第 1 章 初步认识理工科研究
科学研究具有两大目的：第一， 创造知识，即以发现新知识、新规律、新原理，发明新方法、新手段、新技术等为目的，比如牛顿的万有引力定律、丹尼斯·奥斯汀发明的PowerPoint；第二，整理和修改知识，即对产生的知识进行分析整理、综合归纳、鉴别运用，使其系统化和规范化，比如门捷列夫整理已知化学元素，发现了元素周期律。
科学研究包括基础研究和应用研究等。基础研究是以探索未知现象、客观现实的新知识为目标的实验性或理论性研究，其成果是全新的科学发现，以论文和专著的形式呈现。基础研究事关一个国家的原始创新能力，是一个国家跻身世界科技强国之列的必要条件。基础研究创造知识，而应用研究探讨知识应用的可能途径，以技术为目的，其成果是技术发明。应用研究必须以科学发现为基础，典型例子是光纤。华人诺贝尔奖获得者高锟开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，康宁公司三位工程师研制出第一根高度透明的石英玻璃光纤，随后该公司研发出各种光纤产品。
通常，理科如数学、生物、化学等专业的研究以基础研究为主，而工科如机械工程、计算机、自动化等专业的研究以应用研究为主。显然，理工科研究涉及科学问题、技术问题，其研究过程是研究者在学术诚信大原则下，通过解决一个个科学难题或技术问题，做出具有价值的科研成果。理工科研究是科学研究的主要组成部分，是我国建设科技强国的强有力支撑。
1.1 什么是科学？什么是技术？
科学和技术是推进社会进步、提高生产效率、提升人类生活水平最重要的两个因素。科学为人类揭开大千世界各种难以解释、捉摸不透，甚至令人恐惧的未知现象和规律，而技术是人类改造世界和征服自然的手段和工具。两者具有共同特点：需要坚持不懈地探索；都闪耀着创造的光芒，科学是发现人类未知的现象和规律，而技术是做前人从未做过的事，都是从无到有；具有继承性，都不是建立在无知的沙漠上，或者凭空而生。
科学的成果是科学发现，而技术水平体现在技术发明上。正是层出不穷的科学发现、技术发明、技术革命，才让人类摆脱了对大自然的无知和恐惧，摆脱了茹毛饮血和巢居穴处的原始生活，从总是忍饥挨饿到生活无忧，实现了工业产品和生活用品的极大丰富、交通和通信的极大便利等。可见，科学与技术是人类历史发展的重要推手。
1.1.1 科学、科学发现、科学精神
科学在中国是一个很麻烦的术语。中国古代没有“科学”这个词。明朝末年徐光启向意大利传教士利玛窦学习西方科学时，将Science翻译为“格物致知之学”，简称“格致”。明治维新时期，日本教育学家福泽谕吉将Science翻译为“科学”，并在日本广泛应用。1893年，康有为引进并使用“科学”一词。五四运动时期，我国引进了“德先生”和“赛先生”，其中“德先生”是民主，而“赛先生”就是科学。可见，中国人用“科学”这个词也就一百多年的历史。
“科学”一词在不同国家，意思各异。英国人讲的科学一般指自然科学。在中国，中国科学院前不加自然，而其他科学前要加定语，比如，社会科学院、农业科学院等。法文讲的科学往往是一般意义上的知识，包括文史哲等人文学科，所有成系统的知识都是科学。
1）科学概述
古希腊时期，在爱琴海周边有一群智者，他们不上班，终日思考宇宙的本质、生命的意义等各种远离普通人生产和生活的问题。他们成立了好多学派，其中毕达哥拉斯学派震古烁今，名气非常大。他们发现了毕达哥拉斯定理（即勾股定理），提出了万物皆数、数是万物的本质等抽象和夸大数为宇宙本原的理论，将“数”神秘化，认为“数”是众神之母。他们格外看重的数是有理数，可这个学派的成员希帕索斯发现了，一个未知的数，一个令他们恐慌、信仰崩塌的数，悲痛欲绝的他们将希帕索斯扔进了海里。
