第三章科研方法的思维方式第一节典型科研方法探索自然科学的奥秘是一项艰苦而又光荣的事业，既没有现成的答案可循，亦无平坦的大路可走，它需要研究者以坚定的信念、顽强的意志和不懈的努力去探索和追求;同时，也要有正确的科研方法做指导才能有效地进行。
方法问题是科研工作中的一个重要问题，事关科研工作的成效。正如古人云:得其法事半功倍，不得其法则事倍功半。科研方法是历代科学工作者集体智慧的结晶，是从事科学研究及技术发明的有效工具。
一、科研方法的层次
1.哲学方法这是最根本的思维方法，是研究各类方法的理论基础和指导思想，对一切科学(包括自然科学、社会科学和思维科学)具有最普遍的指导意义，是研究方法体系的最高境地。与哲学方法密切相关的逻辑方法，是加工科学研究材料、论证科学问题等普遍适用于各门学科的具体思维工具。
2.一般方法一般方法是特殊方法的归纳与综合，它以哲学方法为指导，对各门学科研究具有较普遍的指导意义，也是连接哲学方法与特殊方法之间的纽带和桥梁。
3.特殊方法特殊方法是适用于某个领域、某类自然科学或社会科学的专门研究方法，是构建研究方法体系大厦的基础。由于各门学科具有自身的研究对象和特点，因此其研究方法也就各有不同。
二、典型的科研方法在科研工作中，以下八种方法具有一定的代表性和覆盖面。
(一)观察方法
1.1观察的类型及作用观察是指人们通过自身感官或借助于科学仪器有计划、有目的地感知客观对象，以获取科学事实的一种认识活动。
科学始于观察，观察为科研积累最初的原始资料。捕捉信息，是思维探索和理论抽象的事实基础，也是科学发现和技术发明的重要手段。科学观察是一种有明确目的并且是要获得问题答案的观察，该过程有时需要长期且反复多次才能完成。
与实验活动不同的是，科学观察最基本的特征是它不干预、不控制自然对象，而是使对象处于自然状态下去考察对象。而科学实验则强调在对研究对象有计划有目的地加以干预或控制下进行考察。观察方法虽然不具有实验方法那种能够变革和控制研究对象的优点，但却具有比实验方法更为广泛的应用领域。除了在实验中必须应用观察方法之外，在其他领域中观察方法也得到了广泛的使用。
观察方法在科研中的基本任务是获取科学事实，即通过各种方式把观察对象的各种特性反映到观察者的头脑中来，并用语言、文字或图像等方式把它描述出来，从而形成观察材料。观察材料是我们获得的第一手原始资料，在科研中构成了科学进一步发展的基础，是科学知识的起点。
科学观察具有不同的类型。按观察的方式来看，观察有如下类型:
1.肉眼观察这是一种使用得最早也最普遍的观察方式。观察者凭借自己的感官直接从外界获取材料。古代时，由于生产力水平低下，人们认识自然、获取经验知识的主要途径和方法就是这种建立在肉眼基础上的直接观察。近代以后虽然随着仪器使用，这种观察的重要性有所下降，但是，许多情况下人们认识自然还主要是依靠肉眼观察。这种观察方式的优点是方便实用，随时随地都可进行，可以免除仪器的误差，且不需经济投人，在许多情况下能满足人们的需要。但是这种方式也有其局限性，主要表现在感官受到一定的生理局限，只能接受一定范围内的自然信息。例如，人的眼晴只能看到一定范围内的波长，看不见紫外线、红外线、X射线等;的耳朵不能听到超声波，只能听到音频范围内的20-20KHz振动的声波;鼻的嗅觉和舌的味觉的灵敏度，也都有一定的局限。这种局限性使人们在观察中不能进行精确的测量，难以及时而准确地记录客观的自然现象，给人们搜集自然现象带来了许多困难。
2.仪器观察仪器观察也叫间接观察，是人们借助科学仪器或其他技术手段间接地从外界获取感性材料的一种观察方法。观察仪器是观察中用来考察和描述观察对象的各类科学仪器和工具的总称，是观察者和观察对象相互作用的中间环节，在观察中起着代替或加强人的感官的作用，是人的感官的延长。观察仪器比肉眼观察具有更大的优势。它可以克服人的感官在生理阀值上的局限性，扩大感觉的范围;可以克服人的感官不够精确的生理局限，为人们提供精密的测量标准。借助观测仪器，可以精确地测定对象的数量特征。另外，观察仪器还可以克服人的感官在反应速度上的生理局限性，为人们提供准确的测量和记录的手段。人的感官在两个神经刺激之间的反应周期一般是1/50秒，所有进行得比这更快的过程，感官无法把握。只有借助于仪器测量并记录下来，才能准确地把握它。观察仪器还能帮助人们消除由感官造成的某些错觉，使观测的结果更为客观。
随着科学的发展，科学手段的进步，大大扩大了人们的观察范围，提高了人们的观察能力。望远镜、显微镜、加速器、探测器、人造卫星和其他科学仪器，在观察自然中的作用，是人的感官望尘莫及的。在天文观察中，仪器把人们的眼界扩大到遥远的河外星系。用光学望远镜可以看到距地球30亿光年的天体，用射电望远镜可以观测到100亿光年以上的天体。对微小物体的观察，人的肉眼不能分辨小于0.1厘米以下的物体，而显微镜可以把微小的物体放大几百倍、几千倍甚至百万倍以上，大大提高了人们的观测能力。
当然，仪器观察也有其局限性:它不如肉眼观察那样直观、方便。对许多学科来说，直接观察中获取生动具体的观察资料是十分重要的，是间接观察不能完全取代的。另外，仪器观察不够方便，而且需要资金投入。运用仪器观察也会导致错误的观察结果，这是因为设计观察仪器的假说不正确或不严密，就必然导致观察结果错误和不精确。由于技术方面的因素在制造或操作观察仪器时所造成的误差，也可能导致错误的观测结果。运用观察仪器还可能干扰观察对象。在微观领域的观察申，由于存在宏观的仪器与微观粒子之间的不可避免的相互作用，要排除这种干扰几乎是不可能的。
3.质的观察质的观察一般来说是把重点放在考察自然现象的性质、特征方面，也就是我们常说的定性观察。它广泛应用于动物分类学、植物分类学、矿物学、地理学、古生物学以及农学、医学等学科中。就科研的程序来讲，质的观察是一种最基本的方法。我们只有首先对研究对象有一个定性的了解，然后才能迸一步深人到事物的量，研究客观事物的本质及其规律。它是我们认识事物的第一步。但是认识如果仅停留在对事物进行质的观察还是不够的，因为这种观察显得较为粗糙肤浅。随着科学研究进一步深人，必须进入对事物进行量的观察。
4.量的观察量的观察就是我们常说的观测或测量，它是对研究对象所进行的一种定量的观测和描述。自然界的各种物质运动形态总是质和量的统一，因此，科学研究不仅要有定性的观测和描述，而且更需要有定量的观测和描述。只有从数量关系上测定和把握自然现象，才能使科学认识更加客观化、精细化、准确化，才能深刻认识事物的本质。因此，定量观察是科研当中的基本方法之一。
量的观察广泛应用于天文、生物、物理以及工程技术领域。天文学中确定天体的位置、大小、运行轨道，生物学中研究植物的生长，对光、温度、土质、肥料、水分、湿度的分析，都离不开定量观察。随着科技发展，测量手段的进一步精确化，人们对自然现象的观察更加客观化、精确化、准确化。
科学观察在科学研究中的作用:
第一，通过对自然界进行长期周密系统的观察，可以收集新资料，发现新事实。它是科学认识的重要源泉之一。因为科学发展的基础是占有丰富而又切合实际的事实材料，而观察的任务也恰恰是为科技发展准备材料，因此，科学观察成为科学认识发展的基础和源泉。正如爱因斯坦指出的:"理论之所以能够成立，其根据就在于它同大量的单个观察关联着"。例如，天文学家开普勒之所以能够总结概括出行星运动三定律，正是由于第谷·布拉赫进行了长达21年的天文观测，积累了大量的观测资料，为开普勒天体运行三定律的提出奠定了基础。如果没有科学的观察，缺乏科学事实，也就不可能获得理性认识。
第一定律:所有的行星轨道为椭圆形,以太阳为焦点；第二定律:如果我们将太阳到行星之间连接一条线,这条线在单位时间扫过的面积是常数.第三定律:行星运动的周期(T)和行星与太阳的距离(R)有直接的关系.T2/R3=常数第二，科学观察可以直接导致科学发现或发明，为科学发展开辟道路。因为自然界的现象给我们提供了许多自然信息，抓住这些信息可以导致科学的发现或发明。例如，19世纪中，当许多医生面对暴虐的天花病束手无策时，一位在乡村行医的英国医生詹纳观察到，挤牛奶的姑娘在挤牛奶时，由于感染了牛痘，不再感染天花，由此经过进一步研究，他发明了免疫接种法，为医学的发展作出了贡献。
(牛痘苗用以预防天花病毒引起的烈性传染病-天花的一种有效疫苗。是由英国医生詹纳于18世纪末发明的。由牛痘病毒制备而成。牛痘病毒是一种可引起牛产生轻微牛痘病灶的病霉。人若感染该病毒，只会产生轻微不适，并产生抗牛痘病毒的抵抗力。由于牛痘病毒与引起人类天花病的天花病毒具有相同抗原性质，人接种牛痘苗后，也可以同时获得抗天花病毒的免疫力。牛痘苗安全、可靠，接种后不会引起人与人之间的传播，一经问世，很快便在全世界广泛使用。直至今日，种牛痘仍被认为是预防天化的最好方法。牛痘苗的发明，使人类免受天花的灾难，1979年世界卫生组织郑重宣市“天花在地球上绝迹”。这是人类对传染病预防进行人工免疫的最优秀的范例。)
第三，科学观察是检验认识真理性的重要手段。科学理论正确与否，在许多情况下可以用科学观察来检验。通过科学观察证明理论符合实际，这种理论就是正确的，否则就是不正确的。也就是说，科学观察是检验科学认识的重要手段。如爱因斯坦1915年提出广义相对论，而1919年爱丁顿通过日蚀观测证实了广义相对论的推论，证明了爱因斯坦这一理论的正确性。
由此可见，科学观察是科学研究的一个基本环节，在科学研究中具有重要作用。
5.观察实验中的机遇
1）机遇及其在科学发现中的作用科研活动是一种有目的、有计划的活动，在许多情况下，其最后的结果在事前可以作出预测。但是科研活动又是一种探索性的活动，它不可能预先把一切进程囊括无遗，总会不时遇到意外。在科学观察和科学实验过程中，人们往往会由于某个偶然的机会，出乎意料地发现一些新的自然现象，并由此导致科学技术和科学理论的新突破。这种在科学实践中由于意外的事件导致科学上的新发现(或技术上的新发明)，被称为机遇。
(1)机遇的特点机遇最主要的特点是它的意外性。按照产生机遇的意外程度，我们把机遇大体上分为两种类型。一种情况是完全意外的机遇，即本来是要寻找对象A，却意外地发现了完全不同的重要现象B。例如19世纪，许多化学家都在探索利用纤维素作原料来合成其他巨型分子，1896年的一天，正在从事这一工作的瑞士化学家雄班，在厨房里做实验时，偶然弄洒了一瓶硫酸与硝酸的混合物，他立即抓住棉布围裙去擦污迹，然后又把它放在炉子上烘烤，不料围裙"嗓"的一声着了起来，烧得干干净净，而且没有发生浓烟。雄班马上意识到这种化合物的威力，并给它取名叫“火药棉”（又叫硝化纤维素)。威力巨大又无蓝烟的烈性炸药就此诞生了。这一发明为爆破技术的发展提供了物质基础。另一种情况是部分意外的机遇。科研中寻找的目标是明确的，但发现的场合和方式都是非常意外的。例如1823年，有人发明在两层布中间夹一层橡胶而制成雨衣，但是它有个缺点:在热天，橡胶发粘;在冬天，又变得很硬，不适用。如何克服这种缺点?美国科学家古特义曾长期进行实验和研究，但一直没有头绪。1839年的一天，他在实验中不小心把橡胶和硫磺的混合物掉落在热得烫手的炉子上，当他赶快从炉子上把它刮下来时，出乎意料地发现:这种经过加热的混合物，尽管很热，但不粘了，冷却后也硬不了。他凭着科学工作者的敏感，把这种东西再放在炉子上加热和冷却，经过多次同样的实验，所得结果都一样，从而作出结论:在橡胶中加入适量的硫磺，不因加热而变粘，也不因冷却而变硬，不但柔软而且富有弹性。至此，加工橡胶的硫化技术被发明了，极大地提高了橡胶的使用价值。
(2)机遇的作用机遇在科学技术的发展中，起着重要的作用。
机遇是自然科学理论发展的先导例如，人类可以认识距地球150亿光年的天体，这有赖于射电天文学。而射电天文学的建立，与机遇的先导作用有关。1931年，美国贝尔电话实验室一位年轻的无线电工程师詹斯基在研究越过大西洋的电话通讯的静电干扰时，偶然发现一种微而又十分稳定的噪声，这引起了他的注意。经过进一步研究他断定这种干扰是来自外层空间的射电波引起的。到了1933年，詹斯基确定这种射电波来自银河系，尤其是来自人马座的方向。经过进一步的努力，一门利用接收天体发出的无线电波来认识天体的科学射电天文学诞生。后来，为了纪念詹斯基，人们用"詹斯基"这个单位来量度射点发射的强度。
机遇为技术发明提供线索在技术发明中，由于偶然的事件，会启发人们的思维，提供新的线索，从而促进技术上的发明。
贝尔在22岁时应聘担任美国波士顿大学语言学教授，他为了帮助聋哑人克服不能说话的困难，开始研究一种"可视语言"，设想在纸上复制出人的语言声波，以便使聋哑人能从波形曲线中看出话来。由于识别波形曲线很不容易，使其设想无法实现。但是他在实验中却意外地发现，当电流导通和截止时，线圈会发出噪声，这引起他用电流传送语言的大胆设想。从此他开始专门从事这一方面的研究。在电气技师沃森的通力合作下，经过几年的反复实验，终于在1875年制成了世界上第一台实用电话机。
机遇成为科学技术发展的新的生长点由于机遇出人意料，其中透露了自然界的新信息，通过认真研究，会产生出科学和技术方面的新的生长点。如枷伐尼、奥斯特和法拉第等人的偶然发现，开辟了电磁学研究的新领域;伦琴和贝克莱尔等人的偶然发现，揭开了近代物理学革命的序幕;柏琴和古特义等人的偶然发现，产生了人工合成染料和硫化橡胶的新技术;弗莱明的偶然发现，开创了抗菌素生产的新技术。
总之，自然科学中的机遇，常常给人以启迪，把科研工作引向深人。因此，正确地认识机遇，有效捕捉机遇就显得十分重要。
2）怎样捕捉机遇在科学研究中，机遇只起提供机会的作用，它本身并不是科研的结果和科学成果的获得。只有紧紧抓住机遇提供的线索，才会有所收获。怎样才能捕捉机遇呢?
