第一节 地球科学的研究对象和研究内容 人类生活在地球上，衣食住行等一切活动都离不开地球。如人们要靠山 川大地获取生活资料以维持生命，要从地球中开采矿物资源制造生产和生活 工具，要了解地球上的自然地理和气候条件以便发展生产，要与地球上发生 的各种自然灾害作斗争。因而，人类在长期的实践中逐步加深了对地球的认 识，并且逐渐形成了一门以地球为研究对象的科学——地球科学 （geoscience）。 地球科学简称地学，是数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学六 大基础自然科学之一。地球科学以地球为研究对象，包括环绕地球周围的气 体（大气圈）、地球表面的水体（水圈）、地球表面形态和固体地球本身。 至于地球表面的生物体（生物圈），由于其研究内容广、分支学科较多、且 研究方法具有特殊性，因而已独立成一门专门的基础自然科学——生物学。 但生物的起源与演化、生物体与生存的地球环境之间的关系也属于地球科学 的研究范畴。 地球科学是一门理论性和应用性都很强的科学。它不仅承担着揭示自然 界奥秘与规律的科学使命，同时也为生活在地球上的人类如何利用、适应和 改造自然提供科学的方法论。随着生产和科学技术的发展，地球科学的研究 内容和领域也不断地深入和扩展，逐渐形成了日臻完善的由多学科组成的综 合性学科体系。地球科学目前主要包括地质学、地球物理学、地理学、气象 学、水文学、海洋学、土壤学、环境地学等学科。其中，地质学（geology） 由于其研究领域广博、分支学科较多，并且以研究地球的本质特征为目的， 因而成为地球科学的主要组成部分，以至于人们有时把地质学和地球科学作 为同义语使用，其实两者的含义是有差别的，它们具有包容关系。随着科学 的发展，地球科学还会不断地诞生新的学科和出现一些边缘学科。 地理学（geography）主要研究地球表面的各种地形、地理环境及其结构、 分布和演变规律，并涉及到自然和社会两个领域之间的相互关系。地理学一 般可分为自然地理学和人文地理学两大组成部分。自然地理学是研究自然地 形、地理环境的结构及发生、发展规律的学科，主要包括普通自然地理学、 区域自然地理学、地志学等。人文地理学是研究人和社会与自然地形、地理 之间的相互关系的学科，主要包括政治地理学、社会地理学、人口与聚落地 理学、经济地理学、历史地理学等。 气象学（meteorology）以地球周围的大气圈为研究对象，主要研究大气 的各种物理性质、物理现象及其变化规律。其研究内容也很广泛，包括许多 分支学科和应用学科。主要的分支学科有大气物理学、天气学、气候学、高 空气象学、动力气象学等，主要的应用学科有卫星气象学、无线电气象学、 航空气象学、海洋气象学、农业气象学、林业气象学等。其目的在于揭示大 气中的各种物理现象和物理过程的发生、发展本质，从而掌握并应用它为人 类生活和国家经济建设服务。 水文学（hydrology）和海洋学（oceanography）以地球表面分布的水体 为研究对象。水文学主要研究地球上江河、湖沼、冰川、地下水以及海洋等 各种水体的数量、质量、运动变化与分布规律，以及它们与地理环境、生态 系统和人类社会之间的相互影响与相互联系。海洋学是以海洋作为一个独立 体进行研究的，它实际上是从地球科学的其它几个分支学科中独立出来的， 这是由于海洋在现代地球科学、人类生存环境和未来社会发展中的地位越来 越重要的缘故。海洋学是研究海洋中发生的各种现象和规律及其相互关系的 各门学科的总称，根据研究内容不同可分为海洋物理学、海洋水文学、海洋 化学、海洋生物学、海洋气象学和海洋地质学等。 