申请国家自然科学基金项目需要哪些预备知识与能力?

       申请国家自然科学基金项目需要哪些预备知识与能力?科学研究是在完成中、进行中、准备中、构思中循环往复,不断提出问题、解决问题、无限逼近真理的过程。从事国家自然科学基金项目研究,要拥有深厚的自然科学基础知识、专业知识和相应的现代科学技术基础知识,要熟悉所研究问题的学术背景,要拥有自然科学哲学的基本知识。在掌握系统科学哲学思维方式与系统论方法的基础上,具备科学实验、科学理论研究的能力,掌握数值计算(模拟)的基本理论与基本技能,具备科学规范的表达能力。

 　在科学研究与基金评审过程中,常常遇到许多研究者存在的一些共性“问题”,而这些“问题”主要体现在申请国家自然科学基金项目时需要具备的预备知识与预备能力。这些“问题”的存在可能在一定的时间段、甚至很长时间影响着研究者项目的申请与项目的完成,影响着研究者对科学问题的理解与深化,甚至影响着研究者对科学研究的方向与最终成就。无论做任何工作,首先是要拥有宽广、有前瞻性的视野与坚定、执着的执行力。而这些视野和执行力的获得,必须具有获得基本知识、基本方法和基本能力。当然,申请国家自然科学基金项目须具备必要的预备知识与能力。

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　　拥有深厚的基础知识

　　作为准备以科学研究为事业的研究者,要拥有深厚的自然科学基础知识、专业知识和相应的现代科学技术基础知识。自然科学基础知识主要包括数学、力学、物理学、化学和生物学等领域的基本概念、基本方法与基本原理等。其中数学包括高等数学、线性代数、数理统计、微分方程、数值方法等必要的基础知识;力学包括静力学、运动学、动力学及连续介质力学等方面的基础知识;物理学主要包括光学、声学、热学、电磁学等方面的基础知识;化学主要包括无机化学和有机化学的基础知识;生物学主要包括动物、植物、细胞与遗传以及现代生物科技等基础知识。专业知识是指一定范围内相对稳定的、系统化的知识。现代科学技术基础知识是以非线性科学、计算机科学与技术、信息科学与技术等为先导的新的知识体系。对于从事基础科学研究或应用基础科学研究的研究者来说,遇到的问题必然是结构非线性、环境非线性、演化过程非线性、求解与证实困难的复杂性问题,传统的基础知识和专业知识一般不能顺利地解决,不得不在原有的自然科学基础知识和专业知识基础上,扩展知识领域和采用现代科学技术研究方法。因此,对于研究者来说,不是所有的基础知识都要熟记在心,但与本专业范围相关的、必要的基础知识和专业知识体系必须要熟练掌握,基础知识、专业知识和相关学科中一些核心概念、原理以及研究方法必须牢牢地掌握,并熟练运用。采用自然科学基础知识、专业知识与现代科学技术研究方法相结合的方法去解决所遇到的新问题。

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　　熟悉所研究问题的学术背景

　　作为研究者,必须要熟悉所研究问题的学术背景来凝练科学问题。学术背景是指所研究的学术实质问题背后的历史情况、现实环境、形成原因、表面现象等问题。依据所研究学术问题的不同,学术背景可以是工程背景、科学背景、环境背景、经济背景、管理背景、社会背景及相关学科的背景等;同时,学术背景可以涉及单一学科,也可能涉及多学科或边缘交叉学科。可以说,没有学术背景,就没有科学问题;不同时段、不同层次、不同类别的学术背景,对应着不同的科学问题。