第一，要有敏锐的洞察力和准确的判断能力这样就可以透过现象抓住本质，从别人不注意的现象中作出不平常的发现，从偶然中发现必然。例如，1928年9月，弗莱明正在培养和研究毒性很大的葡萄球菌时，偶然发现有些原来在培养液中生长得很好的葡萄球菌消失了，经检查发现培养液受到了灰尘的污染。这种现象并不罕见，许多细菌学家都屡见不鲜，并不在意。但弗莱明却敏锐地洞察到这一现象的意义，他抓住这一重要线索进一步研究，发现杀死葡萄球菌的乃是和灰尘一起掉进培养液中的青霉菌，从而发现了一种新的广谱抗生素青霉素。在弗莱明这一发现公之于世后，好几个人都回忆起，在弗莱明发现这一现象前，他们就曾注意到霉菌抑制葡萄球菌的现象。例如，斯科特说他就见过这种现象，但是仅仅感到讨厌而已，因此，他不同意片面强调弗莱明的发现是得力于机遇的观点，而认为主要是弗莱明具有敏锐的判断力，能够抓住别人放过的机会，才导致青霉素的发现。
科学史上，英国化学家普列斯特利由于受到"燃素说"的束缚，在进行氧化汞加热实验时，分解出一种"能助燃的新气体"氧气，却没有作出这就是氧气的判断，而拉瓦锡则大胆地破除了"燃素说。的束缚，进一步提出了燃烧的氧化学说。
第二，要有丰富的科学知识和研究经验纵观科学发展史，每一次科学上的发现，都多少具有机遇的成分。但是从没看到一个没有科学知识和研究经验的人，能抓住来到面前的机遇进而作出科学的发现。相反，只有那些有丰富科学知识和较高研究能力的人，才能及时抓住科学的机遇作出科学上的发明和发现。知识和经验越丰富，捕捉到机遇作出重大成绩的机会就越大。17世纪初，荷兰有个磨眼镜的徒工里泼斯用一前一后两个透镜观看各种东西消遣，他意外地发现让两个镜片离开一定距离，远处的东西看起来就像在他眼前一样。他无意中发明了世界上第一个望远镜。但由于他不具有科学的知识，并不了解这种发明的意义。枷利略听到这一消息，凭着自己的广博知识，马上意识到这一发明的天文学意义。他很快研制了能放大32倍的望远镜，并用它观察星空，发现了许多从没见到过的科学事实，有力地支持了哥白尼的太阳中心说，推动了天文学的发展。
第三，留意意外之事，是捕捉机遇的重要条件由于机遇的出现是意外的，有时又是与某种偶然性联系在一起的，容易被人忽略或末加注意而失去机会。1826年，法国化学家巴拉尔在进行从海藻中提取碘的实验中，意外地发现提取后的母液底部总沉着一层深褐色且具有刺鼻臭味的液体。巴拉尔对此意外之事特别留心，立即进行深人的研究，从而发现了一种新的化学元素嗅。李比希也做过这样的实验，碰到过意外现象。但他末加深人研究，就认定这种深褐色的液体是卤化碘，并在瓶上贴了一张"卤化碘"的标签。巴拉尔公布其发现后，李比希深感后悔，将那张"卤化碘"的标签揭下来挂在自己的床头，作为教训。这告诉我们，对意外之事十分留心是抓住机遇的必要条件。
1.2科学观察的方法论原则
1.坚持观察的客观性坚持观察的客观性是唯物主义的基本原则，也是科学观察应该坚持的第一个原则。也就是说，在科学观察中，要实事求是，客观事物是什么就是什么，既不能夸大，也不能缩小，更不能臆测，避免主观片面性。所谓观察中的主观随意性，就是在观察时，从主观愿望、以往的经验、假设的条条框框和自己的偏见出发去观察对象。这样就会对于与自己想法不一致的事物视而不见，犯先人为主的错误。如近代有些生物学家用神秘的"生命活力"来解释生物，他们看到了生物进化的事实也不承认。又如爱迪生由于自己搞直流电，形成了一种偏见，就对交流电的效率视而不见等等。那么，如何保证观察的客观性呢?这里需要解决以下几个方面的问题:
第一，科学观察要求实验结果可以重演。实验中的某种情况或事件如果被多个观察者重复检验，通常可以保证其客观性。一个实验被复核重演的次数越多，也就越显示其客观性。相反，不可重复的观察和实验结果，其客观性就会受到人们的怀疑。如1959年，美国物理学家韦伯曾宣称，他的实验装置已直接收到了从银河系一天体发出的引力辐射，直接验证了爱因斯坦关于引力波的预言。但是他的实验结果在全世界其他实验室未能被重复，因而不能被承认。
第二，科学观察应尽量使用先进的仪器和设备。自然界的大量信息和感性材料是直接通过人的感官反映到大脑中来的。由于人的感官有一定的局限性，给人们接受自然界的信息带来许多困难。如人的眼晴只能接收自然界一定范围内的信息，眼晴看不见紫外线，耳朵听不见超声波，感官的灵敏度不固定，不能进行准确的测量，对于一些自然现象难以进行及时准确的记录。各种仪器设备的使用，弥补了感官的不足，如望远镜、显微镜、空间探测器，成为人们的"千里眼"、"顺风耳"，而空间技术、遥感技术、计算机技术等新技术的使用，扩大了科学观察的视野，避免了某种主观性。
第三，认真进行观察设计。为了保证观察的客观性，排除"先人为主"的影响，人们应尽量设计能避免主观因素干扰的观察方法。例如，医学中使用的双盲法，就是不让病人知道自己吃什么药，也不让直接观察病人的医生知道哪个病人吃什么药（但上一级医生知道)，以消除药效对比中心理因素的作用。
第四，科学工作者要有严谨的实事求是的学风，要尊重客观实际，全面地、不懈地坚持长期观察，要细心、留心、用心，努力防止片面性。恒星天文学的先驱赫歇尔，用望远镜进行了数千次观测，共数了十多万颗恒星，然后采用统计的方法，才于1785年得到天文学史上第一个建立在观测基础上的银河系结构图。但是由于观察在自然发生条件下进行，不能控制和变革研究对象，往往不能多次重复观测，因而不能更加能动地暴露和获取深层次的自然信息，深刻完整地反映研究对象的整个面貌。恩格斯说:单凭观察所得经验，是决不能证明必要性的。因此，需要实验方法去补充观察方法。
总之，科学工作者在科学观察中应做到老老实实、恭恭敬敬，如实反映情况，而不能从主观愿望出发，预设观察结果。
(史蒂芬·霍金曾经说过，当某个定义成为常识之后，它离被推翻也就不远了。天文学无疑是最经常拿常识开玩笑的学科之一。不用追溯到亚里士多德或托勒密的行星学说那么遥远，单看最近一百年里关于行星、恒星、星系和星云定义的翻云覆雨，就足以为霍金的话佐证。在最新一期《新科学人》杂志上，澳大利亚和美国天文学家组成的研究小组又开始向已经有50年历史的经典银河系天体结构图发起了挑战。
1755年，康德在一篇论文中提出了自己的猜测:银河系可能是由数目巨大的恒星组成的一个不停旋转的盘子状的天体，使其保持旋转的引力与太阳系中各星体问的引力是相似的，只是在尺度上有大小之分。
1785华，赫歇尔第一个开始通过仔细测量夜空中恒星的数目描述银河的精确形状，但直到20世纪初，荷兰天文学家雅可布·克普泰因才给出了第一张银河系的天体结构图。根据克普泰因的计算，银河系是一个直径为4万光年的大圆盘，太阳距离银河系的中心约2000光年。由于缺乏对星际吸收-可见光会被恒星间的灰尘和气体所削弱-的认识，克普泰因的银河系天体结构图平面数据是相当不准确的。在他去世后不久，其他天文学家就对他的结构图进行了大刀阔斧的修正。大约在上个世纪三四十年代，随着观测技术的进步，我们日前所熟悉的银河系天体结构图逐渐成型。)
2.坚持观察的全面性坚持观察的全面性，要求在观察中尽可能地观察科学对象的各个方面、各种因素、各种关系和各种规定，力求获得丰富而又完善的科学事实，客观地反映事物的全貌。只有这样才能为我们把握事物的本质打下坚实的基础。这也是马克思主义的本质要求。
之所以坚持观察的全面性，是因为客观事物是很复杂的，在事物的现象中常常存在着假象。虽然它也是客观存在着的一种现象，但它歪曲地表现了事物的本质。如，我们日常见到的太阳东升西落(太阳绕地球运动)，筷子在水里的弯曲，光在水中折射造成的畸形等。如果不能全面地把握，被某种观察中的假象所迷惑，或者把科学理论建立在这种假象的基础上，那是非常危险的。全面地观察，尽可能从多方面把握自然现象，有助于透过现象把握事物的本质，为把握事物的规律提供坚实的基础。
3.坚持观察的系统性坚持观察的系统性，是科学发展的需要。科学研究应该建立在客观、全面、尽可能系统的材料之上，而不应该建立在主观、片面、零碎的材料之上。坚持观察的系统性，就是要对客体进行多层次、多角度、持续反复的观察，系统、连续、完整地获取科学事实。因此科学观察不应随意中断。例如，我国气候地理学家竺可桢数十年如一日地观察物侯变化，从青年时代起，就不间断地、周密地观察、记录并研究自然界的有关现象。他每天起来第一件事就是测量包括气温、气压、风向、湿度在内的气象要素，一直坚持到逝世的前一天。每年，他都要仔细记录北京北海公园的冰冻和融化、植物始花、燕子归来、布谷鸟初鸣等物候现象的日期，从不间断。这些科学资料，成为他研究物侯学的重要根据。他在晚年发表的《物候学》是一本坚持系统观察几十年的研究成果的专著。又如被达尔文誉为"举世无双的观察家"的法国昆虫学家法布尔，用毕生精力对昆虫世界进行观察。他为了观察雄谢蚕如何向雌娥"求偶"的过程，竟用了三年时间。当他的观察正要取得结果时，不巧，雌蚕娥"新娘"被一只螳螂给吃掉了。但是，法布尔并不泄气，从头再来，又用了大约三年的时间进行观察，终于获得了完整的、准确的材料。他根据自己几十年观察所积累的大量资料，终于发现了昆虫生活、发育、繁殖等方面的规律，写出了10卷本的巨著《昆虫记》。
4.坚持观察的辩证性科学观察不是一种简单的行为，而是一种辩证的过程。这表现在科学观察中要注意观察的条件性。在对观察对象的选择中，既要坚持普遍性，又要注意典型性，既要注意预计的结果，也要注意偶然的发现。
要注意观察事件的条件性。因为任何观察总是在一定条件下、一定范围内进行的，不同的观察条件、不同的时间、地点，观察结果是不一样的，因此观察中应注意观察的条件，实行因时、因地制宜。例如，考察我国农业自然资源地面分布状况，就应该区分不同的地区:东部与西部、南方与北方、高原与平原。这是因为它们的条件是不同的。条件不同，会有不同的结果。因此不能把一定条件下的观察结果任意外推，那样就违反了"因时、因地制宜"的原则。
要选择典型对象作为观察对象。因为自然现象是错综复杂，不可能穷尽。为了达到对某一自然对象进行科学观察的目的，可以通过简化自然现象，把无关要紧的不变因素尽可能减少。我们不可能对研究范围内的所有事物进行观察，但是，个性之中有共性，我们可以选择有典型性和代表性的事物作为我们的观察对象。这样，可以集中精力对它进行仔细的观察，以发现事物的共同本质和发展变化的规律。在生物学上，奥地利的生物学家孟德尔在进行杂交实验时，曾选择豌豆作为典型对象进行观察，从而提出了遗传因子的科学假说，说明生物遗传是有一定规律的。美国的遗传学家摩尔根选择果蝇为科学观察和实验的典型对象，发现了遗传基因，都是其中著名的例子。另外，要选择典型的观察环境。为了克服环境条件给观察造成的障碍，选择较为理想的观察环境是极为重要的。天文、气象以及宇宙射线等方面的观测台站的建立，首先就要考虑地址的选择问豌，必要时还要放出携带仪器的气球到高空进行观察。
(从维也纳大学回到布鲁恩不久，盂德尔就开始了长达8年的豌豆实验。孟德尔首先从许多种子商那里，弄来了34个品种的豌豆，从中挑选出22个品种用于实验。它们都具有某种可以相互区分的稳定性状，例如高茎或矮茎、圆料或皱科、灰色种皮或白色种度等。孟德尔通过人工培植这些豌豆，对不同代的豌豆的性状和数目进行细致入微的观察、计数和分析。运用这样的实验方法需要极大的耐心和严谨的态度。他酷爱自己的研究丁作，经常向前来参观的客人指着豌豆十分自豪地说:"这些都是我的儿女1"8个寒暑的辛勤劳作，盂德尔发现了生物遗传的基本规律，并得到了相应的数学关系式。人们分别称他的发现为孟德尔第一定律"-对遗传因子在杂合状态下并不相互影响，而在配子形成中又按原样分配到配子中去和“孟德尔第二定律”—指两对或两对以上的基因在配子形成过程中的分配彼此独立。)
要注意观察中的随机事件。观察是一种有目的有计划的活动，其活动受到必然性的制约。但是观察过程中也常常会碰到一些预料不到的情况，而其中一些偶然事件会导致科学的新发现。这就要求我们在观察中一定要注意科学观察申的随机性，及时捕捉那些"逸出常规"的特殊现象，不放过可贵的机遇。因而，在科学观察中，我们一定要遵循观察的基本原则和要求，只有这样才能获得十分丰富而又符合实际的科学事实，才能揭示事物的本质和规律。
1.3科学观察与理论的关系培根以来的传统经验论者认为，我们的知识来源于感觉经验或感性材料，而科学理论则是在归纳这些观察材料基础上形成的。所以，科学开始于观察。而波普尔、汉森、库恩等人则否认有纯粹中性的观察存在，明确提出"观察渗透理论"。从科学的实际进程来看，后一种观点是合理的。如何理解"观察渗透理论"呢?
第一，在观察的感性活动中有理性的东西渗人其中。例如，观察什么?怎样观察?为什么观察?就是理性问题。至于观察的目的性、计划性、组织性以及对观察结果的分析处理等更是理性思维的问题。
第二，观察不仅是接收信息的过程，同时也是加工信息的过程。对信息的挑选和加工，与人的知识背景密切相关。
第三，"观察渗透理论"还在于观察陈述是用科学语言表述的，而科学语言总与特定的科学理论联系着，当使用语言时，理论的框架也就提出来了。如当用波长为7000埃这个术语表示红光时，就暗含着光谱、波长、光学测量仪、实数集……等一系列概念所构成的理论框架。进行科学观察的人正是带着这类理论框架去进行观察的。
科学理论在观察中起重要作用:
第一，对科学观察起导向作用，引导观察者有选择地接收外界信息。如达尔文受到赖尔地质进化思想影响，观察了大量的生物进化现象，经过整理以后，形成了他的生物进化论。
第二，对外界信息起"加工改造"作用。从外界获得的信息需要进行认真分析、加工改造，才能形成科学的理论。能否形成理论，受主体的因素的制约，其科学理论素养如何，起至关重要的作用。
第三，对观察结果作出科学的解释。观察中，个人所看见的只是他所懂的东西。由于个人的修养不同，他们从观察对象中所获得的信息量也是不一样的。不同的科学理论修养，可能会对观察结果作出不同的解释;如果缺乏理论指导，科学观察就会陷入盲目性，有时虽然观察到新的科学事实，也得不出正确的结论。比如著名科学家约里奥·居里已经发现了一种穿透能力很强的不带电的粒子，但他却没有意识到这就是卢瑟福早就预言的中子(他并不知道卢瑟福这一思想)，而认为这是枷玛射线。他的实验结果公布之后，年轻的物理学家查德威克重复做出了同样的结果，查德威克认识到这就是卢瑟福早就预言过的申子，由此，他获得了诺贝尔物理学奖。
这里应该指出的是，渗透在观察中的理论，主要是经过实践检验的理论，它反映着客观世界的规律性。
观察与理论的密切联系说明，观察虽属感性活动，但却为理性所支配，这就是科学观察为什么是一种才能和艺术的道理之所在。
（二）实验方法
2.1实验方法及其特点
1.实验方法及其优点实验方法是人们根据一定的科学研究目的，运用一定的物质手段(仪器和设备)，在人为控制或变革客观事物的条件下获得科学事实的方法。作为社会实践的一种特殊形式，它有着同生产实践相似的结构。科学实验的基本要素有三个：
实验者。实验者是从事实验设计、操作和数据处理等工作的人员，是实验的主体。实验者素质、技能的高低，对实验水平有重大影响。
实验手段。是把实验者的作用传递到实验对象中去的各种实验仪器和工具，是实验者与实验对象之间的中介，是人的器官的延长。实验手段是实验水平的重要标志，是实验成败的关键性环节。
实验对象。实验活动所指向的对象，实验的基本要素之一，实验中要认识的客体。上述三个要素是一切实验活动都必须具备的，反映了这种实践活动的共性。
实验方法优于一般的观察方法。它克服了自然观察或直接观察的局限性，大大强化了人们获取感性材料的主动性。与一般的观察方法比较，它有下面一些优点:
（1）更大地发挥人的主观能动性一般意义上，纯粹的观察行为不干预自然的发展，显得比较被动。有些自然现象如日蚀、地震、刮风、下雨等等，可以从自然界中直接观察到。但有些自然现象，人们无法直接观察，如放射性现象等等。由于观察受到自然条件的限制，使我们无法弄清许多自然现象的来龙去脉，不能认识事物的本质及其规律。实验方法可以突破自然条件的限制，人为地干预自然，控制研究对象，自觉地、主动地变革自然。也就是说，实验方法可以比观察方法更大地发挥人们的积极性。在实验中人们可以使用仪器设备观察到自然条件下看不到的东西，在实验中可以制造一些极端条件，使对象的一些在自然条件下不能显露的性质显露出来。
（2）实验能证明客观必要性恩格斯说:“单凭观察所得的经验，是决不能充分证明必然性的。”比如，子女像自己的父母，这是人们早就观察到的现象，但是为什么像父母，这其中的因果关系是观察不到的。在生物发展过程中，人们经过大量的生物实验，揭示了生物的"遗传密码"的存在，才真正说明了其中的因果联系。因为一切生物，无一不含有核酸—生物传种接代的基本物质。每个生物都把各自的遗传密码传给下一代，下一代就按照这个密码生长发育，因而，子女像父母的必然性得到说明。
（3）实验具有创造性观察可以为科研搜集大量的资料，但它只能去搜集自然现象所提供的东西。实验可以主动地从自然现象中索取人们所需要的东西，满足人们的需要。在生物学实验中，人们可以把生物遗传基因核酸分子提取出来，在生物体外进行切割，安装在特定载体上，输送到受体细胞中，把不同生物的遗传特性重新组合起来，就可以创造出一种新物种。
可见在科研中，科学实验具有更大的优越性。
2.科学实验的作用实验方法具有以下作用:
（1）实验方法可以简化和纯化研究对象自然界中的现象十分复杂，事物及现象之间以及事物内部诸要素之间存在着错综复杂的联系。在这种情况下，要想把握事物的本质和规律，靠经验观察是不行的。实验可以通过仪器、设备等手段，根据研究的目的要求，在严格控制的实验条件下，把自然过程加以简化和纯化，排除各种偶然因素、次要因素和外界的干扰，使研究对象的某些属性或联系以纯粹的形态表现出来。如关于摩擦生热的实验：英国科学家戴维在1709年把实验仪器保持在水的冰点，排除了实验物品和周围环境的热交换，在真空的实验器物里，用一架钟表的机件使两块冰相互摩擦，结果两块冰都融化了，从而证明了由于摩擦的作用而使冰块融化成水，证明了冰融化所需要的热来源于摩擦，有力地否定了当时占统治地位的"热素说"。
