近似模型研究方法

㈠ 自然科學的研究方法都有哪些

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現代自然科學研究方法

自然科學方法論實質上是哲學上的方法論原理在各門具體的自然科學中的應用。作為科學，它本身又構成了一門軟科學，它是為各門具體自然科學提供方法、原則、手段、途徑的最一般的科學。自然科學作為一種高級復雜的知識形態和認識形式，是在人類已有知識的基礎上，利用正確的思維方法、研究手段和一定的實踐活動而獲得的，它是人類智慧和創造性勞動的結晶。因此，在科學研究、科學發明和發現的過程中，是否擁有正確的科學研究方法，是能否對科學事業作出貢獻的關鍵。正確的科學方法可以使研究者根據科學發展的客觀規律，確定正確的研究方向；可以為研究者提供研究的具體方法；可以為科學的新發現、新發明提供啟示和借鑒。因此現代科學研究中尤其需要注重科學方法論的研究和利用，這也就是我們要強調指出的一個問題。

一、科學實驗法

科學實驗、生產實踐和社會實踐並稱為人類的三大實踐活動。實踐不僅是理論的源泉，而且也是檢驗理論正確與否的惟一標准，科學實驗就是自然科學理論的源泉和檢驗標准。特別是現代自然科學研究中，任何新的發現、新的發明、新的理論的提出都必須以能夠重現的實驗結果為依據，否則就不能被他人所接受，甚至連發表學術論文的可能性都會被取締。即便是一個純粹的理論研究者，他也必須對他所關注的實驗結果，甚至實驗過程有相當深入的了解才行。因此，可以說，科學實驗是自然科學發展中極為重要的活動和研究方法。

(一)科學實驗的種類

科學實驗有兩種含義：一是指探索性實驗，即探索自然規律與創造發明或發現新東西的實驗，這類實驗往往是前人或他人從未做過或還未完成的研究工作所進行的實驗；二是指人們為了學習、掌握或教授他人已有科學技術知識所進行的實驗，如學校中安排的實驗課中的實驗等。實際上兩類實驗是沒有嚴格界限的，因為有時重復他人的實驗，也可能會發現新問題，從而通過解決新問題而實現科技創新。但是探索性實驗的創新目的明確，因此科技創新主要由這類實驗獲得。

從另一個角度，又可把科學實驗分為以下類型。

定性實驗：判定研究對象是否具有某種成分、性質或性能；結構是否存在；它的功效、技術經濟水平是否達到一定等級的實驗。一般說來，定性實驗要判定的是「有」或「沒有」、「是」或「不是」的，從實驗中給出研究對象的一般性質及其他事物之間的聯系等初步知識。定性實驗多用於某項探索性實驗的初期階段，把注意力主要集中在了解事物本質特性的方面，它是定量實驗的基礎和前奏。

定量實驗：研究事物的數量關系的實驗。這種實驗側重於研究事物的數值，並求出某些因素之間的數量關系，甚至要給出相應的計算公式。這種實驗主要是採用物理測量方法進行的，因此可以說，測量是定量實驗的重要環節。定量實驗一般為定性實驗的後續，是為了對事物性質進行深入研究所應該採取的手段。事物的變化總是遵循由量變到質變，定量實驗也往往用於尋找由量變到質變關節點，即尋找度的問題。

驗證性實驗：為掌握或檢驗前人或他人的已有成果而重復相應的實驗或驗證某種理論假說所進行的實驗。這種實驗也是把研究的具體問題向更深層次或更廣泛的方面發展的重要探索環節。

結構及成分分析實驗：它是測定物質的化學組分或化合物的原子或原子團的空間結構的一種實驗。實際上成分分析實驗在醫學上也經常採用，如血、尿、大便的常規化驗分析和特種化驗分析等。而結構分析則常用於有機物的同分異構現象的分析。

對照比較實驗：指把所要研究的對象分成兩個或兩個以上的相似組群。其中一個組群是已經確定其結果的事物，作為對照比較的標准，稱為「對照組」，讓其自然發展。另一組群是未知其奧秘的事物，作為實驗研究對象，稱為實驗組，通過一定的實驗步驟，判定研究對象是否具有某種性質。這類實驗在生物學和醫學研究中是經常採用的，如實驗某種新的醫療方案或葯物及營養晶的作用等。

相對比較實驗：為了尋求兩種或兩種以上研究對象之間的異同、特性等而設計的實驗。即把兩種或兩種以上的實驗單元同時進行，並作相對比較。這種方法在農作物雜交育種過程中經常採用，通過對比，選擇出優良品種。

析因實驗：是指為了由已知的結果去尋求其產生結果的原因而設計和進行的實驗。這種實驗的目的是由果索因，若果可能是多因的，一般用排除法處理，一個一個因素去排除或確定。若果可能是雙因的，則可以用比較實驗去確定。這就與謀殺案的偵破類似，把懷疑對象一個一個地排除後，逐漸縮小懷疑對象的范圍，最終找到謀殺者或主犯，即產生結果的真正原因或主要原因。

判決性實驗：指為驗證科學假設、科學理論和設計方案等是否正確而設計的一種實驗，其目的在於作出最後判決。如真空中的自由落體實驗就是對亞里士多德錯誤的落體原理(重物體比輕物體下落得快)的判決性實驗。