古希腊这群不上班的人是科学的开创者，科学起源于古希腊。古希腊科学存在两大类，即数学和哲学，并强调科学越没用越好，越纯粹越高贵。在中世纪，古希腊科学衰落了，取而代之的是起源于欧洲的现代科学。不过，和古希腊科学不一样，现代科学不是一个纯粹的科学，它是有用的。
现代科学两大鼻祖各自讲过一句话：
知识就是力量（Knowledge is power）
我思故我在（Je pense, donc je suis）
第一句话是弗朗西斯·培根的名言，一语道破了现代科学的特征：现代科学有力量，是有用的科学。培根认为，科学应该为人类造福，要利用自然、征服自然，而征服自然必须先顺从自然、了解自然，要把自然界“抓起来拷问”，让它“供出”自己的秘密。现代科学走上实验道路，就是通过对自然的“拷问”而逼出它的秘密，即所谓探寻自然的奥秘。
第二句话是法国科学家笛卡儿的名言。这句话的意思比较复杂，“我怀疑一切的存在，却不能否定我的存在，因为当我怀疑、否定时，作为怀疑者的我已经存在”，更加绕口的解释是 “我可以怀疑东，怀疑西，但我不能怀疑我在怀疑，因为一旦我怀疑我在怀疑，恰好证明我在怀疑，从而也恰好证明我的存在”。
笛卡儿认为，思想的本质是理性，而且是我的理性，人成为世界的价值核心，世界是什么样子，都要按人的目光和理解框架去透视它。笛卡儿企图把世界彻底数学化，他认为，只有数学上说得通的东西才是真正的东西，能够被数学化的自然界才是真正的自然界。
那么，科学究竟是什么？科学是知识，是关于有限领域、有实证根据和明确适用范围的知识（罗素语），是反映客观事实和规律的知识。在《韦伯斯特新世界词典》中，科学的定义为：“科学是从确定研究对象的性质和规律这一目的出发，通过观察调查和实验而得到的系统的知识。”科学学创始人贝尔纳认为，科学可作为一种社会建制（即有很多人从事科学这一职业）、一种方法（即从事科学工作的一整套思维和操作规则）、一种积累的知识传统、一种维持和发展生产力的主要因素。总之，科学是科学知识、科学研究、科学方法、科学家、科学精神、科学事业等的总称。
科学是知识，但知识不一定是科学，即有的知识是科学，有的不是，甚至是伪科学。什么样的知识是科学，或者什么是科学，这个问题一直困扰着想找到答案的人。从事科学哲学研究的学者以“什么是科学”为主题写了大量的论文和专著，似乎也没有给出标准答案。有些问题依旧悬而未决，比如，中国古代到底有没有科学，如何解答图1.1中的李约瑟难题。
     
图1.1 李约瑟难题
尽管未给出关于“什么是科学”的标准答案，但科学的主要特征还是被研究者摸得比较清楚。研究者根据一系列特征来判定知识和理论是否是科学。科学的典型特征包括如下几种：
符合奥卡姆剃刀原则
客观性
可证伪性
可重复和可检验
奥卡姆剃刀原则称为“如无必要，勿增实体”，即简单有效原理。奥卡姆是个地名，其提出者威廉来自奥卡姆。威廉只承认确实存在的东西，认为那些空洞无物的东西都应该被剃刀无情地“剃除”，故称奥卡姆剃刀原则。符合奥卡姆剃刀原则指科学理论或知识必须简明，不能包含一大堆假设和条件。
科学追求客观的真理，强调理性与客观，而非主观喜好。科学理论不依赖于个人意志，它对所有的人有相同的解释力和预测力。科学的客观性包括研究对象客观存在、内容客观、评价标准客观。
可证伪性指科学知识或理论不能在任何条件下都永远正确、不能做任何修改；相反，科学要接受实践的检验。在实践中，可能找到科学理论或知识的错误，使理论或知识被证伪或被否定，从而过渡到更新的理论。
如果某个理论或方法只有它的提出者能得出论文所宣称的研究结论，而其他研究者按照提出者描述的设备、步骤和方法等进行重复性实验，不能得到相应的结论，则这个理论或方法不科学。比如，韩春雨在《自然—生物技术》（Nature Biotechnology）发表论文，声称发现了基因编辑新方法NgAgo，但由于国内外学者无法重现论文的实验方法和实验结果，论文被撤稿。
2）科学发现
