1、科研創新16法1。創新前的準備：中藥鋪的抽屜和知識2。創新鏈和創新樹 3。分類研究法 4。學科交叉法 5。移花接木法 6。四兩撥千斤法 7。逆向思維法 8。柳暗花明法 9。天上人間法 1科研創新方法學的探索10。傻瓜提問法。 11。大膽假設小心求證法 12。意外機遇法 13。靈感培養法 14。虛擬實驗法 15。綜合集成法（系統科學的創新）。 16。接近于“無中生有”的原始大創新。2科研創新方法學的探索1。創新前的準備：創新與知識積累中藥鋪的抽屜和知識框架 創新前的準備：就化學化工專業而言，必須有深厚的理化基礎，特別是其中的基本概念必須正確深刻。知識面力求寬廣，頭腦中和計算機上都要有一個知識框架

2、。要熟悉計算機和計算機語言，善于上網搜索你需要的資料和信息。實驗技能要精湛，為學要極為勤奮，要處理好人際關系，團隊協作，要永遠保持樂觀開朗的性格。不迷信前人，敢于大膽創新。這是創新的前提。下面討論如何創新的方法。32。創新鏈和創新樹 科學研究是接力賽跑，起跑點要在科學研究的前沿，要把前人的有關知識接過來。所以研究生的導師很重要，他把接力賽跑的棒交給你，你就可以在科學研究的前沿起跑。牛頓說：”我是站在巨人的肩膀上，所以能看得遠一些”。這是創新和繼承的關系。4“創新鏈” 和 “創新樹”科學研究既然是接力賽跑，所以每一項科學創新都有前因后果。把這些前因后果串聯起來，就構成一條“創新鏈”。創新鏈常有分

3、支，于是構成“創新樹”。建立創新樹的方法，可以啟發你的創新靈感,活躍你的創新思維，特別是在分枝點上，可以思考一下還有什么新路可走？下面以原子發射光譜為例，說明創新樹的樹苗，樹根，樹干和分支。5原子光譜和分子光譜創新樹 （1） 創新樹苗： 物體加熱到高溫可以發光。 （2） 創新樹根：1762年德國礦物學家A.S.馬格拉夫首次發現鈉鹽可使酒精燈火焰染成黃色，鉀鹽可染成紫色。 （3） 創新主樹干：1859年G.R.基爾霍夫和R.W.E.本生以本生燈為光源制成第一臺用于光譜分析的分光鏡。6（4） 創新樹的大分支：原子光譜分光鏡的六大分支： a 不同的研究對象-元素，分子，凝聚態 b不同的激發手段。 c

4、 不同的分光系統。 d 不同的檢測系統。 e 不同的光譜模式：發射，吸收，吸收又發射等 f理論和實驗的交錯前進。氫原子光譜的研究導致玻爾提出氫原子模型和量子力學，而量子力學的建立大大推動光譜學的發展。7（5） 創新樹的中分支：例如不同的激發手段可以分為：a 本生燈光源，就是第一臺原子光譜分析儀b電弧光源：原子紫外及可見光譜。 c激光光源：高分辨紫外及可見光譜。 d陰極射線為光源：彩色電視的顯象管。e高能電子束照射重原子：原子的X-光譜。f超高能的氪離子束撞擊鉛靶，產生第118號新元素等。 8思考不同的光譜模式可以得到： a 原子發射光譜的逆過程：原子吸收光譜。 b把原子換成分子：分子的紫外及可

5、見吸收光譜。 c把光源改為紅外光：就得到紅外光譜。 d如改為微波光源：微波譜。 e 微波譜強磁場：到順磁共振譜.。 f把微波光源改為能量小一千倍的射電短波：核磁共振譜。 g改為X-射線光源：光電子能譜。 h吸收后又發射：拉曼光譜，熒光光譜等。9（6） 小分支：每一項中分支為出發點, 又可有許多創新小分支，例如拉曼光譜，把光源改為激光，就得到激光拉曼光譜；把分光系統由棱鏡改為光柵，并加上傅氏變換技術，就得到傅氏變換拉曼光譜；把研究對象改為銀電極的電化學過程，就得到表面增強拉曼光譜等。 103。分類研究法例（1） 動植物的宏觀分類法-門，綱，目，類，科，亞科等。例（2） 生物的微觀分類法-基因分類