此外，科學實驗的分類中還包括中間實驗、生產實驗、工藝實驗、模型實驗等類型，這些主要與工業生產相關。

(二)科學實驗的意義和作用

1．科學實驗在自然科學中的一般性作用

人類對自然界認識的不斷深化過程，實際是由人類科技創新(或稱為知識創新)的長河構成的。科學實驗是獲取新的、第一手科研資料的重要和有力的手段。大量的、新的、精確的和系統的科技信息資料，往往是通過科學試驗而獲得的。例如，「發明大王」愛迪生，在研製電燈的過程中，他連續13個月進行了兩千多次實驗，試用了1600多種材料，才發現了白金比較合適。但因白金昂貴，不宜普及，於是他又實驗了6 000多種材料，最後才發現炭化了的竹絲做燈絲效果最好。這說明，科學實驗是探索自然界奧秘和創造發明的必由之路。

科學實驗還是檢驗科學理論和科學假說正確與否的惟一標准。例如，科學已發現宇宙間存在四種相互作用力，它們之間有沒有內在聯系呢?愛因斯坦提出「統一場論」，並且從1925年開始研究到1955年去世為止，一直沒有得到結果，因此許多專家懷疑「統一場」的存在。但美國物理學家溫伯格和巴基斯坦物理學家薩拉姆由規范場理論給出了弱相互作用和電磁相互作用的統一場，並得到了實驗證明而被公認。這表明理論正確的標準是實驗結果的驗證，而不是權威。

科學實驗是自然科學技術的生命，是推動自然科學技術發展的強有力手段，自然界的奧秘是由科學實驗不斷揭示的，這一過程將永遠不會完結。

2．科學實驗在自然科學中的特殊作用

自然界的事物和自然現象千姿百態，變化萬千，既千差萬別，又千絲萬縷的相互聯系著，這就構成錯綜復雜的自然界。因此在探索自然規律時，往往會因為各種因素糾纏在一起而難以分辨。科學實驗特殊作用之一是：它可以人為地控制研究對象，使研究對象達到簡化和純化的作用。例如，在真空中所做的自由落體實驗，羽毛與鐵塊同時落下，其中就排除了空氣阻力的干擾，從而使研究對象大大的簡化丁。

科學實驗可以憑借人類已經掌握的各種技術手段，創造出地球自然條件下不存在的各種極端條件進行實驗，如超高溫、超高壓、超低溫、強磁場、超真空等條件下的實驗。從這些實驗中可以探索物質變化的特殊規律或制備特殊材料，也可以發生特殊的化學反應。

科學實驗具有靈活性，可以選取典型材料進行實驗和研究，如選取超純材料、超微粒(納米)材料進行實驗。生物學中用果蠅的染色體研究遺傳問題同樣體現了科學實驗的靈活性。

科學實驗還具有模擬研究對象的作用，如用小白鼠進行的病理研究等。科學實驗可以為生產實踐提供新理論、新技術、新方法、新材料、新工藝等。一般新的工業產品在批量生產前都是在實驗室中通過科學實驗製成的，晶體管的生產就是如此。

科學實驗就是自然科學研究中的實踐活動，尊重科學實驗事實，就是堅持唯物主義觀點，無視實驗事實，或在實驗結果中弄虛作假，都是唯心主義的作法，最終必然碰壁。任何自然科學理論都必須以豐富的實驗結果中的真實信息為基礎，經過分析、歸納，從而抽象出理論和假說來。一個科學工作者必須腳踏實地，這個實地就是科學實驗及其結果，因此，唯物主義思想是每一個自然科學工作者都應該具備的基本素質之一。

二、數學方法

數學方法有兩個不同的概念，在方法論全書中的數學方法指研究和發展數學時的思想方法，而這里所要闡述的數學方法則是在自然科學研究中經常採用的一種思想方法，其內涵是；它是科學抽象的一種思維方法，其根本特點在於撇開研究對象的其他一切特性，只抽取出各種量、量的變化及各量之間的關系，也就是在符合客觀的前提下，使科學概念或原理符號化、公式化，利用數學語言（即數學工具）對符合進行邏輯推導、運算、演算和量的分析，以形成對研究對象的數學解釋和預測，從而從量的方面揭示研究對象的規律性。這種特殊的抽象方法，稱為數學方法。

(二)運用數學方法的基本過程

在科學研究中，經常需要進行科學抽象，並通過科學抽象，運用數學方法去定量揭示研究對象的規律性，其基本過程是：(1)先將研究的原型抽象成理想化的物理模型，也就是轉化為科學概念；(2)在此基礎上，對理想化的物理模型進行數學科學抽象(科學抽象的一種形式)，使研究對象的有關科學概念採用符號形式的量化，達到初步建立起數學模型，即形成理想化了的數學方程式或具體的計算公式；(3)對數學模型進行驗證，即將其略加修正後運用到原型中去，對其進行數學解釋，看其近似的程度如何：近似程度高，說明這是一個較好的數學模型，反之，則是一個較差的數學模型，需要重新提煉數學模型。這一基本過程可用簡圖表示如下：

數學方法又稱數學建模法，之所以其第一步要抽象為物理模型，這是因為數學方法是一種定量分析方法，而自然科學中的量絕大多數都是物理量，因此數學模型實質表達的是各物理量之間的相互關系，而且這種關系需要表達成數學方程式或計算公式。而驗證過程則通常為研究對象中各種物理量的測定(通過實驗)過程。因此，數學建模過程的第一步又常稱為物理建模，換言之，就是說沒有物理建模就難以進行數學建模；但是，若只有物理建模，就難以形成理論性的方程式或計算公式，就難以達到定量分析研究的目的。

(二)數學方法的特點

l.高度的抽象性：各門自然科學乃至社會科學雖然都是抽象的科學，都具有抽象性，可是數學的抽象程度更高，因為在數學中已經沒有了事物的其它特徵，僅存在數和符號，它只表明符號之間的數量關系和運算關系等。也只有這樣才能定量地揭示出研究對象的規律性。

