科学实验的新形式——计算机实验，本文主要内容关键词为：科学实验论文,新形式论文,计算机论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着科学技术的发展，计算机已经广泛应用于各个领域，引起科学研究方法的变革。这种变革表现在两个方面：一、变革科学研究方法，产生许多新的科学研究方法。例如，非线性科学中的迭代函数系统方法，数学中的实验数学，工程系统和非工程系统中的计算机仿真，科学和工程计算中的科学可视化以及虚拟现实。二、变革科学实验方式，产生计算机实验。这后一变革尚未为哲学工作者充分认识，缺少相应的哲学概括。
本文将从分析和概括计算机在这些新的科学研究方法中所起的实验作用入手，阐明计算机应用的方法论意义，提出“计算机实验”概念，论述它是一种新的科学实验形式。
一、计算机变革科学研究方法的特点
科学实验之所以被公认为实践的一种形式，是因为它在人们的认识中具有探索和检验知识的作用。那么计算机在变革科学研究方法中是否也具有探索和检验知识的作用？我们以非线性科学中的迭代函数系统(IFS)方法和计算机仿真为例，具体考察计算机的这种作用。
计算机在IFS方法中起着实验的作用。所谓IFS方法是，建立分形图形的数学模型（即一组仿射压缩变换及其伴随概率），然后利用计算机进行迭代，生成仿真的分形图形。它是美国数学家M.F.巴恩斯列(Barns-ley)于1985年提出的一个生成分形构形的系统。
首先，从理论上讲，要构造非线性科学中的分形图形（称为原图），只要建立数学模型，然后进行迭代就可以生成一个仿真的分形图形。但在实际应用中，分形学家并不是直接建立原图的数学模型，而是采用拼贴方法来描述原图的（用一个个小的复制品来覆盖原图）。如果这个工作是由人工完成，那就太费时费力了。所以他们便借助计算机高速运算的能力，通过建立获取原图的IFS代码（仿射变换的参数和伴随概率）的人—机交互式系统环境，在计算机屏幕上通过人—机交互方式调整仿射变换的参数，使得它的仿射子图（即小的复制品）经平移、旋转或缩放后能覆盖原图的一部分。依此办法，不断产生新的仿射子图，以致最终覆盖整个原图为止。这说明计算机在用IFS描述分形图形过程中，起着调试或探索知识的作用。
其次，计算机根据原图的IFS代码生成仿真分形图的过程中，虽然有拼贴定理保证仿真图可以任意接近原图，但从原图确定IFS代码信息本质上是一个主观反映客观的过程。在这个反映过程中，人们不可能一次性地准确确定IFS代码，特别是其中的伴随概率。因此，通过计算机迭代生成的仿真图与原图可能存在着误差，或者说存在逼真度问题。就此而言，计算机又起着检验分形学家所确定的IFS代码是否准确的作用。从这个意义上说，计算机在生成仿真分形图形中起着检验知识的作用。
由此可见，计算机在IFS方法中的作用特点是探索和检验知识，因而具有实验的作用。
计算机仿真的实验性质。所谓计算机仿真（Computer simulation，又称计算机模拟或系统仿真）是指，在计算机上对实际系统（包括设计中的系统）的数学模型进行模拟试验，从而达到研究一个已存在的或设计中的系统的目的。
计算机仿真与计算机的发展是紧密联系的。本世纪40年代中期，电子模拟计算机的出现使得用数学方法模拟大量试验成为可能。J.冯·诺伊曼和S.M.乌拉姆在研究原子弹中，就利用计算机模拟中子在裂变物质中随机扩散的某些概率计算问题。这是最早出现的计算机仿真。以后随着计算机由模拟机、数字机、混合机到全数字机的发展，计算机仿真也经历了模拟仿真、数字仿真、混合仿真到全数字仿真。从应用领域来看，它已经由航空、航天、导弹、核能、电力、化工以及制造业等工程系统的科学技术领域，扩展到社会、经济、环境、生态等非工程系统的社会科学领域。现在，仿真技术已经发展成为一门独立的学科——计算机仿真，成为影响国家安全和繁荣的关键技术之一。
