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,科學研究的基本問題,1,一、科學研究的目的是什么？ 知其然—— 學生時代；,,,2,一、科學研究的目的是什么？ 知其然—— 學生時代； 知其所以然—— 科學研究；,,,3,一、科學研究的目的是什么？ 知其然—— 學生時代； 知其所以然—— 科學研究； 使其然—— 研究工作的最終目的和 最高境界！,,,,,4,二、什么是科學？ 1.自然科學 2.社會科學,,5,自然科學家的優(yōu)勢在于，他們所面對的是獨立于人的意識的自然現象。自然現象屬于一個世界，科學家的陳述屬于另一個世界。因此，自然現象可以充當獨立的客觀標準，科學則依賴此判斷所陳述的真理性或有效性。與事實一致的陳述就是真的，否則就是假的。只有確立了與事實的這種一致性，科學家的理解才能成為知識。也即科學家擁有一個可供人們使用的客觀標準。,,2.1 自然科學,6,與此形成鮮明對照的是，參與者的思維對象不是能夠獨立地給定（如在社會科學和經濟學領域），它依賴參與者的決策而定。作為確定參與者觀點的真實性或有效性的標準，它還不夠格，但是它又確實提供了某種標準。一些期望為后來的事件所確認，另一些則沒有。可是確認過程也留有遺憾，因為人們永遠也無法肯定，究竟是預言與后來的實踐相一致，還是后來的事件順應了預期？在此，自然科學所強調的思想與事件之間的完全分離蕩然無存了！,,,2.2 社會科學,7,例1：2015年春夏季新潮時裝發(fā)布會 參與者的思維對象不是能夠獨立地給定，它依賴參與者的決策而定。被人們崇拜的服裝設計師在發(fā)布會上推銷它們的理念和產品，利用人們追求未來時髦的心里，冠以半年后的時髦趨勢發(fā)布。結果是，至少有 ?70% 的把握，證明發(fā)布會的預期是正確的！ 為什么？……,,8,例2：證券市場 在2000年美國證券市場大幅下滑之前的二十多年時間里，以及我國證券市場在此之前的十年里，所謂的“消息”和“名人的預期”左右著市場中單個基金股的升降。這是因為多數人們“順應了”隱含的號召，導致了最終結果與“消息或預期”相符。,,,9,2.3 自然和社會科學的混合問題 臨床醫(yī)學證明：人的精神狀態(tài)與藥物的作用有相互關聯，有時會出現真假逆轉的情況。比如沒有任何副作用的安慰劑，在雙盲實驗中對有的病人可以起到治療作用！那么是藥劑無效？還是…？,,10,2.3 自然和社會科學的混合問題 —— 針灸治療和針灸麻醉 相信針灸的人，針灸的治療效果奇佳； 不相信針灸治療的人，則毫無效果！ 針灸麻醉也是這樣。上世紀70年代時曾經 有病人接受針灸麻醉，實現剖腹探查手術！,,11,我們不能只依賴嚴密的邏輯推理，理智有用處，但是也有限制。如果我們堅持留在理智的范圍內，就無法應對自己生活的這個世界（自然科學+社會科學+醫(yī)學+宗教+…）。相形之下，相信自己會犯錯誤，任何結論都需要充分樣本的驗證和分析，可以讓我們走的更遠，可以終身指導我們。,,12,三、自然科學中，什么是科學 即使億萬人的觀察都認可了某個原理，但只要有一次觀察和它相左或不符合，它就不得不被迫進行修訂。 原則之所以能站得住腳，那是因為它經受住了一次次新而更新的實驗的檢驗，而且還要經受進一步歸納的不斷檢驗。,,13,四、如何才能作好研究工作？ 心態(tài)十分重要，世界觀更重要， 即價值觀 — 不可急功近利、個人收入導向！ 97%以上的研究結果，最后成為過眼煙云！ 如何對待那最有價值的、低于3％的有用的成果？ 