科學是人類所積累的、經過驗證的、用於解釋和預測宇宙各種客觀現象的模式化/公式化的知識體系(如概念、模式/模型、定理/定律、理論等)。作為邏輯推理(如溯因、歸納、演繹)的產物, 科學源於以溯因與歸納為主線的理論構建和以演繹為主線的理論驗證。理論構建和理論驗證是科學研究(簡稱科研)或科研創新(因為科學研究皆為獲得創新性結果)的內核。迄今為止的科學概念、模式/模型、定理/定律、理論等代表人類對宇宙各種客觀現象的階段性的、不完整的詮釋。科學的終極目標就是要在理論構建和理論驗證的不斷迴圈中, 實現從量變(假設/概念/模式/理論的驗證)到質變(新假設/概念/模式/理論的產生或現有概念/模式/理論的完善), 再從新的量變到新的質變, 從而最大限度地反映真相、接近真理。
下麵, 我根據自己的體會和理解, 從定義、運作、功用、優化的角度, 談談科研創新的理論構建與驗證, 以消除人們對科研創新的神秘感, 增強科研新人在科研創新活動中的自信心。 理論構建。定義。科研創新是建立和完善模式化/公式化的知識體系(即科學)的必要手段, 其過程包含理論構建和理論驗證兩大步驟。理論構建既可以通過某種現象的溯因, 提出解釋其原理的假設(猜測/設想); 也可以通過多種相關現象的歸納, 產生新的、用於預測未來現象的概念/模式/理論, 或改進、完善和豐富現有的概念/模式/理論; 理論構建昭示整體的、顛覆性的、戰略性的質變。 更確切地說, 溯因(abduction)以某種現象為終點, 經過挖掘和追溯已知規則和結論, 推斷產生該現象的原因, 提出解釋該現象的假設(猜測/設想)。一般地, 溯因的終點(即某種現象)是確定的; 然而, 局限於人們的認知水準與判斷能力, 溯因而來的假設(猜測/設想)可能表現出不確定性, 儘管其或許蘊藏著一定的直觀性、創造性、甚至變革性。因此, 溯因所得的假設(猜測/設想)需要通過演繹(包括實驗手段)以檢驗其合理性/實用性。 歸納(induction)以多種相關現象為起點(或原料), 經過概括/總結/昇華, 形成新的、有助於預測未來現象的概念/模式/理論, 或改進、完善和豐富現有的概念/模式/理論。歸納是從個體到一般的概括, 從論據到論點的總結, 從現象到本質的穿越, 從具體到抽象的演變, 從客觀到主觀的昇華, 最終抵達畫龍點睛、出神入化的境界。換言之, 歸納帶來整體的、 顛覆性的、戰略性的質變。雖然歸納的起點(即多種相關現象/觀察)是具體的、客觀的、乃至鬆散淩亂的, 但其終點(即概念/模式/理論)卻是概括的、主觀抽象的、且井井有條的。歸納出來的概念/模式/理論(或俗話所說的規律/訣竅/竅門)越精煉簡潔, 越淺顯易懂, 就越容易被接受與採納, 其所產生的影響/效益就越大。反之, 歸納出來的概念/模式/理論越籠統繁雜, 越晦澀深奧, 就越難於被接受與採納, 其所產生的影響/效益就越小。當然, 相關現象/觀察的不完整性, 以及人們認知水準與判斷能力的局限性, 都可能降低概念/模式/理論的準確度與預測力。因此, 歸納所生成的概念/模式/理論同樣需要演繹(包括實驗手段)以檢驗其準確度與預測力。 運作。科研創新的理論構建包括從簡單現象溯因出來的假設(猜測/設想), 和從複雜現象歸納出來的概念/模式/理論。 具體地說,溯因以某種現象為終點, 經過排查已知規則/結論, 推斷引起該現象的原因, 提出解釋該現象的假設(猜測/設想)。從運作上看, 溯因像是做數學題前的思考(或預熱), 而演繹則是解題過程。當見到一條數學題時, 我們的腦子會快速進行排查, 力圖鎖定可以直接用以解析此題的公式/定律。如果沒有找到可以直接套用的公式/定律, 我們便會嘗試添加輔助線, 讓相關公式/定律派上用場。事實上, 歷史上很多重大科學突破都可歸功於溯因的巧用。例如, 1928年, 弗萊明在意外超長置放的葡萄球菌平板培養皿裏, 注意到外來青黴菌株在葡萄球菌落間形成了無菌圈(抑菌圈), 便聯想到青黴菌可能分泌了某種抑制葡萄球菌生長的物質。繼而提純此物質, 弗萊明發現了青黴素。此外, 醫生的疾病診斷過程也是溯因的經典案例。