1956年，美籍华裔物理学家吴健雄所做的在弱相互作用下宇称不守恒的实验也是通过简化和纯化自然现象的办法来实现的。她用钴-60来做实验，可是在常温下钴一60本身的热运动和自旋方向是杂乱无章的，因而无法进行实验。吴健雄把钴-60冷却到0.01K，使钴核的热运动停下来，方使实验得到顺利进行，从而排除了钴核的热运动这一因素的干扰，使钴原子核在衰变中上下不对称的现象显示出来，证实了弱相互作用下宇称不守恒的假设。
（简单说，宇称就是一种空间的左右对称。在物理学中，这种“对称性”就是指物理规律在某种变化下的不变性。例如，在实验室做某一实验，你无论是今天做还是明天做，无论是今年做，还是10年以后做，只要实验条件没有改变，所得的实验结果都应是一样的。同样，同一个物理实验，你无论放到哪一个实验室去做，都应该得出一样的实验结果。总之，时间和空间的变化，不会改变物理规律的形式和结果。
以上的这种在牛顿力学中一直成立的物理定律，到讨论“量子力学”后，便引入了“宇称守恒”的观念。宇称守恒定律是说，物理定律在最深的层次上，不分左右，即左边和右边是守恒的。宇称守恒定律原本是物理学界一致相信的原理之一，这已是历史的定论。
1956年之前，吴健雄已因在β衰变方面所作过的细致精密又多种多样的实验工作而为核物理学界所熟知。1956年李政道、杨振宁提出在β衰变过程中宇称可能不守恒之后，吴健雄立即领导她的小组进行了一个实验，在极低温（0.01K）下用强磁场把钴-60原子核自旋方向极化（即使自旋几乎都在同一方向），而观察钴-60原子核β衰变放出的电子的出射方向。他们发现绝大多数电子的出射方向都和钴-60原子核的自旋方向相反。就是说，钴-60原子核的自旋方向和它的β衰变的电子出射方向形成左手螺旋，而不形成右手螺旋。但如果宇称守恒，则必须左右对称，左右手螺旋两种机会相等。因此，这个实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。由此，在个物理学界产生了极为深远的影响。）
（2）实验可以强化自然现象有些事物在常态下不易暴露其特殊性质和规律;只有在一些极端的情况下，这些特殊的性质和规律才能显现。在科学实验中，人们可以造成在自然条件下无法出现的特殊条件，使研究对象处于某种定向强化的极端状态，以获取通常不易得到或不能得到的新事实(新性质)。如造成静态气压高达200万一300万的大气压，动态气压高达100万大气压的超高压，接近绝对零度的超低温，几十亿分之一大气压的超高真空，以及能量高达几千亿电子伏特的高能加速器等条件，在这样极端的条件下，可以发现事物的许多新性质。例如，在超高压的作用下，不但使分子之间、原子之间的自由空间被压缩变小了，而且当超高压达到一定程度，电子壳层也发生了巨大的变化，甚至把电子压进到原子核里面去，则变成了超固态，这将引起物质的物理性质和化学性质显著地变化，或者变成自然界中尚未发现的新物质。
（3）实验条件下可以再现自然现象对于事过境迁，规模巨大的自然现象，可以创造特定的条件，使自然过程在实验中再现出来。如在实验室中模拟几亿年以前地球上的物理状态，再现地球的起源和演化过程。中科院大气物理研究所进行的大气环流模拟实验，可以将由地面垂直向上几万米的整个大气层的运动，在实验室里再现出来。大气环流模拟的转台，三小时就能模拟一年的气候变化。此外，由于实验室具有规模小、周期短、花钱少等优点，因而可以多次重复进行，以获得可靠的实验材料。
（4）通过人的有效控制，可以加速或延缓自然过程自然界的现象有的过程十分缓慢，有的过程又过于短暂，给科学研究带来了不便，不是难以把握，失去研究机会，就是旷日持久，大大延长研究周期。使用观察法对以上问题就束手无策。通过科学实验，通过人为的控制，不仅可以延缓自然过程，还可加速自然过程，还能延续瞬时出现的自然过程，就像电影的高速摄影技术一样，使人能捕捉到候忽即逝的自然现象。如美国科学家米勒曾在1953年在实验室中进行地球原始大气及闪电模拟实验，经过一周的实验，在实验条件下形成了地球上几十亿年前出现的构成蛋白质的氨基酸，还合成了某些蛋白质、脱氧核糖核酸等生物大分子。这反映了实验方法与观察方法不同的特点和优点。
除此之外，实验方法还是一种经济可靠的认识自然和变革自然的方法。人类对自然界的认识和实践过程是一种探索性的活动。它可能要经历曲折复杂的过程，经过多次失败才能成功。实验相对于生产实践而言，规模较小，周期较短，费用较少，即使失败，损失也较小。实验对环境及人身安全的影响也比生产活动易于控制，因此表现出经济可靠的优点。
由于实验具有上述特点和优点，使得自然科学有可能凭借实验室中的优越条件，超越生产实践的某些局限性，走在生产实践的前面，直接推动各门自然科学理论的研究，而科学实验也成为一个相对独立的社会实践领域。当今在这个领域申，既有专职的实验研究人员，也有专用的实验手段和装备，并形成了一系列专门的实验技术和方法。实验手段和装备以及实验技术和方法的进步，都会大大推进科学的发展。目前，拥有大型实验装备的国家级的中心实验室已在基础科研中占据重要地位。我国于20世纪80年代末期也在北京建成了正负电子对撞机国家实验室，成为我国基础科学研究的基地，对我国基础科学研究具有重大的推动作用。
3.2实验的类型和程序
1)实验的类型随着科学的发展，实验手段越来越强，实验水平越来越高，实验种类越来越多;在不同的学科和不同的实验目的下，所需要进行的实验也是多种多样的。但是，归纳起来，一般常见的有以下几种:
（1）定性实验这种实验的目的是判定实验对象具有哪些性质，测定某些因素是否存在，测定某些因素间是否具有某种关系，测定某些物质的定性组成，探讨对象的内部结构等。例如，关于伦琴射线的波动本性，最初被一些著名的科学家所否认，而晶体的空间点阵假说，除少数对晶体学感兴趣的物理学家以外，多数人也采取了相反的观点。但是1912年，弗里德里希和克尼平根据劳厄的预言，从实验上证明了伦琴射线通过晶体的空间点阵时所引起的干涉现象，这种实验对于伦琴射线的波动本性和晶体中原子的周期性排列，提供了决定性的证据。再比如，科学家迈克尔逊和莫雷1887年进行的判定以太是否存在的实验，根据实验设计，如果以太存在，在实验中应能观察到干涉条纹的移动，虽然实验达到了很高的精度但都未观察到干涉条纹的移动。实验的"零结果"否定了以太风的存在，否定了绝对运动，也证实了光速不变。可以看出，科学研究中，一些判决性实验可以判决一个假说或理论的生死。但是还要说明的是，有时定性实验所作出的某种判定只有相对的意义。如人们对光的本性的认识存在牛顿的"物质微粒说"和惠更斯的"弹性波动说"的对立，从这两种学说中可以推论出两种结论:物质微粒只能具有直线传播的特性，而不能有干涉和衍射现象发生。如果是一种波动，那么除了直线传播外，还应具有涉和衍射现象这些波动的基本特点。后来，托马斯·杨和京菲涅)的干涉实验结果，的确观察到了光的干涉条纹，实验宣告了牛顿微粒说的死刑，从而肯定了光的波动说。而后来科学的发展发现，光的本性并不是像惠更斯所认为的那样是弹性波，而是一种电磁波，而且光不仅具有波动性还具有粒子性。这说明，定性实验(判决实验)不可能一劳永逸地完全证实整个假说的理论内容。虽然有时就假说的局部验证而言，某一个别的实验能够起到决定性的作用，但是，个别的孤立的实验活动，还不足以验证整个假说的真理性。
（以太是古希腊哲学家所设想的一种物质，是一种曾被假想的电磁波的传播物质，以太无所不在，没有质量，绝对静止，按照当时的猜想，以太充满整个宇宙，电磁波可以在其中传播。假如太阳静止在以太系中，由于地球绕太阳转动，相对于以太有一个速度v，因此如在地球上测量光速，在不同方向上测得的数值应该是不相同的最大为c+v，最小为c-v，如果太阳在以太系上不是静止的，地球上测量不同方向的光速，也应该有所不同。1881-1884年为测量地球和以太的相对速度，进行了著名的迈克尔逊-莫雷试验，试验结果显示，不同方向上的光速没有差异，这就证明了光速不变原理，也进而判定以太并不存在。）
（2）定量实验这种实验用以测定某个对象的数值，或求出某些因素间的经验公式、经验定律以及揭示各个因素之间的数量关系。如卡文迪许测定引力常数的实验，菲索测定光速的实验，汤姆生测定电子荷质比的实验，就是这样的例子。
定量实验是在定性基础上认识的深化，定量测定只有加以数学化，才能说明对问题的认识已经深化。
（3）析因实验这是一种已知结果去分析、寻找未知原因的实验。因为因果关系是客观世界中普遍存在的现象，任何一种事物必有其产生的原因，也必然会引起一定的结果，世界上没有无果之因，也没有无因之果，因而从已知的结果去寻找事物的真正原因，是科学认识的重要方法。析因实验就是这一思想的实际应用。在进行析因实验中，通常都是固定其他可能的影响因素，而改变其中的一个因素，依次进行实验，然后进行分析对比。比较著名的例子如法国微生物学家巴斯德用肉汤作灭菌实验，找出空气中的微生物进入培养液并大量繁殖是导致食物腐败的原因;法国细菌学家尼科尔通过病人人院洗澡并换去带虱衣服的实验，找出体虱是斑疹伤寒的媒介原因，因此而获得了1928年的诺贝尔奖。进行析因实验，重要的是要进行周密的调查研究，尽可能掌握影响已知结果的各种原因，不放过任何微小的可疑线索。
（4）对照实验也叫比较实验。通过对照和比较的实验方法，揭示研究对象的某种性质或某种原因。科学研究中，特别是在生物学的研究活动中，往往通过对照实验来验证某些假说。这种实验有两个或两个以上的相似组群:一个是对照组，作为比较的标准;另一个是实验组，实验中人们通过某种实验步骤，判定实验组是否具有某种性质或影响。例如，人们早已观察到植物具有向光生长的特点，但光线作用于什么部位而使它向光生长呢?达尔文运用对照实验的方法，首先揭开了这一自然秘密。他选用两组植物做实验，将一组植物不作任何处理，任其自然发展，作为对照组;用金箔做成不透光的小帽子套在另一组植物的生长锥上，使这组植物在侧光下生长，作为实验组。实验结果发现，对照组植物表现出向光生长现象，而经过处理的实验组植物则没有这种现象。对照实验的结果判定:光线作用于植物的生长锥而使它向光生长。
对照实验的一个基本要求，是对照组和实验组的条件要尽可能一致。如果条件不一致，就无法找出实验对象的特征。如果以晕船药试于船员，而以船客为对照，双方的条件就不一样。船员已习惯于航行，不吃药也可能不晕船。因此，这种实验结果是不成功的。另外，人们的主观偏爱倾向也是对照实验的大忌。比如在两种实验中进行“甲”和“乙”的良种对比，实验者原来喜欢后者，在实验申就可能会在“乙”的管理上更细心一点，这样的实验结果当然就不可靠。
（5）模拟实验在科学研究中，难免要受主观、客观条件的限制，例如，自然过程中有时"事过境迁"，如地球上生命起源和进化，有的范围广大，各种因素交织在一起，有些工程、建筑不允许直接试验等等。当某些研究对象难以甚至无法进行直接的观察和实验时，人们常常借助于间接的手段进行实验研究，以获得关于对象的信息。这种方法在实验中被称为模拟实验方法。
有关模拟实验的讨论见后。
当然，从不同角度来划分，实验还可以区分出其他形式，如中间实验、结构分析实验等等。而且随着生产实践和科学实验的进一步发展，以及研究领域的扩大，实验方法的种类还在不断增加，但以上几种形式是最常见的。
2）科学实验的程序和原则具体的科学实验活动会有不同，但大体应包括以下程序:
第一，实验目标的制定。实验目标依赖于研究课题，科研课题一旦确定，就大体上确定了实验目标。在这个过程中，要确定实验的目的，明确实验要解决的问题。根据先行的理论分析和数值推导确定待测的量或预期现象。
第二，实验方案设计。不论是验证假说还是探索新规律，都必须有一个实验方案，这就要进行实验设计。其目的在于对将要进行的工作有一个初步的考虑，并以此明确具体实施办法。如果文献中能找到现成的方案或方法，则应该用心消化它的要点和特点;如果没有，则需自行设计，这也往往需要参考别人的设计。完全独创的实验设计是应大力提倡的，但设计者要做周密的、认真的思考。在设计时，首先要根据对象的属性确定对象的控制变量。对那些不可控制的变量分为确定的和未知的两类，并尽量设法减少不可控制变量的干扰。其次，确定参量的测定方法。测定数值可分为相对测量与绝对测量。再次，要选择适当的试样。
第三，实验实施。包括实验仪器的研制、安装、操作和实验数据的记。实验仪器的精密度、操作上的粗心或疏忽、观测上的错误、实验数据记录不完全或不准确等，都会严重影响实验效果。
第四，实验数据的处理。也就是通过对实验结果的分析整理，确定所获得的科学事实。现代实验大多涉及用各种信号显示出来的大量数据，只有通过各种技术手段才能使之转化成一目了然的实验资料。实验中还不可避免地会出现种种误差，必须使用理论思维和数学工具的处理，才能作出准确的判断。通过技术处理有助于揭示事物的本质。
第五，对实验结果的评价和分析整理。为了挖掘出实验结中的深刻含义，获得科学中的新发现，必须对实验结果进行分析、评价。
为了比较客观地评价一个实验的结果，实验人员首先必须正确地认识自己使用的技术方法的局限性和各种方法所能达到的精度。对于有条件限制的实验结果的适用范围，必须有客观的估计，不应该过分地信任，下结论时也必须十分小心谨慎。这除了要求实验者有实事求是的态度以外，有可能的话，最好用某种客观的尺度来评定自己的实验结果。其次，保障客观地评价实验结果的另一个方法，就是运用统计学的方法，通过大量的反复的实验，从中区分本质的东西和现象的东西。最后对于实验结果的分析整理，是一个去粗取精、去伪存真的加工制作过程，因此，对于数据的处理，应取审慎态度。在做完实验，并把实践结果进行整理和评价以后，就应该将实验结果与已知的经验或理论知识联系起来，加以解释。但是，正确地解释实验结果往往并不是很容易的，甚至会出现很多谬误。有时一个人做过一个实验，取得了某种观察事实，其意义并不为当事者所理解，甚至要过一段时间后才由其他人作出合理的说明，这说明正确的解释也是不容易的。例如1859年普吕克尔从实验上发现了一种射线，但不知它是什么东西。1869年希托夫发现了这种射线能被磁场偏转。1871年瓦尔莱发现了它们带有负电荷，1879年哥耳德斯坦把这种射线称为"阴极射线".1883年，赫兹根据一系列实验把阴极射线错误地认为是纵波辐射。直到1895年，人们才放弃了赫兹的解释，并根据阴极射线在磁场中的偏转和荷质比的测量，最后把它合理地解释为电子射线流。
为了保证实验结果是正确的，还应遵守以下原则:
一是确定误差范围，区别系统误差和偶然误差，把误差限制在可允许的范围内，使之具有可比性，以便于对实验数据的科学价值作出正确的判断。
二是实验结果应具有可重复性。只有在同样的条件下，必然出现的结果才是可靠的，才能为大家接受。
三是要进行必要的对照实验，使对实验结果的解释具有确定性。
3)实验对理论研究的依赖关系实验的发展与科学理论的发展以及整个科学的进步具有非常密切的关系。科学以实验为基础，在实验基础上检验理论、发展理论;另一方面，整个实验过程又离不开科学理论，科学理论对科学实验具有重要的指导作用:
第一，科学理论对科学实验的导向作用。在正确的理论指导下，人们可以有目的地在实验中大胆地探索，并且往往能获得预期的探索结果。如从物理学的观点来看，1945年第一颗原子弹的爆炸，是人类所做的前所未有的最大的科学实验。这次爆炸之所以能够实现，
从科学实验的角度来看，完全是在当时已经比较成熟的物理学理论指导下大胆预言的结果。再比如，天文学上的海王星和冥王的发现，是科学家们根据引力定律，从理论上计算出来之后由天文学家们发现的。
第二，科学理论对实验题目的选择具有指导作用。当代的科学实验都是在科学理论指导下的科学实验，盲目的实验是没有的。科学理论为科学研究提供了一定的理论背景和支持。只有在科学理论指导下、人们才能选择有意义的并能实现的课题。如著名实验物理学家吴健雄，在杨振宁、李政道提出的弱相互作用下宇称不守恒的理论指导下，设计用钻-60做实验证明了在弱相互作用下宇称不守恒的假说。又如，当牛顿提出万有引力定律之后，根据这一理论，地球应该是椭球形而不应该是正球型，根据这一思想，英法两国各派出一个测量队，去测定地球的扁率，最后的观测表明，地球确是椭球形，证明了牛顿力学是正确的。
第三，实验的构思、设计要以理论为基础。实验对理论的依赖，要求实验构思设计必须依据一定的科学原理。一般说来，实验的构思设计要以两个原理为基础:一个是实验所要探索的原理和设想，另一个是实验主体仪器本身所应用的科学原理。建立在科学原理基础之上的、巧妙的实验构思被称为实验发展史上的佳话。麦克尔逊和莫雷通过巧妙的构思，用光干涉效应来测量沿着不同方向发出的光线的速度之差，实验得到的却是零结果，由此否定了以太假说。
第四，对实验结果分析和解释，做出正确的结论，是科学实验的必要环节。这一过程需要科学理论的指导。历史上也有过这样的教训:英国著名科学家普里斯特利通过科学实验，制造出了氧，这本是一个重要的科学发现，但是由于他深受"燃素说w的影响，并没有认识到这是一个新元素，而是错误地认定它就是一种新燃素，失去了科学发现的机会。这说明科学理论在科学实验中起着重要的作用，科学实验依赖于科学理论。
（三）模拟实验
3.1模拟实验的特点及其作用前已指出，模拟实验方法是指人们根据研究对象(原型)的本质特征，人为地建立或选择一种与之相似的模型，然后在模型上进行实验研究，并将实验结果类推到原型中去，以揭示研究对象的本质和规律的一种研究方法。模拟方法有以下特点:一是在模拟实验中，参与模拟实验过程的，不是研究对象本身，而是与研究对象相似的模型。它既是替代原型的实验对象，又是研究对象的实验手段。二是这一方法是以客观事物之间的相似性为客观基础，以模型和原型某些方面的相似为前提，运用类比推理的方法，将对模型实验研究的结果类推到原型中去。类比推理是模拟方法的基础，作为模型应满足以下条件:
第一，模型与原型之间必须有相似关系或相似条件。
第二，能够用模型代替原型进行研究。
第三，从对模型的研究中可以得到原型的信息。
模拟方法由于其间接性的特征，在科学研究中发挥着越来越大的作用。其作用如下：