2.高度的精確性：這是因為可以通過數學模型進行精確的計算，而且只有精確(即近似程度高)的數學模型才是人們最終所需要的數學模型。

3．嚴密的邏輯性：這是因數學本身就是一門邏輯嚴謹的科學，同時運用數學方法解決和研究自然規律時，一般總是在已掌握大量的、充分和必要的數據(即實驗信息)的基礎上，並首先運用邏輯推理方法建立物理模型之後才去建立數學模型的，因此數學模型中必然會包含更加嚴密的邏輯性。

4．充滿辯證特徵：因為在數學模型中的量往往是一個符號，如F＝ma就代表了牛頓第二定律，這其中的三個量的大小既是可以變化的，又是相互關聯的。因此數學模型本來就體現了辯證關系的兩大主要特徵：變化特徵和聯系特徵。

5．具有應用的廣泛性：華羅庚教授曾指出：「宇宙之大，粒子之微，火箭之速，化工之巧，地球之變，生物之謎，日用之繁，無處不用數學」。這是因為世上萬物的變化無不由運動而產生，無不遵從由量變到質變的規律性，因此只有通過定量研究才能更深刻揭示自然規律，才能更准確的把握住量變到質變的關鍵——度的問題。

6．隨機性：隨機性是指偶然性中有必然性，實驗信息是偶然的，通過數學建模，從多個偶然數據(分立的)中往往可以給出必然的結果(量之間連續變化的關系)，即規律性的結論。

(三)數學方法的種類

1．自然事物和現象的分類

數學方法及數學建模的應用依賴於自然事物和現象的性質，而自然事物和現象的種類繁多，數量是無限的。在大幹世界中，無法找到兩個完全一樣的東西，這是指再相仿的東西之間也必然會有差別。因此定量研究事物規律性時，數學模型不可能是針對某一個別事物而建立的，而總是針對同一類事物和現象所具有的共同規律性而建立的。這就要求：根據數學建模的需要，按一定的因素把事物進行分類，以便更方便地運用數學方法。概括起來，自然界中多種多樣的事物和現象一般可分為四大類：第一類是有確定因果關系的，稱為必然性的自然事物和自然現象；第二類是沒有確定因果關系的，稱為隨機的自然事物和現象；第三類是界限不明白，稱為模糊的自然事物和自然現象；第四類是突變的自然事物和自然現象。必然事物和現象就如同種豆得豆、種瓜得瓜一樣，因果關系完全確定。而隨機事物和現象就如同氣體分子的相互碰撞一樣，其中某兩個分子是否很快會發生碰撞，沒有必然性，但氣體分子間確實經常發生碰撞，所以可以說分子間發生碰撞是必然的，但某兩個分子的碰撞卻是隨機的。對模糊的事物和自然現象的理解，也可以用一個實例說明。許多國界都是以河流的主河道中線劃分的，中線究竟在哪裡，只能是一個模糊的界限，無法嚴格劃分。因為河水有多的時候，也有少的時候，洞水在流動，波浪在不斷地拍打著河岸，因此不可能進行絕對精確的測量，所以其界限是模糊的。地震的突然發生、橋梁的突然斷裂折墜等則屬於突然性事物和現象。

2．數學方法的分類

按照自然事物和現象的類型，根據理論計算和解決實際問題的需要，人們創立了許多種數學方法，概括起來主要有以下幾種：常量數學方法：古今初等數學所運用的方法，便是常量數學方法，主要有算術法、代數法、幾何法和三角函數法。常量數學方法被用於定量揭示和描述客觀事物在發展過程中處於相對靜止狀態時的數量關系和空間形式(或結構)的規律性。變數數學方法：它是定量揭示和描述客觀事物運動、變化、發展過程中的各量變化與量變之間的關系的一種數學方法。其中最基本的是解析幾何法和微積分法。解析幾何法由數學家迪卡爾創立，是用代數方法研究幾何圖形特徵的一種方法。微積分(通常稱為高等數學)方法是牛頓和萊布尼茨創立的。這種方法主要應用於求某種變化率(如物體運行速率、化學反應速率等)；求曲線(曲面)切線(切平面)；求函數極值；求解振動方程和場方程等問題。

必然性數學方法：這種方法應用於必然性自然事物和現象。描述必然性自然事物和現象的數學工具，一般是方程式或方程組。其中主要有：代數方程、函數方程、常微分方程、偏微分方程和差分方程等。利用方程可以從已知數據，在遵循推理規律和規則的條件下，推算出未知數據，如這種方法可以根據熱力學方程計算出煉鋼爐各部分的溫度分布。因而可通過理論計算，確定和選取煉鋼爐的最佳設計方案。

隨機性數學方法：指定量研究、揭示和描述隨機事物和隨機現象領域的規律性的一種數學方法。它主要含概率論方法和數理統計方法。

突變的數學方法：指定量研究只揭示和描述突變事物和突變現象規律性的一種數學方法。它是20世紀70年代由法國數學家托姆創立的。托姆用嚴密的邏輯和數學推導，證明在不超過四個控制因素的條件下，存在著七種不連續過程的突變類型，它們分別是：折轉型，尖角型，燕尾型，蝴蝶型，雙曲臍點型，橢圓臍點型，拋物臍點型。這些突變數學方法和突變理論，對於解決地質學研究領域中的復雜生突變事件(如地震預測)和現象十分有用。有專家預言：突變的數學方法，可能成為解決地質學領域復雜問題的一種強有力的數學工具。