土壤学（soil science）以地球表面发育的土壤层为研究对象。主要研 究土壤的物质组成、结构、类型、分布和形成发展过程。根据具体研究内容 和应用领域的不同，土壤学也有一些分支学科，如土壤生物学、土壤地理学、 土壤气候学、土壤物理学、土壤化学、土壤地质学等。 地球物理学（geophysics）是应用物理学的方法研究地球的一门学科， 是近代发展起来的地球科学与物理学相结合的一门重要边缘学科。广义的地 球物理学的研究对象包括固体地球及其表部的水体和周围的大气圈。但由于 水体和大气圈的研究都已建立起相应的独立学科，所以一般所称的地球物理 学是狭义的，其主要研究对象是固体地球，因而也可称之为固体地球物理学。 地球物理学重点研究固体地球的各种物理性质、物理现象及其发生与发展过 程、地球的内部构造与组成、地球的起源与演化等。其主要分支学科有地震 学、地磁学、重力学、地热学、地电学、大地测量学、大地构造物理学和应 用地球物理学等。其中，应用地球物理学主要是研究地球物理勘探方法及其 在地球资源的勘探与开发、地球环境的监测与保护等方面的应用。 地质学（geology）研究的主体对象也是固体地球，当前主要是研究固体 地球的表层——地壳或岩石圈。地壳或岩石圈的厚度一般为几十到二百公里 左右，与地球的半径（6371km）相比只是一个很薄的表壳。这一薄壳之所以 成为地质学当前研究的主要对象，一方面是出于实际需要，因为这一层与人 类的生活、生产及生存都直接相关；另一方面是受现时人类能力的限制。人 们可以直接观测和研究地球表层，但现阶段人类尚无能力对地下深处进行直 接研究。钻井取样是目前人们获取地球较深部物质进行直接研究的唯一途 径，但由于受当前技术水平的限制，钻井所能达到的深度是有限的。目前世 界上最深的钻井（12.5km）位于俄罗斯西北部的科拉半岛，这一深度尚不足 该区大陆地壳厚度的二分之一。可以相信，随着科学技术的发展，地质学研 究的对象将不断向地球的深部（如地幔、地核）扩展。 地质学的研究内容主要包括固体地球（重点是地壳或岩石圈）的物质组 成、内部构造和形成演化历史。按其研究内容和任务的不同，地质学的主要 分支学科可简举如下： （1）研究地球的物质组成方面的学科，如结晶学、矿物学、岩石学等； （2）研究地球的内部构造方面的学科，如构造地质学、构造物理学、区 域构造学、地球动力学等； （3）研究地球的形成演化方面的学科，如古生物学、地层学、地史学、 古地理学、地貌及第四纪地质学等； （4）研究地质学的应用方面的学科，可分为两个方面：其一是研究地下 资源方面的分科，如矿床学、石油地质学、煤田地质学、水文地质学等；其 二是研究地质与人类生活环境及灾害防护方面的分科，如工程地质学、环境 地质学、地震地质学等。 此外，人们为了更好地研究上述地质学的各个方面，不断地吸收和借鉴 其它一些学科的先进理论、方法和技术，用以促进和深化地质学的各项研究， 于是逐渐形成了一系列的边缘学科，如数学地质、地球化学、同位素地质学、 天文地质学、海洋地质学、遥感地质学及实验地质学等，这些边缘学科在现 代地质学各领域的研究中发挥着极其重要的作用。 近几十年来，由于世界各国工业、农业、军事、航天、交通等产业的飞 速发展，其结果给地球的自然环境带来了巨大的影响。这种影响有些是直接 的（如污染问题）、有些是间接的（如气候变化），它已经严重地影响到地 球的自然生态和人类的生存与发展，因而受到科学工作者和全人类的广泛关 注。这一问题与地球科学和环境科学关系密切，于是在地球科学中逐渐形成 了一门与环境科学相结合的边缘学科，即环境地学。环境地学主要研究地球 自然环境的组成、结构、形成、演变以及环境的破坏、污染、防止、保护、 改良与评价等。根据地球科学中各学科所研究的侧重点不同，又可分为环境 地质学、环境地理学、环境气象学、环境水文学、环境海洋学、环境土壤学 等。