當患有某種病痛(如腹痛)的病人來到醫院, 醫生會進行詢問和檢查, 並根據各種臨床指標, 推斷引發該病痛的可能原因, 作出初步的診斷(假設)。 歸納以多種相關現象(包括新近觀察和已知規則/結論)為起點(或原料), 化繁為簡、去粗取精、去蕪存菁、去偽存真, 建立新的、可用來預測未來現象的概念/模式/理論, 或改進、完善和豐富現有的概念/模式/理論。從運作上看, 歸納酷似撰寫文章摘要, 或將相關文章縮寫成綜述。歸納在科研創新的理論構建中起到了不可或缺的作用。例如, 發源於先秦、成形於戰國到秦漢時期、逐步完善於後續朝代的中醫學, 以古代哲學思想[陰陽 ,五行(金、木、水、火、土)]為理論框架, 以藏象[五臟(心、肺、脾、肝、腎), 六腑(膽、胃、小腸、大腸、膀胱、三焦)]、經絡和氣血津液為理論核心, 將人體看成氣、形、神的統一體, 彰顯整體性、宏觀性、動態性的特徵, 運用望、聞、問、切等診斷方法, 探索病因、病性、病位、病機, 判斷邪正消長, 歸納病名、證型, 制定“汗、吐、下、和、溫、清、補、消”等辨證治法, 採納中藥、針灸、跌打、推拿、按摩、拔罐、氣功、食療等手段, 從而達到治療、預防、康復、保健等目的。 又例如, 處於特定的家庭環境(每晚8:30熄燈), 我在小學階段不經意間發現了以早晚回憶為特徵的培養超強知識記憶能力的模式, 讓我在既沒有得到高人指點, 又沒有參加補習班的情況下, 自小學到高中, 各門功課都取得了滿分或最高分; 受初中三年級語文老師講課方式的啟發, 我感悟出了幾條寫作規律(如文章切入點的選擇、主題的拓展、文章的評判標準), 使我在後來的高考和考研、學術文章撰寫、書籍編輯過程中都如魚得水, 如虎添翼; 我在本科期間綜合字體形狀和詞義而創立的建網法, 將系統地閱讀和強記<英漢小詞典><新華詞典>變得不僅簡單高效, 而且趣味無窮; 基於博士和博士後研究的經驗和教訓, 我歸納出了科研創新的三點策略(爭先、更好、不同)和有效思路(遞推、平行、因果、逆向、隨機), 讓我在後續的科研創新中, 超前達到專案的主要目標, 輕鬆破解別人久攻不下的難題, 發表眾多以第一作者署名的研究報告。  功用。科研創新的理論構建包括以簡單現象為終點而溯因出來的假設(猜測/設想), 和以複雜現象為起點(或原料)而歸納出來的概念/模式/理論。符合實際的正確的假設(猜測/設想)為科研創新樹立充滿潛力的階段性目標; 而背離實際的錯誤的假設(猜測/設想)只會讓科研創新誤入歧途。反映真相和簡潔精練的概念/模式/理論是對客觀現象的更完善的詮釋, 顯示更強大的效力, 享有更深遠的影響力; 而遠離真相和籠統繁雜的概念/模式/理論只能自欺欺人, 毫無效力可言, 更沒有影響力。通過溯因去構建符合實際的假設(猜測/設想)是在科研創新中少走彎路的關鍵; 通過歸納去獲得反映真相的概念/模式/理論是推動科學穩步發展的法寶。坦誠地說, 我在學習和科研創新中收聚的各種好運, 絕非由於上天的格外眷顧, 而是由於我在每一個階段都發現或建立了行之有效的模式。 優化。溯因涉及排查已知規則/結論, 從而推斷導致某種現象的原因, 提出解釋該現象的假設(猜測/設想)。因此, 優化溯因的效果以獲得符合實際的假設要從掌握更多的已知規則/結論和發展更敏銳的思維力(想像力)著手。前者依賴在小學階段通過早晚回憶培養的超強知識記憶能力, 而後者離不開在中學階段通過寫作和學習唯物辯證法的基本原理練就的敏銳思維力(想像力)。 歸納力主概括和總結多種現象(包括新近觀察和已知規則/結論), 從而昇華成新的、有助於預測未來現象的概念/模式/理論, 或改進、完善和豐富現有的概念/模式/理論。因此, 優化歸納的效果以得到接近真相的概念/模式/理論尤其需要在中學階段通過寫作(如綜述)練就敏銳思維力(想像力)和全局觀。 理論驗證。定義。理論驗證通過演繹(包括實驗手段), 以檢驗和測試新的假設/模式/理論的信度與效度, 助力改進、擴展和完善已知概念/模式/理論, 並帶來局部的、漸進式的、戰術性的量變。一般地說, 演繹(deduction)是從整體到個體的延伸, 從論點到論據的拓展, 從普遍規律到具體案例的應用。值得注意的是, 演繹是基於前提、但又獨立於前提的真或假的邏輯推理; 演繹的結論要麼有效, 要麼無效。如果前提是真實/正確的, 那麼演繹的結論自然是肯定的;如果前提是錯誤的, 那麼演繹的結論即使合乎邏輯,也可能不正確。換言之, 演繹只證明或充實, 而不改變源自溯因的假設和源自歸納的概念/模式/理論。正確的或切合實際的假設/概念/模式/理論將被演繹證明是正確的, 而錯誤的或脫離實際的假設/概念/模式/理論將被演繹證明是錯誤的。假設/概念/模式/理論越切合實際, 越接近真相, 其信度與效度就越大; 假設/概念/模式/理論越脫離實際, 越遠離真相, 其信度與效度就越小。
