科学是人类所积累的、经过验证的、用于解释和预测宇宙各种客观现象的模式化/公式化的知识体系(如概念、模式/模型、定理/定律、理论等)。作为逻辑推理(如溯因、归纳、演绎)的产物, 科学源于以溯因与归纳为主线的理论构建和以演绎为主线的理论验证。理论构建和理论验证是科学研究(简称科研)或科研创新(因为科学研究皆为获得创新性结果)的内核。迄今为止的科学概念、模式/模型、定理/定律、理论等代表人类对宇宙各种客观现象的阶段性的、不完整的诠释。科学的终极目标就是要在理论构建和理论验证的不断循环中, 实现从量变(假设/概念/模式/理论的验证)到质变(新假设/概念/模式/理论的产生或现有概念/模式/理论的完善), 再从新的量变到新的质变, 从而最大限度地反映真相、接近真理。下面, 我根据自己的体会和理解, 从定义、运作、功用、优化的角度, 谈谈科研创新的理论构建与验证, 以消除人们对科研创新的神秘感, 增强科研新人在科研创新活动中的自信心。

理论构建。定义。科研创新是建立和完善模式化/公式化的知识体系(即科学)的必要手段, 其过程包含理论构建和理论验证两大步骤。理论构建既可以通过某种现象的溯因, 提出解释其原理的假设(猜测/设想); 也可以通过多种相关现象的归纳, 产生新的、用于预测未来现象的概念/模式/理论, 或改进、完善和丰富现有的概念/模式/理论; 理论构建昭示整体的、颠覆性的、战略性的质变。

更确切地说, 溯因(abduction)以某种现象为终点, 经过挖掘和追溯已知规则和结论, 推断产生该现象的原因, 提出解释该现象的假设(猜测/设想)。一般地, 溯因的终点(即某种现象)是确定的; 然而, 局限于人们的认知水平与判断能力, 溯因而来的假设(猜测/设想)可能表现出不确定性, 尽管其或许蕴藏着一定的直观性、创造性、甚至变革性。因此, 溯因所得的假设(猜测/设想)需要通过演绎(包括实验手段)以检验其合理性/实用性。

归纳(induction)以多种相关现象为起点(或原料), 经过概括/总结/升华, 形成新的、有助于预测未来现象的概念/模式/理论, 或改进、完善和丰富现有的概念/模式/理论。归纳是从个体到一般的概括, 从论据到论点的总结, 从现象到本质的穿越, 从具体到抽象的演变, 从客观到主观的升华, 最终抵达画龙点睛、出神入化的境界。换言之, 归纳带来整体的、 颠覆性的、战略性的质变。虽然归纳的起点(即多种相关现象/观察)是具体的、客观的、乃至松散凌乱的, 但其终点(即概念/模式/理论)却是概括的、主观抽象的、且井井有条的。归纳出来的概念/模式/理论(或俗话所说的规律/诀窍/窍门)越精炼简洁, 越浅显易懂, 就越容易被接受与采纳, 其所产生的影响/效益就越大。反之, 归纳出来的概念/模式/理论越笼统繁杂, 越晦涩深奥, 就越难于被接受与采纳, 其所产生的影响/效益就越小。当然, 相关现象/观察的不完整性, 以及人们认知水平与判断能力的局限性, 都可能降低概念/模式/理论的准确度与预测力。因此, 归纳所生成的概念/模式/理论同样需要演绎(包括实验手段)以检验其准确度与预测力。

运作。科研创新的理论构建包括从简单现象溯因出来的假设(猜测/设想), 和从复杂现象归纳出来的概念/模式/理论。

具体地说,溯因以某种现象为终点, 经过排查已知规则/结论, 推断引起该现象的原因, 提出解释该现象的假设(猜测/设想)。从运作上看, 溯因像是做数学题前的思考(或预热), 而演绎则是解题过程。当见到一条数学题时, 我们的脑子会快速进行排查, 力图锁定可以直接用以解析此题的公式/定律。如果没有找到可以直接套用的公式/定律, 我们便会尝试添加辅助线, 让相关公式/定律派上用场。事实上, 历史上很多重大科学突破都可归功于溯因的巧用。例如, 1928年, 弗莱明在意外超长置放的葡萄球菌平板培养皿里, 注意到外来青霉菌株在葡萄球菌落间形成了无菌圈(抑菌圈), 便联想到青霉菌可能分泌了某种抑制葡萄球菌生长的物质。继而提纯此物质, 弗莱明发现了青霉素。此外, 医生的疾病诊断过程也是溯因的经典案例。当患有某种病痛(如腹痛)的病人来到医院, 医生会进行询问和检查, 并根据各种临床指标, 推断引发该病痛的可能原因, 作出初步的诊断(假设)。

