科研方略十八講之一：工善其事，必利其器

>天天快報

科研方略十八講之一：工善其事，必利其器

知社學術圈

2016-12-08閱讀原文

海歸學者發起的公益學術平台

分享信息，整合資源

交流學術，偶爾風月

戴世強老師是上海大學終身教授，博士生導師。現為中國力學研究學會數學方法專業委員會副主任，《水動力學研究與進展》編委會副主任；曾任中國力學學會副理事長。多年來致力於流體力學、應用數學以及力學史和方法論的研究。經戴老師授權，知社從本周起，連載戴老師所著《科研方略18講》，供大家參考。

序言

「科技是國家強盛之基，創新是民族進步之魂」；「千秋基業，人才為先」。當今我國正值要依靠經濟與產業轉型來實現中國夢而協力奮進之際，管理者和科技人員對此身負重任，而一代又一代的青年英才的精心培育與茁壯成長尤為刻不容緩的任務。

本書作者長期從事應用數學、流體力學與交通領域的研究，成果累累，業績斐然，深受同行們敬崇；且長期熱忱與青年學友們交流，在網上開設博客，以文會友，傾吐學習方略和科研心得，對青年朋友諄諄誘導，使交流者得益匪淺。相應的材料經十年積累，加以悉心編輯，寫就《科研方略18講》一書，本書兼備全面、淺近、簡約、立德諸多特色。全面者，內容涉及科學研究各個環節：學習、選題、調研、立項、運作和總結；對科研的主要技巧作了精緻介紹：觀察、實驗、假設、建模、機遇、頓悟、推理和寫作；闡述了研究者應具的素質與學術規範，且對創造心理學和科學美學作了簡介。淺近者，全書明白易懂，無空洞說教，摒棄深奧原理，多以案例分析使讀者領悟入門的要領並進入科學探索的殿堂。簡約者，全書篇幅不大，薄薄一冊，提綱挈領，文筆簡潔，但娓娓道來，引人入勝。立德者，全書始終貫串：「才者，德之資也；德者，才之帥也」的精神，不僅詳列了學術工作中應循的規範，而且列舉了許多深享盛譽的科學家們的垂範實例，使讀者深受教益。本書在文筆上頗具特色。表面上看來，信手拈來，單刀直入，侃侃而談。實際上則是深思熟慮，細雨和風。苦口婆心，耐人尋味，堪稱一絕。

蒙作者抬愛，邀約作序，實不勝惶恐。我深信本書的問世必將甚有益於廣大科技工作者，特別是新生代的朋友們。我願為本書作鄭重推介。

何友聲

上海交通大學

2014年8月15日

前言

2004年5月21日，應上海市科委的邀請，我在上海市啟明星聯誼會上做了題為「關於科研方法的一些思考」的報告。「啟明星」計劃是上海市科委策劃的一個人才計劃，啟動於1994年，資助對象是上海市各高校和科研單位的35歲以下的科技英才，頭十年每年下達給30人左右，現已擴至每年60～80人，並設有啟明星追蹤計劃。這一舉措對於上海市基礎科研水平的提升起了重要作用。為了慶祝該計劃實施10周年，上海市科委舉辦了系列活動，我的講座是其中的一項內容，聽眾約有150人。

該講座根據自己多年來的科研實踐和觀察心得，淺論關於科研方法的若干關鍵問題。內容包括：科學方法論要旨；科研工作者的必備素質；科研工作的準備；科研工作的一些技巧要領；科研工作的組織。由於我主要從事應用數學和力學研究，哲學社會科學的修養和學識有限，在講座中不注重講述深邃的哲理，僅通過一系列實例分析，歸納科研方略的一些基本要點和實用型技巧。沒料到這一個兩小時左右的報告受到熱烈歡迎。事後在網上發布了有關信息。

此後的十年間，我陸續接受一些高校和科研單位的邀請，做了類似的報告，邀請者包括中科院力學所、中科院研究生院、北京大學、清華大學、中國科技大學、復旦大學、上海交大、西安交大、北京交大、首都師範大學、天津大學、南開大學、浙江大學、中山大學、四川大學、華東師範大學、同濟大學、山東大學、湘潭大學、中南林業科技大學、中國船舶科研中心、浙江省水利河口研究院等五十幾家單位。還在校內、所內講了多次。在此過程中，根據聽眾和朋友的意見，逐步對講座稿進行了一些修改和補充。