1.模拟方法扩大了科学技术研究的观察实验领域。在科研中有一些无法对之进行直接实验的问题，必须借助于模拟实验才能克服时间和空间上的限制了对之进行间接研究。比如人们借助于模拟方法对以往的自然现象进行的实验研究。1953年米勒所进行的关于地球上生命起源的模拟实验，把发生于数十亿年前的生命起源的漫长过程，仅用几天时间就再现于小小的玻璃容器之中，为研究生命的起源开辟了一条新路。运用模拟方法，可以将自然现象放大或缩小，或使自然现象在短时间内重复出现，以便于观察研究。如我国科学院大气物理研究所进行的大气环流模拟实验，可以将由地面垂直向上儿万米的整个大气层的运动，在实验室里再现出来。大气环流模型的转台，每半分钟左右转一圈，就能模拟一天的气候变化，三个多小时就能模拟一年的气候变化。
2.模拟方法可以提高科研工作的效率，减少人力物力的消耗。有些现象，运用直接实验会造成较大的消耗，为了节约成本，也可以选择模拟实验。比如，第二次世界大战期间，德国火箭专家在研究V-2火箭的过程中，由于当时还不能进行地面模拟实验，便花费了大量人力物力财力，经过上千次的发射试验才取得成功。而美国登月飞船所用的土星火箭，绝大多数项目都是在地面仿真实验室中进行的，从设计到研究成功，仅仅作了10次试射。现在，人们运用电子模拟计算机，可以构成飞机或宇宙飞船的驾驶训练器、潜艇操纵训练设备;专门训练电力系统中心调度室调度人员的模拟设备，也是实际生活中的模拟实验设备。
3.模拟方法可以使人减少危险，避免事故，因为有些直接实验可能危及人的安全，造成严重的事故和损失。如进行某些药物的毒性实验，用人直接实验就有可能造成危险，但是通过动物作为病理模型，既可以了解药物疗效的功能，也可以避免以人做实验所带来的危险。在宇航的探索中，人们往往首先以动物作为生理模型代替人去试验。
可以看出，模拟实验方法在科学研究甚至人们的日常生活中已经并正在发挥着重要的作用，成为科学研究中不可缺少的重要方法。
3.2模拟方法的分类根据模型和原型之间的相似关系的特点，可以把模拟分为两大类:物理模拟和数学模拟。
1.物理模拟这是以模型和原型之间的物理相似或几何相似为基础的一种模拟方法。物理相似，就是说在模型和原型中所发生的物理过程都是相似的。几何相似是指不同事物的几何形状相似。物理相似或儿何形状相似，在相似的模拟环境中会引起运动规律的相似。这里的物理模拟是广义的，既包括无生命界的物理过程的模拟，也包括对生物界的生理过程或病理过程的模拟。这种情况下的模型与原型之间只有大小比例的不同，其物理本质是一样的。例如，在建筑一座人型水库堤坝之前，选用同等质量的材料，按一定的比例，先筑成具有同样结构的缩小了的水库堤坝模型，在这相似的物理条件下，便可对模型进行水的冲压力模拟实验。在医学上，采用动物来模拟人的病理和生理过程，也属于物理模拟。例如，为了研究气管炎发病的自然条件，可以将猴子、大白鼠当实验动物置于烟熏、低温等条件下，观察其发病的过程。为了考察尼古丁的毒害，可以将尼古丁从烟草中提取出来，注射到实验动物体内，观察由此引起的各种病理变化，取得可靠信息，有助于对事物原型的认识。
以物理相似关系为基础的模拟方法的优点是，可以在模型上直接观察到现象的物理过程，从而获得比较明确的物理概念，具有直观性;能够将原型中发生的综合过程在模型中全面地反映出来，具有综合性。但是由于它是以同质现象之间及同一物质运动形式的系统之间的相似关系为基础，这就使广泛运用模拟方法的可能性受到限制。而且建立模型的周期较长，价格昂贵，不够准确。60年代以来迅速发展的数学模拟方法，突破了物理模拟的局限性，推动了模拟方法的发展。
2.数学模拟数学模拟是以模型和原型之间在数学形式相似的基础上进行的一种模拟。列宁曾指出:“自然界的统一性显示在关于各种现象领域的微分方程的惊人的类似'中"。例如，在电学中电势u的偏微分方程与流体力学中水流高度h的偏微分方程，具有完全相似的数学形式:

我们可以用数学模拟方法，将所要研究的渗流场用一个与之相似的电流场来代替。用一套相应的电路装置来模拟地下水的运动，这一电路装置，就是地下水运动的数学模型，简称电模型。类似的事例，在电学领域内是很多的。自20世纪50年代以来出现并发展起来的模拟电子计算机，正是在电运动和其他运动之间存在的相似性的基础上发展起来的，使数学模型发展到一个新的阶段，在大型工程设计和电机制造方面，发挥的作用尤为显著。应当说明的是，相似理论发展至今，仍然很不完善。如对一个高度复杂的系统，在其有关变量和参数之间的关系还弄不清楚，数学模型还难于建立的情况下，要运用模拟方法进行定量精确的研究，现有的相似理论便显得无能为力。因此，有必要加以扩展。
应指出，模拟方法可以作为最初的实验研究之用，但不能代替真实实验，特别是模型与原型之间的相似关系不能被确切表述的情况下更是如此。计算机模拟在科研中具有重要的作用但要完全避免完全依赖计算机进行科研活动的倾向。
（四）数学方法在自然科学研究中，无论是观测实验，还是理论研究;无论是从感性认识上升到理性认识，还是运用科学理论指导实践，数学方法的应用都是不可忽视的重要环节。随着科学技术的不断发展，数学方法作为研究问题的一种有力工具，已经越来越受到人们的重视。有人把它誉为探索自然奥秘、打开科学宝库的一把钥匙，是自然科学的皇后、人类的第二语言，等等。人们对数学的这种充满激情的赞美，充分说明了数学方法在科学发展中的作用。今天数学方法正在渗透到科学技术的各个领域和社会生活的各个方面，成为一种具有普遍意义的方法，在科学发展中起着越来越重大的作用。
4.1数学方法及其特点所谓数学方法，就是指以数学为工具进行科学研究的方法，即用数学语言表达事物的状态、关系、过程，经过推导、演算、分析以形成解释、判断和预言的方法。世界上的任何事物都是质与量的统一体。在科学发展中，一门自然科学只有在对研究对象进行定性研究的基础上，同时也进行定量分析，才称得上是一门精密科学，而数学正是专门研究事物的量、量的关系和变化规律的科学。由于数学研究的量及量的关系普遍存在于各种物质系统及其运动形式之中，因此一切科学技术研究原则上都可以用数学来解决有关问题，其应用的广度是空前的。比如，牛顿的经典力学、麦克斯韦电磁学理论到相对论和量子力学，无一不是在数学的帮助下完成的。把量子力学及数学方法引人化学领域，导致了化学的数学化。数学方法也进人了自然科学的其他领域，在历史上被认为不需要数学的生物学中，也开始使用数学方法研究各种生理现象、神经活动，产生了数学生物学、生物数学等学科。爱因斯坦运用张量理论建立了相对论。由此可以看出，数学是人类进行科研的有力工具。无论是近代的科学技术还是现代的科学技术，都离不开数学。否则，科学的发展是不可能的。由于数学的特殊矛盾以及研究对象的特殊性，使得数学方法具有其他方法所不具有的特点。
1.它具有高度的抽象性各门科学都是一个概念的系统，因而都具有抽象性。而数学与它们比较，则具有高度的抽象性。这种高度的抽象性首先是由数学这门学科所研究的对象所决定的。数学并不直接研究现实中的具体事物;如果要研究现实中的具体事物，只有经过抽象，变成数学问题以后，才能成为数学中可以直接处理的对象。数学方法就是运用这种抽象的思想来分析、考察和表达事物的量的关系及其变化规律的。数学对象的抽象性决定了数学方法的抽象性。
数学方法的高度抽象性还在于:在研究事物时，数学方法总是暂时地撇开客观对象的其他一切特性，而只是抽象地探讨事物的量和量的相互关系，并以符号的形式来表示这种关系。数的运算是符号和数码按一定规则的运动。例如人们常用+、-、xdx、等符号去代表加、减、微分、积分等一系列的概念。在数学的运算中，看不见原型中事物的痕迹，所看到的是一系列的符号和数码按一定规则在运动。在几何中，只能看到抽象的点、线、面，也是不考虑现实对象具体内容的。因此，数学和几何学的问题也就完全变成了数字符号之间的运算关系。例如，描述物体运动就可以用如下抽象数学形式来表示:S=f(t)，其中S表示路程，t表示时间。这个关系式已舍弃了是什么在运动，是什么性质的运动等问题，而只是说明了路程是时间的函数而已。
当然，高度的抽象性并不妨碍它的基础的客观实在性。表面上看起来，数学所探讨的形和量与具体事物无关，然而都是现实世界的空间形式和数量关系的一种反映，是从具体事物中抽取出来的普遍联系。数学尽管以高度抽象的形式表现出来，但它的起源却来自于生产实践。它的原始材料都是非常现实的，抽象往往来自于应用的需要。古代人们在生产和生活实践中，通过辨手指、结绳记事等多少世纪无数次的重复劳动，逐步摆脱了具体事物而提炼出数目（1，2，3…0)这样的概念，以后为了记录任意大数又产生了进位与位置一类概念，以及与之相应的记数方法。随着社会的发展，生产力的提高，人们对数学提出了更高的要求。因此数的概念又不断地抽象与演变，而且出现了数学。形的概念的发展也是这样。这说明高度抽象的数学，离具体事物愈来愈远，但其客观的基础，仍然深扎在客观事物之中。
2.它具有严密的逻辑性数学方法具有严密的逻辑性。不论是初等数学还是高等数学，都是以逻辑推理来表达量的关系和空间形式的。逻辑推理的特征是由一个命题推出另一个命题，由已知的关系求出未知的关系。在这种推导和运算过程中，必须严格遵守逻辑的基本规则，才能保证推导的结果在逻辑上的正确无误。一个几何学定理、推论或者特殊论断的获得，并不是依靠经验的方法测量出来的，而是根据一定的公理、已经证明的定理和已知的条件按严格的逻辑步骤推导出来的。一个代数方程的求解，也不能靠摆出一堆可能的解的反复尝试代人来确定该方程的根，而是必须通过严格的逻辑方法简化方程，解出未知数来。这个特点保证了数学方法具有结构严谨、准确无误的性质，保证了一切数学推导链条不论有多么长，其推论也不会与原始前提相矛盾。
由于逻辑的严密性，使得数学的结论往往是精确的。一是因为数学描述的是事物的量的关系。事物的量是严格确定的，一是一，二是二。虽然量也以变化的状态出现，但它在每个确定的条件下都是有确定值的。数学中的概率和数理统计，也不是任意的，而是有规律的。二是数学所运用的概念是严格的、精确的，在逻辑上是自足的，它的每个定理都是经过严格的逻辑证明的。因此数学结论又具有精确性。
3.应用的广泛性数学的研究对象是现实世界的空间形式和数量关系，它具有高度的抽象性，使它成为不受任何具体内容局限的形式科学。由于现实世界的任何一种物质形态及其运动形式都具有一定的空间形式和数量关系，因此数学方法原则上可以普遍运用于一切科学。随着人类对自然界的认识和改造的深化，数学方法的应用越来越广泛，越来越深人。
在数学的应用上，既有许多超前于实际应用的发现发明，也有许多落后于实际需要的情况。公元前3世纪阿波留尼斯研究了圆锥曲线，直到两千年后的开普勒才把他的研究结果用来描述行星的运动。在1820年，E·枷罗华把群的概念引人代数方程，100多年以后物理学的基本原理才用群的概念表示。希尔伯特无穷维理论在量子力学中的应用，以及张量代数在爱因斯坦广义相对论中的应用，都表明了数学的发展可以超前于科学发展的实际进程的需要。但是，我们也看到，大量复杂的现象无法用现有的数学工具进行描述，或者找到了相应的数学方程而无法求解，反映出数学发展的滞后性，要求数学家们进一步发挥主动精神，作出更多的发现和发明。
4.2数学方法在科研中的作用在自然科学研究中，数学方法作为一种必不可少的认识手段，特别是作为理论思维的重要形式，具有重要的作用:
第一，为科学研究提供简洁精确的形式化语言。用日常语言去表达人们的思想，难以避免语言的多义性、歧义性以及语法混乱、语句繁琐等缺点。在自然科学日益走向精确化的时代，日常语言的使用是不利于科学发展的。而数学则是由一系列科学而又精确的符号组成的符号体系。在数学中，对概念理论的表述、定理的逻辑推导、证明，都是在这种有规则的符号系统中进行的，采取的是形式化的数学语言，它克服了自然语言的缺陷，成为自然科学最有力的工具。在科学中借助于数学的方法、观点和语言，有助于避免歧义和揭示隐含的内容，明确概念的涵义，能够把复杂的内容凝缩为较为纯粹的内容，把复杂的结构转化为较为简单的逻辑—数学模型。这种数学语言，不仅形式上简明扼要，而且表达的内容深刻、精确。数学语言成为自然科学内容的重要表达方式。通过数学方法的使用，在描述各种事物的运动和过程时，可以使问题大大简化，使之一目了然，给问题的解决带来很大方便。例如，在电动力学中，用一组微分方程—麦克斯韦方程，就可以概括地描述经典电磁学理论的全部基本定律。
第二，为科学研究提供了定量分析和理论计算的方法。数学方法的应用往往是一门科学从描述性科学发展成为"精确科学"的杠杆和桥梁。一门科学从定性的描述进人到定量分析和计算，是这门科学达到比较成熟阶段的重要标志。而科学的这一进步与数学方法的应用是分不开的。自从枷利略开创了把物理实验同数学方法相结合的研究途径以后，力学、物理学才迅速发展成"精密科学"。微积分、微分方程和概率论的相继应用，促进了分析力学、流体力学、电磁理论、分子运动论等许多科学理论的诞生。现代科学技术的发展，更需要数学方法来催生。现代科学技术的发展已出现日益数学化的趋势，在诸如原子能的开发利用、自动化技术、空间技术和大型工程中，如果不借助数学方法进行周密的理论分析准确的数值计算，不仅达不到预期的目的和效果，反而可能会造成巨大的损失和灾难。电子计算机出现以后，数学作为强有力的工具，在提供定量分析和理论计算方面的作用更加明显。
第三，数学方法为科研提供了严密的逻辑推理的工具。逻辑的严格性和结论的确定性是数学方法的特征之一，而在科研中运用数学方法就能使由此而得出的科学结论、原理等具有逻辑的必然性和可靠性。在自然科学的研究中，数学方法是一种有效的进行推理和逻辑证明的工具。
运用数学语言，在观察实验的基础上提炼数学模型，并在这种模型上展开数学的推导、演算和分析，有助于人们抓住主要矛盾，揭示复杂现象的内在联系。任何一门科学缺少了数学这一推导工具，就不能确切地引中出逻辑上可靠的必然结论，难以从已知推出末知。
利用抽象的数学工具，可以帮助人们进入和把握超出感性经验的客观世界，推动科学的发展。一些科学家认为，数学的应用不仅在于它是计算的工具，而更主要的在于它所独具的抽象能力。而许多的科学发现，是首先由数学推出结果，然后才从科学上发现的。如天文学上海王星的发现就是首先通过数学计算出来，然后才在天文学家的望远镜中找到的。1781年英国天文学家赫歇尔发现天王星之后，人们发现了天王星的运动中的摄动现象。天文学家认为，在天王星轨道之外，可能有一颗尚未发现的行星的力作用于天王星。但是要用望远镜在茫茫太空中找出这颗行星是非常困难的。只有在数学计算帮助下，才能找到这颗行星。1845年12月21日，当时26岁的英国剑桥大学数学系学生亚当斯，把自己的计算结果，通过剑桥大学天文学教授转交给英国格林威治天文台台长艾里，但是这位"大人物"对年轻的亚当斯的计算结果表示怀疑，根本没有指示用望远镜去寻找。1846年9月18日，法国35岁的天文学家勒维烈写信给当时拥有详细星图的德国柏林天文台的加勒，信中说:"请您把天文望远镜指向黄径326度处的宝瓶座内的黄道上的一点上，您将在离此点约一度的区域内，发现一个圆而明朗的新行星，它的光度约近于九等星"。加勒收信的当天，即1846年9日23日夜晚，就在信中所指出的黄道点相差52分的地方，发现了一个新行星，这正是人们梦寐以求的未知行星—海王星。而这一发现，归功于数学严密的逻辑推理的力量。
4.3数学方法的运用在运用数学方法解决问题时，一般要经历这样几个大的步骤:
1.用数学语言表达所要研究的问题，建立一个合适的数学模型这一步是数学方法运用的第一步，也是最关键的一步。谁都知道，不从实际问题中提炼出数学模型，运用数学方法只是一句空话。只有提炼出数学模型，才能使用数学解决问题，也才有数学方法。
数学模型指的是对所研究对象的一般特征和变化规律的数学表达式。建立数学模型，就是根据我们所要解决的特定问题，以观测、实验所积累的数据和已知的科学理论为前提，用数学的语言表达出来，形成一个能够求解的数学表达式。具体过程以下:
1）抽象化，确定模型基本量一个研究对象往往是包含多因素的复杂系统。要把这样的一个问题变成一个数学模型，必须把对象中的复杂因素分解为多个单一因素，在对它们分别分析的基础上，把其中的每个因素用一个确切的概念加以表示，并根据有关的科学理论确定几个基本量，以便反映这个系统的量的规定性，刻画它的状态、特征和变化规律。如对一个作机械运动的力学系统的研究，必须把这样一个多因素的系统分析成多个单一的因素，并用确切的概念加以表示:如质量、位置、时间、速度等，并给它们制定一个单位，然后依据有关的科学理论把它们确定为基本的量。对于一个电学系统，必须从分析各种因素中确定诸如电流、电压、电阻、电容等基本量，否则就无法测量，无法计量，更无法用数学语言进行描述。
2）分析基本量的变化及其相互关系，建立数学模型。在这个过程中，先要根据我们所要解决的特定问题，分析这个系统申的矛盾关系，抓住主要矛盾，突出主要的因素和关系进行研究。如要研究太阳系中的某个行星的绕日运动，必须突出考虑太阳对这一行星的引力，因为这是导致行星绕日运动的主要因素。至于其他天体对行星的引力(即摄动力)，则是次要因素，可以暂不考虑。又由于研究的是绕日运动，则行星的自转运动也可以不用考虑。这样，由于抓住了事物的主要矛盾，虽然做了相应的近似处理，但其结果还是基本符合实际的。在分析了事物的主要矛盾的基础上，还需要进一步分析量的关系，确定哪些量是常量，哪些量是变量，确定哪些是已知的，哪些是待求的。比如在上例中的太阳，由于它是恒星，其位置可以看成是固定的，而行星的位置则是不断变化的。如果进一步把太阳和行星的质量、它们之间的距离看作是已知的量，那么行星的运动轨道就是待求的末知量。然后，还要对有关的量作迸一步的简化，才能形成一个待解的数学问题。比如，我们可以近似地把太阳和行星都看作是密度均匀的球体，这样可以不考虑它们的实际体积和形状，而只考虑两者质心的位置就行了，即把问题简化为两个质点之间的相对运动。经过这样的处理之后，我们就可以从中提炼出数学模型了。我们分别以数学符号M、m、R和F表示太阳的质量、行星的质量、太阳和行星间的距离以及太阳对行星的万有引力。如果前三个量是可测的，那么根据万有引力定律可知:

剩下的行星运动轨道就是待求量。为了求出这一轨道，可以根据牛顿第二定律列出微分方程:

这样一来，就把一个复杂的问题，经过分析和简化，提炼成一个数学问题，并建立了所需要的数学模型。我们要求出更接近真实的轨道，就要把建立数学模型过程中忽略掉的因素考虑进来，加以修正。
综上所述，提炼数学模型的过程，是对研究对象进行具体分析从而达到科学抽象的过程，目的在于找到一个能反映问题的本质特征的、同时又是理想化的、简化了的数学模型。在这个过程中，我们要善于抓住主要矛盾，分析量与量之间的关系，还要善于"化繁为简"，"化难为易"，这样才能把复杂的实际问题化为简单的数学问题，才能进一步进行计算。
2.求数学问题的解在建立了合适的数学模型之后，第二步就是要进行数学求解。这是一个纯数学的问题，是运用数学方法进行推理的过程，也是进行数学演算的过程。
求数学问题的解，是一个非常重要的问题。只仅仅列出数学模型而求不出数学解，也是无法解决实际问题的。有许多科技问题在表达成数学形式以后，往往由于无法求出数值解而流于"纸上谈兵"或仅仅停留在定性的讨论上。各种微分方程问题，能够求出解析形式解的只有极少数，一般要靠近似计算的方法，而计算量之大又往往非人力所能胜任。可以看出，这第二步也是非常重要的。这些问题不解决，就会影响研究的深入，因此，掌握坚实的数学知识是进行科学研究的重要基础。
3.对于得出的数学解作出合理的、符合实际的解释对于得出的数学解作出合理的、符合实际的解释是十分重要的。只有对所得结果进行正确分析和判断，才能形成对问题的科学解释，作出科学预见，提出科学理论，或得到科学的应用。科学发展史上，根据数学模型求解的结果作出科学的解释、提出重要的预言的事例不少。
可见，要想对数学解作出科学的解释，除了要有扎实的科学知识、丰富的想象力和深刻的洞察力之外，还必须有正确的世界观支配，要尊重客观事实。再者，要敢于冲破传统观念的束缚，敢于"标新立异"。只有这样，才能作出科学的解释。
4．4数学模型的分类自然界的事物是千差万别的，其变化规律也是千差万别的。对于不同的自然现象和过程要用不同类型的数学模型来描述。下面简单介绍一下几种常见的数学模型:
1.确定性数学模型这是反映自然界中的必然现象的数学模型。必然现象就是事物的发展变化服从确定的因果联系，从前一时刻的运动状态就可以推断出以后各个时刻的运动状态。对于这种服从因果关系的必然过程，都可以用各种数学程式(代数方程、微分方程、积分方程以及差分方程等等)来表示，以反映它们的运动规律。这种反映必然现象的数学方程式，我们就称之为确定性数学模型。其中尤以微分方程应用最广。前面列举的事例，就是遵循力学定律的一种必然现象导出的常微分方程，就是确定性数学模型的有代表性的事例。但是微分方程有其自身的内在的局限性:它只能描写自然界中连续变化的自然现象，即它所描写的自然现象的状态函数必须是连续的;对于自然界中大量的不连续现象，如突变现象，微分方程是无能为力的。因而随着科学的发展，又出现了反映事物不连续变化的数学模型。
2.突变性数学模型这是用于描述自然界中的突变现象的数学模型。一个系统的状态可以用一组状态变量来描述。决定这种状态的变量叫控制变量。当控制变量和状态变量都连续变化时，称之为渐变，如果控制变量的连续变化使状态变量发生不连续的变化，就是突变，例如雷击的发生、地震的爆发、材料的断裂等等都是突变现象。由于其变化是不连续的，因而不能用微分方程来建立数学模型，而只能用另一种数学理论来描述，这就是在20世纪60年代发展起来的突变论。它由法国数学家托姆创立。
3.随机性数学模型这是用于描述自然界中或然（随机）现象的数学模型。
这类现象对于某一特定事件来说，它的变化发展有多种可能的结果，最终出现哪一种结果，完全是偶然的、随机的。但从大量这类事件或同一事件多次重复出现的总体来看，又是有规律的。虽然它们不遵循微分方程所体现的规律性，但却遵循统计规律。大数现象就是其中的典型例子。如气体是由大量分子构成的，在标准状态下，每立方厘米气体所含的分子数目为2.687x1019，所有的分子都不停地做"无规则"运动，分子之间不断地相互碰撞着。如果考察每一个别分子的运动状况，那么它在每时每刻都可能有种种不同的位置、不同的方向和不同的速度，究竟处于何种状态是不确定的，也叫做随机的。但是，由大量分子所构成的总体气体，其宏观性质如温度、压强、体积等等，则呈现出一定的规律性，它服从统计规律。麦克斯韦用概率论来建立描写气体分子速度分布规律的数学模型，就是其中典型的例子。
另一种现象是组成物体的个数并不多，甚至只有一个，但对它进行实验时，虽然每次结果都有偶然性、不确定性，但如果在同样条件下，把实验重复大量次数后，则呈现出一定的规律性，即同样的遵循统计规律。用概率论、过程论和数理统计等方法建立的随机性数学模型，就能描述这类现象各种可能结果的分布规律。
4.模糊性数学模型这是反映自然界中的模糊现象的数学模型。
自然界中存在大量的模糊现象、模糊信息，反映在人的认识上出现了许多模糊语言和模糊概念。与传统数学不同的是，它们不具有非此即彼的精确性。不能用传统的精确数学去描述。因而形成一种有别于精确数学的处理方法是客观的需要。1965年，美国控制论专家查德首创模糊数学，提出用模糊集合作为表现模糊事物的数学模型。在经典集合中，从属函数的值域是{01}两个值，从属与不从属界限是分明的，而"模糊集合"中，从属函数的值域不是0与1两个值，而是【01】，即0到1这个闭区间中连续取值，所以界限是不分明的，是一种多值逻辑，它有可能把各种模糊现象、模糊信息、模糊概念数值化，有可能为自然界的各种模糊现象提供数学模型。正如布尔代数是二进位电子计算机的先导一样，"模糊集合"将可能成为更接近于人脑的新一代的电子计算机和智能机器人的先导。
5.公理化方法公理在逻辑学中被认为是一种无需证明、也不能证明的不证自明的原始概念或原始命题。
虽然逻辑上不证自明，但它是被实践反复证明的真理性认识。而公理化方法就是从尽可能少的不加定义的原始概念和一组不加证明的原始命题(公理、公设)出发，运用逻辑规则推导出其余命题和定理，以至建立这个理论体系的一种方法。
公元前3世纪欧几里德的《几何原本》，就是古代数学公理化方法的一个典型。欧几里德在总结古代几何学知识时，运用了亚里士多德的逻辑方法，选用少量的原始概念和不需证明的几何命题，作为定义、公理、公设，使它们成为全部几何学的出发点和逻辑依据，然后运用逻辑推理证明其余的命题，从而得到一系列的几何定理。欧几里德在《几何原本》中所使用的公理化方法，不仅深刻影响了后来的数学家，成了数学家整理各数学分支的知识、构造理论体系、开拓新领城的手段，而且也深刻影响到其他科学领域。阿基米德建立静力学的理论体系时，首先提出7条公设，再从公设演绎出15条定理。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中，运用公理化方法表述了经典力学的理论体系。他从力学现象中提出若干基本概念，如质量、动量、惯性、力、时间、空间等概念，并用这些概念表述了牛顿三定律、万有引力定律，进而推导出动量守恒、能量守恒、角动量守恒等定律，然后将这些定律、定理运用于宇宙系统中推论出关于行星、、海洋的运动。希尔伯特于1899年发表的《几何学基础》，则是近代公理化思想的代表作，他引进的基本概念包括基本元素(点、直线、平面)和基本关系(结合关系、顺序关系、合同关系)，引进的基本公理共分5组2l条，建立了一个完备而又简单的公理体系。根据上述公理可以导出全部欧氏几何定理。20世纪初希尔伯特又进一步把上述公理化体系加以形式化。至此，公理化方法更引起了科学家的重视，使公理化方法成为自然科学研究的一种基本手段。
自然科学研究中使用公理化方法，就是要根据本门学科所提供的丰富材料，通过深人的分析，找出其间的逻辑关系，从中取出最基本的概念和基本命题，作为基本定义和公理、公设，并以此作为出发点，运用逻辑规则进行推理和论证，导出其他一系列命题，建立起演绎理论体系。
一个严格的公理化体系，需要满足下列条件:
第一，无矛盾性。在公理化体系中要求逻辑上首尾一致，不允许出现相互矛盾的命题。这是科学性的要求。
第二，完备性。所选择的公理应当是足够的，从它们能推出有关本学科的全部定律、定理;若减少其中任何一条公理，有些定理、定律就会推导不出来。这是体系完整性的要求。
第三，独立性。所有公理彼此是独立的，其中任何一个公理都不可能从其他公理中推导出来，这样就可使公理的数目减少到最低限度。这是公理化体系简单性的要求。只有达到上述三条要求时，公理化体系才能令人满意。
公理化方法在科学研究中具有重要的作用。它不但对建立科学理论体系、训练人的逻辑推理能力、系统地传授科学知识，以及推广科学理论的应用等方面起着有益的作用，而且是在理论上探索事物发展的逻辑规律、作出新的发现和预见的一种重要方法。因为事物的运动和发展本质上是遵循一定的客观规律、符合一定的逻辑程序的，因此，按照事物本身发展的逻辑规律进行理论探讨和推理，就可以发现在感性认识阶段所不能发现或尚末发现的新东西。
当然，公理化方法也有其本身的局限性。这种局限性可通过它所构造的公理体系的不完全性，以及公理体系的无矛盾性不可能在本体系内得到证明而表现出来。1931年，奥地利数理逻辑学家哥德尔证明了任何公理体系，如果它是无矛盾的，那么它一定是不完全的。他还指出，算术或者包括算术的体系，它的无矛盾性都不能用本体系内所建立的逻辑工具来证明。这表明，人们不可能从几条逻辑公理推导出全部数学知识和其他科学知识。一个理论的真理性是不能在这个理论本身的领域内来解决的。
(五)理想化
1.理想化方法根据科学抽象原则，有意识地突出研究对象的主要因素，弱化次要因素，剔除无关因素，将实际的研究对象加以合理的推论和外延，在思维中构建出理想模型和理想实验，进而对研究对象进行规律性探索的方法。因此，理想化方法是一种对问题本质高度抽象的研究方法。
2.理想模型理想化方法的一个重要应用就是建立理想化模型。理想化模型是指运用抽象的方法，在思维中构建出的一种高度抽象的理想化研究客体。由于理想化模型突出了主要因素而忽略了次要因素，因而具有推测性、类比性和极端性等特点。例如在机械振动分析中，若忽略弹性元件的质量而只考虑其弹性，则抽象出“弹簧振子”模型。又如，忽略物体的形变而只考虑其质量分布及大小，可抽象出"刚体";若体积很小，则又可抽象出"质点"。
例如数学上所研究的不占有任何空间大小的"点"，没有粗细的"线"，没有厚度的"面";力学上的只有一定质量而没有一定形状和大小的"质点"，在任何外力作用下都不能发生任何形变的、绝对硬的"刚体"，流体力学中所研究的没有粘性的、不可压缩的"理性流体"，再如原子模型、DNA双螺旋结构模型等等。科学理论与思想模型是现实原型之间的必要的中介，是科学理论直接研究的对象。
模型与原型的关系理想模型是现实事物的理想化形态，是现实世界里找不到的东白。但它不是主观的臆造，而是以客观事物为原型的，是对客观事物的一种近似反映。它突出地反映了客观事物的某一主要矛盾或主要特性。比如，"刚体"就是对研究机械运动时不考虑物体形变这一特性的突出反映。
第一，相似关系。虽然模型在许多方面不同于原型，但是由于它反映了其主要矛盾、主要特性，在最主要方面应具有相似性。模型与原型应有确定的相似关系，否则就不成其为模型。但这种相似关系也有特殊性，即主要是"神似"而不是"形似"。，
第二，代表关系。理想模型在一定意义上可以代表原型来供人们研究，理想模型是现实的近似反映。在建立理想模型时，由于人们排除了次要因素和外来干扰，突出了其主要的方面，人们可以通过建立理想模型来代替原型加以研究。在现实世界中，有许多实际事物同理想模型十分接近，因而有些情况下可以把对理想模型的研究结果直接使用于实际事物。例如，在研究一般气体时，当温度与室温比较不太低，压力与大气压比较不太大的情况下，可以把它看成"理想气体"，从而直接运用"理想气体"的状态方程来处理。一般说来，当用模型代替(原型)时，模型应当比原型更易于研究，比原型更加简单。
第三，外推关系。是指通过对模型的研究可以推论出关于原型的信息。既然模型与原型之间在主要方面相似，人们可以在对模型的研究中找到原型的许多信息，这也正是我们建立模型的目的。
理想模型特点:
第一，可变动性。因为任何思想模型都是在一定的科学实践基础上的抽象，有些抽象是错误的，随实践的发展将完全被抛弃，如本世纪初的以太模型，随着爱因斯坦相对论的出现而被否定。一些不完善的模型将被修正，进一步向原型的本质靠近，如哥白尼的太阳中心模型，虽然正确地指出了太阳是太阳系的中心，但行星运行的轨道是正圆的，不符合科学事实，因而被椭圆轨道所代替。而一些更新的模型在不断出现，出现了模型流动发展的特点。
第二，条件性。模型的抽象都是在一定条件下进行的，它严格地依赖条件，当条件变化时，模型也要变化，因而具有条件性。
第三，系统性。思想模型是客观原型的映象和摹写，是高度抽象的产物，而自然界是分层次、有结构、运动变化的物质系统。为此，对自然系统进行反映和描写的思想模型也应是一个模型系统。
"理想模型"方法在科研中的作用第一，使问题的处理人为简化。
一定条件下，作为一种近似，人们可以把实际事物当作理想形态来处理，把复杂的研究对象经过抽象加以简化，形成理想模型。由于使用理想模型处理问题，可使问题的处理人为简化而又不发生大的偏差。例如，研究物体的运动，它总有一定的大小、形状，物体上各点的位置变化总是有差别的。如果拘泥于具体情况，把物体分为许多点来研究，将是十分麻烦的。而在许多情况下，并无这种必要性，于是我们就可以把它看作一个质点。有了质点这样的模型，就便研究物质运动规律的问题大为简化，而所得结果与实际情况在相当程度上是符合的。如研究地球绕太阳公转运动的时候就是这样，由于地球与太阳的平均距离(约为149,600，000公里)，比地球的平均半径(约6370公里)大得多，地球的形状大小就可以忽略不计。在这种场合，人们往往会把地球当成一个质点来处理。当然理想模型是高度抽象的产物，并不是客观存在的完全写照，虽然与真实情况近似，毕竟还有差别。如果这种差别不可忽略，理想模型仍然对问题的研究具有重要的意义。因为，只要把事物在理想状态下的规律研究清楚，然后再把该考虑的其他因素或条件加进去，作出某些必要的补充、修正，就可以便这种研究结果功实际情况相符合。
第二，便于发挥逻辑的力量，使研究超越现有条件，形成科学预见由丁在建立理想形态的过程中，舍弃了大量的具体材料，突出了事物的主要特征，因而使人们更便于发挥科学抽象的作用，使理想形态的研究结果能超越现有的条件，指示研究的方向，形成对新事物的科学预言。例如，在固体物理的理论研究中，常常以没有"缺陷"的"理想晶体"作为研究对象。但应用量子力学对这种"理想晶体"进行计算的结果表明其强度竟比普通金属材料的强度大1000倍。由此，人们想到:既然"理想晶体"的强度应比实际晶体的强度大1000多倍，那就说明常用金属材料的强度之所以减弱，就是因为材料中有许多"缺陷"的缘故。如果能设法减少这种"缺陷。就可能大大提高金属材料的强度。后来，实践果然证实了这个预言，人们沿着这一思路制造出了若干极细的金属丝，其强度接近于"理想晶体"的强度，因而被称之为"金属胡须"。
3.理想实验在自然科学中，为了便于进行理论研究，除了建立"理想模型"之外，还常常设计"理想实验"。
理想实验又称为假想实验或思想实验。它指的是运用思想模型在思想中所做的"实验"，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法。理想实验虽然也称"实验"，但它不是真正的实验，它与作为一种物质实践形式的实验有原则区别，因为它并不是在实验室的物质条件下使研究对象发生变化的过程，而仅仅是一种抽象的思维过程，是纯粹的逻辑推演。但是我们仍称它为"实验"，是因为它和真实的物质实验具有相似的结构和形式，与真实实验类似的实验情景，也要求有实验者、实验对象、实验条件，包括理想的"仪器"、"装置"等，还应有理想的实验过程。
在理想实验的设计中，以下儿点是值得注意的:
第一理想实验不是主观的臆造，而应以科学实验为基础。虽然理想实验是一种抽象，其整个过程发生在思想当中，但是这种过程应与物质的实验过程相一致，或者说，在实验的精神上是一致的，而不能违背之，否则，这种实验就缺少存在的基础。惯性定律就是枷利略在真实实验的基础上运用埋想实验所获得的结果。为了证明自由落体定律，枷利略曾设计过一个著名的斜面试验。枷利略注意到，当一个表面非常光滑的金属球从一个斜面滚下来，又滚上第二个斜面时(这个斜面也是非常光滑的)，达到的高度几乎和开始滚下时的高度相符。枷利赂认为，金属球在两个斜面上的高度的微小差异是由摩擦力造成的。他设想如果将麽擦力完全消除，金属球在两个斜面上的高度恰好相等。在没有摩擦力的情况下，不管第二个斜面的倾斜高度多么小，金属球在它上面仍将达到第一个斜面上开始滚下去时的高度。他进一步推想，如果第二个斜面的倾斜度为零，变成水平面时，小将以恒定的速度在此无限长的平面上永远不断地运动下去。这一实验是建立在真实实验基础上的，但是只有真实实验还不能得出惯性定律，只有把真实实验理想化，并在思维中完成这一理想的证明过程，才能得出科学的结论。
第二，科学想象力是进行理想实验的必要条件。科学想象力是理想实验设计过程中最为重要的因素之一，也是理想实验的必要条件。加利略证明惯性定律时，只有真实的物质实验是根本不够的，因为真实实验永远也证明不了当第二个斜面倾角为零时，小球将以恒定的速度永远不断地运动下去。枷利略正是通过发挥其卓越的想象力所设计的这一理想的实验过程，从本质上揭示了物体运动中的惯性定律。如果柳利略缺乏想象力，就设计不出这样的理想实验;如果只局限于真实的实验本身，那是永远也证明不了惯性定律的。正因为如此，科学家们特别重视想象力。正是想像力使科学家的理想设计具有高超的创造性，使之超越了具体的物质限制，揭示了事物的本质。