自然科学论文范文篇二
自然科学的发展特点及展望
中图分类号:N0 文献标识:A 文章编号:1009-4202(2010)08-247-02
摘 要 自然科学是涉及各行各业的研究领域的大学科,掌握自然科学的发展规律是研究自然科学人员所必须切身认知的内容。本文通过辩证的观点去看待自然科学,整理自然科学的认知模式,探索其发展规律。
关键词 自然科学 逻辑思维 非逻辑思维 批判性思维
自然科学是一门范围广博的知识范畴,是针对事物客观规律的认知、归纳所形成的科学体系。其涉及的知识层次、知识面基本上涵盖了人类社会的方方面面,通晓其发展规律和特点是从事自然科学研究人员所必需掌握的基本知识。
一、自然科学的特点
(一)自然科学的获得方式
中世纪末期是近代自然科学的孕育期,当时最杰出的人物,13世纪的英国哲学家罗吉尔•培根对经验和事实给予了特殊的关注。他指出:“大家公认,我们通过三条途径获得知识,即权威、理性和经验;然而,当权威不知道事物的理由;理性也不能分辨是诡辩还是论证时,除非结论为经验所证实。”正是由于罗吉尔•培根的提出和倡导“实验科学”,强调只有实验方法才能给科学以可靠性。
近代英国唯物主义学家弗兰西斯•培根进一步指出,实验科学最重要特性之一就是利用实验来增加积累事实知识,并提出:“从感觉和特殊出发构造公理,然后是连续不断地、逐渐地上升,直至最后达致最普通的公理。”正是这种思想和思维模式指导和推动了科学理论发展,对近代科学的兴起和发展做了开创性的工作。
由此可见,自然科学作为大科学的重要组成部分,在其获取方式上依然是由科学观察和科学实验作为其获取的主要途径。
(二)自然科学的归类和整理
当我们在通过科学观察和实验获得的知识并不是科学规律。一般而言,从科学知识向科学规律和科学理论过渡要经过知性认识和理性认识两个阶段。
知性认识:只要是对科学知识进行分类、系统化并加以分析和概括,使之上升为科学规律。
理性认识:主要是在科学概括的基础上形成理论体系,以便反映客观世界普遍而不然的联系。
在科学的归类和整理过程中相应发展出各种科学方法,可大致分为:广义归纳法(本能归纳、常识思考归纳和批判性科学研究归纳)、演绎法(亚里斯多德的形式逻辑三段论为基础,符号化过程,数理逻辑,公理化方法)和类比法(两类对象之间在某些方面的类似或统一,推论其可能在其他方面也具有相类似性;虽然类比法逻辑根据不充分,但是它提供科学发现的重要线索)。
这三种方法都体现出科学在推理上的所透露出思维模式――逻辑思维,特别是演绎法,可以说是将人类运用自然语言进行思维的经验提升到基本思维规律和基本思维方法的高度。
(三)自然科学的合理性和可错性
哲学家布朗指出,“合理性”概念的古典模型具有三个特征:普遍性、必然性和规则性。科学的合理性首先表现在经验规律和理论规律的逻辑关联中;其次经验和理论规律间存在相互支持的逻辑关系;另外就是理论规律的合理性突出地表现对某些经验规律的矫正;科学规律的合理性可以通过科学实践的有效性来说明。
针对科学的可错性,我们通过20世纪初,科学哲学家卡尔•波普尔在《科学发现的逻辑》中所指出来说明:在真实和错误之间存在着不对称性,没有理论可以被证明是对的,但有些理论可以被证明是错,科学和非科学由此可以界定。在科学领域,至关重要的观念是要“证错”或“证伪”,而不是“证对”。