2013年年初，我應香港城市大學科學與工程學院之邀，到那裡訪問，除了完成約定的任務以外，還為研究生開設了專題課程「科研方略十八講」，寫成了一份提綱性的講義。回滬之後，陸續對這一講義做了補充和修改，形成了呈獻給讀者的這本小書。與歷次講座一樣，本書的讀者對象是對科學研究有興趣的年輕學人，主要是研究生、青年教師和青年科研人員，希望閱讀本書後對他們的科研實踐有所幫助。

在此，我想向以下各方面致以誠摯的謝意：

感謝上海大學出版社給予本書出版的優厚待遇，特別是，與出版社裡的老朋友、資深編輯王悅生有了再一次的愉快合作，他的編輯加工為此書增色不少。

感謝科學網博客和上大樂乎網博客這兩個絕好的交流平台，有不少材料曾在這兩個博客里「曬過」，得到了博友們的關注和指正。

感謝香港城市大學科學與工程學院的邀請和資助，使我有極好的環境啟動此書的寫作。

感謝上海市第六人民醫院老年病科的醫護人員，本書的部分修改稿是在該院住院診療期間完成的，在此期間得到了醫護人員無微不至的呵護。

雖然筆者想儘力寫好此書，但限於學識水平，肯定存在許多不足之處，敬請讀者諸君不吝指正。

戴世強

2014年8月4日

於上海大學

第1講 概論：工善其事 必利其器

我們正處於中華民族復興的偉大時代，祖國騰飛的步伐不可阻擋。想要投身時代的洪流，為民族復興盡綿薄之力，就要掌握真才實學；想掌握真才實學，就要認真學習和努力踐行；想事半功倍地學習和踐行，就要掌握科學方法論。因為古人早就說過，工善其事，必利其器；愛因斯坦老先生說過，方法比知識更重要。

作為引子，本講想探討三個問題：

什麼是科學方法和科學方法論？

科學方法在實踐中有怎樣的地位和作用？

科學工作者為什麼要掌握科學方法？

作者想告訴讀者的是：

機遇只垂青於那些懂得怎樣追求她的人；

工欲善其事必先利其器，方法極其重要；

正確運用科研方法可收到事半功倍之效；

掌握有效方法的關鍵在於反覆實踐總結。

引 言

我們先來闡明一些基本概念。

先說說什麼是科學？大家對「科學」這個名詞耳熟能詳，但對其確切涵義卻不一定說得清楚。事實上，不同的學者，對「科學」有不同的界定。

根據《蘇聯大百科全書》的「科學」條目所述，科學是人類活動的一個範疇，它的職能是總結關於客觀世界的知識並使之系統化；科學是一種社會意識形式。在歷史發展中，科學可轉化為社會生產力和最重要的社會建制。……從廣義上說，科學的直接目的是對客觀世界作理論表達（轉引自[6]）。

一些科學家對科學有各自的認識，例如，愛因斯坦指出：「科學是尋求我們看絕經驗之間規律性的有條理的思想，它是直接產生知識、簡介產生行動的手段。」達爾文說：「科學就是整理事實，以便從中得出普遍的規律或結論。」這些敘述言簡意賅地界定了「科學」的主要涵義。

「科學」一詞是舶來品，英語「science」一詞源於拉丁文scientia（求知、知識）；現譯名「科學」源於日語譯法（福澤諭吉首創於1874年）；由康有為引進中國（1898年），在上奏光緒勸說廢除科舉制度時，三次用到了「科學」一詞。此前，嚴復翻譯《天演論》時將「science」譯作「格致」，後來在翻譯亞當?斯密的《原富》（1902年出版）時才改用「科學」。經多年演化，science的美英式涵義主要指自然科學，而德法式涵義則泛指自然科學和社會科學。這是文獻中的說法，在科學工作者大流動的今天，情況不那麼絕對。目前國內的「科學」一詞在用作名詞時取德法式涵義。為確定起見，本文及後續文章中論及的「科學」大多採用美英式涵義，亦即,指的是自然科學。

概括地說，科學的內涵是：

科學是系統化、理論化的知識體系；

科學是創造知識體系的認識活動；

科學是一種社會機制。

之所以有第三條，是因為現在科學的研究對象越來越複雜，越來越仰仗於多方協同、合作，社會化程度越來越高。

下一節從科學研究的任務談起，概述方法、科學方法和科學方法論的主要涵義，簡述科學方法的發展歷程及其主要特徵；第三節敘述掌握科學方法的重要性；第四節列舉三個著名案例，用以闡釋相關論點。在結束語之後，列出若干最常見的關於科學方法的參考書目。

