科技创新与论文写作第3版作者戴起勋第2章科研基本方法与创新课件.ppt

数学在现代 科技中应用越 来越重要 如纯数学的矩阵理论，六十五年后应用于描述原子系统中矩阵力学。 开始创立的张量理论在35年后被爱因斯坦应用于相对论，成为相对论的基本数学工具。这样的例子很多。 数学方法 作用 ① 提供简洁精确的形式化语言； ② 提供数量分析和计算的手段与技巧； ③ 提供可靠的逻辑推理和证明的工具。 谷神星发现。意大利科学家观察，高斯 计算，称为“铅笔尖” 发现的新行星。 例子 二、 模型化方法 模型化 内涵 模型决定研究对象的基本概念、方向、方法和原理。 理想模型是舍去次要、突出主要特征。模型建立、修改和完善。科学理论发展常是模型的修正和更替。 如牛顿的万有引力模型、达尔文的生物进化模型等。 例2-11 量子理论的创立 卢瑟福对大量原子光谱做了很多精确的唯象分析 → 提出了原子结构模型。玻尔根据卢瑟福的模型和已有的 数据→创立了量子理论。 模型化 用适当的文字、图表和数学方程来表 述系统的结构与行为的一种科学方法 数学模型 具备条件 1）反映原型本质特征和关系,且合理简化 2）能对问题进行理论分析，逻辑推导 3）能合理描述具体研究对象，解决问题 分类 按建立的方法有理论型，经验型； 按变量性质分类有确定性和随机性型； 按函数关系分，有线性和非线性型；等 这里简单介绍理论模型和经验模型。 理论模型 特点 经验模型 特点 模拟 类型 模拟也称仿真（Simulation），是模型化 的继续。基本上可以分为三类： ① 几何模拟；② 数字模拟；③ 物理模拟 ① 关系式较复杂，有物理意义； ② 理论意义，与实际差异大； ③ 分析和推导的难度较大。 ① 数理统计分析得到关系式； ② 性质是唯象的或半唯象的； ③ 应用范围限制。 例2-12 模拟验证伽马射线摧毁地球6成生命 科学家提出 地球上生命可能被宇宙伽马射线大爆 炸毁灭过。 → 很难找到直接证据 美国堪萨斯大学的科学家通过计算机模拟计算，证明了 伽马射线摧毁地球6成生命。 模拟实验 结果 博士生托马斯在导师指导下，建立计算机数字模型进行模拟计算，发现一次4.5亿年前在离地球6000光年处发生的仅持续10秒的伽马射线大爆炸，竟然能毁灭地球60%以上的生命。主要是毁坏大部分臭氧层。 ? 国际组织“智慧实验室”（Mindlab）的神经心理学家大卫·刘易斯博士及其领导的研究小组日前为英国一家淋浴器制造商设计了一个如何计算淋浴效果的方程式。 方程式有几个基本自变量：淋浴器的喷力、淋浴的时间和热水流失量等. 考虑了7个主要因素：水压、环境条件、隐私因素、时间长度、水温、设备类型和喷流形式。应用这个公式，每一次淋浴都从1到100打分，得分85到100之间就算是完美的淋浴。 例2-13 科学家精心建立最佳淋浴方程式 2.6 系统与优化法 一、 系统方法的基本原则 系统方法 本质特征 整体性—整体与部分统一 → 基本依据 最优化—状态、效果最优 → 基本目的 模型化—实现优化定量化 → 基本途径 自然系统 功能优化 螳螂在1/20秒确定昆虫的速度\距离和方向 → 现代化火炮跟踪系统所望尘莫及； 海豚→ 超过现代潜艇的航速； 响尾蛇在相当远距离测到1/1000℃的变化 → 导弹红外跟踪系统难以达到。 二、 系统方法在科研创新中的作用 1）系统方法具有重大创造性的功能 阿波罗登月计划成功实施，总负责韦伯博士 2）系统方法是研究各种复杂系统的有效手段 用定量化方法研究解决了大型复杂问题，建立 了系统工程理论 3）用系统方法经营事业，可以实现整体优化 综合地反复地利用自然资源，并且也要将废物 转化为产品，循环为人类服务。在生产过程中 要实现无废物循环，实现可持续发展的战略 仿人体机器人，具有智能系统化功能。可以仿人体做32个动作。他既可以向大家介绍机器人的工作原理，也能指挥乐队为大家演奏精美的乐曲。 例2-14 仿人体智能机器人 2005年6月21日，在日本，一名日本东北大学的研究生正在与伴舞机器人共舞。这种由东北大学和武村同音公司共同开发的机器人身高1.65米，能够凭借底部的3个轮子向任何方向自由移动。机器人凭借安装的感应器，可以从舞伴的手部感知对方的跳舞意图，而自动配合舞步。 韩国美女机器人能说会道面有表情 日本美女机器人婀娜多姿回眸一笑 2.7 原型启发与仿生法 原型启发法 对自然现象进行观察、探索受到启 发来进行科学研究和创造发明的。起 启发作用的事物称为原型 仿生法 指原型启发法中的原