模糊性數學方法：指用定量方法去研究、揭示和描述模糊事物和模糊現象和規律性的一種數學方法。自然界存在著大量模糊事物、模糊現象和模糊信息，無法用精確數學方法處理。模糊數學方法的創立，才使人類找到了處理該類問題的有效方法，人們稱這種方法的效果是「模糊中見光明」。「模糊數學」並非數學的模糊，這種數學本身仍是邏輯嚴密的精確數學，只是因用於處理模糊事物而得名。

公理化方法：指從初始科學概念和一些不證自明的數學公理出發遵循邏輯思維規律和推理規則，運用正確邏輯推理形式，對一些相關問題進行處理，從而建立起數學模型的一種特殊方法。公理化方法由古希臘數學家歐幾里得首創，並構成了歐氏幾何學理論體系，公理化方法的核心是研究如何把一種科學理論公理化，進而建成一個公理化理論體系。這種體系中首先建立公理，即把某學科中一些初始科學概念公理化，然後由公理推演出定理及其他，從而構成一個公理化理論體系。

(四)提煉數學模型的一般步驟

所謂提煉數學模型，就是運用科學抽象法，把復雜的研究對象轉化為數學問題，經合理簡化後，建立起揭示研究對象定量的規律性的數學關系式(或方程式)。這既是數學方法中最關鍵的一步，也是最困難的一步。提煉數學模型，一般採用以下六個步驟完成：

第一步：根據研究對象的特點，確定研究對象屬哪類自然事物或自然現象，從而確定使用何種數學方法與建立何種數學模型。即首先確定對象與應該使用的數學模型的類別歸屬問題，是屬於「必然」類，還是「隨機」類；是「突變」類，還是「模糊」類。

第二步：確定幾個基本量和基本的科學概念，用以反映研究對象的狀態。這需要根據已有的科學理論或假說及實驗信息資料的分析確定。例如在力學系統的研究中，首先確定的摹本物理量是質主(m)、速度(v)、加速度(α)、時間(t)、位矢(r)等。必須注意確定的基本量不能過多，否則未知數過多，難以簡化成可能數學模型，因此必須詵擇出實質性、關鍵性物理量才行。

第三步：抓住主要矛盾進行科學抽象。現實研究對象是復雜的，多種因素混在一起，因此，必須變復雜的研究對象為簡單和理想化的研究對象，做到這一點相當困難，關鍵是分清主次。如何分清主次只能具體問題具體分析，但也有兩條基本原則：一是所建數學模型一定是可能的，至少可給出近似解；二是近似解的誤差不能超過實際問題所允許的誤差范圍。

第四步：對簡化後的基本量進行標定，給出它們的科學內涵。即標明哪些是常量，哪些是已知量，哪些是待求量，哪些是矢量，哪些是標量，這些量的物理含義是什麼?

第五步：按數學模型求出結果。

第六步：驗證數學模型。驗證時可根據情況對模型進行修正，使其符合程度更高，當然這以求原模型與實際情況基本相符為原則。

(五)數學方法在科學中的作用

1．數學方法是現代科研中的主要研究方法之一

數學方法是各門自然科學都需要的一種定量研究方法，尤其在當今世界科學技術飛速發展的時代，計算機已得到廣泛應用，即使一個極其復雜的偏微分方程的求解問題也同樣可以通過離散化手段進行數字求解。如航磁法、地震法探礦的數據處理問題就異常復雜，其數學模型就是一個偏微分波動(場)方程。當然此類問題都需要在超大型專門計算機構進行的。正因為如此，許多過去無法進行定量研究的問題，現在一般都可以通過數學建模進行定量研究。當然，研究中的關鍵就是如何建模的問題了。同時，只有通過定量研究才能更深刻、更准確地揭示自然事物和自然現象內在的規律性。否則，一切科學理論的建立和理論研究的精確化就難以實現。

馬克思曾指出：「一種科學只有當它達到了能夠運用數學時，才算真正發展了」。這正如我國數千年的傳統中葯，因其葯效及有效成分沒能達到定量研究的程度，因而其發展遲緩。當今世界各主要國家都在對中國的中葯進行定量分析研究，某些中葯已被它國製成精品並擁有專利權向我國傾銷，這充分體現了定量研究的重要意義。

2．數學方法為多門科研提供了簡明精確的定量分析和理論計算方法

數學語言(方程式或計算公式)是最簡明和最精確的形式化語言，只有這種語言才能給出定量分析的理論和計算方法，通過理論計算給出的信息，可以給人們提供某種預測、某種預言。這種預示性的信息，既可能帶來某種發現、發明和創造，也可能導致極大的經濟和社會效益，從而使人們格外地感受到它的分量。

3．數學方法為多門科學研究提供邏輯推理、辯證思維和抽象思維的方法

數學作為自然科學研究的可靠工具，是因為它的理論體系是經過嚴密邏輯推證得到的，因此它也為科學研究提供了眾多邏輯推理方法；同時數學也是一種辯證思維和抽象思維的語言，因此也同樣為科學研究提供了辯證思維和抽象思維的方法。

三、系統科學方法

系統科學是關於系統及其演化規律的科學。盡管這門學科自20世紀上半葉才產生，但由於其具有廣泛的應用價值，發展十分迅速，現已成為一個包括眾多分支的科學領域。它包括有：一般系統論、控制論、資訊理論、系統工程、大系統理論、系統動力學、運籌學、博弈論、耗散結構理論、協同學、超循環理論、一般生命系統論、社會系統論、泛系分析、灰色系統理論等分支。這些分支，各自研究不同的系統。自然界本身就是一個無限大、無限復雜的系統，在自然界中包括著許許多多不同的系統，系統是一種普遍存在。一切事物和過程都可以看作組織性程度不同的系統，從而使系統科學的原理具有一般性和較高的普遍性。利用系統科學的原理，研究各種系統的結構、功能及其進化的規律，稱為系統科學方法，它已得到各研究領域的廣泛應用，目前尤其在生物學領域(生態系統)和經濟領域(經濟管理系統)中的應用最為引人注目。系統科學研究有兩個基本特點：其一是它與工程技術、經濟建設、企業管理、環境科學等聯系密切，具有很強的應用性；其二是它的理論基礎不僅是系統論，而且還依賴於各有關的專門學科，與現代一些數學分支學科有密切關系。正因為如此，人們認為系統科學方法一般指研究系統的數學模型及系統的結構和設計方法。因此，我們下面將僅就上述意義上系統科學方法作簡要論述。