科學方法概述

1、科學研究的任務

自然科學研究的主要任務是：

對未知的自然領域進行研究探索，以揭示和掌握自然界各種事物的本質和運行變化規律——基礎研究。

研究如何將科學研究的成果轉化為生產力和物質產品——應用基礎研究。

關於科學研究，法國生物學家拉馬克（ J. Lamarck）有一段精闢的描述：

「觀察自然，研究它們所生的萬物；追求萬物，推究其普遍或特殊的關係；再想法抓住自然界中的秩序，抓住它行進的方向，抓住它發展的法則，抓住那些變化無窮的構成自然界的秩序所用的方法；這些工作在我看來，乃是追求真實知識的唯一法門。這等工作還能給我們以真正的益處；同時還能給我們找出許多最溫暖、最純潔的樂趣，以補償生命場中不能避免的苦惱。」

這段話淺近地概括了科學研究的內容。

2、關於方法

在一般意義下，「方法」指的是為達到某種目的採取的途徑、手段或策略; 主體為從實踐或理論上把握客體而採用的思維手段和操作步驟之總和。

我們不妨探索一下英語「method」（「方法」）一詞的來源，經探究，它來自希臘語「μετοδ」(「途徑、方法」），該詞由「μετα」(「沿著」）和「οδο?」（「道路」）這兩部分構成，因此，原意更貼近於「途徑」。而漢語「方法」一詞則最早出現在《墨子?天志》中，原先指的是「量度方形之法」，後來演化成「知行之法」之意。

正如哲學家黑格爾（G.W.F. Hegel）所指出的：「在探索的認識中，方法也就是工具，是主觀方面的某個手段，主觀方面通過這個手段與客體發生關係……。 相反地，在真理的認識中，分析方法不僅是許多已知規定的集合，而且是概念的自在和自為的規定性。」

3、關於科學方法

「科學方法」指的是認識自然或獲得科學知識的程序或過程；是從科學認識過程中總結出來的規律；是具有普遍性的方法，包括科學研究中的實驗觀察方法、科學抽象方法、邏輯思維方法、數學方法、創造性思維方法、綜合科學方法、科學評價方法等等。

可以按各種方式對科學方法進行分類。

按適用的普遍程度可分為如下三個層次

第一層次：各個自然科學門類的特殊研究方法；

第二層次：各門自然科學中的一般研究方法（這是本文的主要關注點）；

第三層次：普遍性的哲學方法。

按科學方法本身的特點可分為兩大類：

——經驗認識方法（觀察、測量、實驗等）；

——理論思維方法（邏輯、數學、類比等）。

這兩類方法沒有明確的界限，經常相互交織、交互使用。一般來說，採用前一類方法獲得最基本的研究材料，採用後一類方法提取相關信息，進行演繹、發展，並上升為科學假說或理論。

按研究對象主要可分為

物質科學方法（用於物質和非生命系統）；

信息科學方法（用於信息和程序系統）；

生命科學方法（用於生命系統）；

意識科學方法（用於人類意識活動和人工智慧系統）；

人體科學方法（用於人體研究）。

還可以有別的分類。

正如科學史和科學方法論專家薩頓（G. Sarton)所說，「在科學領域，方法至為重要。一部科學史，在很大程度上就是一部工具史，這些工具——無論有形或無形——由一系列人物創造出來，以解決他們遇到的某些問題。每種工具和方法都是人類智慧的結晶。」

4、關於科學方法論

科學方法論的內涵在於：研究探討科學研究活動本身的一般規律及一般方法，以及人類認識客觀事實的基本程序及一般方法。既研究個別特殊研究方法的規律性，也研究這些方法整體上的相互聯繫。

人類的科學探索經歷了一個長期曲折的過程，科學方法論的發展過程也漫長而艱難。著名物理學家玻恩（M. Born）指出：「我相信在科學上並沒有平坦的大道……。在我們前進的道路上荊棘叢生，只有經歷了不斷試探，一再失敗，才能尋找出合適的方法，開闢出賴以前進的道路。」