　　当然,对于工程实际中凝练的科学问题,工程背景往往是工程实际中所发生的各式各样不同时段、不同层次、不同类别的工程现象,对应着不同的科学问题。例如,工程结构中构件(如杆件)的变形、破裂、锈蚀、腐蚀、爆炸等现象。工程结构中杆件的变形、破裂等现象的实质是工程结构中杆件的变形破坏问题,属于变形体结构力学研究的范畴,科学问题就是工程结构中杆件的变形破坏机理或工程结构中杆件的变形破坏规律。如果再精细分类、区别,可将工程结构中杆件的变形破坏问题划分为变形阶段、破裂阶段和滑落阶段三个实质不同的演化阶段,不同阶段对应着不同的科学问题。第一阶段是破裂前的工程结构中杆件变形问题,此时杆件属于连续介质,科学问题是工程结构中杆件的变形机理(或规律);第二阶段是工程结构中杆件的破裂问题,此时杆件属于由连续介质向非连续介质转化,科学问题是工程结构中杆件的破裂机理(或规律);第三阶段是工程结构中杆件破裂后的滑落现象,此时杆件属于非连续介质继续发展演化,科学问题是工程结构中杆件的滑落机理(或规律)。

　　工程结构系统是由多个构件依照不同的规则排列、组合而成的,因此一个个构件的变形、破坏,与整个工程结构系统的变形、破坏之间的关系,是另一类工程结构系统更高层次上的科学问题。

　　如果工程结构中出现锈蚀、腐蚀等现象,这些现象的实质是工程结构构件材料的化学问题,属于工程材料化学作用研究的范畴,科学问题就是工程结构材料的腐蚀机理或腐蚀规律,或者是由材料腐蚀诱发的结构构件的变形破坏问题。由此可以看出,研究者必须认真观察工程中的各种现象的细节,将工程现象分类,才可能透过工程结构不同时段、不同层次、不同类别等不同现象背景中,抽象、凝练出描述反映相应学科或交叉学科相对应的实质性科学问题。

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　　拥有自然科学哲学的基本知识

　　研究者要拥有自然科学哲学的基本知识。自然科学哲学的基本知识就是了解自然界客观存在的规律性,集中体现在自然辩证法学科中,即研究自然界和人们认识自然、改造自然的最一般的规律。自然辩证法是对自然科学内容和自然科学的产生、发展历史做出哲学概括,主要研究马克思主义的自然观和自然科学观,体现马克思主义哲学的世界观、认识论、方法论的统一。自然界本身的辩证法是通过自然科学和技术的发展日益被揭示出来的,两个方面的研究密切相连,不可分割。自然界客观存在的规律是通过各个自然领域的特殊自然规律和个别过程表现出来。

　　自然辩证法自然观,要求不断地概括和运用自然科学的最新成果,发展和更新人们关于自然界辩证发展的总图景和对自然界的总观点,其中包括物质观、运动观、时空观、信息观、系统观、规律观以及自然发展史和自然界各种运动形态的划分、联系、交错、转化等;要求探讨辩证法的基本规律和范畴在自然界各种过程中的丰富多样的表现及运用,使人们对辩证法规律和范畴的理解不断充实和深化,在许多方面进一步清晰化、准确化和精细化,并增添新的内容。

　　对于研究者来说,自然科学哲学的基本知识是必不可少的。如科学研究中提出相应的科学理论,就要了解科学理论的内涵;在研究事物发展演化规律时,就必须清楚科学规律的内涵;提出科学假说时,就必须对科学假说的提出、论证及修正等有一个清晰的思路。通过了解自然科学哲学的基本知识,不仅使得研究者明确必要的科学研究的基本概念,掌握必要的科学研究方法和科研思路,还使得研究者站在更高的高度、拥有更宽的视角,用发展的眼光利用科学研究的最新成果,审视所从事的科学研究与对应的科学问题,利用已经形成符合事物发展规律的世界观、认识论、方法论,了解自然科学的基本概念、基本原理、总体思路,掌握自然界发展规律。

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　　掌握系统科学哲学思维方式与系统论方法

　　系统是由各种要素组织起来的有特定功能的相互联系、相互作用的整体。系统具有鲜明的整体性、关联性、层次结构性、动态平衡性、开放性和时序性等特征,系统哲学是关于系统根本观点的理论体系,亦即关于系统普遍本质和最一般发展规律的学说,是研究复杂性、关联性系统科学的理论升华和分析与综合、微观与宏观统一的科研方法。系统思维是指以系统论为思维基本模式的思维形态,主要是以整体方法、结构方法、要素方法及功能方法等思维方法为特征。