(一)系統科學方法的特點和原則

所謂系統科學方法，是指用系統科學的理論和觀點，把研究對象放在系統的形式中，從整體和全局出發，從系統與要素、要素與要素、結構與功能以及系統與環境的對立統一關素中，對研究對象進行考察、分析和研究，以得到最優化的處理與解決問題的一種科學研究方法。系統科學方法的特點和原則主要有：整體性、綜合性、動態性、模型化和最優化五個方面。

(1)整體化特點和原則：這是系統科學方法的首要特點和原則。所謂整體性特點和原則，是指把研究對象作為一個有機的整體系統去看待。雖然系統中每一個要素，就其單獨功能而言是有限的，但卻是系統所必有的要素。就整體系統而言，缺少了任何一個要素都難以發揮整個系統的功能。這正如一輛汽車一樣，它是一個完整的系統，任何一個部件出現缺損都可能影響整個系統功能的發揮，甚至一個微不足道的螺絲釘的缺損都可能造成某種事故的發生。因此必須把研究對象作為有了質變的有機整體去看待。這里的計算關系應該是1+1>2，這就如同「二人一條心，黃土變成金』』的格言所表示的含義類似，即系統的整體功能大於各要素的功能之和。這被稱為系統各要素功能的非加性規律。這一規律性要求人們在對系統的研究中，必須從有機整體的角度去探討系統與組成它的各要素之間的關系，而且另一方面，需要研究系統與周圍環境之間的聯系和關系，從有機整體的角度去發揮系統的功能，把握系統的性質與運動規律。

(2)綜合性特點和原則：這一特點和原則包括兩方面的含義：一方面指客觀事物和工程都是一個系統，是由諸多要素按一定規律組成的復雜的綜合體，有其特殊的性質、規律和功能；另一方面指，對任何客觀事物和具體系統的研究，都必須進行綜合考察，即從它的組成部分、結構、功能及環境的相互聯系、相互作用和相互制約的諸方面進行綜合研究。而系統的最優化目標就是根據系統科學方法對研究對象進行綜合考察和研究的結果來確定的。

(3)動態性特點和原則：指在物質系統的動態過程中揭示它們的性質、規律和功能。因為客觀世界中實際存在的一切系統，無論是在內部的各要素之間，或系統與環境之間，都存在著物質、能量、信息的流通和交換，因此實際系統都處於動態過程之中，而不是處於靜態，因此就必須堅持動態性原則。

（4）模型化特點和原則：指的是在考察比較大且復雜的系統(如大型工程項目)時，因復雜系統因素眾多，關系復雜，一時難以完全把所有因素和關系都搞清楚，甚至有的因素也沒有必要完全弄清楚，而開始研究和處理問題時又往往要求進行定量分析，這就需要建立數學模型，即將系統加以簡化抽象為理想模型，從而通過對模型的 實驗、研究，達到較好地解決實際問題的目的。

(5)最優化原則：指在運用系統科學方法解決實際問題時，從多個可能的方案中選擇出最佳方案，使系統的運行處於最佳狀態，達到發揮最優功能的目標。按照最優化原則，系統內部各要素之間與系統和環境之間的聯系或結構都必須處於最優狀態，以發揮系統的特殊功能。

