自然科學(xué)與技術(shù)研究方法

內(nèi)容概要

進(jìn)入21世紀(jì)，創(chuàng)新人才的培養(yǎng)已經(jīng)成為強(qiáng)國的緊迫任務(wù)，科學(xué)技術(shù)研究人員的創(chuàng)新能力成為創(chuàng)新型國家的基礎(chǔ)。吳重慶主編的《自然科學(xué)與技術(shù)研究方法》試圖以科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明的歷程為線索，探索創(chuàng)新的規(guī)律，尋求創(chuàng)新的方法，啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維，從而達(dá)到加強(qiáng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目的。
《自然科學(xué)與技術(shù)研究方法》以物理學(xué)、光學(xué)與光學(xué)技術(shù)、生物學(xué)與生物技術(shù)，以及材料科學(xué)與技術(shù)為依托，結(jié)合國家科學(xué)與技術(shù)發(fā)展政策，并結(jié)合專業(yè)教師的創(chuàng)新體會。避免抽象說教式空談，闡述了科學(xué)與技術(shù)的研究方法，是“活”的教學(xué)。本書共分4章：第1章為科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明概述，包括科學(xué)與技術(shù)的概念、相互關(guān)系、選題及發(fā)展歷程；第2章為作為一門科學(xué)，現(xiàn)代科學(xué)(物理學(xué)、光學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué))的研究方法，包括歸納法、演繹法及計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法等3種方法；第3章為新技術(shù)研發(fā)方法，包括技術(shù)演繹法、移植法、交叉法、螺旋上升法、逆向思維法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真與數(shù)字化方法等6種方法；第4章為上述幾個領(lǐng)域的未來課題。
本書不僅可供上述相關(guān)專業(yè)的學(xué)生使用，也可結(jié)合其他領(lǐng)域科學(xué)與技術(shù)的研究實(shí)例，供其他從事自然科學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域的研究人員使用。