归纳以多种相关现象(包括新近观察和已知规则/结论)为起点(或原料), 化繁为简、去粗取精、去芜存菁、去伪存真, 建立新的、可用来预测未来现象的概念/模式/理论, 或改进、完善和丰富现有的概念/模式/理论。从运作上看, 归纳酷似撰写文章摘要, 或将相关文章缩写成综述。归纳在科研创新的理论构建中起到了不可或缺的作用。例如, 发源于先秦、成形于战国到秦汉时期、逐步完善于后续朝代的中医学, 以古代哲学思想[阴阳 ,五行(金、木、水、火、土)]为理论框架, 以藏象[五脏(心、肺、脾、肝、肾), 六腑(胆、胃、小肠、大肠、膀胱、三焦)]、经络和气血津液为理论核心, 将人体看成气、形、神的统一体, 彰显整体性、宏观性、动态性的特征, 运用望、闻、问、切等诊断方法, 探索病因、病性、病位、病机, 判断邪正消长, 归纳病名、证型, 制定“汗、吐、下、和、温、清、补、消”等辨证治法, 采纳中药、针灸、跌打、推拿、按摩、拔罐、气功、食疗等手段, 从而达到治疗、预防、康复、保健等目的。

又例如, 处于特定的家庭环境(每晚8:30熄灯), 我在小学阶段不经意间发现了以早晚回忆为特征的培养超强知识记忆能力的模式, 让我在既没有得到高人指点, 又没有参加补习班的情况下, 自小学到高中, 各门功课都取得了满分或最高分; 受初中三年级语文老师讲课方式的启发, 我感悟出了几条写作规律(如文章切入点的选择、主题的拓展、文章的评判标准), 使我在后来的高考和考研、学术文章撰写、书籍编辑过程中都如鱼得水, 如虎添翼; 我在本科期间综合字体形状和词义而创立的建网法, 将系统地阅读和强记<英汉小词典><新华词典>变得不仅简单高效, 而且趣味无穷; 基于博士和博士后研究的经验和教训, 我归纳出了科研创新的三点策略(争先、更好、不同)和有效思路(递推、平行、因果、逆向、随机), 让我在后续的科研创新中, 超前达到项目的主要目标, 轻松破解别人久攻不下的难题, 发表众多以第一作者署名的研究报告。 

功用。科研创新的理论构建包括以简单现象为终点而溯因出来的假设(猜测/设想), 和以复杂现象为起点(或原料)而归纳出来的概念/模式/理论。符合实际的正确的假设(猜测/设想)为科研创新树立充满潜力的阶段性目标; 而背离实际的错误的假设(猜测/设想)只会让科研创新误入歧途。反映真相和简洁精练的概念/模式/理论是对客观现象的更完善的诠释, 显示更强大的效力, 享有更深远的影响力; 而远离真相和笼统繁杂的概念/模式/理论只能自欺欺人, 毫无效力可言, 更没有影响力。通过溯因去构建符合实际的假设(猜测/设想)是在科研创新中少走弯路的关键; 通过归纳去获得反映真相的概念/模式/理论是推动科学稳步发展的法宝。坦诚地说, 我在学习和科研创新中收聚的各种好运, 绝非由于上天的格外眷顾, 而是由于我在每一个阶段都发现或建立了行之有效的模式。

优化。溯因涉及排查已知规则/结论, 从而推断导致某种现象的原因, 提出解释该现象的假设(猜测/设想)。因此, 优化溯因的效果以获得符合实际的假设要从掌握更多的已知规则/结论和发展更敏锐的思维力(想象力)着手。前者依赖在小学阶段通过早晚回忆培养的超强知识记忆能力, 而后者离不开在中学阶段通过写作和学习唯物辩证法的基本原理练就的敏锐思维力(想象力)。

归纳力主概括和总结多种现象(包括新近观察和已知规则/结论), 从而升华成新的、有助于预测未来现象的概念/模式/理论, 或改进、完善和丰富现有的概念/模式/理论。因此, 优化归纳的效果以得到接近真相的概念/模式/理论尤其需要在中学阶段通过写作(如综述)练就敏锐思维力(想象力)和全局观。