计算机仿真的一般过程及步骤，用图表示如下：
1.确定实际系统。这里的实际系统是为了达到一定研究目的而确定的研究对象。系统可以是现实存在的，也可以是设计中的。在确定实际系统时，必须注意系统的完整性和相关性，使得所确定的现实系统成为由一些互相联系的部分所组成的、具有一定功能的整体；同时必须划分出系统的边界和环境，收集有关的数据信息。
2.建立数学模型。根据研究目的、有关实际系统的先验知识和实验观测数据，分析和确定实际系统各要素及其所表征的变量与参数之间的数学逻辑关系，用数学方法加以描述，这个过程称为建立数学模型。建立数学模型时，除了应尽量准确地反映实际系统外，还必须尽可能简单明了和易于操作。
3.建立仿真模型。即把数学模型转变成计算机所能识别和运行的一些命令（即程序）的过程。
4.仿真实验。在计算机上对仿真模型所做的实验。因为这是在计算机上实现的一种试验，所以有人又称它为计算机实验。一般说来，仿真实验要反复进行多次，因为从实际系统到仿真实验经历了两次抽象（建立数学模型和仿真模型），人们对客观事物（实际系统）的认识也不是一次就完成的，而是经过反复多次才能完成的。
5.结果分析。仿真实验是对实际系统运行的一种模拟试验，因此模拟的结果应该尽可能地符合实际系统。可是，我们在仿真过程中经过从实际系统到数学模型再到仿真模型的抽象过程，这就有个主观认识是否符合客观实际的问题。因此，必须对仿真结果进行分析、评估、解释，使人们获得一种可信度。如果可信度很差，就要检查仿真过程的每一步骤，并进行相应的调整，使仿真结果具有更高的可信度。
由此，不难分析计算机仿真的实验性质，其表现是：1,计算机仿真是一个复杂的过程，涉及多方面的知识和许多技巧，所以往往需要经过多次的调试才能确定一个计算机仿真。就此而言，它具有探索知识的作用。2,在计算机上实际作试验之前，仿真实验经历了确定实际系统、建立数学模型和仿真模型三个阶段，而每一个阶段都是主观对客观的反映，这一系列的主观反映是否符合客观实际呢？经过对实验结果进行分析和解释，就可以获得一定可信度的认识。就此而言，计算机仿真又起到检验知识的作用。
关于计算机在科学计算可视化（Visualization in Scientific Computation，缩写为ViSC）、实验数学以及虚拟现实（Virtual Reality，它除了具有科学实验的性质外，还具有间接实践的性质）中所起的实验的作用，有兴趣的读者可以参阅有关资料。
以上分析表明，计算机在变革科学研究方法中的作用特点是探索和检验知识，因而具有科学实验的性质。
二、计算机应用的方法论意义——计算机实验
上节的分析表明，计算机在变革科学研究方法中具有两个特点：一，它们都是由计算机的应用所产生的，或者说，这些新的研究方法都是通过计算机实现的；二，计算机在这些新方法中都具有科学实验的性质，而且这种实验与传统的科学实验方法有着重要区别。
我们从哲学方法论的角度，把这两个具有普遍性的特点概括为计算机实验。但必须说明的是，我并不是要用计算机实验这个名称来代替计算机在不同领域的应用所产生的具体方法，而仅仅是对这些方法的共性作一种哲学抽象和概括罢了。正如传统的科学实验只是对各种具体实验方法（物理的、化学的、生物的等实验方法）的哲学概括一样。
计算机实验作为一种科学实验，它通过哪些步骤来实现，有何特征呢？为了说明这两个问题，我们用图表示如下：
1.确定实际系统。根据实验目的而确定的研究对象系统可以是现实存在的，也可以是设计中的。在确定实际系统时，必须注意系统的完整性和相关性，使得所确定的实际系统成为由一些互相联系的部分所组成的、具有一定功能的整体；同时必须划分出系统的边界和环境，收集有关的数据信息。
