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基础研究与应用研究 | 科学研究的方法(七)

发布时间2017-04-06 16:39:01 浏览次数:0

8.

基础研究与应用研究



不久前,科学网上有不少人议论基础研究(basic research)与应用研究(applied research),这可能给广大初入门的研究生带来一些困惑。研究尚未起步,该何去何从?我也是从一个初学者一步一步走过来的,现在要我讲这两者的关系与区别,我有一个很简单但不一定很恰当的比喻。科学研究就像你驾驶一条船,在知识海洋里游戈,船下面都是海水,海洋被分为太平洋、大西洋等等,其实都是人为的。所以套用大家熟悉的一句话,基础研究、应用研究都是科学研究,能做出成果的便是好的研究。


我对于基础研究和应用研究两者关系的体会和认识,是在我到宾州州立大学心理系参加Leibowitz 教授的实验室工作,以及读到他将近退休时发表的最后一篇文章:

H. W. Leibowitz, The symbiosis between basic and applied research. American Psychologist, 1996, 51, 4: 366-370.


我出国时选择要去工作、学习的地方时,心里大致有这样的愿望;那里应有很活跃的研究工作,与我的知识背景与国内做过的工作比较相近,当然还有就是能得到资助。那个时候,Leibowitz 的实验室已经发表了一系列关于 “黑夜近视” (night myopia)问题的研究结果,这个问题在当时是视觉研究的一个热点。我就给Leibowitz 教授写了一封信,请求能让我去他实验室工作。在我发出去的四封求职信中,他第一个给了回复,信中说他与我有同样的经历(他在IBM公司待过),热情洋溢地欢迎我去他的实验室工作,读了之后真使人无法拒绝。所以尽管稍后加州大学伯克利分校的Westheimer 教授也回信表示愿意接受我去,但我还是选择了Leibowitz 的实验室。我想他的这种热情,也是与他在上面我引用的文章中说的一段话是一致的,他在文章中说:在他的研究生涯中,他始终认为要不断地向其他领域学习。在他的心目中,与其他领域的人合作可以扩展他的视野,并且有可能丰富自己的研究成果。与他合作过的有在神经生理、动物学、神经内科、视光学、生物力学、法律、工业界、人类工程学、及政府机关的重视基础研究或应用研究的人员,这样的合作极大地拓展了他的实验室的研究范围。我得到他的青睐,可能与当时我有神经生理及光学方面的背景有关。


学科的交叉,在研究工作中,无论是基础研究还是应用研究,都是十分重要的。


回顾我自己的研究道路,我也有与别的领域的人合作的经历,最大的体会是双方必须要懂得对方领域的语言,只有这样才容易相互讨论与交流。例如,与一个数学家合作时,假如你能够把自己的专业问题用数学的语言表达出来,对方就很容易在数学方法中去找出解决的方法。我工作的早期,曾经花了好几年做过光学薄膜的自动设计的工作,在用遍国外已发表的所有方法之后,发现要解决的问题从数学上来讲是要寻找一个多元多峰值函数的极值。带着这样一个问题与搞数学的专家去合作,结果我们创建了一种新的求极值的方法。(详见:郑权,蒋百川,庄松林:一个求总极值的方法。应用数学学报,1978,1: 161-174.)


回到 “黑夜近视” 这件事情。这件事起源于1789年,当时英国皇家格林威治天文台负责人,Lord Maskelyne,报道说虽然他白天有正常视力,不需要戴眼镜,可是一到晚上便变成了近视。这对于做天文观察的人来说没有大碍,因为他们可以利用望远镜的目镜部分调节焦距来校正观察眼的屈光不正,但是在军事上,夜间行动时便可能是一个严重的问题。所以在二次大战期间,德国、日本、西班牙、美国的各实验室都对这个问题进行了研究,希望了解它的原因并发现克服它的办法,然而问题始终无解。

 

 