理论验证。定义。理论验证通过演绎(包括实验手段), 以检验和测试新的假设/模式/理论的信度与效度, 助力改进、扩展和完善已知概念/模式/理论, 并带来局部的、渐进式的、战术性的量变。一般地说, 演绎(deduction)是从整体到个体的延伸, 从论点到论据的拓展, 从普遍规律到具体案例的应用。值得注意的是, 演绎是基于前提、但又独立于前提的真或假的逻辑推理; 演绎的结论要么有效, 要么无效。如果前提是真实/正确的, 那么演绎的结论自然是肯定的;如果前提是错误的, 那么演绎的结论即使合乎逻辑,也可能不正确。换言之, 演绎只证明或充实, 而不改变源自溯因的假设和源自归纳的概念/模式/理论。正确的或切合实际的假设/概念/模式/理论将被演绎证明是正确的, 而错误的或脱离实际的假设/概念/模式/理论将被演绎证明是错误的。假设/概念/模式/理论越切合实际, 越接近真相, 其信度与效度就越大; 假设/概念/模式/理论越脱离实际, 越远离真相, 其信度与效度就越小。

运作。演绎(包括实验手段)是理论验证的途径。从运作上看, 演绎堪比解析数学题的过程, 而溯因则是做题前的思考(或预热)。虽然形式科学(如数学、逻辑学、系统论、理论计算机科学、人工智能等)的理论验证不依赖实验手段, 但自然科学(如物理学、化学、天文学、地球科学、生物学等)和社会科学(如心理学、社会学、经济学等)的理论验证都倚仗实验手段的支持。在生物医学领域, 常用的实验手段包括体外(in vitro), 体内(in vivo)和计算机模拟(in silico)实验。体外实验是指在生物体之外(如培养皿或试管中)所进行的实验, 意在避免或减少耗费不菲的体内实验。例如, 为了测定新产生的抗体所识别的抗原表位类别(如蛋白、脂蛋白、糖蛋白), 可先用蛋白酶、脂肪酶或高碘酸盐分别处理抗原, 再进行抗体-抗原反应。如果抗体不能与蛋白酶处理过的抗原结合, 则其识别的抗原表位可推断为蛋白质; 如果抗体不能与脂肪酶处理过的抗原结合, 则其识别的抗原表位可推断为脂肪基; 如果抗体不能与高碘酸盐处理过的抗原结合, 则其识别的抗原表位可推断为糖基。体内实验是指在完整的活生物体(如活体动物或人体)而不是部分或死亡的生物体中所进行的实验(如临床试验), 以揭示细胞在生理环境中行为方式的最准确表达细节。计算机模拟实验是在计算机上或通过计算机模拟所进行的实验(如分子建模、全细胞模拟、基因测序等), 从而绕过耗时与昂贵的传统体外或体内实验, 极大地加快科学发展的步伐。

值得一提的是, 虽然中医学在诊治常见病、慢性病和疑难杂病时表现不凡, 但总被一些不谙事理的人误认为经不起临床"批量重复", 故只称得上是"经验科学"或"潜科学"。其实, 这种僵化的、偏执的观点突显对个体独特性的忽视。中医学的明智之处在于其会根据个体差异, 对同一药方进行果断的、必要的加减。中医学的因人施治的灵活性也逐渐被西医学以"精准疗法"或"个性疗法"的形式所采纳。

功用。理论构建所产生的假设/概念/模式/理论有赖于通过演绎(包括实验手段)进行验证。只有验证过的假设/概念/模式/理论才有信度与效度, 才能改进、完善和丰富科学概念/模式/理论, 才能最大限度地反映真相、接近真理。

优化。演绎只证明或充实, 并不从根本上改变溯因而来的假设和归纳而来的模式/理论。因此, 正如俗话说的: "工欲善其事, 必先利其器","兵马未动, 粮草先行", 在展开理论验证(即演绎包括实验手段)之前, 要尽可能采纳切合实际的、反映真相的假设/概念/模式/理论, 抛弃不着边际的假设/概念/模式/理论, 从而减少相关人力和原材料资源的消耗。此外, 人工智能的运用有助于进一步避免耗时且昂贵的传统体外或体内实验, 提高计算机模拟实验的效率。

综上所述, 科学是解释和预测宇宙客观现象的模式化/公式化的知识体系(如概念、模式/模型、定理/定律、理论等)。作为产生、完善和丰富科学的手段, 科学研究(简称科研)或科研创新包括理论构建和理论验证两大步骤。理论构建既可以通过某种现象的溯因, 提出解释其原理的假设; 也可以通过多种相关现象的归纳, 形成新的、用于预测未来现象的概念/模式/理论, 或改进、完善和丰富现有的概念/模式/理论; 理论构建导致整体的、颠覆性的、战略性的质变。理论验证则通过演绎(包括实验手段), 以检验和测试假设/概念/模式/理论的信度与效度; 理论验证带来局部的、渐进式的、战术性的量变。理论验证和理论构建的依次交替推动从量变(假设/概念/模式/理论的验证)到质变(新假设/概念/模式/理论的产生或现有概念/模式/理论的完善), 再从新的量变到新的质变, 直至无限接近真相与真理。