5、科學方法的發展歷程

下面用大事記的形式簡要回顧科學方法的發展歷程：

觀察方法的產生遠古時代，人類在農業、畜牧業的實踐中，為了滿足確定農時、製作曆法等實踐需要，產生了原始的觀察方法；

邏輯方法的創始公元前6－3世紀，古希臘的泰勒斯、德謨克利特、亞里士多德、歐幾里德等人運用演繹推理，從經驗觀察上升到理論認識。亞里士多德創立形式邏輯上的科學方法論和公理方法，導致歐幾里德《幾何原本》問世；

數學方法開始形成公元前5－2世紀，古希臘的畢達哥拉斯、帕拉圖、阿基米德等人首先提出自然界的規律可用數學來把握的觀點，提倡用數學解釋萬物。阿基米德首次把實驗的經驗研究與演繹推理結合，建立了槓桿原理、浮力定律等。

實驗方法逐漸形成13世紀，英國科學家羅吉爾·培根率先提出實驗科學；15世紀，義大利畫家、科學家達·芬奇和英國哲學家吉爾伯特強調實驗在認識中的作用；15至16世紀，義大利科學家伽利略成為現代實驗科學的奠基人；16世紀，英國哲學家弗朗西斯·培根成為實驗科學的哲學代言人，他的《新工具》的問世是標誌；

邏輯方法的發展其中的兩條主線為

16世紀，英國哲學家弗朗西斯·培根發展了歸納邏輯方法，建立了邏輯分析中的求同法、差異法和共變法；17世紀英國科學家波義耳、18世紀瑞典科學家林奈將其拓廣到化學和生物學；

17世紀，法國科學家、哲學家笛卡兒發展了演繹邏輯方法，構建了數學新體系——解析幾何； 17世紀牛頓將力學整理成演繹體系，《自然哲學的數學原理》問世。

假說方法的普遍應用17世紀由笛卡兒提出，經洛克、萊布尼茲豐富和發展；19世紀後普遍應用。假說方法突破了傳統方法。著名的假說有：宇宙演化的星雲假說、生物學的進化論、物理學的熱素假說、化學中的物質結構假說等。假說本身是理論知識的一種形態，一旦驗證成立，就上升為科學理論或定律。

自然辯證法方法的創立19世紀馬克思、恩格斯創建了自然辯證法，為正確研究自然科學方法論奠定了理論基礎。恩格斯的《自然辯證法》對觀察、實驗、歸納和演繹、分析和綜合、歷史與邏輯的統一、科學假說等科研方法都做了深入考察和分析。

系統科學方法的形成樸素的系統科學方法由亞里士多德、萊布尼茲、黑格爾等提出，近幾年才挖補全形成。此方法擺脫了傳統方法的束縛，將事物聯繫起來，系統地、動態地考察，從整體上考察複雜系統，將定量方法（如動態模擬法、信息方法、反饋方法、綜合集成方法等）引入各個學科，使科研方法產生質的飛躍。

數學方法的發展亞里士多德－歐幾里德－伽利略－牛頓－萊布尼茲發展的數學方法近年來取得了長足的進步，對宏觀、微觀特性的描述發揮了很大的作用。隨著計算機技術的發展，數學已滲透到所有的自然科學領域以及部分社會科學領域。

6、科學方法的特徵

概括地說，科學方法有如下特徵：

1）科學方法來源於科研實踐；

2）正確的科學方法引領科學的發展；

3）科學方法的適用性和作用超越具體領域；

4）科學方法具有多元互補性；

5）正確的科學方法呈現美學特徵。

掌握科學方法的重要性

關於掌握科學方法的重要性，前輩名人有許多論述：

「跛足而不迷路的能趕過雖健步如飛但誤入歧途的人。」 ——弗朗西斯?培根（ F. Bacon）

「科學方法是通向絕對知識或真理的唯一入口和唯一道路。……整個科學的統一是在於其方法而不在於材料。」 ——皮爾遜（ K. Pearson）

「吾嘗終日而思矣，不如須臾之所學也；吾嘗歧而望矣，不如登高之博見也。登高而招，臂非加長也，而見者遠；順風而呼，聲非加疾也，而聞者彰。假輿馬者，非利足也，而致千里；假舟楫者，非能水也，而絕江河。君子生非異也，善假於物也。」 ——荀況