二、逻辑与非逻辑问题
由上面的自然科学的特点,我们可以看出在自然科学的认识过程中,始终贯彻着观察、实验和推理的过程。
在推理过程中,人们一般把归纳法作为科学假设或科学理论的基本方法。借助这一方法,通过大量实验进行概括,构建解释所观察的或现象之间的关系的新体系,其可靠程度虽然不够,但却富于创造性,它是作出理论发现的重要方法,然而其不是万能的,并不是所有的科学理论都可以通过归纳法来获得。爱因斯坦就曾说过,决不能用归纳法来发现物理学上的基本概念。
而与归纳法相对应的演绎法,即从一般到个别,用一般理论来分析解释具体事物的方法。运用这一方法,人们需要借助某一普遍法则或原理,也就是说,演绎法应用的结论受初始条件的制约,前提正确,才能确保演绎正确。但是由于演绎法是将一般原理推广应用现象的过程,很难导出新的概念或经验。达尔文曾结合自己的科研经验总结:我必须从大量事实出发,而不是从原理出发,我怀疑原理中有谬误(在他看来,用演绎法在生物学领域是不可信赖的)。因此我们不难发现演绎法的纯逻辑也存在着严重的缺陷。
就如同科学社会学家巴伯在《科学与社会秩序》中分析说,强调科学发现过程中逻辑的作用这样一个惯例漏掉了科学中大量最重要的东西,漏掉了所有可能的错误,漏掉了科学发现者的所有丰富的想象力,也漏掉了所有对已有发现成果的思考,漏掉了所有对周围世界认真探索的思路和方法。生物学家莱恩•杜波斯曾在《路易•巴斯德》中写道:“构成科学的原材料不仅是科学家的观察、实验、计算,而且还有他们的冲动、梦想和愚蠢。”
三、从辩证的观点和思维方式去看待自然科学的发展
从创造性角度来看,科学发现的过程是一个意识和潜意识、逻辑和非逻辑交互作用的过程。当出现问题,研究者就会出现一个“主观模拟”过程,他们会去主观想象周围事物,并集中注意到某些特定现象,运用主观的臆测获取表达形式,然后运用科学的语言把心中的发现和想法描述出来,形成真正的科学假说,然后通过严格的科学方法论证检验。
不仅如此,科学发现的过程还是革命性和渐进性相互统一。即我们所常说的:“破而后立。”爱因斯坦也指出:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。因为解决问题也许仅仅是一个数学上或试验上的技能而已,而提出新问题,新的可能性,从新的角度去看待旧的问题,却需要有创造性的想象力,而且标志着科学的真正进步。”科学家廷德尔说,知识一经获得,便给自己的周围投射上微弱的光亮。重大的科学新发现一旦作出,成功的科学家立刻会从可能的角度予以观察,并将它与其他知识体系相联系,以发现科学研究的新途径。
四、几种常见的自然科学思维方式
归根结底,自然科学研究是对先前思想和行动所依据的学所及原理不断进行检验的一种思想活动,有条理的批判性思维是科学的基本特点。
“大胆的想法,难以证明的预期,以及推测性的思想,是我们解释自然的唯一手段,也是我们把握自然的唯一法则和唯一工具。”
――科学哲学家 波普尔
参考文献:
[1]黄顺基,苏越,黄展骥.逻辑与知识创新.中国人民大学出版社.2002.
[2]刘大椿.自然辩证法概论(第2版).中国人民大学出版社.2008.
[3]武宏志,周建武,唐坚.非形式逻辑导论.人民出版社.2009.
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每到星期天，我总要完成妈妈交给我的擦鞋任务。告诉你，这可是我一星期零花钱的来源哦!拿到沾满灰尘的皮鞋后，我先把鞋面的灰尘擦掉，然后涂上鞋油，仔仔细细地擦一擦，皮鞋就会变得又亮又好看了。可这是为什么呢?
