为准则、价值取向。如科学理论的形成、技术发明的创造和工程技术的应用过程中人们应该遵守的思维方式、行为准则、价值取向,也就是说狭义的科学精神可以称为科学研究精神。以下论述的是狭义的科学精神,同时这里所说的科学方法和科学思维也特指科学研究活动中科学家应该和必须具备的方法和思维模式。科学方法是科学精神的核心部分。

一、科学精神的基本内涵

1.非科学与科学之间存在着不可逾越的界限,但科学假说与科学理论之间不存在不可逾越的界限、因此需要把科学与非科学科学假说与科学理论区分开来。科学精神拒绝的是不具备经验证据基础的、超自然的非科学,而不是带有探索性质的科学假说,因此对待非科学应当严格,对待科学假说应该宽容。

2.科学理论的形成要经历不同的过程,不同的过程对科学家的思维有不同的要求,因此必须把发现的非理性思维辩护的非理性思维分开来有的哲学家简单地把科学活动分为发现证明(辩护)两部分】。科学精神不拒绝个别科学家某个阶段思维的突发奇想,如鼓励科学家依靠好奇心、直觉等提出原创性问题。科学精神拒绝的是科学家在假说检验与评价过程的非理性。

3.科学理论需要的经验证据必须是有效的、因此既要保证通过自身观测和实验的经验证据是真实可靠的,也要保证采用的权威证据的来源是真实可靠的。科学精神要求科学家在收集证据时严格按照科学规范进行,不仅不能伪造、任意修改经验证据,也要防止因疏忽造成的经验证据失真。

4.一个科学理论的形成需要较长和复杂的检验过程,任何科学家不能借助任何非科学的手段(比如媒体、广告、权威人物等)自我或者立即宣称一个科学假说为一个科学理论,这就要求科学家不管为自己的假说辩护还是反驳他人的假说时都要有开放的心态、等待验证的耐心和平等的权利,也就是说科学精神要求科学家坚毅执着但不固执己见。

5.在现代大科学时期,一个科学家往往只能完成一个步骤甚至只是一个步骤的一部分,因此科学研究活动提倡合作交流的团队精神,在这个团队中以多种形式(紧密的或松散的、实质的或者虚拟的)尽可能地集合起完成各个步骤所需要的科学家,这样才能尽快地完成科学理论形成的全过程。

量子力学的发展

量子力学是逐步发现和形成的。1909年,德国人普朗克首先提出光量子论1905年,德国人爱因斯坦用光量子论解释了光电现象1913年丹麦人玻尔提出电子轨道的量子化,用它解释了原子结构和原子光谱1916年、德国人索末菲改进了玻尔模型,计算了电子的椭圆轨道1923年法国人德布罗意提出电子也是一种波动。1925年,德国人海森堡引进矩阵作为力学量,德国人玻恩、约尔丹和海森堡建立起量子矩阵力学体系1926年,德国人薛定谔提出量子波动力学,证明波动力学和矩阵力学等价,同年玻恩提出了波函数的统计解释1927年,德国人约尔丹和英国人狄拉克证明了普遍的变换定理,海森堡提出测不准关系,玻尔提出互补原理量子力学理论的构建就完成了,并迅速成功地应用于原子、分子和固体结构的研究。

量子力学发展的速度虽然很快,却是在激烈的学术争论中展开的。薛定谔提出薛定谔之猫的悖论和爱因斯坦与波多尔斯基和罗森提出 EPR佯谬,长期不同意海森堡的理论和玻恩的统计解释。爱因斯坦甚至终身都不认为量子力学是一个完备的理论而是致力于寻找一种具有确定性的统一理论。贝尔提出了贝尔不等式,证明了 EPR的基本原理与量子理论不相容。量子力学的解释与爱因斯坦的诘难究竟谁对谁错只有等待实践去检验。