6、法。例（3） 萃取機理的分類。例（4）經濟模式的分類自由資本主義經濟（如美國），歐洲資本主義經濟，中國特色社會主義市場經濟等。現代科學發展的大趨勢之一是學科越分越細。例如1900年是500門學科，2000年是5000門。100年增加10倍。2100年可能到50000門，2050年到20000門，50年中創建15000門新學科，我們中國人至少創建3000門。你們要有創建3000門新學科的雄心壯志。114。學科交叉法學科交叉法：不同的學科之間，進行“比較”的研究方法a“比較語言學”，例如英文的Crisis，中文是“危機”。又如“做學問”一詞，通常翻譯為Learning，但后者只有學習的意思，沒有問

7、的含義。做學問要既學又問，學而不問則殆，問而不學則惘。b“比較生物學”。控制論的創建者維納曾說：“在科學發展上可以得到最大收獲的領域是各種已經建立起來的部門之間被忽視的無人區”。所以學科交叉的無人區是創新的生長點。 125。移花接木法“移花可以接木，雜交可以創新”科學可分為上，中，下游。數學，物理學是上游，化學是中游，生物，醫學，社會科學等是下游。上游科學研究的對象比較簡單，但研究的深度很深。下游科學的研究對象比較復雜。“移上游科學之花，可以接下游科學之木”。具有上游科學的深厚基礎的科學家，移植到下游科學，往往能取得突破性的成就。 例（1）量子化學是把量子力學移植到化學中來，因而產生的交叉學科

8、。美國理論物理學家科恩(Walter Kohn) 和英國數學家波普爾( John A. Pople)，把量子力學的理論和計算數學的方法移到化學中來，解決了量子化學中的計算難題，獲得1998年諾貝爾化學獎。13例（2）把數學方法移植到經濟學獲 1994諾貝爾經濟獎，1950年數學博士，1951-1958年任MIT數學講師，副教授。1958年因精神分裂癥退職。康復后，轉而研究經濟學。把數學中概率論之花，移到經濟學中來，提出預測宏觀經濟發展趨勢的“博弈論”。另外具有理學博士學位獲得諾貝爾經濟獎的還有：1969獎的廷伯根Jan Tinbergen，1975年獎的庫普曼T.C.Koopmans，1983

9、年獎的德布雷G.Debreu，1984年獎的斯通Sir J.R.N.Stone等。14例（3）移花接木創新法：仿生學例如第一架飛機就是模仿蜻蜓制造出來的。流線型的噴氣飛機和高速火車的造型是模仿魚類的，特別是海豚的皮膚表面有一種可吸收能量的彈性結構，借以消除流體的阻力，使湍流變為平流。15例（4）生物學與化學的交叉產生生物化學，分子生物學，生物物理學，結構生物學等，早已眾所周知。現在后基因組時代已經到來，生物學與化學之間又有一個新的交叉學科-蛋白質組學（proteomics）已經形成，第一次蛋白質組學的國際會議已在1997年召開。166。四兩撥千斤法“力的放大”。例如杠桿，齒輪，千斤頂等。把一種

10、已知的方法盡量推廣拓展到未知的領域，這就是“創新”。例（1）電流的放大-三極管的發明可以實現電流的放大，就是用柵極的微弱電流控制陽極和陰極之間的大電流。本世紀的三十和四十年代，是電子管的鼎盛時期。這是重大的技術創新。它曾為無線電，雷達，電子計算機和V型導彈的發明做出了貢獻。1944年開始設計，1947年在美國IBM公司，完成了世界上第一臺計算機，一共用了18000個電子管，全機總重30噸，運算速度僅333次/秒。17例（2）激光器的發明1948年發明了晶體管，同樣可以放大電流，但體積，重量，耗電量均比電子管減少了100-1000倍。1959年又發明集成電路IC=Integrated Circu

11、its，從而產生了微電子學和微電子工業，導致20世紀的信息革命。例（2）激光器的發明。電流的放大產生了如此重大的影響，于是人們聯想到光是不是也能放大呢？1954年 湯斯 G.H.Townes首先實現了微波的受激輻射放大Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，將第一字母連起來稱為Maser ，譯為微波量子放大器。18Laser，譯為激光1960年從事紅寶石微波量子放大器研究的年輕人梅曼T.H.Mailman成功地研制出第一臺紅寶石激光器，實現了光波的受激輻射放大 Light Amplification by Stim