我找了同样牌子同样款式的新旧两双皮鞋进行对比观察。我先用手触摸两双皮鞋的鞋面，发现新皮鞋的表面比旧皮鞋的表面光滑得多。旧皮鞋涂上鞋油，仔细擦过后，虽然亮了许多，但仍无法与新皮鞋相比。皮鞋的亮度是否与鞋面的光滑程度有关呢?
我取来一双没擦过的旧皮鞋，在放大镜下鞋面显得凹凸不平的。然后，我再在皮鞋上圈出两块表面都比较粗造的A区和B区，A区涂上鞋油并仔细擦拭，B区不涂鞋油作空白对照。我发现A区擦拭后，表面明显变光滑了许多，而且放在阳光下也比B区有光泽。为什么两者会产生这样的差别呢?
我想到在自然课上老师曾经讲过：影剧院墙壁的表面是凹凸不平的，这样可以使声音大部分被吸收掉，让观众不受回声的干扰。同样道理，光线照到任何物体的表面都会产生反射，假如这个平面是高低不平的，光线就会向四面八方散射掉；假如这个平面是光滑的，那么我们就可以在一定的方向上看到反射光。
皮鞋的表面原来就不是绝对的光滑，如果是旧皮鞋，它的表面当然更加的不平，这样它就不能使光线在一定的方向上产生反射，所以看上去没有什么光泽。而鞋油中有一些小颗粒，擦鞋的时候这些小颗粒正好可以填入皮鞋表面的凹坑中。如果再用布擦一擦，让鞋油涂得更均匀些，就会使皮鞋的表面变得光滑、平整，反射光线的能力也加强了。
通过实验，我终于知道了皮鞋越擦越亮的秘密啦!
大家都见过含羞草吧！用手触动一下含羞草小叶，其叶受外界刺激后即会迅速合拢，好似低头“害羞”的样子，好像一位害羞的少女，可是你们知道含羞草为什么会“害羞”呢？
原来含羞草的叶柄下有一个鼓囊囊的包，叫“叶枕”，里面含有充足的水份，它有敏锐的感觉。当你用手触摸它的叶子时，叶枕中的水马上流向两边，叶枕瘪了，叶子就垂了下来。 叶枕内生有许多薄壁细胞，这种细胞对外界刺激很敏感。一旦叶子被触动，刺激就立即传到叶枕，这时薄壁细胞内的细胞液开始向细胞间隙流动而减少了细胞的膨胀能力，叶枕下部细胞间的压力降低，从而出现叶片闭合、叶柄下垂的现象。经过1-2分钟细胞液又逐渐流回叶枕，于是叶片又恢复了原来的样子。含羞草不只是被手摸时才垂下叶子的，遇到雨天与强风时，它的叶子也会垂下；而当风雨过后，水份慢慢恢复时，叶子也就恢复原形了。其实含羞草并不是真的会“害羞”，它只是一种善于自我保护的现象。
含羞草的这种特殊的本领，是有它的一定历史根源的。它的老家在热带南美洲的巴西，那里常有大风大雨。每当第一滴雨打着叶子时，它立即叶片闭合，叶柄下垂，以躲避狂风暴雨对它的伤害。这是它适应外界环境条件变化的一种适应。另外，含羞草的运动也可以看作是一种自卫方式，动物稍一碰它，它就合拢叶子，动物也就不敢再吃它了。
含羞草的叶子之所以会“害羞”，是一种生理现象，也是含羞草在系统发育过程中对外界环境长期适应的结果。
从前有一个很英俊的小伙子，经常外出钓鱼。一天，他看见一位老汉坐在河边，嘴里自言自语：”钓!钓!钓!小鱼莫来大鱼到。”说着大鱼真向老汉游来。小伙子对老汉说：“我向你学习钓鱼，好吗?”老汉说：“钓鱼没有什么好学的，看你似很诚实，我告诉你一个秘密，你只要一直沿着这条河岸向前走，会遇到好事的。”老汉说完，人不见了。