　　系统论方法是指用系统的观点研究和改造客观对象的方法,要求人们从整体的观点出发,全面地分析系统中要素与要素、要素与系统、系统与环境、此系统与他系统的关系,从而把握其内部联系与规律性 . 达到有效地控制与改造系统的目的。从系统论的观点出发,科学研究要始终着重从整体与部分(要素)之间、整体与外部环境的相互联系、相互作用、相互制约的关系中,综合地、精确地考察对象、以达到最佳地处理和研究问题的能力。系统论方法还要求研究者在充分分析系统特性的基础上,构建反映系统运动变化规律的数学模型,定量地进行研究,探索实现方案优化的途径和手段。

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　　具备科学实验研究的能力

　　科学研究中,创新性地运用各种分析方法、手段来解决科学问题,体现了科学研究的能力。现阶段,实验研究、理论研究与数值分析等仍然是科学研究的主要方法和手段,深入掌握这些方法与手段的科学内涵并灵活运用,可以使科学研究工作事半功倍。

　　科学实验是研究者根据预定的研究目标,运用预定的实验手段,在人为地控制或模拟自然现象的条件下,使自然过程(或生产过程)以纯粹的、典型的形式表现出来,暴露自然现象在自然时空条件下无法暴露的特性,以便进行观察、分析,探索自然界的运动本质及其规律的一种研究方法。实验研究能够充分地发挥研究者的主观能动性,达到科学研究的目的性,证明事物发展的客观必然性。实验方法的产生和运用具有纯化和简化自然现象,强化和再现自然现象,延缓或加速自然过程等特点。依据实验研究目的与实验条件的不同,常见的实验包括演示实验、判决实验、分析实验、定性实验、定量实验、析因实验、探索实验、验证实验、对照实验、模拟实验、直接实验、间接实验、黑箱实验、灰箱实验、白箱实验等。实验是收集科学事实、获取感性经验的基本途径,是形成和检验自然科学理论的基础,它在科学研究中具有十分重要的意义。在科学研究中,运用观察和实验方法去研究自然,只有把巧妙而精确的观察实验方法和理论思维结合起来,既要动脑,又要动手,具备科学实验的研究能力,才有可能在科学研究中真正地有所创新。

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　　具备科学理论研究的能力

　　理论研究是人们认识客观世界,并使认识结果系统化的活动。理论研究是人们利用大脑这一特殊的思维工具,通过感觉、知觉、抽象、概括、归纳、演绎等思维形式认识世界的运动过程,是人们通过思维将认识的结果进行系统化、理论化的过程。因此,人类的任何系统化、逻辑化的认识活动都可以称为理论研究。理论研究是人的主观认识对客观事物的加工过程。自然现象理论研究的范围是研究事物的空间形式、现象关系、变化过程、运动规律等,构成了自然科学。自然科学理论研究的根本目的是为了揭示事物发展的因果关系及客观真理,寻求人类生存的确定性。国家自然科学基金的重要任务就是探索事物发展变化规律的理论性工作,因此理论研究是从事国家自然科学基金项目必备的基本能力。

　　从研究方法角度看,理论研究可划分为学理性研究、实证性研究及感悟性研究。学理性研究是从公理或假说出发,对所研究的问题进行思辨和推论,进而用以解释客观存在。实证性研究是从对客观现象的观察出发,对所研究的问题进行归纳整理,进而形成逻辑化的理论观点或体系。而感悟性研究则是从对客观存在和人类生活的感悟出发,对所研究的问题进行系统化,进而形成理论观点或理论体系。