2.建立数学模型。根据研究目的、有关实际系统的先验知识和实验观测数据，对实际系统进行分析，确定系统各要素及其所表征的变量、参数之间的数学逻辑关系，然后用数学语言给予描述，这个过程称为建立数学模型。建立数学模型时，应使之尽量准确地反映实际系统，同时又必须尽可能简单明了，易于操作。
3.建立计算机模型。有了实际系统的数学模型后，并不能直接在计算机上进行实验，还必须用计算机读得懂的语言，把数学模型翻译成计算机所能识别和运行的一些命令（即程序），或者说用计算机语言描述数学模型。仿照用数学语言描述实际系统而称为数学模型，我们把用计算机语言描述数学模型的过程叫做建立计算机模型。
4.计算机实验。在计算机上对计算机模型所作的一种模拟试验。有了计算机模型后，就可以在计算机上进行具体的实验操作。一般说来，计算机实验要反复进行多次，以便使实验结果更符合实际，或者使设计方案得到优化。
5.结果分析。对实验结果进行分析、评估和解释，判断其与实际系统的符合程度，使人们获得一种可信度。如果可信度低，就要检查实验过程的每一步骤，并作相应的调整或修改，使其具有更高的可信度。
至此，我们可以给计算机实验这个概念作一个操作性定义：
计算机实验是在计算机上对实际系统的数学模型进行的一种模拟试验。
这里的实际系统可以是已经存在的或尚未存在而在设计中的；可以是具体的物质系统，也可以是抽象的事物系统（如社会科学领域中的经济、生态等系统）。
我们在计算机实验中肯定了它的科学实验性质，因而具有实践的品格。那么它是不是科学实验的新形式呢？这就是我们下面所要回答的问题。
三、计算机实验是一种新的独立的科学实验形式
这个命题包含二层意思：计算机实验是一种新的科学实验形式，而且不能为科学实验所代替。我们分别论述如下。
计算机实验是一种新的科学实验形式 我们通过比较计算机实验、实物实验、思想实验的步骤，说明它们区别和联系，从而表明计算机实验是一种新的科学实验形式。
实物实验。传统意义上的科学实验实际上是对实际系统的实物模型进行的一种模拟实验，所以我把它叫做实物实验，其实验步骤是：
1.确定实际系统。根据研究目的而确定的研究对象，系统可以是现实存在的，也可以是设计中的，统称为实际系统。在确定实际系统时，还必须收集有关的数据信息（如，初始条件、边界条件和各种参数等）。
2.建立实物模型。根据实际系统的有关先验知识和实验观测数据，确定影响实际系统的主要因素及其关系和系统变化过程。用具有与实际系统相似的结构、功能、属性和关系的物质形式，代替实际系统，以便于进行观察、实验和理论分析。因为它是用实物的形式代替实际的实验对象，所以称为实物模型（如土木建筑中的各种实物模型，动物作为人体实验的实物模型等）。
3.设计实验方案。对于同一个实物模型可以用不同的方法和步骤进行实验，所以在进行实验之前还必须设计实验方案，选择最佳实验方案。
4.实物实验。借助实验设备对实物模型进行直接操作的一种试验。一般说来，实物实验要反复进行多次，因为从实际系统到实物实验经历了两次抽象（建立实物模型和实验方案）；而人们对客观事物的正确认识，一般说来要经过反复多次才能完成的。
5.结果分析。对实验结果进行分析、评估和解释，视其与实际系统的符合程度，检查、修改实验过程的每一步骤，使人们获得一种可信度。
思想实验。它是撇开实物实验的实物对象和具体设备，借助于人的思维的能动性和逻辑规则，在思想中进行的一种特殊推理论证。或者说它是按照假想的实验对象、手段和步骤，进行思维推理，得出合乎逻辑的结果。其实验步骤类似于实物实验，只是把其中的具体实物改为假设想象的，其具体步骤如下：
计算机实验。其具体步骤见图2。
我们从实验步骤上不难发现，实物实验、思想实验、计算机实验之间的区别与联系。