第三，善于运用逻辑思维，也是设计理想实验的必要条件。理想实验的设计，不是随意的，而是在严密的逻辑规则控制之下进行的。设计理想实验，既要运用科学抽象、分析、综合，而且还会用到归纳、演绎、类比等推理方法。理想实验的前提应是正确的，推理应符合逻辑法则，每一个理想实验都应该是一个严密的逻辑推理系统。只有善于运用逻辑思维，才能建立起理想模型，塑造理想条件，设计出正确的理想实验。爱因斯坦在创立相对论时，就巧妙地设计了"同时性的相对性"的理想实验，为狭义相对论打下了基础。他设想，当两道闪电同时下击一条东西走向的铁路轨道时，对于站在两道闪电中点的铁路旁的观察者来说，两道闪电是同时发生的，而对于乘坐一列由东向西高速行进并正好经过闪电中点的火车中的观察者来说，则先看到西边的闪电，而后才能看到东边的闪电，若火车以光速行进，就看到西边的闪电，永远看不到东边的闪电，由此建立了同时性的相对性的概念。
理想试验在认识中具有重要的作用:、
第一，理想实验能有效地发挥人的创造性，使之作出科学发现。思想实验是个科学想象的过程，是个逻辑推演的过程。在理想实验中，人们能够最大限度地发挥人的主观的作用以及意识的创造性，能够克服物质条件的限制，做出真实实验中做不出的事情，可以充分发挥人的能动性。卡诺的热机的设计，正是在于他发挥了自己的能动性。
第二，是批判错误的传统见解的有力手段，能推动科学进步。科学史上一些陈旧的习以为常的常识，阻碍科学的进步。例如，亚里士多德的运动学见解认为，力是速度的原因，力一且停止作用运动就会停止。这里主要是没有考虑摩擦力的作用。这种观点长期支配人们的认识。当枷利略通过理想实验把摩擦力的作用完全排除以后，人们就立即明白了亚里士多德论点的错误。
第三，可以超越物质条件的限制，揭示事物发展的规律。理想实验比物质实验可以大大节约实验的物质设备的代价，它可以分文不花，赤手空拳进行一切实验，还可以大大缩短实验过程，只要设计得当，很快就可以想出结果。更重要的是它能超越物质条件的限制，使实验过程做到进一步纯化、简化和强化，揭示事物发展的规律。因为思维中的条件和过程比起真实实验当然更容易受人摆布和控制，这样就可以使过程高度纯化。如在实验室条件下，麽擦力不可能完全消除，也不能达到绝对真空，绝对零度也达不到，要使运动物体达到光速也很难。但在理想实验中，可以消除所有这些不必要的干扰，使状态达到极限，这样，客观事物和过程的内在联系和客观规律就会显露出来。如前面所讲的加利略的实验，爱因斯坦的同时性的相对性的理想实验等等都是成功的例子。
第四，"理想试验"是实践检验的先导，对实践检验起了一种补充作用。科学实验作为科学研究中的重要的实践形式，对科学认识具有重要的检验作用，但是在实验之前，人们必须首先进行理想实验，而"理想实验"成功与否，对于真实的实验能否成功具有重要的参考作用。对于某些暂时还无法进行实验验证的事物，可以先进行理想实验，也能在一定程度上说明问题。比如，枷利略在比萨斜塔实验之前，首先进行了理想实验;爱因斯坦的光线在引力场中会由于引力的作用而弯曲的思想，在实验中被证实之前，已经在思想实验中得到证实，说明了理想实验在检验中起了重要的补充作用。
综上所述，"理想实验"在科学研究中具有重要的作用。但是"理想实验"的方法也有一定的局限性。"理想实验"只是一种逻辑推理的思维过程，它的作用主要限于逻辑上的证明与反驳，不能用来作为检验认识正确与否的标准。相反，由"理想实验"所得出的结论，有必要通过科学实践才能最终判定其正确与否。
(六)类比类比是以比较为基础的，是在根据两个研究对象在某些特征上的相似性的基础上，进而推测它们在其他特征上也可能存在相似性的一种科学研究方法。类比就是要异中求同，同中求异。
类比法是一种常用的推理方法，能否灵活地使用类比法分析问题和解决问题，是衡量一个人的思维是否具有创造性的标志之一。
有关类比的模式和特点见后述的：典型的思维方法七)科学假说在科学研究过程申，人们通过观察和实验获得感性的事实材料，需要进行思维的加工和概括，对所考察对象的科学事实提出假定性的解释和说明，然后再经过观察和实验证实或证伪，以便上升为科学理论或提出新的假说。
假说是根据已知的科学事实和科学原理，对所研究的自然现象及其规律性提出的一种假定性的推测和说明，是科学理论思维的一种重要形式。
7.1科学假说
1.科学假说的来源假说的来源是多方面的，可以归纳为以下几个方面:
1）产生新的科学事实时当出现用已知的科学理论无法解释的新事实时，会产生对新事实的猜想性的说明。例如，X射线，放射性元素和电子的发现，与经典物理学中原子不可分、元素不可变的传统理论发生冲突，于是各种原子结构的假说应运而生。
2）扩展理论适用范围当把某一理论推到原来适用的范围之外，对其他事物的属性、规律进行猜测或设想时，会提出新的假说。例如，把光和实物粒子进行类比，把光的波粒二象性类推到实物粒子，从而提出实物波的假说。1926年奥地利物理学家薛定谔通过力学和光学的类比，把物质波的假说推广到非自由粒子上，从而推导出薛定谔方程。
3）解决不同科学事实的矛盾为解决新旧事实之间的矛盾会提出假定性说明。例如，光的衍射现象说明光的波动性，光电效应说明光的粒子性。为了解决这两类实验事实之间的矛盾，爱因斯坦提出光的波粒二象性假说。
假说的来源虽然不同，但都是为了说明某种自然现象而提出的一种试探性看法或猜测性的说明。每一门自然科学的形成和发展，都经历了一系列的假说过程。例如天文学中关于天体形成，就有星云说、俘获说、灾变说、星子说和宇宙大爆炸说等。地质学中有大陆漂移说、板块学说、海底扩张说以及"结构体系"理论和地洼说等。物理学中有热素说、普朗克能量子假说，化学中有燃素说、氧化说和门捷列夫元素周期律，数学中有费尔马猜想和哥德巴赫猜想，生物学中有生物进化的灾变说和自然选择说。
2.科学假说的形式假说的形式多种多样，主要有以下几种:
1）模型。如分子、原子、原子核模型，行星模型，DNA双螺旋模型等。
2）假定性理论。主要是知识形态的假定性理论，如太阳系起源学说，大气臭氧层破坏使全球气候变暖假说，生物起源学学说等。
3）概念如电场、磁场、力场、磁力线等。
3.科学假说的构成假说是基于已知科学事实和科学原理对自然现象及其规律的猜测性说明，它通常由以下几个基本要素构成。
事实基础:即假说所依据的科学事实。
背景理论:即假说所依据的理论，包括推理，假说是在这既有理论基础上向前推进一步。
猜测:即对现象本质的猜测。
预言和预见:即由猜测的本质所推演出的预言和预见，以便用观察和实验方法获取科学事实对假说进行检验。
4.科学假说的特征假说的构成决定了假说具有以下特征:
1）科学性假说是以一定的科学事实为依据，以科学理论为前提而提出来的。这就是假说的科学性。
科学假说的科学性使它既区别于毫无事实根据的荒诞迷信和虚伪妄说，也不同于缺乏逻辑基础的简单猜测或随意幻想，它们都不是科学意义上的假说。从这个特点看，有些假说即使后来被证明是完全错误的，在科学史上也仍然是在特定条件下具有科学意义的假说，如托勒密的地心说虽后来被证明是错误的，但它却是以日常直观的事实为依据的，有大量的天文观察作基础，在当时可以解释一些天文观察现象，基本上适应那个时代制定历法的要求。而有些幻想、神话即使今天变成活生生的现实，那也不是科学假说，如嫦娥奔月的神话，只具有艺术价值，并没有我们所说的假说的科学价值。
2）假定性假说中包含着对事物的本质和规律的想象和猜测。提出科学假说受到有限的少量科学事实的局限，总是在不完全、不充分的经验事实基础上推导出来的，允许一定成分的想象和猜测。因此它在内容上具有或然性，是未经实践检验的、结论尚存疑问的思想形态。假说的推测性、假定性和或然性，使得在未来实践中会产生两种可能的命运:被证伪而淘汰，被证明基本正确经修正完善发展为理论。
3）多样性与易变性对同一自然现象，由于人们占有的材料不同，看问题的角度不同，知识结构不同，使用方法不同等原因，可以提出多种不同的假说;对同一自然现象提出的假说，还会随着实践过程中的新发现而变化，随着争论的发展而修改。这就是假说的易变性。在科学发展史上，天体演化、化学燃烧、原子结构、地质构造形成、生物遗传的研究中，都有几种假说同时并存、相互竞争。各种假说争鸣可能有以下几种结果:两个对立的假说中一个驳倒另一个，新假说战胜旧假说，如日心说代替地心说。两个对立的假说都包含部分真理，两者互补构成更为完整的假说，如光的波粒二象性假说统一了光的波动说和微粒说。两个对立的假说都是客观事实歪曲的反映，随着科学的发展而被淘汰，如生物学中的"精原说"和"卵原说"。各种假说都有一定根据，也能说明一些自然现象，但都不够完满，从而形成争论不休、长期共存的局面，如关于星系起源的弥漫说、超密说和宇宙大爆炸学说。
假说在科学中的作用:
1）在科学观察和实验中具有先导作用科学研究是人们有目的地探索未知世界的智力劳动。科研课题确定之后，在进行实验研究之前，总要根据已知的科学材料和经验事实对研究对象做一番分析，提出假定性的初步设想，预先构思和设计。在观察和实验获得必要的科学事实之后，必须进行整理、加工和概括，即以假说的形式来试图说明隐藏在现象背后的本质，然后再设计新的观察、实验来验证这个假说，这就是假说在观察、实验中的先导作用。
2）科学假说是建立科学理论的基础科学研究的根本任务是揭示自然现象的本质和规律性，但客观事物的本质有一个暴露过程，人们对它的认识也有一个发展的过程。在客观事物的本质尚未充分暴露，人们掌握的科学资料不够完备时，只有借助于假说的形式提出猜测性的假定，才能进一步探索客观事物的本质和内在规律。这是科学研究的必由之路。自然科学就是沿着假说—理论—新假说—新理论……的途径，不断地向前发展的。一部科学发展史，可以说是一部假说和理论不断更迭的历史。
3）假说是激发思维创造性的媒介在科学研究中，人们凭借已有的知识来探测未知的领域。因此假说起着激发思维创造性的作用。其具体表现为:在对未知领域所掌握的科学知识和事实不够充分的条件下，人们可印凭借已有的条件，以假说的形式进行大胆的探索，提出创新见解，这既是思维创造性的体现，又为这种创造性的进一步发挥提供了可借鉴、凭依的生长点;此外，假说的提出既以一定的观察、实验事实为根据，又试图超越经验事实，透过事实材料而提出对事实本质的猜想，从而会推动经验思维向理论思维跃升。
4）不同假说的争鸣有利于学术繁荣不同的假说是从不同的侧面对客观事物本质和规律的探索。它们之间的争论，有助于揭露矛盾、启发思考、相互补充，有利于更全面、更深刻地揭示事物的本质。科学史上各种假说的争论对科学的发展起了很大的推动作用。假说的这些作用，使它成为科学发展的一种重要形式。
7.1.2建立假说的方法论原则
1.解释性原则假说应与已知的经过实践检验的事实相符合，不仅能解释个别事实，而且能解释经过检验的已知的全部事实。如果有一个事实与假说相矛盾，那么这个假说原则上就应该修改或掘弃。例如，1911年卢瑟福根据"粒子的散射实验发现了原子核的存在，并提出了关于原子结构的行星模型，但是这一模型一开始就遇到两个重要事实无法解释:一是电子绕核旋转应向外辐射电磁波，形成连续光谱，可是实际光谱是分立的；二是电子由于辐射而减少能量最终将落到原子核上去，而实际上原子是稳定的。为了完满地解释这两个科学事实，玻尔修改了行星模型，提出了轨道量子化的结构模型。
解释的类型多种多样。比较常见的是从假说所假定的规律与先行条件(边界条件和初始条件)的逻辑合取中推演出被解释的现象。其一般形式为:
L1L2L3…Ln(一般规律)
C1C2C3…Cn(先行条件)
E（被解释现象)
2.对应原则对应原则是指假说和已知科学理论的关系。一般来说，假说不应与经过检验的科学理论相矛盾。当然提出新的假说一般说来总是同原有理论相冲突的，但不应当同原有理论中经过检验的真理成分相矛盾。假说要能解释原有理论无法解释的事实，同时它把原有理论作为新假说的一个特例包含在其中，即新假说以渐近线的形式在原有理论被证明是适用的范围内与原有理论相一致。例如，现代科学拒绝研究任何永动机的方案，因为它们违反了自然界普遍成立的能量守恒定律。但是对科学理论也不能绝对化，因为科学理论还有其相对性和适用范围。新假说是对旧理论局限性的突破，当新假说转化为新理论时，它应继承旧理论中被实践检验过的合理内容，并把旧理论作为一种特例或极限包含进来。相对论对牛顿力学、非平衡热力学对经典热力学都是如此。从科学发展的趋势看，新假说把原有理论作为特例而包括进来这种形式特别值得重视。
3.简单性原则简单性原则要求一个好的假说要尽可能具有逻辑上的简单，简单性的基本要求是，假说应以尽可能少的初始假定或公理，而又尽可能好地符合客观对象。
4.可检验性原则可检验性原则是保证假说科学性的一个基本条件。提出假说必须能用观察、实验加以检验，从而判定它的真伪。不可检验的假说是不科学的，也是不可取的。例如1Q56年李政道、杨振宁提出弱相互作用下宇称不守恒的假说时，就设计了五种实验方法来探索宇称守恒原理在衰变中不正确。同年吴健雄组成的一个实验小组在华盛顿美国国家标准局的低温实验室用钻6(做了其中的一个实验，确证了他们的假说，第二年这一发现就获得了诺贝尔物理学奖。
假说的可检验性主要是通过从假说中推出新的预言或预见而表现出来的。如果一个假说除了解释它由以提出的事实之外，不能做出任何新的预言，那它实际上就不具备可检验性，这种假说很难有继续发展的余地。
7.1.3检验假说的方法对科学假说的检验，一般包括两个方面或两个步骤:第一步是理论检验:第二步是实践检验。
1.理论检验对假说的理论检验，首要环节是评价假说的可检验性。可检验性有两种:一是原则上的可检验性，根据现有已被证明的可靠的理论、规律来看，假说是否能够加以检验。如超光速假说，从相对论来看在原则上是不可检验的;如要检验超光速物质的存在，则必须跳出相对论的理论框架。二是技术上的可检验性，即是否具备了检验假说的技术条件。原则上可检验的未必是技术上可检验的。地球以外的星系存在文明的推测，就目前的技术水平来看是不可检验的。但是有些假说开始似乎不可检验，后来转化为可检验的。物理学家泡利提出中微子假说时自己也认为不可检验。他说:我做了一件骇人听闻的事情，因为我竟然建议某种永远也不能用实验证实的事。但后来终于从宇宙射线中发现了中微子。
对假说进行理论检验的内容包括:
1）假说的逻辑完备性。即假说中概念与判断、原理与推论之间有无矛盾，前后是否连贯一致。
2）假说的逻辑简单性。即假说与它代替或竞争的原有理论或假说相比较在基本假定上是否更简单明了。
3)假说的解释与预见功能。即假说推断的结构对所研究对象领域的已知事实能够解释的广度和深度，对未知的事实预见的数量和程度。
对假说进行理论检验，通常用逻辑分析方法。证明和反驳的逻辑结构由如下三要素组成:论题—被证明或反驳的判断(假说的基本命题或其推论)是中心要素;论据—用以证明或反驳论题的命题，已经得到证明的真实性判断(已知真实的原理、公理、定理)是证明或反驳的根据或前提;论证—联系论据和论题之间的方式，是证明或反驳的形式。这就是常见的三段论推理方式。一般来说，如果从真实的理论出发，运用三段论推理形式直接得到假说的基本命题，那么假说就得到了逻辑证明。
即使在实践检验过程中，也常伴随着逻辑分析，如实验方案的设计，实验过程的调节和实验数据的处理等。应当特别注意的是，用以检验科学假说的事实都是具体的、个别的观察结果，而被检验的假说常常是普遍的、抽象的命题。因此在假说与科学事实之间存在着一般与个别、普遍与特殊的关系问题。只有通过逻辑分析，才能使假说与事实立起联系，从而确证或反驳某种假说。另外，单纯的实践检验只能说明假说与事实是否一致，只有通过逻辑分析才能阐释清楚假说被确证或被证伪的原因。
2.实践检验实践检验是通过观察和实验对假说及其推论进行的验证。对某些关于事物存在的假说进行实践检验，可以采用直接检验法，即用观察和实验直接观测科学假说的实质内容，以证实或证伪科学假说。
但是假说中包括的对事物本质的猜测，具有抽象性和普遍性，是无法直接验证的，只能采用间接检验法，即由假说中演绎出若干可以直接检验的推论或预言，然后和观察实验结果进行对照。例如，对电磁理论中"电磁波和光波具有同一性"的普遍命题无法进行直接检验，但可以由它演绎出许多能够直接检验的推论。比如，电磁波的速度应等于光速，这个假设1888年由物理学家赫兹所证实。肯定了电磁波速等于光速的结论。但这一实验测量并不等于完成了电磁波与光波同一性的证明，因为二者真有同一性意味着电磁波应显示光波的所有性质。
赫兹接着进行了关于电磁波的反射、聚集、折射、偏振等多种实验，证明了电磁波具有光波所具有的当时人们所认识到的全部特性，这样赫兹才算完成了电磁波和光波具有同一性的实验验证。
间接检验通常运用逻辑推演与实践证明相结合的方式。其程序为:第一，由假说的基本命题通过演绎方法引出关于事实的结论。第二，通过实践检验由假说的基本命题推演出的关于事实的结论。第三，从被实践证实的关于事实的结论反推假说命的真理性。如果实践判明假说关于已知事实的解释和未知事实的预见都得到证实，无一反例，那就证明假说是可靠的。显然，假说引伸出来并被证实的结论数量越多，假说的可靠性越大，从而逐渐上升到理论。
(八)综合
1.综合方法综合即科学综合，是指在分析的基础上，通过科学的概括或总结，在思维中把研究对象的各个组成部分或各种要素构建成逻辑上严谨、内容上自洽（可以自圆其说）的有机体系，从而在整体上揭示和把握研究对象的性质和变化规律，这样一种研究方法称之为综合方法。因此，从某种意义上说，综合方法是创建科学体系的总结。
2.综合的特点从整体上、从研究对象的内在联系方面把握其变化规律。操作上是变局部为整体、化简单为复杂、化零为整。
3.综合的作用在科学研究和技术创新中，运用综合方法常常导致重要发现或发明创造。其作用表现在:构建完整体系，确立重要概念，变革中心思想。从物理发现的角度看，科学史上每一次大综合，都促进了新概念、新方法、新理论、新体系的建立。