(二)常用的幾種系統科學方法簡介

1．功能分析法

功能

㈡ 科研實驗方法都有哪些

問題一：試驗主要有哪些研究方法？ 一、控制變數法 指在物理實驗中往往存在著多種變化的因素,為了研究它們之間的關系可以先控制一些量不變,依次研究某一個因素的影響。是在初中物理實驗中用的最多的研究方法,如研究影響蒸發快慢的因素實驗;探究電流與電壓、電阻關系的實驗;探究電阻與那些因素有關的實驗?;探究動能、重力勢能與那些因素有關的實驗; 最典型的例子是高中《驗證牛頓第二運動定律》的實驗,我們研究的方法是:先保持物體的質量一定,研究加速度與力的關系,再保持力不變研究加速度與質量的關系,最後綜合得出物體的加速度與它受到的合外力及物體質量之間的關系。 二、累積法 將微小量累積後測量求平均的方法,能減小相對誤差。實驗中也經常涉及這一方法。例如,測一張紙的厚度可測100張紙的厚度再求一張紙的厚度;在《用單擺測定重力加速度》實驗中,需要測定單擺周期,用秒錶測一次全振動的時間誤差很大,於是採用測量30-50次全振動的時間T,從而求出單擺的周期T=t/n(n為全振動次數)。又如在《測定金屬電阻率》的實驗中,若咐態沒有螺旋測微器時,也可把金屬在鉛筆上密繞若干圈,由線圈總長度來測出金屬絲的直徑。 三、轉換法 某些物理量不容易直接測量,或某些現象直接顯示有困難,可以採取把所要觀測的變數轉換成其它變數(力、熱、聲、光、電等物理量)的相互轉換進行間接觀察和測量,這就是轉換法,如磁鐵的磁性強弱可以通過吸引大頭針的多少來見接顯示;風力的大小可以通過樹的彎曲成程度來觀察;又如雹源卡文迪許《利用扭秤裝置測定萬有引力恆量實驗》為例:其基本的思維方法便是等效轉換。卡文迪許扭秤發生扭轉後,引力對T 形架的扭轉力矩與石英絲由於彈性形變產主的扭轉力矩這就是等效轉換,間接地達到了無法達到的目的。本實驗中轉換法還應用於石英絲扭轉角度的測量上,這個角度不是直接測出的,而是利用平面鏡反射光在刻度尺上移動的距離間接測出的。 轉換法是一種較高層次的思維方法。是對事物本質深刻認識的基礎上才產生的一種飛躍。如變曲為直實際上就是該方法的應用。理想化法:影響物理現象的因素往往復雜多變,實驗中常可採用忽略某些次要因素或假設一些理想條件的辦法,以突出現象的本質因素,便於深入研究,從而取得實際情況下合理的近似結果(通俗他說就是抓大放小)。例如在《用單擺測定重力加速度》的實驗中,假設懸線不可伸長,懸點的摩擦和小球在擺動過程的空氣阻力不計;在電學實驗中把電壓表變成內阻是無窮大的理想電壓表,電流表變成內阻等於0的理想電流表等等實際都採用了理想化法。 四、放大法 在現象、變化、待測物理量十分微小的情況下,往往採用放大法。根據實驗的性質和放大對象的不同,放大所使用的物理方法也各異。例如,在《測定金屬電阻率》實驗中所便用的螺旋測微器,主尺上前進(或後退)0.5毫米,對應副尺上有5n個等分,實際上是對長度的機械放大;許多電表如電流表、電壓表是利用一根較長的指針把通電後線圈的偏衡肆源轉角顯示出來。又比如在《卡文迪許扭實驗》,其測定萬有引力恆量的思路最後轉移到光點的移動(跟「庫侖靜電力扭枰實驗一樣),都是將微小形變放大方法的具體應用。 五、平衡法 物理學中常常利用一個量的作用與另一個(或幾個)量的作用相同、相當或相反來設計實驗,製作儀器,進行測量。例如測量中的基本工具彈簧秤的設計是利用了力的平衡,天平的設計是根據力矩的平衡;溫度計是利用了熱的平衡。 六、留跡法 有些物理現象瞬間即逝,如運動物體所處的位置,軌跡或圖像等,設法記錄下來,以便從容地測量、比較和研究。例如:在《測定勻變速直線運動的加速度》、《驗證牛頓第二運動定律》、《驗證機械能守恆定律......>>

問題二：物理主要的科學實驗方法有哪些 1、控制變數法：比如「實驗探究擺鍾擺動的快慢跟哪些因素有關」
2、轉換法：比如「探究滑動摩擦力的大小跟哪些因素有關」
3、等效替代法：在高中用得較多
4、科學實驗法：簡稱實驗法，比如「伏安法測電阻」或「伏安法測小燈泡的大功率」
5、理想實驗法：牛頓第一定律的得出（伽利略的理想實驗）
6、歸納法：比如「探究杠桿平衡的條件」
7、類比法：比如「對電流（或電壓）的認識」（用水流類比電流、用水壓類比電壓）

問題三：小學科學實驗的方法有哪些 小學科學實驗的方法有哪些
科學實驗方法有很多，
觀察法、控制變數法、
類比法、放大法、比較法、
平衡法、轉換法、理想實驗法等。

問題四：物理主要的科學實驗方法有哪些 初中階段主要是控制變數法，還有觀察法，模型法，等效替代法等等。高中階段主要有控制變數法，理想模型法，等效替代法。

問題五：科學研究程序與方法有哪些內容 一般說來,科學研究就是追求知識或解決問題的一項系統活動；有待解決的問題都是與研究對象的本質和規律有關的問題,而本質和規律是隱藏在現象中的,即在經驗材料的背後.只有在關於對象的經驗材料十分完備、准確可靠時,才能在這些材料的基礎上建立正確的概念和理論,揭示對象的本質和規律,才能解決科研課題,即解決科學的問題.獲得經驗材料的方法就是經驗方法,通常包括如下四個方面：
1、文獻研究法
教育技術學的發展有很強的歷史繼承性,文獻研究就是為了對所要解決的問題有個全面的歷史的了解.有了這種了解,才能站在前人的肩膀上,把前人和當代的成果作為進一步前進的起點,不重復前人已經做過的工作,避免前人已經走過的彎路,把精力放在創造性的研究上.
文獻研究法就是有關專業文摘、索引、工具書、光碟以及Internet教育信息資源等文獻的檢索方法以及鑒別文獻真偽、發揮文獻價值與創造性地利用文獻的方法.
2、社會調查法
社會調查法就是人們有目的、有意識地對社會現象進行考察,從中獲得來自社會系統中各種要素和結構的直接資料的一種方法.根據調查目的、調查對象和調查內容的不同,社會調查法可分為訪問調查、問卷調查、個案調查等多種方法.在教育技術學研究中,經常使用問卷調查法.
3、實地觀察法
實地觀察法是研究者有目的、有計劃地運用自己的感覺器官或藉助科學觀察儀器,直接了解當前正在發生的、處於自然狀態下的社會現象的方法.
4、實驗研究法
實驗作為一種科學認識方法,開始是應用於自然科學領域,以後逐漸移植到社會科學領域.實驗研究法是實驗者有目的、有意識的通過改變某些社會環境的實踐活動,來認識實驗對象的本質及其規律的方法.實驗研究法的基本要素是實驗者,即實驗研究中有目的、有意識的活動主體；實驗對象,即實驗研究所要認識的客體；實驗環境和手段,即實驗對象所處的社會條件.在教育技術實驗研究中,實驗環境就是利用現代信息技術進行教與學活動的特定社會條件；其實驗手段就是藉助現代信息技術進行 *** 、干預、控制、檢測實驗對象的活動.實驗研究的過程,就是這些要素相互作用、相互影響的過程.
二、理論方法
要達到完整的科學認識,僅僅運用經驗方法是不夠的,還必須運用科學認識的理論方法對調查、觀察、實驗等所獲得的感性材料進行整理、分析,把原來屬於零散的、片面的和表面的感性材料進行加工,使之上升為本質的、深刻的和系統的理性認識.科學研究法中的理論方法就是提供這種從感性認識向理性認識飛躍的切實可行的、具體的思考方法與加工處理的步驟的方法.它主要包括兩個方面：
1、數學方法
所謂數學方法,就是在撇開研究對象的其他一切特性的情況下,用數學工具對研究對象進行一系列量的處理,從而作出正確的說明和判斷,得到以數字形式表述的成果.
科學研究的對象是質和量的統一體,它們的質和量是緊密聯系,質變和量變是互相制約的.要達到真正的科學認識,不僅要研究質的規定性,還必須重視對它們的量進行考察和分析,以便更准確地認識研究對象的本質特性.在教育技術學研究中,數學方法主要是運用統計處理和模糊數學分析方法.
2、思維方法
科學的思維方法是人們正確進行思維和准確表達思想的重要工具,在科學研究中最常用的科學思維方法包括歸納演繹、類比推理、抽象概括、思辯想像、分析綜合等,它對於一切科學研究都具有普遍的指導意義.
三、系統科學方法
20世紀,系統論、控制論、資訊理論等橫向科學的迅猛發展,為發展綜合思維方式提供了有力的手段,使科學研究方法不斷地完善.而以系統論方法、控制論方法和資訊理論方法為代表的系統科學方法,又為人類的科學認識提供了強有力的主觀手段.它不僅突......>>