三种实验的联系 三者之间的联系表现在它们具有一些共同点：①实验性。它们分别经历了实物实验、思想实验和计算机实验，因而都具有实验的性质。这一点是显然的，否则就不能称其为实验。②模型法。它们都是通过模型来模拟真实系统的，确切地说，它们都是从实际系统出发，建立实际系统的模型，然后通过模型来模拟实际系统的。
三种实验的区别 三者的区别表现在：①在模型方面。虽然它们都是通过模型方法来模拟实际系统的，但所用模型又各有其特点。实物实验建立的是实物模型，思想实验建立的是假想模型（或思想模型），计算机实验建立的是数学模型。②在实验手段方面。实物实验是通过实验的物质对象、仪器和设备等物质手段实现的，思想实验是在思想中实现的，计算机实验则是通过计算机完成的。
这三种实验的区别与联系，仅仅是一些表象而已。我们还可以透过这些表象，发现隐藏于其中的更深刻的联系与区别。
计算机实验与思想实验的联系与区别。思想实验本质上是在思想中进行的逻辑推理，而计算机实验本质上也是在计算机上进行一系列的逻辑推理判断。所以，计算机实验与思想实验在推理上并无本质的区别，前者是后者的物化，但它们又存在着量和质方面的差别。在量方面，思想实验受到人的思维能力的限制，它只能对简单的系统想象出一个思想模型，而不可能想象出复杂系统或非线性系统（如具有上千个变量的数值天气预报方程）的思想模型，而计算机实验是用数学方法来描述复杂系统的，从原则上讲，只有未被描述的系统，而不存在不可描述的系统。就人脑的记忆容量和运算速度来说，更是无法与计算机相比的。在质方面，思想实验的结果是看不见的，只是停留在逻辑思维的范围，不能使人获得一种感性认识，因此，它只是实物实验的一种逻辑补充。而计算机实验的结果则是以图象的直观形式显示在屏幕上，使人获得一种视觉效果，观察到实际系统的动态变化规律，特别是在用于各种训练的仿真器中，人还可以获得其他一些感觉。因此，它是主观见之于客观的一种感性过程。正是由于计算机实验是人的有目的、有意识的，使主观见之于客观的一种感性活动。所以它属于实践的范畴，是实践的一种新形式。因为辩证唯物主义所说的“实践”是一种“物质感性活动”，而计算机实验却撇开了实践对象的物质性，只留下实践的物质手段（计算机），而对抽象的事物（数学模型）作实验操作，但它所产生的结果（屏幕上图象），仍然能够使人们获得一种感性的认识，并且通过人的实际操作（例如，改变实际系统的初始条件、边界条件和参数）可以获得实践对象变化的动态信息，洞察其变化的规律性。
计算机实验与实物实验的联系与区别。从实验的方法来看，它们都是通过模型方法来模拟实际系统的，但二者又是采用不同的实验对象而达到相同的结果。具体地说，实物实验是采用具体的实物模型作为实验对象，通过实验仪器和设备等物质手段进行实验的；而计算机实验则是采用抽象的数学模型作为实验对象，在计算机上进行实验操作的。尽管它们所采取的实验途径和手段不同，但殊途同归，得到相同的感性结果。这两种实验的联系和相同感性结果说明，它们都具有科学实验的性质。它们所采取的不同途径（具体模型和抽象模型）和手段说明，它们是科学实验的不同形式。因此，计算机实验是科学实验的一种新形式。
计算机实验是一种独立的科学实验形式 既然计算机实验是一种新的科学实验形式，如果它不能为实物实验所代替，那么就可以说明计算机实验是一种独立的科学实验形式。