综合方法在物理学发展过程中意义重大，也最具说服力。在物理学发展的每一阶段，初期有些无序或凌乱，但到了一定时期，大量的科学事实就会被归并，通过阶段性成果的综合，可构建出物理学的基本框架;随着时间的推移，新的实验发现了新的现象，对新现象的解释又发现了新的规律，提出了新的概念、模型和定理，这就需要进行新的综合，对物理学体系加以修正;进而，达到一定程度的完整。例如，人们通过实验发现了X射线，一段时间后又发现了介子，其后又发现了新的基本粒子，等等。又如，人们发现元素周期率之后，不断寻找周期表中未发现的元素，目前人们已经确认发现的有112种元素，而每种新元素的发现，都是对元素周期律的一次综合，并极大地深化了人们对物质世界的认识。
4.综合方法的实例
（1）经典物理的三大综合经典物理的第一次大综合由牛顿完成，形成了经典力学体系;第二次大综合由诸多物理学家(如卡诺、迈尔、赫拇霍兹、焦耳、克劳修斯等)共同完成，形成了经典热学体系;第三次大综合由麦克斯韦完成，形成了经典电磁学体系。
(2)现代物理的两大综合现代物理的第一次大综合由爱因斯坦完成，创立了狭义相对论和广义相对论，也可称之为物理学的第四次大综合;现代物理的第二次大综合由以玻尔(1885－1962)、玻恩(18821970)、诲森堡(1901－1976)等为代表的物理学家共同完成，他们创立了量子力学体系，亦可称之为物理学的第五次大综合上述所及的经典物理及现代物理构成了当代所有科学的基础，也突显了科研方法与思维方式在科学发展中的重要地位和巨大作用。
第二节典型思维方式任何一位科学家，在任何一项科学研究中，都必然运用理论思维，这是由科学本身的性质所决定的。
任何理论思维活动，都必须运用一定的思维方式，都要使用思维规定和逻辑范畴。而各种思维方式都是一定的方法论的体现。古今中外的科学家及研究者在科学上的成败得失，既有客观原因，也有主观因素。在客观条件一定的前提下，支配他们进行研究的哲学思想和科研方法，将对其研究工作产生重要影响。
思维方式的重要性不仅在科研工作方面表现突出，在其他方面的作用也是不可忽视的。在当今竞争激烈的科学研究领域，大家的知识面也许相差不多，但思维方式的不同以及如何运用恰当的思维方式去从事科研工作，其结果往往差别巨大。科学发展史提醒我们:往往是那些思维方式别具一格的人能够取得更大的或惊人的科研业绩。
典型的思维方式有逻辑方法和非逻辑思维逻辑方法：归纳法演绎法类比法分析与综合法非逻辑思维：形象思维直觉思维科学思维的逻辑方法逻辑思维是科学思维的重要形式，它是人们长期认识发展中的必然产物;它包括了一系列非常复杂的理性思维活动，在科学认识中占有极重要的地位。在科学史上，无论是天文学、数学、物理学、化学、生物学，还是现代的控制论、信息论、系统论等科学体系的建立，都离不开运用逻辑方法。当然，它又可以分解为一些基本的思维形式和思维方法:比较一分类，分析一综合、归纳一演绎方法等。
1.归纳法
1)归纳推理及其特点由培根提出，归纳是从个别事实中概括出一般原理的一种思维方法。它由推理的前提和结论两部分组成，其前提是若干已知的事实，是个别或特殊的判断和陈述，结论就是从前提出发通过逻辑推理而获得一般特征，是普遍性的陈述和判断。归纳是从对个别事实的考察中，概括出其中的一般规律性，然后概括到同类事物上，并从而断定，这个由个别事物中概括出的规律，也是该同类对象的共同规律，这是从个性中寻找共性的推理形式和思维方法。它从个别的、单一的事物的性质、特点和关系中概括出一类事物的性质、特点和关系，并且由不太深刻的一般到更为深刻的一般，由范围不太大的类到范围更为广大的类。在归纳过程中，认识从单一到特殊和一般。
归纳在科学研究过程中是一种重要的推理形式，也是人们从掌握到的客观事实中概括出一般科学原理的重要方法。例如哈雷在概括所观察到的彗星出现的周期时就采用了归纳的方法。他在1682年发现了这颗慧星，接着又从资料中找到了1607年及1351年出现的慧星同他所观察到的慧星有相似的轨道，因此推论它们是同一颗驾星，并且计算出这颗雪星每隔76年6个月出现一次。这种从绵延近百代的历史记载中归纳和概括出慧星出现时间的方法就是归纳的方法。
我们为什么能从个别事实中归纳出一般原理呢?这是因为客观事物中，个别中包含着一般，一般存在于个别之中，因此同类事物存在着相同的一般属性、关系和本质。其次还因为在客观世界中，原因和结果之间也存在着必然的联系。世界上没有无原因的结果，有结果就必然有原因。
因此，归纳法的特点是:其一，它的推理方向是从个别到一般的过程;其二，它的结论是末经证实的，具有或然性。
2)归纳法的作用及其局限性归纳法在科学研究中主要有以下作用:
（1）从大量观察、实验得来的材料中发现自然规律、总结出科学定理或原理这是科学工作中最初步的然而是最基本的工作。达尔文曾经说过:"科学就是整理事实，以便从中得出普遍的规律或结论。"爱因斯坦说:"科学家必须在庞杂的经验事实中间抓住某些可用精密公式来表示的普遍特征，由此探求自然界的普遍真理。"归纳法正是从经验事实中找出普遍特征的认识方法。科学史表明，自然科学中的经验定律和经验公式大都是运用归纳法总结出来的。例如关于行星至太阳距离的波德定律，关于气体压强、体积和温度的波义耳定律、吕萨克定律和查理定律，关于电磁作用的毕奥一萨伐定律、法拉第定律，关于元素化合的定比定律，以及关于生物进化的生存竞争规律等等，都是和归纳法的运用分不开的。对这些定律的进一步解释能使我们的认识深人一步，进而作出重大发现。
（2）它可以从科学事实中概括出一般规律，提出科学假说和理论科学发展史表明，自然科学中的许多经验定律和经验公式都是用归纳法概括出来的。归纳法可以从某些已有的科学事实推出未知的原理，从少量的个别性陈述推出一般性论断，能扩展人们的知识成果。牛顿并没有一一地研究各个天体和每个物体之间的相互作用，而主要是从太阳与地球、太阳与月亮的关系出发，得出了一切物体之间都有力的相互作用的万有引力定律。著名的哥德巴赫猜想就是用不完全归纳法提出来的;1742年，德国数学家哥德巴赫根据奇数77=53+17+7.461=449+7+5=257+199+5等例子看出，每次相加的三个数都是素数，于是他提出一个猜想:所有大于5的奇数都可以分解为3个素数之和。他把这个猜想写信告诉欧拉，欧拉肯定了他的想法，并补充提出:4以后每个偶数都可以分解为两个素数之和。前一个命题可以从这个命题中得到证明，这两个命题后来就合称哥德巴赫猜想。对假说和猜想的检验推动着认识不断接近真理。归纳法作为提出假说的一种方法，对探索真理有启发作用。
（3）归纳可以为科学地设计和安排观察实验提出逻辑根据这有利于用简明和确定的方式揭示事物的因果性和规律性。人们常把归纳称为"发现的逻辑"，就不仅是指它能创造性地整理经验材料，而且还有助于创造性地指导人们去搜集和揭示新的事实。如为了研究太阳黑子或日蚀的作用，人们要尽力在其他条件相似的情况下对比出现黑子或日蚀，不出现黑子或日蚀时发生的不同现象，从而判断黑子或日蚀同某种现象(如无线电传播失常)间的关系，这就是利用求异归纳法来设计观察。
（4）归纳法的其局限性。首先，它的结论不是充分可靠的。由于个别事实中包括着某种一般性，归纳结论有一定的可靠性，随着被考察的事例增多，其可靠性增加。又由于任何个别都不可能完全包括在一般之中，归纳结论又是或然性的;即使有很多的个别事实也不能充分证明普遍性的东西。而只要有一个事例与归纳得来的普遍性结论相背，这个结论就不能成立和被证伪。其次，归纳是以直观经验为基础的，它不能揭示事物产生的原因和本质，而只是在不同程度上描述现象和过程。人们观察了蒸气冲开壶盖之类的事实之后，有可能从中归纳出热运动转化为机械运动的结论，甚至可以据此认识制造出蒸汽机来，但即使观察了I0万部蒸汽机，也无法通过归纳结论来说明热运动为什么会转化为机械运动。所以，恩格斯指出:"我们用世界上的一切归纳法都永远不能把归纳过程弄清楚。"
归纳法尽管有这样那样的局限性，但是完全否认归纳法是不正确的。作为一种科学方法它是有客观基础的。客观世界确实存在着因果规律。客观事物存在着本质和现象，必然和偶然，一般和个别的辨证关系，本质要通过现象表现出来，必然要通过偶然的事件表现出来，通过个别的偶然事件去捕捉事物的必然和一般，是人们认识客观事物的一种方法。虽然它的结论并不一定是真的，但它仍然不失为一种探索自然的有效方法。而且，归纳法在自然科学史上确实发挥了重要作用，无论在科学发现还是在确认理论时都起过重要作用。总之，归纳法作为科学的推理方法，无论在科学理论的发现过程中，还是在科学理论的检验、确认中都起着重要作用。归纳法过去是，今后仍然是科学发现和确认理论的重要方法之一。
3)归纳法的类型根据归纳的前提是否包括所研究的某一类事实的全体，可分为完全归纳法和不完全归纳法。在不完全归纳法中，还可以根据是否分析出某类事物具有某一种属性的原因，区分为简单枚举归纳法和科学归纳法。不同类型的归纳法各有其不同的优缺点，在运用归纳法时应根据研究对象的特点选用其中的某一种类型。
（1）完全归纳法这是根据某类事物中的每一个事物都具有某种属性，推演出这类事物有此属性的一般结论的推理方法。完全归纳法是由于观察、研究了某一类事物中每一个体都有某一属性，然后推断出该类全体都有某一属性的一种归纳法。这种归纳法由于考察了一类对象中的每一个事物，因此它的前提是结论的充足理由，结论是必然的。无论在日常生活还是在科学研究中，完全归纳法都具有重要的意义，并被广泛地应用着。在数学中，有些定理的证明就常常采用完全归纳法。比如，几何学中有这样的定理:"圆周角等于它所对的圆心角的一半。"我们要证明这个定理，就必须分三种情况来研究，一是圆心在圆周角两边之间，一是圆心在圆周角一边上，一是圆心在圆周角之外。在证明了这三种情况下圆周角都等于圆心角的一半之后，才算完全归纳地证明了这一定理。完全归纳推演出的结论是可靠的，这是它的优点。因为在前提里研究了某类事物的每一个别对象都具有某一属性，从而在结论中推出该事物都具有某一属性。完全归纳法的特点在于其结论没有超出前提的范围，只要其前提是真实可靠的，其结论也必然是真实可靠的。但只有当某类事物所包括的个体数目不多时，d能运用这种方法。然而，在实际的科学研究中，大都涉及数目非常多的个体，要完全搜集无一遗漏是困难的，因此，完全归纳法的应用范围是很有限的。
（2）不完全归纳法这是从一个或几个(不是全部)情形的考察中作出一般结论。它分为简单枚举法和科学归纳法两类。
简单枚举法它通过简单枚举某类事物中的一部分对象都具有某种属性，而无一反例，由此推及全体，概括出该类事物的一切对象都具有此种属性。
简单枚举法的优点是用起来方便，它可以根据少数已知知识推演出一般的结论，因而在科学研究中被广泛采用，并常常由此获得重要的研究成果。
简单枚举法的缺点则在于归纳得不完全，它的根据是在所观察到的一些事实中没有遇见相反的事实，但是因为它没有考察同类的所有事物，因此它的前提只是结论的不充足的理由，结论只能是或然的。难免犯"以偏概全"的逻辑错误，因而不能保证其结果的正确性，带有很大的或然性。例如，在相当长的时间内，动物学家们都认为:"天鹅皆白"、"鸟都会飞"等，但后来人们却发现，在澳大利亚就有黑天鹅，在非洲就有不会飞的鸵鸟，因而上述一般结论也就否定了。又如在相当一个长时期内，动物学家都相信:"所有的哺乳动物都是胎生的"，但是后来发现，鸭嘴兽是哺乳动物，却不是胎生的，而是卵生的，于是这一结论就被推翻了。这就充分说明，简单枚举法只能运用于一定的范围。尽管这样，简单枚举归纳推理方法在人们的认识过程中，还是具有重要作用的。因为，它对事物进行了初步的概括，提供了尚待证实的假说，为人们的科学研究提供了一定的线索和方向，这在科学发展中是不可缺少的环节。
科学归纳法科学归纳推理方法是根据某一门类的一部分对象的本质属性和因果关系的研究而作出关于这一门类的全部对象的一般结论的推理方法，或者说是以某类事物的部分对象的必然属性或必然联系为基础，作出关于该类所有对象具有某种属性的一般结论的推理方法。这种方法称为科学归纳推理方法。科学归纳推理方法是不完全归纳推理方法当中最重要的一种。这种方法不同于完全归纳推理方法，因为我们在前提中所考虑的只是对象的一部分，而不是全部。这种方法也不同于简单枚举归纳推理方法，因为它不是简单的枚举，而是考虑到这类对象所特有的本质属性和它所以发生的原因，而发现它们的规律性的。概括起来说有求同法(从不同场合中找出相同因素)，存异法(从两种场合的差异中找出因果联系)，共用法(将求同法和存异法二者结合起来寻找因果联系)，共变法(从某一现象变化所引起的另一现象变化中，找出两个现象之间的因果联系)，剩余法(在一组复杂的现象中，把已知因果联系的现象减去，探求其他现象的原因)。这五种方法在逻辑学中也叮叫"穆勒五法"。在这五种方法中，共用法是求同法和存异法二者的结合，共变法和剩余法是求同法和存异法的引伸和补充。因此，最基本的方法是求同法和存异法。它们在科学研究中起过一定作用，为揭示事物的因果联系提供了逻辑根据。
2.演绎法演绎推理是科学研究中一种十分重要的思维方法、理论研究方法、表述方法，科学原理和科学体系必须遵循演绎逻辑的规则。由笛卡尔提出。
1)演绎推理的主要形式和特点它是根据已知的一般原理，推知某个从属于该类的特殊事物的新知的推理方法。和归纳法相反，演绎是从一般到个别的推理。其主要形式是三段论，即由大前提、小前提和结论三部分组成。大前提是已知的一般原理，小前提是已知的个别事实与大前提中的全体事实的关系，结论则由大、小前提中通过逻辑推理获得的关于个别事实的认识。例如，一切化学元素在一定条件下发生反应，惰性气体是化学元素，所以，惰性气体在一定条件下确实能够发生化学反应。人们根据一切化学元素都在一定条件下发生化学反应这一观点，推知惰性气体也是可分的，这里运用的就是演绎推理方法。从这个例子可以看出，演绎推理是一种必然性推理。因为推理的前提是一般，推出的结论是个别，一般中概括了个别，凡是一类事物所共有的属性，其中的每一个别事物必然具有，所以从一般中必然能够推出个别。然而，推出的结论是否正确，这要取决于推理的前提是否合乎逻辑规则。在推理的形式合乎逻辑的条件下，运用演绎法从真实的前提中一定能得出真实的结论，且其推理方向是从一般到个别的过程。这就是演绎推理的特点。
为了保证得出正确结论，演绎推理方法必须有真实正确的前提。如果演绎推理方法的前提是仅仅通过归纳得出的带有或然性的结论，从这样的前提演绎出来的结论，当然不完全可靠了。即使演绎推理的前提是可靠的，如果只停留在演绎推理方法本身范围内，不对新的事实作具体的研究，其结论的意义也是极有限的。
演绎推理方法被广泛地应用于天文、物理、数学及其他科学研究中。包括笛卡尔和爱因斯坦在内的许多著名科学家都对演绎推理方法给予高度的重视。
2)演绎法的作用及其局限性演绎法能为科学知识的合理性提供逻辑证明，科学定理、定律和命题等是否合理，一般都要用普遍的原理、原则和公理等来证明，这就需要运用演绎法。演绎推理的证明还可以把有关的科学知识合理地联系起来，形成逻辑严密的理论体系。所谓公理化体系，也就是以演绎推理为工具构筑起来的理论体系。演绎推理证对于人们进行各项工作有重要的指导作用，如人们做出的工程设计、计划、方案等，在付诸实施之前，通过逻辑证明和数学证明可以对其合理性作出鉴定，对其实际效果作出预测。演绎推理对于反驳错误的理论学说也有重要作用，例如枷利略就是先运用演绎推理方法，后用实验方法推翻了亚里土多德关于落体的速度与其重量成正比的错误观点。他的演绎推理是:假设物体A比B重得多，如果亚里土多德的论断是正确的话，A就应该比B先落地。现在把A与B捆在一起成为物体A+B。一方面，因A+B比A重，它应比A先落地;另一方面，由于A比B落得快，B会拖A的"后腿"，因而大大减慢A的下落速度，所以A+B又应比A后落地。这样便得到了自相矛盾的结论:A+B既应比A先落地，又应比A后落地。这两个自相矛盾的结论在逻辑上是不相容的，但都是以亚里士多德的论断为前提推演出来的，因而证明亚里士多德的观点有错误。两千多年来的错误论断竟被如此简单的推理所揭露，可见，演绎推理方法有严密、准确、透彻的功效。
演绎推理是作出科学预见的一种手段。发现了某些科学事实之后，运用演绎推理对其作出合理的解释，常常为科学预言和假说的提出指明正确的途径。由于科学理论是已被实践检验过的真理，由此作出的推论就是有科学根据的，它对实践有指导作用。20世纪20年代，人们发现在衰变中有能量亏损现象，衰变放射出来的电子带走的能量小于原子核损失的能量。为了找到这一现象的真实原因，物理学家泡利根据能量守恒原理作出推论：在衰变中有一种尚未发现的微小中性粒子带走了亏损的这部分能量。意大利物理学家费密把它命名为"中微子"。到1956年人们利用原子反应堆进行一系列观察和实验，终于确证了中微子的存在。
演绎推理是发展假说和理论的一个必要环节。科学假说和理论都要经受实践的检验而不断地得到发展。用什么实验检验它，怎样去检验，这就需要从理论和假说中推演出一个可以与实验相对比的具体结论用以指导实验，设计实验。这一推演过程就是演绎推理。
演绎法在科学认识中的作用虽然很大，但也不是完美无缺的，也有它的局限性，主要表现在:
演绎法是创造性比较小的思维方法光靠演绎法不可能在科学上取得较大进展。演绎法的主要作用在于逻辑证明，而不在于科学发现。诚然，演绎证明也是从已知到未知的推理，也可以从中作出预言，推出新知识，扩展已知的知识。但是，由于演绎是从一般到个别的推理，因而不可能对科学知识作出新的概括，不可能用它总结出更普遍的科学原理。演绎推理的结论原则上都包括在其前提之中，不可能超出其前提的范围，它提供的新知识极为有限，因而光靠演绎法，不可能在科学上取得较大进展。
演绎推理的结果的可靠性受到前提的制约孤立的演绎不能保证结论的正确。由于演绎推理结论的正确性取决于前提的正确性，而前提是否正确在演绎范围内是无法解决的，这又必须依赖于归纳法和其他科学方法得出一般原理作为演绎前提。而归纳结论又有其或然性，所以演绎结论也并不是绝对可靠的，这也要靠归纳事实加以检验。因此，演绎不是推出知识的惟一方法，作为演绎出发点的公理、定律、假说等都是运用其他认识方法的结果。仅仅依靠演绎推理的"三段论"是可以获得新知识的，但新知识未必正确。因为"三段论"要求两个前提(大前提和小前提)都必须是正确的，只要其中一个前提不真实或不完全真实，结论就会不正确。然而人们围于传统的习惯，往往机械地套用"三段论"，就得出了不少错误的结论。所以，孤立的演绎本身不能保证结论的正确。