問題六：教學科研使用的實驗材料包括哪些 實驗題目
實驗原理
實驗材料
實驗步驟'
實驗結果
以上是一般的實驗過程,具體的要看實驗的性質是探究實驗,是驗證實驗.
探究實驗還要在實驗題目後加實驗假設
而驗證性實驗則不要

問題七：科學探究的實驗步驟有哪些 答：科學探究的主要環節：提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作．

㈢ 論文常用的研究方法有哪些

01
【調查法】
調查法是科學研究中最常用的一種方法，通常指通過書面或口頭回答問題的方式，了解被試的心理活動的方法。它是有計劃、有目的並且系統地搜集有關研究對象歷史狀況或現實狀況材料的方法，調查方法是科學研究中常用的基本研究方法，它綜合運用了觀察法、歷史法等方法以及談話、問卷、個案研究、測驗等科學方式，對教育現象進行有計劃的、周密的和系統的了解，並且對調查搜集到的資料進行分析、綜合、比較、歸納，從而為人們提供規律性的知識。調查法可以分為書面調查和口頭調查兩種。

02
【觀察法】
觀察法是指研究者根據一定的研究目的、研究提綱或觀察表，用自己的感官和輔助工具去觀察被研究對象，從而獲得資料的一種方法。科學的觀察具有目的性和計劃性、系統性和可重復性，在科學實驗和調查研究中，觀察法具有擴大人們的感性認識、啟發人們的思維、導致新的發現這幾個方面的作用。常見的觀察方法有：核對清單法；級別量表法；記敘性描述。觀察一般利用眼睛、耳朵等感覺器官去感知觀察對象。

03
【實驗法】
實驗法是研究者有意改變或設計的社會過程中了解研究對象的外顯行為。實驗法的依據是自然和社會中現象和現象之間相當普遍存在著的一種相關關系——因果關系。其主要特點是：主動變革性、控制性、因果性。實驗法有實驗室實驗法與自然實驗法兩種，實驗室實驗法便於嚴格控制各種因素，並通過專門儀器進行測試和記錄實驗數據，一般具有較高的可信度。自然實驗法比較接近人的生活實際，易於實施。

04
【文獻研究法】
文獻研究法是根據一定的研究目的或課題，通過調查文獻來獲得資料，從而全面地、正確地了解掌握所要研究問題的一種方法。文獻研究法被子廣泛用於各種學科研究中，既能了解有關問題的歷史和現狀，幫助確定研究課題，又能形成關於研究對象的一般印象，有助於觀察和訪問，還能得到現實資料的比較資料，並且有助於了解事物的全貌。文獻法是一種古老、而又富有生命力的科學研究方法。

05
【實證研究法】
實證研究法是認識客觀現象，向人們提供實在、有用、確定、精確的知識研究方法，其重點是研究現象本身「是什麼」的問題。實證研究法試圖超越或排斥價值判斷，只揭示客觀現象的內在構成因素及因素的普遍聯系，歸納概括現象的本質及其運行規律。

06
【定量分析法】
定量分析法是對社會現象的數量特徵、數量關系與數量變化進行分析的方法。在企業管理上，定量分析法是以企業財務報表為主要數據來源，按照某種數理方式進行加工整理，得出企業信用結果。定量分析是投資分析師使用數學模塊對公司可量化數據進行的分析，通過分析對公司經營給予評價並做出投資判斷。定量分析的對象主要為財務報表，如資金平衡表、損益表、留存收益表等。其功能在於揭示和描述社會現象的相互作用和發展趨勢。