二、什么是科学精神

(一)科学精神是怀疑精神

科学的态度首先就是怀疑,它要求人们凡事都要问一个为什么,追问它究竟有什么根据,打破砂锅问到底,而决不轻易相信。科学史上传闻,牛顿看见苹果坠地这件很平常的事,这件事却引起他的疑问苹果为什么会坠地呢经过长期的艰苦探索,终于发现万有引力定律。所以,著名的科学方法论学者波普尔说正是怀疑、问题激发我们去学习、去发展知识、去实践、去观察。在这个意义上可以说,科学的历史就是通过怀疑提出问题并解答问题的历史。

应该指明,科学的怀疑精神,绝不是否定一切。怀疑的目的在于一是要从熟悉的现象进入未知的领域。这是科学史上常有的事,如苹果坠地导致万有引力定律的发现沸腾的水把壶盖提升导致蒸汽机的发明。二是去伪存真,把原来不正确的东西逐步纠正过来。如原子模型从汤姆孙模型到卢瑟福模型,再到波尔模型,认识由不正确到正确,由不完善到完善。

辩证唯物主义正是总结了科学认识史,认为科学的怀疑精神,决不可与否定一切的绝对怀疑论等同。绝对的怀疑论由于否定一切,什么都不相信,从而导致不可知论和诡辩,陷入主观主义科学的怀疑精神则是辩证的否定,它不是否定一切,而是通过否定得到肯定的东西。因而科学的怀疑精神虽然也认为,一切知识都是相对的,都值得怀疑,但它不是主观的相对主义,而是客观的相对主义,即它不是在否定客观真理的意义上,而是在我们的知识向客观真理接近的界限,受历史条件制约的意义上,承认我们一切知识的相对性(列宁)。

一部科学史就是科学通过它的怀疑精神,不断前进的历史如果对什么事情都轻信盲从,如轻信盲从所谓的世界末日之类的荒诞不经之说,那就根本谈不上科学精神。

(二)科学精神是求真精神

科学研究的目的是求真,是获得客观的、真实的知识,用哲学的语言来说就是追求真理。什么是真理? 真理是人的认识与客观实际相符合。

1.在求真问题上,首先必须承认两个前提

1)认识对象是客观存在的。对自然科学来说,它的认识对象是自然界,伟大的科学家爱因斯坦强调指出,自然界是在我们之外的一个巨大的世界,这个世界离开我们人类而独立存在。他说,从思想上掌握这个在个人之外的、客观存在的世界,是科学的一个最高目标。同这个唯物主义观点相对立的有神论观点则认为,人们认识的对象是虚无缥缈的上帝,或无所不能的神,或其他形形色色虚幻的影像。

2)认识对象是可知的。爱因斯坦说相信世界在本质上是有秩序的和可认识的这一信念,是一切科学工作的基础。用哲学的语言来说这叫可知论。正如恩格斯所说,在科学和以科学为基础的工业的发展过程中,既然我们能够根据有机化学原理,按照它的条件,用便宜得多、简单得多的方法从煤焦油里提炼出茜素来,并使它为我们的目的服务,从而证明我们对这一过程的认识是正确的,那不可捉摸的、不可知的自在之物就完结了。

2.求真必须有科学的方法

科学的方法主要有两个一个是理性的逻辑演绎方法,一个是经验的实验归纳方法。这两个方法实际上就是两个认识过程前一个方法是从一般到特殊,后一个方法是从特殊到一般。人类的认识总是这样循环往复地进行的,而每一次循环(只要是严格地按照科学的方法)都可能使人类的认识提高一步,使人类的认识不断地深化。

在科学与迷信长期斗争的过程中,同求真精神相对立的一个手法,是虚构根本不存在的认识对象,如神、鬼之类,让人们去顶礼膜拜。这种违反科学求真精神的做法必然要弄虚作假。另一个手法是借用科学的名词,用纯粹思维的方法去杜撰所谓的理论,诱导人们脱离现实去闭门幽居、冥思苦练。殊不知,科学理论只有通过科学的方法(由特殊到一般与由一般到特殊)才能产生,正如毛泽东说的,真正的理论在世界上只有一种,就是从客观实际抽出来,又在客观实际中得到了证明的理论”。如果不是从客观实际(特殊)上升到理论(一般),最后又从理论回到客观实际中去检验,那就不能称之为科学。脱离客观实际,靠纯粹思维,丝毫不能给我们任何关于客观实在的知识,正是由于伽利略看到了这一点,尤其是由于他向科学界孜孜不倦地教导了这一点,他才成为近代物理学之父——事实上也成为整个近代科学之父(爱因斯坦)