首先，从计算机实验的实际应用来看。前面已经说过，计算机实验的早期形式——计算机仿真产生于第二次世界大战的末期，其直接背景是要解决实物实验所无法解决的复杂系统的数值模拟问题。此后，随着科学技术的发展，计算机实验又用于代替带有危险性（例如，核试验、航空、航天、武器系统等）的实物实验，并且逐步扩大到代替那些高费用、长耗时的实物实验。例如，用实物做风洞实验，不仅建设风洞费用高，而且实验周期长，费用也十分昂贵。如果用计算机做风洞实验，不仅周期短、费用低，还可以方便地重复实验，以选择最佳设计方案。近十几年来，计算机实验还应用到无法进行实物实验的非工程系统（例如，社会、经济、生态、生物等社会科学领域）。非工程系统的计算机实验可以使用户观察系统的变化，预测可能发生的现象，以便实时地作出决策、判断。这些事实说明，计算机实验不能为实物实验所代替（特别是在高危险、长耗时以及非工程系统的社会科学等领域的应用），相反，在许多情况下，由于计算机实验具有经济性、安全性、可预测性、时效性等优点，却可以代替实物实验。
其次，从理论上看。前面分析过计算机实验与实物实验的本质区别表现在实验对象上，前者是抽象的数学模型，后者是具体的实物模型。因此，它们存在着抽象与具体的辩证关系。就实际情况来看，计算机实验表明凡属于同一个抽象的数学模型所描述的某一类实际系统，其实验结果在计算机屏幕上显示出来的图象具有相同的结构和形状，而系统的初始条件、边界条件和参数并不影响图形的结构，从而说明计算机实验适用于具有相同数学模型的一类实际系统。例如，现在已经制造出系统分析器、系统设计器、系统试验床、系统观测器、系统预测器以及训练仿真器（注：熊光楞、彭毅等编著：《先进仿真技术与仿真环境》，国防工业出版社1997年版，第18页。），就是最好的说明。而一个实物实验只能适用于单个实际系统。所以，计算机实验与实物实验的差异和对立表现为抽象与具体、一般与个别的辩证关系。一般虽然寓于个别之中，但不能为个别所代替。这就说明了计算机实验不能为实物实验所代替。
由此可见，计算机实验是一种独立的、新的科学实验形式。
四、结束语
综上所述，计算机的应用不仅变革了科学研究方法，而且变革了科学实验方式，产生计算机实验；在方法论方面丰富了人们对科学实验的认识，同时也将引起思维方式的变革。
为了更清楚地认识计算机实验的方法论意义。我们把以上论述的三种实验的联系与区别用列表的方式归纳如下：
这个分类表说明，无论是思想实验、实物实验，还是计算机实验，它们都是用模型方法来模拟实际系统的。但是，根据实验是否具有实践的性质，可以分为具有逻辑判断性质的思想实验和具有实践性质的科学实验；而科学实验又可以根据其实验对象是具体的实物模型还是抽象的数学模型，分为实物实验和计算机实验。这就使我们清楚地认识到，计算机实验的出现扩大了科学实验概念的内涵，把传统的科学实验概念（即实物实验）拓展到包括计算机实验在内的更广泛意义上的科学实验。
计算机实验的出现正在引起人们思维方式的变革。人脑具有逻辑思维、形象思维、灵感思维和直觉思维的机能；电脑（即计算机）具有高速逻辑运算的功能，而且记忆容量大，但不能进行灵感的、直觉的和形象的思维，不能理解知识。例如，电脑对数据信息的理解和决策处理显得无能为力，所以当前人工智能的研究不得不由全自主机器人转向带有虚拟现实技术辅助的遥控机器人，而虚拟现实正是人利用自身的灵感的、直觉的和形象的思维能力，通过电脑对复杂数据信息进行可视化、操作和交互的一种全新方式。人们正是利用人脑和电脑各自的优点，才创造出诸如IFS、实验数学、科学可视化、计算机仿真以及虚拟现实等新的科学研究方法。这些方法的共同特点是，把复杂的、机械性的逻辑推理，或者把解题方面质的困难变成量的机械操作（例如，人们一般无法求出非线性方程的解析解，但可以通过计算机求出数值解），交给电脑去完成，人可以腾出时间来做一些创造性工作。从意义上说，计算机实验改变了人们的思维方式。
“计算机实验”概念的提出仅仅是初探性的，随着计算机变革科学研究方法的特点的不断揭示，它将进一步完善。
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