　　理论研究的思维方法,就是采用归纳演绎、类比推理、抽象概括、思辨想象、分析综合等实现感知、认知、逻辑过程的方法。感知过程是人们通过感觉器官,对客观现象进行观察、搜集、整理、分析并形成判断的过程。认知过程是人们通过分析能力,在判断的基础上,对所认识的对象,进行进一步的抽象、归纳、概括,从现象到本质,再从本质到现象;从个别到一般,再从一般到个别;从具体到抽象,再从抽象到具体;从原因到结果,再从结果到原因;从局部到整体,再从整体到局部的认知过程。逻辑过程是人们通过思维能力,在认知的基础上,对所研究的问题进行的从部分到整体完形化过程,最终形成完整的理论观点或体系。理论研究当然离不开数学方法、力学方法、物理学方法、化学方法、生物学方法等。数学方法即是在撇开研究对象的其他一切特性的情况下,用数学工具对研究对象进行一系列量的处理,从而做出正确的说明和判断,得到以数字、图表形式表述的成果。

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　　掌握数值计算(模拟)的基本理论与技能

　　计算机技术、网络技术及智能化分析是现代科学技术重要的标志性成果。计算机的发展解决了古典理论、经典理论甚至近代科学理论中以非线性问题为主线的很多不可能解决的科学难题,并且随着时代的进步还会突破更多、更加复杂的非线性科学问题的瓶颈。因此在科学研究中,掌握数值计算的基本理论与基本技能是必不可少的。近年来,在相应的科学理论指导下,利用计算机科学与技术为基础的复杂工程大规模数值模拟、数值实验等分析方法越来越得到重视。例如,大型、特大型工程的全过程再现,多方案的比较优化,极端工况条件下全景模拟等已经成为科学家、工程师研究复杂问题的共识。

　　数值分析当然面临着巨大的挑战与机遇,如非线性问题(复杂结构及其边界、复杂环境作用、复杂本构关系、复杂演化过程等问题)、动态演化问题、多因素相互作用与耦合作用问题、多相共存与转化问题、多尺度问题、随机与模糊等不确定性问题、连续 非连续介质问题、稳定性问题、多刚体多柔体问题、多种方案比较与优化问题、湍流问题、高温 高速问题、反问题等,只有在掌握数值计算(模拟)的基本理论与基本技能的基础上,这些复杂问题才可能逐渐解决。

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　　具备科学规范的学术表达能力

　　能否科学、准确、规范地表达研究者研究成果,是研究者科学素养的重要标志之一。科学研究的申请书及科研报告、科研论著等科研成果必须用科学语言来规范地表达,即文字上力戒口语化、文学化、工程化、技术化、政治化,图、表、公式、参考文献均要规范统一。

　　但凡在科学研究中取得一定成就的科学家,无一不是具有伟大的科学理想,良好的心理状态,浓厚的科研兴趣,宽广的知识结构,良好的科学素养、坚韧不拔的科学精神相结合的综合素质,加上孜孜不倦、勤奋苦干的工作态度而取得成果。具备较好的基本知识与基本能力,使得研究者具有“登泰山而小天下”的宽广视野,才能不断地寻求观念上、知识结构上的突破,超越自我,用超然物外的心境来观察变幻莫测的世界,最终实现科学研究的预期目标。

　　本文摘编自《国家自然科学基金项目申请之路——认识现象·探索规律》一书，内容有删减，标题为编者所加。

　　科学基金项目申请之路——认识现象·探索规律》是关于探索从事科学研究,特别是从事基础科学研究与应用基础研究的方法论,主要包括基础研究与应用基础研究内涵、科学研究的选题、科学研究方法、国家自然科学基金项目申请书四部分内容。

　　在阐明科学研究中系统哲学思维、创新思维的基础上,论述了工程系统演化过程的研究内涵、科学问题、关键学术问题、工程项目中的科学问题及案例分析等内容;阐述了基础科学研究中的组合概念法、特征结构法、非线性问题、科学假说、反问题等研究方法;论述了国家自然科学基金项目研究中的因果关系与统计规律以及实验研究的科学本质;探讨了“机理”类、“模型”类等国家自然科学基金项目的研究内涵,分析了国家自然科学基金项目申请书中各个部分的基本要求、逻辑关系,并提出了书写建议。

　　对国家自然科学基金项目申请书中题目的拟定、摘要的格式、立项依据的内涵、研究内容的要求等进行了案例分析。