12、ulated Emission of Radiation ，縮寫為Laser，譯為激光。19化學合成的自動組裝放大和克隆技術例（3）化學合成的自動組裝放大 例如用K.Ziegler 和 G. Natta催化劑，可使單體自動定向聚合為高分子。又如自組裝化學，也是化學發展的方向之一。 例（4）生命的放大-從卵細胞到生命的發育成長，發展成為現代的克隆技術。 例（5）化工生產的放大技術。從以上這些看來不相關的事物中找出共同的東西-放大的理論和實踐。這也是一種科學方法。化學工程中的“相似理論”就是一種放大理論。在“四兩撥千斤法”中，我們說的是“放大”，現在反過來，“縮小”也是一種科學方法。例如具有電流放

13、大和無線電線路功能的器件的體積大幅度縮小，從電子管（三十年代），晶體管（1948），直到集成電路，大規模集成電路，超大規模集成電路。207。逆向思維法在飛機的設計中，要試驗飛機的外型和材料在高速飛行中與空氣阻力的關系。這種試驗很難在空中飛行時進行。于是創造出“風洞”來模擬飛行。這是一種“反其道而行之 ”的逆向思維方法，即把飛機固定，讓高速空氣流向飛機，其效果是一樣的。這就是在空氣動力學和航空技術研究中常用的“風洞”實驗室方法。又如在輪船的設計中，可以做一個縮小的模型，放在一個縮小的水槽中，用各種流速來測定船體阻力的大小。218。柳暗花明法：山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村例（1） “雜交水稻之父

14、”袁隆平按照經典遺傳學的觀點，水稻是自花授粉，不能雜交的。袁隆平在60年代初，發現一株優勢非常強的水稻，如獲至寶。第二年他把它種下去，希望品種成龍。結果大失所望，結果和上年選的植株完全不同，高的高，矮的矮，生長期長的長，短的短，面目全非，他就非常失望。就在這個失望之余，他突然產生了震撼，為什么遺傳會有這樣大的分離呢？只有雜種才會有分離，純種不會有分離。他于是大膽提出假設：他選的這株是天然雜交稻，推翻了經典遺傳學認為水稻不能雜交的結論。當然這只是大膽的初步假設，還有待做艱苦的研究工作，培養出人工雜交水稻來證實。為避免自花授粉，他選擇雄性不育植株來受粉，取得了很大成功，使我國水稻由畝產300公斤提

15、高到500公斤，對最重要的農業增產問題，做出了偉大的貢獻。他被國際上稱為“雜交水稻之父”。繼矮桿水稻，雜交水稻之后，袁隆平正在研究第三代超級稻“培矮64S/E32”，經兩年試種，均達到畝產800公斤。這是非常了不起的成就。22愛因斯坦的光子學說，1905例（2） 光的本質是什么？是波動還是微粒？這個問題爭執了200多年，互有勝負，不得解決，在20世紀初到了“山窮水盡疑無路”的地步。這是因為人們的思想受形式邏輯的限制。形式邏輯回答問題，非此即彼，非彼即此。愛因斯坦跳出了形式邏輯的框框，認為問題的答案可以“亦此亦彼”，于是“柳暗花明又一村”，達到了完美的創新境界。這就是他在1905年提出的光子學說

16、。光子學說是一條非常重要的創新鏈的源頭，由它導致德布羅意提出電子也有波粒二象性，再引出量子力學的波動方程。239。天上人間法有些物質是天文學家在天上先發現，然后由化學家把天上之花，移植到地球人間的。例1 1868年天文學家在觀察日全蝕時，從日珥的光譜中發現一種未知原子的譜線，命名為“太陽元素(Helium)”。28年后，化學家才從地球大氣中把He元素氣體分離出來。例2 天文學家用射電天文望遠鏡研究分子的轉動光譜，發現了幾十種星際分子，其中有些是地球上還沒有合成的，有一類是直線形的HCiN分子，其中i1、2、3、4、14、15、16、17、 例如H-CCCCCCCCCCCCCN。化學家Small