小伙子很高兴，心想，我一定是遇到仙人了，就沿岸一直走去。天黑了，仍然往前走，前面出现一片长满荷花的大湾。水边一户人家门开着，点着灯，一位少女坐着织绸。小伙子走前问道：“请问这是什么地方，我走迷了路。”织绸女说：“这是荷花庄，我是荷花女，你走累了，可进来坐下歇歇。”小伙子坐了一会儿，要走了，荷花女没有留他，送他出了门口。 小伙子回到家，心想痴了，认为这荷花女，定是仙女。钓鱼老汉说，向前走会遇到好事，可能是这仙女要下凡，找要和她结婚。 第二天大早，小伙子又沿河岸走，天黑到了荷花庄，荷花女仍在，态度比昨天亲呢多了。她叫小伙子脱下破小褂，给他缝补。 小伙子说：“我是孤身一人呀！”荷花女像未听见。将衣补好，送小伙子出门。小伙子回到家已是半夜，坐不住，立不稳，返身又向河边跑，再到荷花湾，见湾中一朵大荷花，便呼唤荷花女，果然荷花女踏波而来。她说：“我父不许我和凡人往来，从今以后，我们便不得见面了。”小伙子哭了，哭得很伤心。荷花女安慰说：“只要你真心实意，我就和你一块逃走。”小伙子对天发誓，永不变心。荷花女带小伙子驾云来到天边深林里，一座小桥直通小屋门口前，他俩过桥进屋，屋内一切陈设齐备，还放着一架织布机。 他们在那里成了亲。小伙子天天外出打猎，不用费多少力，就可猎到一些山兔、山鸡，空闲时间，就游山逛水。荷花女却很辛苦，每天除织绸，还到各山头栽桑。
一年又一年过去了，荷花女的头发，不那么光亮了，红润的脸也不那么可人了，小伙子对他说：“你太劳累了，人变老了，你歇歇吧！”荷花女摇摇头说：“你看，如果那许多荒山都成了桑林，该多美呀！”荷花女从头上拔下一根针交给小伙子说：“这针是宝贝，可制伏猛兽，你要用这宝针，把这一带被害兽占领的无人山区，变成百姓的乐园。注意，这宝针千千万万不能落到别人手里。” 一天，小伙子到远处的野山打猎，发现一个黑漆漆的洞口，觉得很奇怪，进洞一看，一只老虎扑来，他用荷花女给他的宝针一指，老虎逃跑了。前面是一座大门，推门一看，明灯高照，一位妙龄少女坐在炕上，她比荷花女漂亮多了，少女迎他同坐炕上，伴同吃菜喝酒，两人便成了亲。3天后，少女说找要出去走亲戚，但怕虎狼伤害。小伙子说：“我有宝针。可战胜一切猛兽。”说着便把宝针交给少女。谁知少女一走出洞，洞口便紧紧闭上，小伙子被禁在洞内，他这才想起荷花女说的话，懊悔已迟了。 荷花女见小伙子不回来，掐指一算，心中明白，原来小伙子已成负心人，不禁眼泪直流。又一想，还是去救他一命吧！她另外还有一件宝物，是开山钥匙。荷花女到了洞门口，把开山钥匙一指，洞门大开，把小伙子带出洞，小伙子感到羞愧不安。荷花女含泪说：“做梦也想不到你是这样的负心人！”二人正在返回途中，那少女从后面追来，大喊：“小伙子，回来呵！”荷花女对小伙子说：“你千万不能回头看她，只要一回头，你就没命了。”少女还在后面喊：“小伙子，你好好想想，你到哪里再去找到像我这样可爱的美人儿？”小伙子一动心，回头望了一眼。少女趁他思想动摇的一刹那，把手帕一摆动，便把小伙子化成生长在地上的柔弱小草。
荷花女凝视着这小草，小草叶片双双相合，像是合掌忏悔，旋即含羞地垂下叶柄，表示认错。荷花女说：“小伙子，你还能知耻，还能认错。”后来大家叫它“含羞草”，并成为人们喜爱的小草。