1. 科學研究必須有正確的方法

探索科技領域的未知問題，如同在崎嶇小道上攀登，必須採用正確的科學方法，才能無往而不勝。

英國著名博物學家達爾文（C. Darwin）早就指出：「方法掌握著研究的命運。」他還說：「方法是最主要和最基本的東西，有了良好的方法，即使沒有多大才幹的人也能做出許多成就。如果方法不好，即使有天才的人也將一事無成。」

俄國著名生理學家巴甫洛夫（I.P. Pavlov）說： 「初期研究的障礙，乃在於缺乏研究方法。無怪乎人們常說，科學是隨著研究方法所獲得的成就而前進的。研究方法每前進一步，我們就提高一步。因此我們頭等重要的任務是制訂方法。」

英國生物學家、著名的科學方法論專家貝弗里奇（ W.I.B. Beveridge）指出：「未來的研究工作者多數不是天才，給這些人以若干科研方法的指點，較之聽任他們憑藉個人經驗事倍功半地去摸索，應有助於他們早出成果。」他還說：「如果在實踐中有可能通過研究方法的指導來縮短科學工作者不出成果的學習階段，那麼，不僅可以節省訓練的時間，而且科學家做出的成果也會比用較慢方法培養出來的科學家多得多。」

2. 掌握方法比掌握知識更重要

愛因斯坦認為，方法比知識更重要。我國大教育家蔡元培則用形象的比喻指出：「科學知識是點成的金，最終有限；科學方法則是點石成金的手指，可以產生無窮的金。」兩位的見解有異曲同工之妙，對我們每個人都很有啟發意義。

法國著名數學家拉普拉斯（ P.S. Laplace）說：「認識一位天才的研究方法，對於科學的進步並不比發現本身更少用處，科學研究的方法經常是極富興趣的部分。」 正因為如此，年青學子在學習過程中應該特別關注學術前輩所用的科學方法，不斷往自己的「科學方法武器庫」里添加新的感悟和「武器」。

法國大生物學家貝爾納(C. Bernard) 強調指出：「良好的方法能使我們更好地發揮運用天賦的才能，而拙劣的方法可能阻礙才能的發展。因此，科學中難能可貴的創造性才華，由於方法拙劣可能被削弱，甚至被扼殺；而良好的方法則會增長、促進這種才華。」 這樣的先例實在不勝枚舉，我們將在下一節中給出若干案例。

近年來我國教育界一直在強調素質教育，不少人認為應該教給學生多方面的知識和技能，其實，與其向學生灌輸知識或者硬要他們學一些技藝，不如教會學生掌握科學探索的方法，後者遠比前者重要。

我國著名教育家錢偉長特彆強調在教學過程中，應該「授人以漁」而非「授人以魚」，他指出： 「教，關鍵在於『授之以漁』；教書，關鍵在於教給學生一種思考問題的方法。也就是說，教師給予學生的，不應是『魚』，而應是捉魚的方法。教學的過程，就在於讓學生搞清『模型』的意義。因為『模型』反映的是事物的本質，是對客觀事物的近似描述。我們要引導學生提出『模型』，通過抓『模型』，教給學生提出問題、分析問題、解決問題的方法。」

3. 完善自身知識體系——從事科研的必由之路

具有必要的科學知識積累是進行創造性科研工作的必要條件，而學習和研究科學研究的思維方式和方法，則是充分條件。而知識積累過程中，正確的科學方法更是必不可少的。

英國著名的科學方法論專家泰勒（ E.L. Taylor）指出：「具有豐富知識和經驗的人，比只有一種知識和經驗的人更容易產生新的聯想和獨到的見解。」

我國著名數學家華羅庚在回顧自己的成才經驗時說：「我們每個人手中都有一自學成材的鑰匙，這就是：理想、勤奮、毅力、虛心和科學方法。」 他把「勤奮」和「科學方法」同時列為成材五要素，所言極是。

案例分析

本節將採用科學史上三個著名的案例來闡明上一節中提出的觀點。

案例 1 伽利略的自由落體研究

近代科學方法奠基人伽利略在力學和天文學研究中以實驗、觀察方法為中心，綜合運用邏輯方法、觀察方法、抽象方法、數學方法等基本方法，為近代力學和物理學開了先河。下面以他的自由落體研究為例，具體分析他所運用的各種方法。