17、y想象宇宙中有閃電，空氣中有氮氣和氫氣，企圖用激光或電弧作用于石墨，在地球上來制備這類化合物，卻意外地得到C-60，并獲得諾貝爾獎。但這類HCiN分子，至今在地球上尚未合成。2410。傻瓜提問法創新的第一步是“提出問題”。年輕人好奇提問往往是創新的開端。例1三角形的內角之和一定要等于180度嗎？其實，三角形的內角之和等于180度是平面上的幾何學，即歐幾里德幾何學。人們發現用平面幾何學經行大地測量，在范圍較大時有偏差。這是因為地球是球面的。在地球上距離較大的三點之間，作三條直線，組成一個三角形，它的三個內角之和大于180度。這就是球面幾何學。反之，在凹面上的三角形的內角之和小于180度。由此建立

18、了一門新的學科：非歐幾何學。25例2 分形理論例2 空間的維數是不是一定要整數？ 例如說一維、二維 或 三維空間。可不可以有分數的維度？這個看似傻瓜的提問，終于發展成為一門新科學：分形理論。彎彎曲曲的海岸線的維數就在一維和二維之間。2611。大膽假設、小心求證法敢于好高騖遠大膽假設，善于實事求是，小心求證。對于你的假設預期，要認真安排實驗來小心求證。實驗的結果不外四種：1證明了你的假設，于是進一步去尋求新的實驗證明。證明越來越多，假設就能發展成為理論。例如1948年，伽莫夫在愛因斯坦于1917年提出的根據廣義相對論對宇宙所作的考查的基礎上,以現在的宇宙正在膨脹的觀測事實哈勃定律,1929為根據

19、，提出宇宙起源于熱大爆炸的假設。這是一個很大膽的假設。這一假設后來得到越來越多的科學觀察和理論支持，經過許多科學家的不斷改進，發展成為現在的大爆炸宇宙理論。2711。大膽假設、小心求證法2部分否定了你的假設，修改你的假設，使之更為完善。3全部否定了你的假設，根據新的實驗結果，提出新的假設。4得到完全意外的結果。例如從設計合成一個新化合物的失敗，到發現一個新的結構類型。如果你的運氣好，可能發現新現象或新效應，但必須有敏銳眼光才能抓住它。所以這四種可能性，在科學上都有收獲。尤其是第四種，可能有巨大收獲。這第四種方法也可叫做“種豆得瓜法”。 28建立模型（Modeling）“建立模型”就是“大膽假設

20、”的方法之一。它是一個非常重要的創新方法，例如：11857年開庫來提出碳原子有四價的假設，1865年又提出苯分子的六角形開庫來結構式。2 1874年范霍夫為了說明有機化合物的旋光性,大膽提出碳原子的正四面體模型。這些模型的提出都是在幾十年后才被分子結構的測定完全證實，但它們對有機化學的發展起了不可估量的推動作用。31913年玻爾提出氫原子結構模型，這一模型后來雖被量子力學模型所替代，但對推動原子結構理論的發展，曾起了很大的作用。 2912。意外機遇法1 Fleming 發現青霉素2 X射線的發現3 宇宙的微波背景輻射3013。靈感培養法王國維在詞話中寫到治學的三個境界：第一境界：“昨夜西風雕碧

21、樹，獨上高樓，望盡天涯路”，是治學或研究的開始，要找到學科發展的前沿，作為你科研創新的起點。第二境界：“衣帶漸寬終不悔，為伊人消得人憔悴”，科學研究的緊張階段，遇到困難，不知如何解決才好。第三境界：“眾里尋她千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”，正在山窮水盡的時候，忽然靈感到來，驀然回首，伊人（這里指你希望得到的結果，或解決困難的方案和辦法）出來了，卻在忽明忽暗的燈火闌珊處。31三點啟發和靈感的培養（1）開題的重要性。（2）勤奮是成功的關鍵。（3）創新除了勤奮外，還要有一定的“靈感”。現在要問：“靈感”有沒有方法來培養？當你在科研中已“進入角色”，“身心投入”后，如果仍然遇到難題，百思不得其