書籍目錄

緒論
  參考文獻(xiàn)
第1章  科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明概述
  1.1  科學(xué)與技術(shù)的概念
    1.1.1  “科學(xué)”的概念
    1.1.2  “技術(shù)”的概念
  1.2  科學(xué)和技術(shù)的緊密聯(lián)系
    1.2.1  科學(xué)和技術(shù)的起源
    1.2.2  兩個傳統(tǒng)
    1.2.3  相互的推動作用
    1.2.4  形成緊密聯(lián)系
    1.2.5  結(jié)論
  1.3  科學(xué)與技術(shù)研究的選題
    1.3.1  科學(xué)研究的選題——尋找未知世界
    1.3.2  技術(shù)研究與開發(fā)的選題
    1.3.3  從科學(xué)發(fā)現(xiàn)到技術(shù)發(fā)明再到應(yīng)用的科研過程——創(chuàng)新
  1.4  光學(xué)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程
    1.4.1  光學(xué)發(fā)展史略
    1.4.2  光學(xué)技術(shù)發(fā)展簡史
  1.5  生物學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展歷程
    1.5.1  生物學(xué)的歷史
    1.5.2  生物技術(shù)發(fā)展歷史
  1.6  材料科學(xué)與材料制造加工技術(shù)的發(fā)展歷程
    1.6.1  材料制造加工技術(shù)與人類文明的發(fā)展
    1.6.2  材料技術(shù)的應(yīng)用與社會進(jìn)步
  思考題
  參考文獻(xiàn)
第2章  自然科學(xué)的研究方法
  引言
  2.1  從實(shí)驗(yàn)到假說到證實(shí)——?dú)w納法
    2.1.1  從實(shí)驗(yàn)到定律——?dú)w納法
    2.1.2  歸納法的前提
    2.1.3  歸納法中數(shù)學(xué)關(guān)系的獲得
    2.1.4  假說與假設(shè)
    2.1.5  證實(shí)與知識體系形成
  2.2  演繹——科學(xué)預(yù)言
    2.2.1  從歸納到演繹
    2.2.2  演繹法在理論體系形成中的作用
    2.2.3  從假說到科學(xué)預(yù)言——演繹法
    2.2.4  演繹法的一般步驟
    2.2.5  演繹法的前提條件
    2.2.6  演繹中邏輯推理的基本形式
    2.2.7  演繹法在化學(xué)學(xué)科中的應(yīng)用
  2.3  假說—演繹法在生物學(xué)研究中的應(yīng)用
    2.3.1  假說—演繹法的概念
    2.3.2  假說—演繹法的一般流程
    2.3.3  假銳—演繹法在生物學(xué)研究中所涉及的具體研究方法
    2.3.4  假說—演繹法在生物學(xué)研究中的應(yīng)用舉例
  2.4  科學(xué)研究中的計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法
    2.4.1  科學(xué)研究方法中的理論研究，實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)仿真研究
    2.4.2  計(jì)算研究方法的特點(diǎn)
    2.4.3  數(shù)值計(jì)算工具
    2.4.4  數(shù)值計(jì)算方法在光學(xué)研究中的應(yīng)用舉例
    2.4.5  計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法研究具體問題的一般步驟
    2.4.6  計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法的局限性
  2.5  數(shù)值計(jì)算方法在生物學(xué)研究中的應(yīng)用
  思考題
  參考文獻(xiàn)
第3章  新技術(shù)研發(fā)方法
  3.1  技術(shù)演繹法
    3.1.1  技術(shù)演繹法研發(fā)的案例
    3.1.2  技術(shù)演繹的過程
    3.1.3  技術(shù)演繹的途徑
    3.1.4  技術(shù)演繹的層次
  3.2  技術(shù)演繹法在生物技術(shù)研發(fā)中的應(yīng)用
    3.2.1  第一代測序技術(shù)
    3.2.2  第二代測序技術(shù)
    3.2.3  第三代測序技術(shù)
  3.3  移植法
    3.3.1  技術(shù)移植的必要性
    3.3.2  技術(shù)移植的可能性
    3.3.3  技術(shù)移植的途徑
    3.3.4  技術(shù)移植的層次
    3.3.5  技術(shù)移植的知識產(chǎn)權(quán)問題
  3.4  交叉法
    3.4.1  交叉法的形成
    3.4.2  交叉法的概念
    3.4.3  對我們的啟示
  3.5  螺旋上升法
    3.5.1  螺旋上升法
    3.5.2  螺旋上升法案例分析
    3.5.3  螺旋上升法中臨界點(diǎn)的把握
  3.6  逆向思維法
    3.6.1  逆向思維的概念
    3.6.2  逆向思維的特點(diǎn)
    3.6.3  逆向思維的三大類型
  3.7  計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真與數(shù)字化方法
    3.7.1  計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真方法簡介
    3.7.2  計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真方法在光信息技術(shù)中的應(yīng)用
    3.7.3  模擬光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)字化方法
    3.7.4  計(jì)算機(jī)在分子模擬技術(shù)和藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
    3.7.5  計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真的局限性
  思考題
  參考文獻(xiàn)
第4章  未來的主要科學(xué)與技術(shù)的研究領(lǐng)域
  4.1  未來的研究領(lǐng)域
  4.2  愛因斯坦和霍金的思維方法
    4.2.1  背景知識
    4.2.2  愛因斯坦的思維方式
    4.2.3  霍金的思維方式
    4.2.4  小結(jié)
  4.3  光學(xué)與光學(xué)技術(shù)的未來研究領(lǐng)域
    4.3.1  太陽能技術(shù)
    4.3.2  光子計(jì)算機(jī)
    4.3.3  光存儲
    4.3.4  新波段開發(fā)
  4.4  未來生物技術(shù)
    4.4.1  轉(zhuǎn)基因食品
    4.4.2  基因工程藥物
    4.4.3  基于干細(xì)胞的人體組織工程技術(shù)——干細(xì)胞治療
    4.4.4  新一代工業(yè)生物技術(shù)——生物質(zhì)能利用技術(shù)
  4.5  材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展前景
    4.5.1  稀土材料
    4.5.2  高分子材料
    4.5.3  復(fù)合材料
    4.5.4  發(fā)展前景
  思考題
  參考文獻(xiàn)
后記