直到1954年,一位德国科学家Herbert Schober 提岀一个观点:当眼睛没有接收到视觉信号时,眼的焦点调节的机制处在一种休息状态(resting posture),而眼睛在这个状态时它的焦点并不是在无穷远。这便与亥姆霍茲(Helmholtz)的经典理论相矛盾了。亥姆霍茲的观点是当眼睛完全放松时,它正好对焦到无穷远 。这样一个看起来很实际的现象这时候已经变成理论上的有待证明的一个问题。然而当时缺乏仪器设备来测量人眼在黑暗状态的焦点位置,所以又被搁置起来。


直到上世纪60年代激光发明之后,人们发现激光散斑虽然可以看见,但不会是眼睛焦点调节的刺激,于是构建了一种利用激光散斑测量人眼调节的仪器,虽然这是一种靠主观感觉的测量装置,使用起来也比较麻烦,但是聊胜于无。Leibowitz 实验室迅速搭建了这样的装置,便开始实验工作。


在1975-1979年间(这是发表文章的时间,其实工作的时间还要早些),他们发现每个受试者的黑夜近视与他自己的在空视场下的近视(如飞行员在天上时,飞机外面是没有仍何视觉线索的蓝天,就属这种情况)、与使用某些光学仪器时的近视(当光学仪器的孔径很小而造成有很大景深时,使用者便不需要作焦点调节)有高度的相关性。根据这样的观察结果,他们认定人眼在这三种情况下,焦点调节系统都会处在一种休息的状态,而且此时眼的焦点不是在无穷远,同时各人的调节的休息状态有很大的个体差异(0 - 4.0 屈光度)。这样就从实验上证明Schober 的理论的正确性,修正了Helmholtz 的经典理论。


当我在宾州州大时,与Leibowitz 的几位学生还证明当受试者注意力不在他的视觉目标的时候(英文称 space out,中文或可译成做白日梦时,例如学生在课堂上虽然看着黑板或老师,但心里在想别的事情的时候),眼睛的焦点位置也是与他的黑夜近视相近。


Leibowitz在回顾这段历史时曾写道:只有在我们的基础研究搞清楚了焦点调节机制的本质之后,我们才真正解答了黑夜近视这个实际问题。不仅如此,而且我们还认识到,黑夜、空视场、小孔径光学仪器、以及任何降低视觉分辨的条件,如不清晰的光学介质(像大雾),它们对于焦点调节的作用与机制是相同的。


由于这样的进展,黑夜近视问题又回到它的应用方面。当时视觉领域投入的最多的是在近视眼研究方面的工作,这方面情况我在这里便略去不谈。Leibowitz教授及他的实验室当时集中精力研究人们在夜间驾驶时对眼睛的屈光度应作怎样的校正问题。这种实验在夜间的驾驶训练场上进行,让驾驶员戴不同度数的眼镜,测量他对目标的辨认与反应程度。结果出人意料,最佳的校正不是对应受试者的夜间近视值,而是这个值的一半。当时没有人能够解释这样的实验结果。我正好在那个时候到达美国,开始参加实验室工作。经过两个星期的冥思苦想,我决定还是从基础做起,看看人眼的焦点调节系统与辐辏系统(该系统控制双眼的视线)对光的反应的阈值。这是一个大胆的想法,当时我也不清楚会有什么结果。所幸Leibowitz 教授是一个很包容的人,马上给我一间实验室,并让一位博士生帮我(他有自己的论文题目在做)。实验结果发现,人眼的辐辏系统的阈值比调节系统的阈值要低很多,当辐辏系统开始工作时,它便会通过两个系统的相互联结而影响到调节量。在过去测量受试者的黑夜近视时用的是单眼,所以便把双眼的辐辏机制排除在外。而在夜间驾驶的实验中,受试者用的是双眼,于是他的辐辏-调节的相互作用会对调节产生一定的贡献。这便是一个大概的情况。这又是用一个基础的研究解答了一个应用中发现的问题的例子。


我将这个故事写出来的目的是想说,不要将自己框死在只能做基础研究或者只能做应用研究,而是要根据所研究的问题。通常一个研究问题的提出是来自于实际,研究者要有能力将这种实际问题(或类似的几个实际问题)概括成或者说上升到一个理论问题加以研究,在理论上解决之后,再要回到更加广泛的实际问题中去。在研究工作中能够作如此的循环,才是一个成熟的科学家。

 

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