孤立的演绎本身不能正确地反映不断变化着的客观世界演绎方法的作用在于它是由一般到个别的思维运动，演绎推理的前提是对个别事物的共性和本质的判断，它本身只能揭示共性和个性的统一，不能进一步揭示共性和个性的对立。共性不能全部包括个性，个性并不全部进人共性，因此，共性出发不能揭示个性的多方面的属性。只考察事物的共性，不考察事物的个性，只研究共性和个性的统一，不考察共性和个性的对立，就会导致人们认识上的片面性。
3)归纳和演绎的辩证关系自从培根倡导归纳法，笛卡尔倡导演绎法以来，历史上就长期存在着归纳主义的“归纳万能论”同演绎主义的“演绎万能论”之间的争论，从辨证唯物论的认识论来看，无论归纳还是演绎，都没有权利要求成为科学发现的唯一的或占统治地位的形式，这是因为：二者在科学认识中特定的功能（归纳法获取新知识的功能，演绎法科学预见、科学证明、建构理论以及在某种科学发现上的功能）都是整个科学认识中不可缺少、不可完全替代的；归纳和演绎在运用中互相依赖、互相渗透，并在一定条件下互相转化。如演绎的大前提要依赖归纳，归纳过程的分析要依赖演绎，单纯依赖归纳或演绎本身，都无法克服各自的先天缺陷，如归纳法结论的随机性问题，演绎大前提的来源问题。从认识论根源上来看，片面的归纳主义和演绎主义都看不到人的认识本来就是在从特殊到一般、又从壹般到特殊的往复过程中不断深化的它是渐进性和飞跃性的统一、逻辑思维和非逻辑思维的统一，不但归纳和演绎是相互依赖、相互补充的，它们同其他许多方法也应当是相互依赖、相互补充的。
正如一切客观事物都是个别和一般的统一体，在思维中，从个别到一般和从一般到个别的推理也是相辅相成的。归纳和演绎这两种方法既互相区别、互相对立，又互相联系、互相补充，它们相互之间的辩证关系表现为:一方面，归纳是演绎的基础，没有归纳就没有演绎，另一方面，演绎是归纳的前导，没有演绎也就没有归纳。一切科学的真理都是归纳和演绎辩证统一的产物，离开演绎的归纳和离开归纳的演绎，都不能达到科学的真理。
归纳和演绎在认识过程中的互相渗透在数学归纳法中体现得最为明显。数学归纳法是一种证明方法，它的证明步骤是:(1)对于一个与自然数有关的命题A，证明当n=1(或n等于一个有限的正整数)时命题A成立，(2)假设命题A对于n=k时成立，要求推出命题A对于n=k+1也成立。由(1)和(2)，可知命题A对所有的自然数都成立。这个证明过程从形式上来看是一个归纳推理，因为它是根据A对于n=1成立，n=k成立，n=k+I也成立得出一般结论的。但实质上，这里既有归纳也有演绎。A对于n=1成立是推理过程的出发点和基本根据，这是一个个别性的命题，所以推理有归纳的性质。但是，证明的关键步骤是演绎:假设n=k时命题A成立，n=k+1时命题A必然成立，这个判断就作为演绎推理的大前提，并根据任何一个自然数m都可以表示为k+1+1+…+1的形式这个小前提，推出A对于所有的自然数都成立，这个步骤就是一个演绎推理。在这里，演绎仍然是以归纳为基础的，因为当假设命题A对于n=k成立时，它是以归纳证明的第一步已经证实n=1时命题A成立为前提的，若没有这个特例作为基础，就不能假设A对于n=k成立。
3.类比法
1)类比推理的特点及其类型通过对两个(或两类)不同的对象进行比较，找出它们的相似点或相同点，然后以此为根据，把其中某一对象的有关知识或结论推移到另一对象中去，这种方法叫类比方法。类比方法与归纳推理方法、演绎推理方法，是推理方法的三种主要形式，属于形式逻辑的范畴。类比方法是以比较为基础的。在形式逻辑中，类比是在同类或相近事物之间的比较。其模式为:
A对象具有a、b、c、d属性
B对象具有a'、b'、c'属性那么，B对象可能也具有d'属性
(其中，a'，b'，c'，d'，分别与a、b、C、d、相似或相同)。由于类比是就两个(或两类)特殊对象的比较，而作出有关某一特殊对象的结论的，因而类比的过程，是一个由特殊到特殊、由此物及于彼物、由此类及于彼类的过程。
类比是科学认识的一个重要方法。科学认识犹如登山一样，它是立足在已有知识的基础上，进一步发展科学知识的一种有效的试探方法。在科学认识中，人们为了变末知为已知，往往借助于类比的方法，把陌生的对象和熟悉的对象相对比，把未知的东西和已知的东西相对比。这种类比的方法，在科学研究中具有启发思路、提供线索、举一反三、触类旁通的作用。
类比推理本质上具有逻辑性和直觉性的双重特征。首先，类比推理是一种不完全的逻辑方法，它的推理方向是从特殊到特殊，可看作是归纳和演绎的简并缩合过程。类比过程中包含着归纳的成分，即从特殊对象中归纳出一般结论;但归纳的前提的对象只有一个，所以是一种极不完全的归纳。类比过程中又包含着演绎的成分，即从一般的结论推断出另一特殊对象的结论;但由于本身包含的归纳尚存疑问，所以这是一种极不严格的演绎。其次，人们运用类比推理的过程并没有自觉的或明确的归纳演绎逻辑程序，实际起作用的是直觉因素。所以，类比推理与其说是一种逻辑推理，还不如说是一种直觉的心理过程，或者说是介于逻辑和直觉之间的方法。正是类比推理中的这种直觉因素和逻辑的不完全性，使得类比推理既具有很大的创造性又具有很大的或然性。
类比推理类型根据类比对象属性之间的关系，可以把类比推理分为
简单共存类比这是根据两个对象的各自属性之间可能具有同样的简单并存关系而进行的类比推理。它的格式是:
A对象有:a、b、C和d属性，有简单并存关系
B象有了a/、b/、c/分别与a、b、c相似所以B对象也可能并存有d/属性在这种类比中，人们只知道类比的相似属性与待确定的因子是并存的，但并不知道它们之间有没有其他的联系，这就决定了简单共存类比具有较大的或然性，其结论的可靠性比较低。尽管如此，在科学技术研究中，在对研究对象知之甚少的情况下，还是有很大的帮助发现意义的。地球上存在氦元素的结论，就是科学家们根据太阳上存在该元素和太阳与地球上并存有许多相同元素的事实，运用简单共存类比推论出的。
因果关系类比这是根据两个对象的各自属性之间可能具有同一种因果关系而进行的类比推理。它的格式是:
A对象有:a、b、C并与d有因果关系
B对象有:a/、b/、c/分别与a、b、C相似所以，B对象可能有T，与a/、b/、c/有因果关系这种类比所依据的因果关系与简单共存关系相比，必然性程度高些，因而结论的可靠性也高些。但这种因果关系终究是特殊对象的东西，不一定恰好适合另一特殊对象，因而它仍然是一种或然性的推理。
对称类比这是根据两个对象的各自属性之间可能具有类似的对称关系而进行的类比推理。它的格式是:
A对象有:p和g属性，且二者有对称关系
B对象有:p`属性,且与平p相似所以，B对象可能有g"属性且与p'对称对称类比的结论往往比因果类比的可靠性程度要高一些，因为在一事物中，与一方对称的另一方只有一个。但一事物中的对称关系，并不一定恰好适合另一特殊对象，所以它也还是一种或然性推理。
自然界普遍存在着事物间和事物属性间的时间对称、空间对称、极性对称等对称现象，这正是应用对称关系类比的客观基础。物理学上许多反粒子的发现，就首先是对称类比的结果。物理学家狄拉克在解电子运动方程时得到正负两个能量解，正能量解对应的是电子，负能量解又意味着什么呢?他根据物质的对应关系，把电荷和电子加以类比，得出了可能存在与电子相对称的带正电的正电子的结论。三年后被实验证实。理学家们又运用这种类比，推论出了可能存在反质子、反中子等反粒子的假说。
协变类比这是根据对象的属性之间，具有某种确定的协变关系即函数变化关系而进行的推理。协变类比定量地描述了对象的属性之间的关系，比前面几种只作定性描述的类比前进了一步，使对象的属性之间的关系更为确定，可靠性也更高。它的推理格式有两种形式。
第一种形式是根据对象属性的地位和作用相似，推出其数学关系相似。其推理格式为:
A对象有:a、b、C属性，其函数关系为f(a，b，c)
B对象有:a'、b'、c'属性，且与a、b、c分别相似所以B对象可能有与A相似的函数关系式f(a，、b，、C，)
第二种形式是根据对象之间数学关系相似，推论出其他属性或关系相似。其推理格式为:
A对象有:可用数学模型p来描述，且已知具有属性a、b……
B对象有:可用与P相似的数学模型p/来描述，
所以，B对象也可能有与a、b、·…¨相似的属性a，、b，"
综合类比这是根据对象属性的多种关系的综合相似而进行的推理。综合类比由于根据属性的多种相似关系，所以结论基本可靠。但实际上不可能把对象的所有关系都综合进去，所以仍然具有或然性。
2)类比推理的作用及其局限
(1)类比法在各种逻辑推理方法中，是最富于创造性的一种方法首先，它的应用范围特别广。归纳法和演绎法其适用范围仅限于同类事物中的联系，而进行类比的两个事物可以是同类的，也可以是不同类的，甚至类差是非常大的;而且它们之间进行类比的属性和关系可以是本质的，也可以是现象的;它们之间的相似点可以有多个，也可以只有一个。因此，运用类比方法有利于科学家充分发挥想象力，在广阔的范围内把不同的事物联系起来进行类比，从而提出具有创造性的科学思想。其次，它虽然也要借助于已知知识，从已知推测未知，但却不受已知知识的束缚。演绎法受到作为前提的一般原理的限制，归纳法则过分地受到特殊知识数量上的限制。类比法可以只根据少数特殊知识，而提出富于创造性的科学思想。在科学发展过程中常常出现这样的情形:当发现了某些科学事实之后，由于旧的理论无法解释，演绎法对此无能为力;由于科学事实数量太少，归纳法也无从下手。这时，类比法却可起到探索尖兵的作用。
（2）类比法是提出科学假说的一个重要的逻辑方法科学中许多重要理论，往往开始时以类比法提出科学假说，然后经过实践检验发展为科学理论，从而开辟一个新的研究领。如法国物理学家德布罗意的物质波理论的建立就是如此。德布罗意注意到:在几何光学中，光运动遵循光线的最短路程原理;在经典力学中，质点运动遵循力学最小作用原理，两者的数学方程式是完全一致的，而光具有波粒二象性，使用类比法得出实物粒子也有波粒二象性的假说。进而，他把光的波长(入)与动量(p)的关系和实物粒子的波长(入)与动量(mv)进行类比，预言了物质波的波长，并被实验事实所证实。物质波的理论是构成现代量子力学的基础。它对薛定谭创立波动力学和海森堡创立矩阵力学起了重大作用。又如,1678年，荷兰物理学家惠更斯将光和声这两类现象进行了对比，证明它们都有直线传播以及反射、折射等共同属性。而声的本质是由物体的振动所产生的一种波动。由此，惠更斯认为光的本性也是一种波动，从而创立了光的波动说。因此，应用类比的方法，是提出科学假说的一条重要途径。
(3)类比法是促进技术发展的一种科学方法如人们看到风等依靠风力可以升空，把它和初期的飞机的机翼进行类比、仿制，促进了飞机制造技术的发展。在仿生学中，类比方法的作用更为显著。生物的功能是一种生理过程，是生命运动的形式，而人们仿效生物的功能制造出来的东西是物理的、机械的和化学的过程，两种事物的类差很大。人们受到生物某一功能的启发而提出某种仿生设计思想的时候，就是把两类事物进行了类比。现代的仿生学就是把生物的许多导航、识别、计算、生物合成和能量转换系统的小巧性、灵敏性、快速性、高效性、可靠性和抗干扰性等方面，与机器进行类比、仿制而形成的。它促进了技术的发展，创造了许多新的机器设备和材料等。
总之，类比方法是当代科学研究的重要方法之一。在某个科学领域的开拓时期，在一个领域向另一新领域过渡的时候，在两个领域之间产生边缘学科的时候，类比方法都十分明显地起着启示、探索、开路、创新的作用。当然，类比方法的应用不是孤立的。实际上，人们总是把类比方法和演绎方法、归纳方法以及其他方法结合在一起，综合地或者交替地使用。大致地说，在一个研究领城的开拓时期，类比方法的作用比较突出;在这个领域已经打开大门，经验材料大量积累起来的时候，归纳方法就大有用武之地，而到这个领域已经成熟，已经确立它的一般原理和理论体系之后，演译方法的作用显得比较突出了。
由此可见，类比法和演绎法、归纳法比较，有更大的优越性。黑格尔曾高度评价这种方法，认为它理应在经验科学中占很高的地位。
但是，类比法在各种逻辑推理方法中，是可靠性最小的一种方法。运用类比法，常常推出错误的结论。类比推理的结论之所以不一定可靠，主要有以下三方面的原因:，是由类比法的客观基础所决定的。类比法乃是异中求同的方法。客观事物之间的相似性或同一性，使类比法有可能获得正确的结论;客观事物之间的差异性，又使类比法的结论带有或然性。如果根据两个事物具有相似性进行类比推理，推出的属性正好是它们的差异性时，类比法的结论就会发生错误。类比推理的逻辑根据是不充分的。类比法是以两个对象的某些属性相似或相同为前提，推出它们在其他属性方面也相似或相同。其前提和结论之间并没有必然的联系，只是一种可能性。这就决定了类比只是一种或然性推理。类比法的理规则是很不严密的。逻辑推理的结论的可靠性似乎与其推理规则的严密程度成正比。演绎法具有最严密的推理规则，归纳法次之，类比法的推理规则最不严密。演绎法的可靠性也最大，归纳法次之，类比法最小。
第三节科学思维培养有人说:"如果思维是人的智慧中最美丽的花朵，那么科学思维就是这朵花里最高贵的花蕊。"思维是在表象、概念的基础上进行分析、综合、判断、推理等认识活动的过程，是人类特有的一种精神活动。在思维形式上有真判断和假判断之分。而明确概念、做出判断、进行推理的逻辑思维过程，需要运用分析与综合、归纳与演绎相结合的科学思维方法。
在占有详尽资料的前提下，科学研究常常需要有科学的思维。那么如何培养科学的思维呢?根据作者切身的科研体会，以下几个方面值得注意。
1.坚持分析与综合的逻辑方法在科学研究中，尤其是实验科学中，常常会获得大量的数据，要得出一般性的结论，就必须对这些数据进行分析和综合。分析是在综合指导下的分析，综合是分析的提高，两者是相辅相成的，两者不可割裂。著名的天文学家开普勒（1571－1630）在第谷(1546－1601)遗留的大量天文观测资料中，经过繁杂的计算和分析，最终总结出了著名的开普勒三大定律。
2.坚持归纳与演绎结合的逻辑方法归纳、演绎是科学研究中最常用的思维方法。归纳是从特殊到一般，可以看成是分析、综合、抽象的一个过程;而演绎则从一般到特殊，由已知的一般性结论推出某些特定条件下的未知情况。在开始某一实验之前，我们常常需要根据某一已知的理论，"演绎"可能出现的实验结果;实验结束后，就必须对实验数据进行分析、归纳、得出较为普适性的结论。
3.展开合理的想象想象是非逻辑方法。有人说"想象是思维的翅膀"，想象在思维中的作用可见一斑。想象是立足已知事实，根据科学规律，发挥人的思维潜能的一种思维能力。想象是有根据的对未知事物的一种"超前"看法，想象不是异想天开，天马行空。要培养科学的思维，就必须展开合理的想象。
4.培养创造性的思维创造性思维是以科学理论为指导，面向实际，敢于提出新问题、解决新问题的思维活动。上世纪初，为解释瑞利-金斯发散问题，普朗克(1858－1947)创造性地提出了黑体辐射能量密度公式，相当精确地描述了以后的实验结果，并导致量子力学的建立。对于那些计划将科学研究作为自己未来职业的人，在当今不断创新的社会中，更应不断开拓进取，着力培养自己的创造性思维。
5.培养适当的直觉思维有些时候，直觉思维对于快速地判断某一未知事物往往会有意想不到的帮助。比如著名的物理学家海森堡，深通物理精髓、但其数学功底却显得相当薄弱。尽管他不会严格计算湍流，但是他根据自己的直觉猜出了湍流解，并且这个解被其他物理学家证实。
创新是一个民族自立、国家强大的灵魂。而科学思维能帮助我们掌握科学的创新方法，开展科技创新活动。从这个意义上说，学习、掌握科学的思维方式，对培养科学的思维习惯，取得科研的成功，进而推动科技进步，都有莫大的稗益。
以上介绍了八种典型的科研方法和一些典型的思维方式，学习并掌握了这些方式方法，将有助于在科研工作中发挥才智并取得预期的科研成果，但这并非是最终目的。我们要在掌握科研方法和思维方式同时，注重科研态度的培养和训练，因为从事科研工作(包括做任何事情)，态度是决定一切的，"Attitudeiseveyhing"。因此，无论在哪个领域从事科研工作，要想获得成功，都应该做到:
①要有追求真理的事业心;
②要有循序渐进的平常心;
③要有难以满足的好奇心;
④要有坚持不懈的进取心;
⑤要有一丝不苟的敬业精神;
⑥要有求真务实的踏实作风;
⑦要有克服万难的决心毅力;
⑧要有无私无畏的奉献精神;
⑨要有团结协作的合作精神;
⑩要有服从事实的宽广胸怀。
小结科研方法有三个层次:即哲学方法、一般方法和特殊方法，三者相互关联、互为条件。
在科研工作中，典型的科研方法可以归纳为八种:①观察－探索未知世界的窗口:②实验－发现科学奥秘的钥匙;③模拟－再现模型的运动规律;④数学－简明精确的形式化语言;⑤理想化－突出问题本质的抽象;⑥类比－通向科技创新的桥梁;⑦假说－科学研究理论的先导;⑧综合－创建科学体系的总结。
典型的思维方式也可归纳为八类:①抽象－抽取固有本质特征，对研究对象规律性的认识过程;②概念－反映同类研究对象一般的、本质属性的思维方式;③判断－对研究对象有所断定的一种思维方式;④推理－由一个或若干个判断过渡到新的判断的思维方式;⑤证伪－对已有的理论或学说举反例以论证其谬误或不完备;⑥想象－反复思考一个问题，任自己的思想在脑海中自由运行;⑦直觉－对研究情况的一种突如其来的领悟或理解;⑧自治－研究者提出的理论或学说应具有内在的自洽性。
科学研究必须运用理论思维。创造性科学思维活动包括三个阶段:问题提出阶段、探索创造阶段和整理完善阶段。
科学思维的培养:①坚持分析与综合的逻辑方法;②坚持归纳与演绎结合的逻辑方法;③展开合理的想象;④培养创造性的思维;⑤培养适当的直觉思维。