必須堅決改進科研評價制度！,,,14,4.1 思想方法中的邏輯思維 向后看 向前看 人們向后看，覺得那些發(fā)明創(chuàng)造者太幸運， 因為那時的科學技術相對落后，機會無窮； 人們向前看時，覺得該干的、能干的都已經 被別人發(fā)明了、做完了，前途茫然。,,,15,人們最容易犯的錯誤，就是忽視了因果關系中的時序。 后人看前人總是覺得前人的機會多多！ 你的現在對于后人來說，就是前人，你就是“機會多多”。,,4.1 思想方法中的邏輯思維,16,研究工作中也有犯因果關系時序錯誤的時候。當我們想驗證一件事的時候，往往把已知的樣本拿來，驗證為解決未知樣本問題所研究的方法，并且方法中暗含有至少 1 個可調參數(有時竟然有3個!)。這是研究工作總也不能解決實際問題的根結之一。,,4.1 思想方法中的邏輯思維,17,數學的常識告訴我們，二維平面上的任何關系曲線，都可以用 3 參數方程來近似描述，即 y = k + ax + bxc 人們還可以用其它形式的數學公式來描述關系曲線，效果都是類似的。其實，從科學的角度講，用多參數擬合方法只能算是經驗公式，不能用此證明任何理論。,,4.1 思想方法中的邏輯思維,18,遺憾的是，包括國內外著名的化學類學術雜志，都存在偶爾把邏輯推理關系中出現“黑馬不是白馬”這樣的錯誤推導以理論研究的報告刊登出來！,,4.1 思想方法中的邏輯思維,19,4.2 關于推論和延展 我們應付不完全理解的方法之一，就是把我們所得到的任何知識、經驗或看法，沿用到這些東西涵蓋不到的領域中，這點在視覺上確實是如此。我們可以毫無困難的把視覺沿用到我們的盲點上，在最復雜的構思方面也是如此。 比爾.蓋茨1984年的預言…… “看來PC有640K的內存，對今后10年的任何應用都是足夠的了”。,,20,4.2 關于推論和延展 但是在自然科學中，我們只能正確描述實驗范圍之內的規(guī)律。延展推論是危險的或可笑的。近些年發(fā)現的材料性質的突變條件，微型化過程中發(fā)現器件尺度減小而性能出現嚴重偏離理論值的情況，都是原有理論過分延展所導致錯誤的證明。,,21,4.2 關于推論和延展 所以，在我們用實驗數據勾畫關系曲線時，單調曲線應該至少有5個實驗點，有拐點的曲線在拐點周圍應該至少有4－5個實驗點。曲線的端點不應超過實驗點而延伸！,,22,4.3 厚 積 薄 發(fā)—— 走向成功 十年科研或技術積累； 研究生階段：學會研究方法和培養(yǎng)解決問題的能力 學好物理和數理建?！J識問題的本質 是多數發(fā)現、發(fā)明的基礎和必要條件。,,,23,,,學以致用——解決真實條件下的科學與技術問題,研究方向之一：微型色譜儀,24,,,一、固態(tài)熱導檢測器（SSD）,25,,μ-FID（美國/德國）,常規(guī)：Air = 350-500 mL/min; N2 = 35 mL/min; H2 = 35 mL/min; 微型：Air = 100-150 mL/min; N2 = 5-7 mL/min; H2 = 7-10 mL/min;,收集極,,放大器,,Air,,,,Air,,,,,噴嘴,,,φ5-10 ?m,,,,15mm,,二、微型氫火焰離子化檢測器,26,?-FID 大連化學物理研究所,打火機,Talanta 82 (2010) 1022–1026 授權發(fā)明專利：ZL200810229985.X,27,27,?-FID內部氣體流動情況,助燃氣從上部側面進入，沿圓柱形通道向下流動，到達底部后氣流反向，從收集極中間向上流出。