先講述一下研究背景。兩千多年前，亞里士多德（384~322，BC）對自由落體運動規律提出了一種錯誤觀點：落體以勻速下落，速度與落體的重量成正比。說來奇怪，這種錯誤觀點居然統治了學術界一千多年，直到義大利科學家伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）提出了認真的挑戰。經整理、分析史料，伽利略為了推翻亞里士多德的錯誤觀點，採取了如下六個步驟：

步驟一：伽利略首先採用邏輯方法，設計了一個「思想實驗」：用短繩系住重量不同的大小石塊，使之自由下落，按亞里士多德觀點立即導得矛盾；

步驟二：伽利略利用當時有人採用觀察方法在1589年進行了的比薩斜塔落體試驗結果，了解到10磅的球與1磅的球同時落地；

步驟三：因比薩斜塔僅56米，落體落地過程太快，不易看清細節，特別是當時條件無法精確測定下落時間。伽利略進一步採用實驗方法，設計了一個「沖淡引力」的斜面滑落實驗。讓一個光滑小球在斜置光滑槽內滾下，槽斜置後，作用在球上的重力分力小於鉛垂方向的重力。實驗發現，大小球滾動速度相同，而且跟斜面與水平方向的夾角無關。

步驟四：接著，伽利略做了單擺實驗，發現只要擺長相同，擺動速度與擺重無關，從另一個角度佐證對上述結果提供了佐證；

步驟五：伽利略運用數學方法，確定了下落高度與加速度、時間的依賴關係。從而徹底否定了亞里士多德的錯誤觀點；

步驟六：伽利略進一步運用實驗方法，設計了雙斜面滾球實驗，並再次用抽象方法，發現了慣性原理（牛頓第一定律）。

結果分析：由這個案例可見，只有在正確的了學方法論指導下，運用有效的科學方法步步為營穩紮穩打，才有可能做出重大發現

案例 2 發現氧氣的曲折過程

根據科學史記載，人類於1777年發現了氧氣，發現者是法國化學家拉瓦錫（A.L.Lavoisier，1743~1794）。然而，由於一些科學家因循守舊而且沒有採用正確的方法，人類發現氧氣的歷史被整整推遲了一百年。

讓我們簡要地回顧發現氧氣的曲折過程。

波義耳誤入歧途，觀念失當：1673年英國化學家波義耳進行了金屬煅燒實驗，發現銅鐵錫鉛煅燒後增重，在密閉容器中煅燒也是如此。他得到錯誤結論：煅燒時容器外的「火微粒」穿壁而入，與金屬塊結合，使之增重。他的致命失誤——沒有去稱容器的總重量（它保持不變），金屬煅燒增重來自容器內的氧氣。「火微粒」演變成「燃素」，產生「燃素說」，這種錯誤學說統治了全球化學界100年。

舍勒墨守成規，功虧一簣：1771年瑞典化學家舍勒做了封閉容器里磷的燃燒實驗，發現磷燃燒後變成了磷酸酐，容器里空氣的體積減少了1/5，剩下的4/5氣體不能再使物質燃燒。若把波義耳的金屬增重與舍勒的氣體減重結合，就能揭示燃燒秘密，新氣體（氧氣）就脫穎而出了，可惜舍勒頭腦僵化，堅信燃素說，犯了類似的錯誤，沒有去稱磷酸酐的重量（恰好增加容器中的1/5氣體的重量），從而功虧一簣。

普里斯特利食古不化，失之交臂：1774年8月1日，英國化學家普里斯特利做了氧化汞加熱分解實驗，人類第一次人工製備了氧氣，它能助燃。普里斯特利實際上發現了新元素——氧，而他對此卻渾然不覺。原來他是燃素說的忠實信徒，對燃素說膜拜到頑固不化的程度，他用燃素說解釋他的實驗，空氣中燃素含量不同，就表現岀不同的形式。氧化汞分解所釋放的是「無燃素氣體」，對燃素很貪婪，所以最易燃燒。因此，頭腦僵化使得普里斯特利與氧氣的發現擦肩而過。正如恩格斯所說：「從歪曲的、片面的、錯誤的前提出發，循著錯誤的、彎曲的、不可靠的途徑進行探索，往往當正確的東西碰到他的鼻尖上的時候，他（普里斯特利）還是沒有得到正確的東西。」（《自然辯證法》，人民出版社，106頁）。