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   1.傳統(tǒng)生物技術(shù)時期 19世紀(jì)上半葉以前的生物技術(shù)是以發(fā)酵產(chǎn)品為目的，以自然發(fā)酵的微生物技術(shù)體系為核心。應(yīng)該說從史前時代開始，發(fā)酵技術(shù)就一直為人們所開發(fā)和利用，以造福人類。在石器時代后期，我國人民就會利用谷物造酒，這是最早的發(fā)酵技術(shù)；公元前6000多年，古巴比倫人即蘇米爾人就能夠釀造啤酒；公元前4000年，古埃及人用麥粉發(fā)酵制造面包；公元前2000多年，我國釀酒已經(jīng)十分普遍，公元6世紀(jì)，我國賈思勰的巨著《齊民要術(shù)》詳細(xì)記載了制曲釀酒、制醬和制乳酸等工藝。 2.近代生物技術(shù)時期 近代生物技術(shù)時期是指19世紀(jì)初期到20世紀(jì)70年代的生物技術(shù)，以生命科學(xué)基礎(chǔ)研究為核心，所采用的技術(shù)涉及物理、化學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞雜交、誘變育種等。19世紀(jì)，人們有意識地利用酵母進(jìn)行大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)酒精，此后乳酸、酒精、檸檬酸和蛋白酶等初級代謝產(chǎn)物也成功進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)；19世紀(jì)中葉，巴斯德通過實(shí)驗(yàn)證明發(fā)酵原理；1897年，德國科學(xué)家畢希納（Eduard Biichner，1860—1917年）提出任何生物都有引起發(fā)酵的物質(zhì)——酶，他推動了生物化學(xué)、微生物學(xué)、發(fā)酵生理學(xué)和酶化學(xué)的發(fā)展，于1907年獲諾貝爾化學(xué)獎；1928年，弗萊明（A.Fleming，1881—1955年）發(fā)現(xiàn)青霉素，使抗生素生產(chǎn)工業(yè)化；20世紀(jì)50年代，氨基酸發(fā)酵工業(yè)成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的新成員；20世紀(jì)60年代，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)中又增加了酶制劑這一新成員。 3.現(xiàn)代生物技術(shù)時期 現(xiàn)代生物技術(shù)時期是指20世紀(jì)70年代至今的生物技術(shù)，以DNA重組和單克隆抗體兩大技術(shù)建立后的分子生物學(xué)為核心，采用基因工程、細(xì)胞工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程和酶工程等技術(shù)。這5個方面的技術(shù)并不是各自獨(dú)立的，它們彼此之間是相互聯(lián)系、互相滲透的，其中基因工程處于核心位置，發(fā)酵工程是生物技術(shù)的主要終端。 在明確了DNA是遺傳信息的主要攜帶者及遺傳密碼的組成規(guī)律以后，1980年獲得諾貝爾化學(xué)獎的伯格（Paul Berg，1926年—）在1972年實(shí)現(xiàn)了DNA體外重組技術(shù)，標(biāo)志著基因工程技術(shù)的開始；1976年誕生了第一家生物技術(shù)公司；1982年第一個基因工程產(chǎn)品——胰島素投入市場；1997年，生物學(xué)界發(fā)生了轟動世界的大事——克隆羊“多莉”誕生。這一時期的生物技術(shù)以基因工程為核心，帶動了現(xiàn)代發(fā)酵工程、現(xiàn)代酶工程、現(xiàn)代細(xì)胞工程和蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，形成了具有劃時代意義和戰(zhàn)略價值的現(xiàn)代生物技術(shù)。 現(xiàn)代生物技術(shù)主要應(yīng)用在疾病治療、診斷試劑、農(nóng)林和園藝、食品、環(huán)境、化學(xué)品和設(shè)備等7個方面。在疾病治療方面，主要是抗生素生產(chǎn)、生物制藥和基因治療；在診斷試劑方面，主要是臨床檢測與診斷檢測，以及食品、環(huán)境和農(nóng)業(yè)的檢測，多是利用單克隆抗體、DNA探針等檢測疾病，利用DNA探針、PCR技術(shù)等檢測食品和環(huán)境中的微生物種類和數(shù)量；在農(nóng)林和園藝方面，集中于改良作物和苗木品質(zhì)、人工種子、轉(zhuǎn)基因動物、生物殺蟲劑及除草劑；在食品方面，主要是擴(kuò)大食品、原料及營養(yǎng)素的來源，包括對食品資源的改造、對食品加工過程和食品品質(zhì)的改良、在食品處理及分析過程中的檢測、開發(fā)新食品材料、獲得功能性保健食品素材等；在能源和環(huán)境方面的應(yīng)用包括廢物處理、生物凈化、新能源的開發(fā)、消除環(huán)境污染；在化學(xué)品方面，生物技術(shù)從醫(yī)藥逐漸向化工領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，使傳統(tǒng)的以石油為原料的化學(xué)工業(yè)發(fā)生變化，從而面向條件溫和、以可再生資源為原料的生物加工過程的轉(zhuǎn)化，同時生物催化合成已成為化學(xué)品合成的支柱之一，可以生產(chǎn)有特殊功能、性能、用途或?qū)Νh(huán)境友好的化工新材料；在設(shè)備方面，集中于生產(chǎn)金屬、生物反應(yīng)器等方面，如生物冶金、膜生物反應(yīng)器處理廢水等。

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《自然科學(xué)與技術(shù)研究方法》不僅可供物理學(xué)、光學(xué)與光學(xué)技術(shù)、生物學(xué)與生物技術(shù)、材料科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生使用，也可在結(jié)合其他領(lǐng)域科學(xué)與技術(shù)研究實(shí)例的基礎(chǔ)上，供其他從事自然科學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域的研究人員使用。

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