22、解。這時你可以忘掉它，輕松愉快地去做其他的工作，或看電影，或散步，或聽音樂，然后好好睡一覺。在睡眠中你的大腦電波4-7赫和電波0.5-3赫就會運轉起來，把白天困擾你的問題進行知識的反芻好像牛胃的反芻，醞釀和陳化aging process的慢波處理，早上一覺醒來，往往就忽有所悟。不知你有無這個經驗？聽說開庫勒就是在早上一覺醒來時，悟到苯分子的六角形結構的。32培養靈感的秘訣，需要“勤奮”每個人在什么狀態下最富有靈感，各不相同，要你自己去體會。例如Strauss在翠堤春曉中產生作曲的靈感。有的人在學術沙龍喝下午茶時產生靈感，有人在科學討論會上得到啟發，有人在散步或洗淋浴時得到靈感，我自已是早上醒來

23、后忽有所悟？但重要的一條是白天對你的問題，已經過深思熟慮，否則晚上睡眠時，沒有足夠的“知識”供你反芻，醞釀和陳化，那么早上醒來也不能忽有所悟。所以培養靈感的秘訣，還是需要“勤奮”和上面提到的一些方法的運用。3314。虛擬實驗法virtual reality提出一個理論模型，用計算機 虛擬現實，得到希望得到的結果。1 虛擬大氣溫度、濕度、氣流的未來變化，做出近期和中期的天氣預報。2 計算機輔助設計（Computer-Aided Design = CAD)，例如計算機輔助藥物合成設計，計算機輔助功能材料設計等。3 建立模型，虛擬小浪底水庫放水沖洗黃河的泥沙，提供最優化實際放水時間和流量等參數。34

24、14。虛擬實驗法virtual reality4 虛擬原子彈爆炸過程，代替實際爆炸實驗，為原子彈設計提供基礎。5 北京大學在稀土分離研究中，以串級萃取理論為模型，用計算機模擬“搖漏斗”的實驗，獲得稀土工藝設計的“一步放大專家系統”，并在全國推廣應用，取得了很大的經濟效益和社會效益。3515。綜合集成法:系統科學的創新 系統科學（或稱橫斷科學）是從傳統科學中提出帶有共性的問題來研究，因而產生的科學。它是最廣泛的交叉學科。如果把自然科學，技術科學，社會科學看作科學分類的經線，那么系統科學就是橫跨自然科學，技術科學，社會科學的緯線，所以也可稱為橫斷科學。它包括系統論，控制論，信息論，耗散結構理論，非

25、線性科學，協同學，運籌學，混沌理論，分形理論，突變論，超循環論等。下面僅以控制論為例，說明它是怎么發展起來的。我們希望中國的年輕學者，也要有扎實的基礎，敏銳的眼光和遠見，在下一世紀，去開創和建立新的學科。3615。綜合集成法:系統科學的創新 控制論(Cybernetics）是把自動調節，通信工程，計算機技術，以及神經生理學和病理學等學科，以數學為紐帶聯系在一起而形成的新學科。它是1948年美國數學家維納（N.Wiener)創立的。他在二次世界大戰期間，接受了研制防空火力的控制系統的任務，嘗試用機器來模擬人腦的功能。他總結了這些思想，在1948年出版了控制論一書，把控制論定義為“關于機器和生物的

26、通訊和控制的科學”。錢學森在1954年在美國出版的工程控制論一書，是這個學科的奠基性著作。同年艾什比發表大腦設計，建立了“生物控制論”。中西文化的交融和互補：例如中西醫的結合3716。接近于“無中生有”的原始大創新,例如量子力學第一步是“提出科學問題”。正確敏銳地提出科學問題，本身就是重大的創新。例如1913年玻爾用經典力學加量子化條件，發表了他的氫原子理論后，思想敏銳的年輕人就提出一個科學問題：“經典力學是建筑在物理量可以連續變化的基礎上的，它和量子化條件是矛盾的。這是為什么？”接著1923年德布羅意提出電子和光子一樣也有“波粒二象性“。于是又提出一個科學問題：“光子的運動是由Maxwell的電磁波方程來描述的，電子的運動能否也可由類似的波動方程來描述呢？”薛定諤等哥本哈更學派的理論物理家們提出了這兩個科學問題，從而導致他在1926年建立量子力學。 38量子力學的原始大創新第二步是要有敏銳的直覺和靈感，提出一些前所未有的新概念，并重新審視舊理論中的概念。具體說來，量子力學有三個基本概念：（1）力學量：在經典力學常用的時間，位置，質量，動量，角動量，勢能，動能，總能等力學量，在量子力學中也是經常用到的。與經典力學一樣，這些力學量被認為是體系的可測性質。在經典力學中，廣泛使用微積分