(三)科学精神是人文精神

科学是人类在认识世界、改造世界的过程中、形成与发展起来的一种系统的、有组织的、特殊的活动。在当代,科学已经成为人类文明的主流,它广泛地渗透到政治、经济、法律、文化领域之中。这是因为、科学归根结底是和人类的切身利益和长远利益息息相关的,因而,近代科学从培根的知识就是力量开始,人文精神就成为它固有的精神。

马克思站在社会发展史的高度指出,科学是一种在历史上起推动作用的、革命的力量。针对当时蓬蓬勃勃地进行的工业化运动,他指出,作为19世纪特征的伟大事实是,产生了以往人类历史上任何一个时代都不能想象的工业和科学的力量,它大大改变了世界的面貌。

爱因斯坦说得更具体,他认为,如果没有科学、人民群众就不会有像样的家庭生活,不会有铁路和无线电,不会有防治传染病的办法,不会有廉价书籍,不会有文化,不会有艺术的普遍享受,也就不会有把人从生产生活必需品的苦役中解放出来的机器。

一切蛊惑人心的歪理邪说,打着科学的旗号,实际上却干着反人民、反社会、昧良心的肮脏勾当它们用所谓天国”“圆满之类的神话,企图把人们引人歧途,脱离活生生的、蓬勃进行的、伟大的社会主义事业、这同科学的人文精神是根本对立的,是反科学的。

(四)科学精神是创新精神

创新是科学的生命,没有创新,就没有科学、没有创新,科学将停滞不前强调创新当然应注意到,创新和继承是分不开的。一方面,没有创新,科学便成为万古不变的教条,成为让人逐字逐句背诵的经典。另一方面,如果没有刻苦认真地学习、继承前人的工作,就不可能有所发现,有所发明,有所创新,科学史上这样的例子难道还少吗相对论、量子力学、现代综合进化论等现代科学的伟大成就,不就是在继承前人成果的基础上产生与发展起来的吗

其次,创新要真正成为科学的成果,载入科学的史册,必须具备两个条件一是逻辑论证二是实验检验。

没有第一个条件,便是单凭经验、非常蔑视思维的经验主义。恩格斯在《神灵世界中的自然科学》(I878年)中早就指出,那位鼎鼎大名的英国唯物主义哲学家、现代实验科学的始祖培根,曾经渴望应用他的新的经验归纳法来首先达到延年益寿,某种程度上的返老还童,改容换貌,脱胎换骨,创造新种,呼风唤雨。这种不相信一切思维的最肤浅的经验论,是从自然科学到神秘主义的最可靠的道路。

没有第二个条件,便是单凭思维、非常蔑视经验的唯理主义。哲学史上的代表是笛卡尔。他把思维理性摆在首要地位,贬低和抹杀感性知觉在认识中的作用,这是唯理论的认识论。和它相反,辩证唯物论的认识论认为,人的正确思想只能从社会实践中来,一切思想都是对社会实践经验加以概括与总结的结果它们是否正确,还必须回到社会实践中去检验。一般说来,成功了的就是正确的,失败了的就是错误的。爱因斯坦在谈到物理学理论时,明确指出,纯粹的逻辑思维不能给我们任何关于自然界的知识一切自然科学理论,都是从经验开始,又终结于经验。所以,他认为观察与实验事实毫无疑问是科学理论真伪性的最高裁决者。一切自命为拥有绝对真理、法力无边的至高至善者,都是对科学的创新精神的嘲弄