運作。演繹(包括實驗手段)是理論驗證的途徑。從運作上看, 演繹堪比解析數學題的過程, 而溯因則是做題前的思考(或預熱)。雖然形式科學(如數學、邏輯學、系統論、理論電腦科學、人工智慧等)的理論驗證不依賴實驗手段, 但自然科學(如物理學、化學、天文學、地球科學、生物學等)和社會科學(如心理學、社會學、經濟學等)的理論驗證都倚仗實驗手段的支持。在生物醫學領域, 常用的實驗手段包括體外(in vitro), 體內(in vivo)和電腦模擬(in silico)實驗。體外實驗是指在生物體之外(如培養皿或試管中)所進行的實驗, 意在避免或減少耗費不菲的體內實驗。例如, 為了測定新產生的抗體所識別的抗原表位類別(如蛋白、脂蛋白、糖蛋白), 可先用蛋白酶、脂肪酶或高碘酸鹽分別處理抗原, 再進行抗體-抗原反應。如果抗體不能與蛋白酶處理過的抗原結合, 則其識別的抗原表位可推斷為蛋白質; 如果抗體不能與脂肪酶處理過的抗原結合, 則其識別的抗原表位可推斷為脂肪基; 如果抗體不能與高碘酸鹽處理過的抗原結合, 則其識別的抗原表位可推斷為糖基。體內實驗是指在完整的活生物體(如活體動物或人體)而不是部分或死亡的生物體中所進行的實驗(如臨床試驗), 以揭示細胞在生理環境中行為方式的最準確表達細節。電腦模擬實驗是在電腦上或通過電腦模擬所進行的實驗(如分子建模、全細胞模擬、基因測序等), 從而繞過耗時與昂貴的傳統體外或體內實驗, 極大地加快科學發展的步伐。 值得一提的是, 雖然中醫學在診治常見病、慢性病和疑難雜病時表現不凡, 但總被一些不諳事理的人誤認為經不起臨床"批量重複", 故只稱得上是"經驗科學"或"潛科學"。其實, 這種僵化的、偏執的觀點突顯對個體獨特性的忽視。中醫學的明智之處在於其會根據個體差異, 對同一藥方進行果斷的、必要的加減。中醫學的因人施治的靈活性也逐漸被西醫學以"精准療法"或"個性療法"的形式所採納。 功用。理論構建所產生的假設/概念/模式/理論有賴於通過演繹(包括實驗手段)進行驗證。只有驗證過的假設/概念/模式/理論才有信度與效度, 才能改進、完善和豐富科學概念/模式/理論, 才能最大限度地反映真相、接近真理。 優化。演繹只證明或充實, 並不從根本上改變溯因而來的假設和歸納而來的模式/理論。因此, 正如俗話說的: "工欲善其事, 必先利其器","兵馬未動, 糧草先行", 在展開理論驗證(即演繹包括實驗手段)之前, 要盡可能採納切合實際的、反映真相的假設/概念/模式/理論, 拋棄不著邊際的假設/概念/模式/理論, 從而減少相關人力和原材料資源的消耗。此外, 人工智慧的運用有助於進一步避免耗時且昂貴的傳統體外或體內實驗, 提高電腦模擬實驗的效率。 綜上所述, 科學是解釋和預測宇宙客觀現象的模式化/公式化的知識體系(如概念、模式/模型、定理/定律、理論等)。作為產生、完善和豐富科學的手段, 科學研究(簡稱科研)或科研創新包括理論構建和理論驗證兩大步驟。理論構建既可以通過某種現象的溯因, 提出解釋其原理的假設; 也可以通過多種相關現象的歸納, 形成新的、用於預測未來現象的概念/模式/理論, 或改進、完善和豐富現有的概念/模式/理論; 理論構建導致整體的、顛覆性的、戰略性的質變。理論驗證則通過演繹(包括實驗手段), 以檢驗和測試假設/概念/模式/理論的信度與效度; 理論驗證帶來局部的、漸進式的、戰術性的量變。理論驗證和理論構建的依次交替推動從量變(假設/概念/模式/理論的驗證)到質變(新假設/概念/模式/理論的產生或現有概念/模式/理論的完善), 再從新的量變到新的質變, 直至無限接近真相與真理。