因此，在底部氣流中心異常穩(wěn)定，猶如臺風的中心眼。,,火焰穩(wěn)定性提高，可采用更高的極化電壓，進而提高信噪比。,提高極化電壓，信噪比明顯增大,28,二、微型氫火焰離子化檢測器,28,?-FID的靈敏度： 0.5 pg/s,C10-C16 GC分離譜圖 （符合碳數規(guī)律）,?-FID與常規(guī)商品化FID比較 （1.0 mg/L 異辛烷）,Agilent 6890 GC,29,二、微型氫火焰離子化檢測器,29,?-FID的功耗和能耗,氣體總消耗降低70%，功耗降低90%，有效延長小鋼瓶供氣和電池供電條件下的儀器工作時間，適用于便攜式GC。,30,二、微型氫火焰離子化檢測器,30,3-1 空間站艙內有害氣體分析儀,2012年我們承擔了中國人民解放軍總裝備部的型號任務: KJZBXX900中2個子模塊的研制任務— 采樣/控制和色譜模塊，帶有標樣校正，全參數地面遙測控制和分析數據傳輸。,我國2018年發(fā)射空間站。為保障航天員長期住留的健康安全，必須監(jiān)測艙內空氣中30多種痕量有害氣體，包括沸點達270 ?C的半揮發(fā)組分，定性定量檢測。,31,三、特種小型氣相色譜儀,31,32,我國不允許在空間站載人艙內有放射性材料，也不允許用氫火焰離子化檢測器，而光離子檢測器因壽命太短、且不能在有氦氣和氫氣環(huán)境中使用（都是色譜載氣），加之對耐受宇宙射線輻射和瞬時真空的要求，只能采用熱導檢測器。,但是，熱導檢測器靈敏度比離子化檢測器差100倍，要達到檢測下限指標，主要靠樣品富集，其次是進一步提高檢測器靈敏度。,我國規(guī)定空間站日常分析采樣量限定在50 mL，因此要解決少量樣品有效富集100倍以上的問題！,空間站艙內有害氣體分析儀性能比較,32,設計并且工程實施出比美國空間站分析儀的功耗、重量和體積都小70%，而功能相同的色譜分析儀，是對國家儀器儀表領域創(chuàng)新能力的挑戰(zhàn)！,氣路設計原理圖,33,在20多年的研究積累基礎上，我們解決了： 1）極低功耗毛細管色譜柱均溫加熱程序升溫； 2）抗氧化型固態(tài)微池熱導檢測器； 3）極低功耗樣品氣高倍富集-熱解析； 4）針對不同結構的抗振抗沖擊設計 等多項關鍵技術。,空間站艙內有害氣體分析儀,33,與安捷倫 6890 GC程序升溫分離對比色譜圖。30 m?0.25 mm i.d.?0.5 ?m SE-54。 35 ?C恒溫8min，10 ?C/min 升溫到180 ?C。1、甲醇、乙醛；2、乙醇；3、丙酮；4、二氯甲烷；5、正己烷；6、氯仿；7、呋喃；8、二氯乙烷；9、苯；10、正丁醇；11、乙二醇、三氯乙烯、庚烷12、甲苯；13、辛烷；14、乙苯、鄰二甲苯；15、間二甲苯；16、對二甲苯；17、壬烷；18、癸烷,20 W,1000 W,,30長毛細管極低熱容均溫加熱程序升溫技術,34,空間站艙內有害氣體分析儀,雙通道采樣、雙通道樣品富集-熱解析，雙爐溫控制，雙固態(tài)熱導檢測，其中一路程序升溫，分析沸點-20~270 ?C組分。整機平均功耗25 W。,美國的空間站色譜儀在發(fā)射時放在減震墊上，在軌后由宇航員取出，安裝在機柜里。而我國的色譜儀是事先安裝在靠壁機柜里，發(fā)射過程中沒有緩沖！因此抗振動性能要比美國儀器高3倍。,2013年3月，工程樣機分析性能通過驗收； 同年6月，工程樣機一次性通過鑒定級力學試驗！ 三維正玄震動 20?300 Hz，36 G 沖擊震動 1200 G,35,,,36,