07
【定性分析法】
定性分析法亦稱非數量分析法，主要依靠預測人員的豐富實踐經驗以及主觀的判斷和分析能力，推斷出事物的性質和發展趨勢的分析方法，屬於預測分析的一種基本方法。定性分析法主要是解決研究對象「有沒有」、「是不是」的問題。定性分析常在定量分析之前進行，它為設計或選擇定量方法提供有用的信息；但並非所有的定量分析都必須事先進行定性分析，因為有時分析對象中含有哪些組分是已知的。這類方法主要適用於一些沒有或不具備完整的歷史資料和數據的事項。

08
【跨學科研究法】
運用多學科的理論、方法和成果從整體上對某一課題進行綜合研究的方法，也稱「交叉研究法」。科學發展運動的規律表明，科學在高度分化中又高度綜合，形成一個統一的整體。據有關專家統計，現在世界上有2000多種學科，而學科分化的趨勢還在加劇，但同時各學科間的聯系愈來愈緊密，在語言、方法和某些概念方面，有日益統一化的趨勢。

09
【功能分析法】
功能分析法是社會科學用來分析社會現象的一種方法，是社會調查常用的分析方法之一。它通過說明社會現象怎樣滿足一個社會系統的需要（即具有怎樣的功能）來解釋社會現象。

10
【模擬法（模型方法）】
模擬法和類比法很近似。它是在實驗室里先設計出於某被研究現象或過程（即原型）相似的模型，然後通過模型，間接的研究原型規律性的實驗方法。先依照原型的主要特徵，創設一個相似的模型，然後通過模型來間接研究原型的一種形容方法。根據模型和原型之間的相似關系，模擬法可分為物理模擬和數學模擬兩種。

㈣ 物理科學探究方法有哪些什麼建立物理模型啊什麼等效替換發等等，都分別解說下還要舉例子，並說明探究力

1、等效替代法：在物理實驗中有許多物理特徵、過程和物理量要想直接觀察和測量很困難，這時往往把所需觀測的變數換成其它間接的可觀察和測量的變數進行研究，這種研究方法就是等效法。如：串並聯電路電阻。
2、轉換法：對於不易研究或不好直接研究的物理問題，而是通過研究其表現出來的現象、效應、作用效果間接研究問題的方法叫轉換法。初中物理在研究概念、規律和實驗中多處應用了這種方法。如：在驗證發聲體在振動時，在音叉旁邊懸掛乒乓球
3、類比法：類比法是指將兩個相似的事物做對比，從已知對象具有的某種性質推出未知對象具有相應性質的方法。類比法在物理中有廣泛的應用。所謂類比，實際上是一種從特殊到特殊或從一般到一般的推理。它是根據兩個（或兩類）對象之間在某些方面的相同或相似而推出它們在其他方面也可能相同或相似的一種邏輯思維。在物理教學中，類比方法可以幫助理解較復雜的實驗和較難的物理知識。比如利用水壓講解電壓；水流講解電流。
4、控制變數法：,就是在研究和解決問題的過成中,對影響事物變化規律的因素和條件加以人為控制,只改變某個變數的大小,而保證其它的變數不變,最終解決所研究的問題。如：探究導體電阻與那些因素有
5、物理模型法：它是在實驗的基礎上對物理事實的一種近似形象的描述，物理模型的建立，往往會導致理論上的飛躍。如：根據實驗建立液體壓強公式P=ρg h時運用了「假想液柱」的模型；
6、科學推理法（理想實驗法）：推理法是根據已知物理現象和規律，通過想像和推理對未知的現象做出科學的推理和預見。推理法是在觀察實驗的基礎上，忽略次要因素，進行合理的推理，得出結論，達到認識事物本質的目的。如：牛頓第一定律的得出。
7、觀察比較法（對比法）如：研究蒸發的快慢因素、研究蒸發與沸騰的異同。——比較法
8、歸納求同法如：在探究「杠杠的平衡條件」的實驗中，通過多次實驗得出了杠桿的平衡條件
9、比值定義法就是用兩個基本的物理量的「比」來定義一個新的物理量的方法。比如物質密度、速度、功率等。
10、逆向思維法：如：由電生磁想到磁生電。
不知道是否想全，希望對你有幫助

㈤ 物理的研究方法有哪些

物理學的研究方法有：控制變數法、等效法、模型法、轉換法、類比法、比較法、歸納法等方法。

1、控制變數法：物理學中對於多因素（多變數）的問題，常常採用控制因素（變數）的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題。每一次只改變其中的某一個因素，而控制其餘幾個因素不變，從而研究被改變的這個因素對事物的影響，分別加以研究，最後再綜合解決。

2、等效法：等效法是常用的科學思維方法。所謂「等效法」就是在特定的某種意義上，在保證效果相同的前提下，將陌生的、復雜的、難處理的問題轉換成熟悉的、容易的、易處理的一種方法。

3、模型法指通過模型來揭示原型的形態、特徵和本質的方法，一般用在物理實驗上。

4、類比法：類比法是按同類事物或相似事物的發展規律相一致的原則，對預測目標事物加以對比分析，來推斷預測目標事物未來發展趨向與可能水平的一種預測方法。

研究方法：

物理學的方法和科學態度：提出命題 → 理論解釋 → 理論預言 → 實驗驗證 → 修改理論。

現代物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學，它的產生過程如下：

1、物理命題一般是從新的觀測事實或實驗事實中提煉出來，或從已有原理中推演出來；

2、首先嘗試用已知理論對命題作解釋、邏輯推理和數學演算。如現有理論不能完美解釋，需修改原有模型或提出全新的理論模型；

3、新理論模型必須提出預言，並且預言能夠為實驗所證實；

4、一切物理理論最終都要以觀測或實驗事實為准則，當一個理論與實驗事實不符時，它就面臨著被修改或被推翻。