拉瓦錫衝破桎梏，修成正果：1774年10月到1775年9月，剛過而立之年的法國化學家拉瓦錫重複了波義耳、舍勒和普里斯特利的實驗，分別同時稱了金屬、磷酸酐和容器的重量；並使普里斯特利的實驗中的汞與氧化合重新變成氧化汞。拉瓦錫一向懷疑燃素說，在掌握了足夠的證據後，勇敢地創造了新學說——氧化說，斷定燃燒中參與金屬化合的或氧化汞分解時產生的是一種新的氣體元素，1777年拉瓦錫將這種氣體命名為oxygen（中譯名：氧），並向巴黎科學院提出出版題為《燃燒通論》的報告，正式宣告氧的誕生和燃素說的壽終正寢。

結論：儘管拉瓦錫的實驗技巧並不比波義耳、舍勒、普里斯特利等人高明，工作也不比他們更勤奮，但是他創新意識超群，思維活躍，善於用正確的理論來指導、概括、分析實驗結果，不為錯誤理論所惑，從不把自己桎梏於傳統的藩籬中，所以才有為後人所銘記的創造；而另外三位則或者建立謬論或者迷信錯誤理論，頭腦僵化，固步自封，結果是「為他人做嫁衣裳」。從科學方法論的角度看來，實在是很好的一課。耐人尋味的是：普里斯特利至死都抱住燃素說不放，1801年，即他辭世的前一年，他還出版了《論燃素說的成就並駁水是化合物》，堅持為燃素說辯護，深信水是一種元素，這時，拉瓦錫創立氧化學說已過去了四分之一個世紀。可見這位化學家頭腦僵化到何種程度！

案例3 孤立波的發現與確認

最後，舉一個流體力學方面的例子，講一講發現孤立波的歷史。

孤立波的發現者是蘇格蘭愛丁堡大學數學教授拉塞爾（J.S. Russell，1808~1882）。他一向對造船感興趣，精於實驗觀測和船舶設計。

拉塞爾騎馬追趕大水團1834年8月的一天，拉塞爾為了考察船舶在運動中所受到的阻力，他在學校附近的聯合運河中，用兩匹馬牽引船舶進行全尺寸的觀察和實驗。在一次試驗中，由於兩匹馬驟然停步，船隻停了下來，他猛然發現，船頭的水面上有一個孤立水團滾滾向前，他立即騎著馬追蹤觀察，孤立的水波在淺水的窄河道中持續前進，保持著自己的形狀和波速。這一奇妙現象的發現，就是孤立波研究的緣起。

拉塞爾在實驗室里「複製」孤立波此後拉塞爾在實驗室里反覆做了10年實驗研究，在長20英尺、寬1英尺的水槽里再現了孤立波，並發現它在傳播中不變形，傳播速度與波高有關。1844年，他向英國皇家學會報告了此結果，引發軒然大波。

艾里、斯托克斯等大權威不相信孤立波皇家天文學家艾里、皇家學會書記斯托克斯墨守成規不相信會出現孤立波；前者拘泥於非線性；後者忽視了淺水特徵。不正確的觀念和數學描述堵塞思路。

布辛涅斯克挺身支持拉塞爾法國科學家布辛涅斯克用非線性效應與色散效應相平衡的理念，建立新的淺水波模型，導出著名的布辛涅斯克方程，其中一組解用來證實拉塞爾的實驗觀察結果。此說得到英國科學家瑞利的支持。

博士生德?弗利斯一錘定音這位荷蘭的研究生在1894年寫成的博士論文中，導出了Korteweg-de Vries方程（KdV方程），證實拉塞爾發現的孤立波正是此方程的解——KdV孤立波，驗證了波速與波高、波寬的關係。

林家翹和Clark為這場百年爭論划上圓滿句號他們引進波陡參數與色散參數之比，發現比值近於1時，非線性效應與色散效應平衡，這是孤立波的「催生劑」。

孤立波發現和確認過程帶來的啟示 至少有如下幾點：

要善於運用觀察方法，並關注偶然發現的反常現象；

對發現的新現象要利用實驗方法進行反覆驗證；

要有重大發現必須打破迷信，解放思想；

在利用數學方法建模時必須抓住主要因素，進行細緻分析。

結束語

通過以上分析，我們可形成如下認識：

要創造性地開展科研活動，掌握先進的科學方法是必不可少的一環；

學習科學方法論，應該重視實際應用，並在實踐中創造和運用科學方法；

精通科學方法論，就能在人生道路上無往而不勝。