科学的成果是新现象、新规律和新原理，是那些客观世界早就存在而人类未认清的事物或现象的规律，是科学发现。比如，居里夫人发现新元素镭、分离提取出纯的金属镭；印度物理学家拉曼发现光线被液体散射时的“二次射线”，即拉曼散射，很好地解释了海水为什么是蓝色的。
科学发现是因高度复杂创新性劳动而形成的成果，包括事实的发现和理论的发现。前者如电子、放射性、X射线；后者如比利时学者普里戈金提出的耗散结构理论。科学发现可以受自然启发而产生。伽利略悟出了“大自然这本书是用数学语言写的”，用数学和实验方法得出了自由落体定律。麦克斯韦基于自然界普遍存在的对称性，相信电和磁具有对称性，预言电磁波的存在。受日常生活启发也能产生重大科学发现，比如，美国物理学家格拉泽受啤酒泡沫的启发而研制出探索物质结构的新探测仪——气泡室。
中国古代迷信鬼神，每当出现一些恶劣的自然现象如地震、日食、彗星，皇帝就会以为是自己的德行有亏或者执政不佳才引得上天出手警告和惩罚，还常常将各种不常见的生物如白雉（即白野鸡）、自然现象如甘露看成祥瑞，认为是吉兆。正是科学发现的不断涌现让人类加深了对世界的正确认识，摆脱了对大自然的恐惧；正是科学活动或科学研究为人类解答了一个个“是什么”和“为什么”的问题，人类才走出愚昧，走向智慧。
3）科学精神
研究者和理工科生在科研过程中应崇尚和弘扬求真、务实、质疑、包容、创新的科学精神，坚持做“科学”的研究，避免任何“不科学”的思考。
求真是科学精神的灵魂。探索真理、追求真理、捍卫真理是求真的主要内容。永远要对新鲜的事物敞开心扉，准备接受新的知识，容纳新的观念，探讨新的奥秘，追求新的结果，这是科学得以发展的基础。
务实是科学精神的根本。科学精神与唯物主义息息相通。实践是检验真理的唯一标准；科学理论源于实践，也应回到实践。一切不符合实际的思维和行为都是不科学的。科学以苍生为念、不事鬼神，大胆假设、小心求证。
质疑是科学精神的属性。如果没有质疑精神，人类就失去了分辨是非的可能。所有观念，不管合理还是荒唐，都全盘接收，科学将成为垃圾场。伪科学人士常争辩说，他们富有质疑精神。的确，他们很有怀疑科学主流的勇气，比如“科学神创论”者怀疑进化论，研究“特异功能”者怀疑物理定律。但科学的质疑必须以务实为基础，需要理性，毫无理性的质疑本身就不科学；质疑要有实证，有确凿的证据，在严格控制的条件下，用严密的方法，重复、独立得到观察和实验结果；质疑要有逻辑。
包容是科学精神的气质。包容是对自由的保证。我们要坚持多元取向，允许各种公开自由的话语表达，包容地对待不同的学术观点和学术立场，正如爱因斯坦所言，“自由而无拘束地交换意见和交换科学研究的结果，是科学健康发展所必需的”。
创新是科学精神的关键。科学有永无止境的前沿，科学精神不承认有任何亘古不变的教条。一切因循守旧、抱残守缺的思维和行为都不科学。科学精神必须勇于探索、创新，重视开放合作，引领人类不断走向新的认知和实践。
科学精神这五个方面是一个有机整体，不能割裂开来认识和看待，不能只讲求真或只讲务实、只讲质疑或只讲包容，抑或只讲创新。孤立地强调某一方面，都是在为伪科学大开方便之门，或者有阻碍科学发展的危险。
1.1.2 技术、技术发明、技术革命
技术经常和科学合在一块，组成一个词“科学技术”，简称“科技”，比如，科学技术奖励、科学技术部、中国科学技术大学等。与“科学”不同，中国古代有“技术”这个词。《史记·货殖列传》有“医方诸食技术之人”。“食技术之人”就是依靠技艺谋生的人；技术的本意就是技艺、手艺。中国古代除了一心读圣贤书的人外，很多人靠技术谋生，在农业、水利、医药、建筑等方面长期处于世界前列，其中造纸术、指南针、火药、印刷术对世界技术史产生了巨大影响。
法国科学家狄德罗给技术下了一个权威的定义：“技术是为某一目的共同协作而组成的各种工具和规则体现。”从这个定义可以看出，技术具有目的性，其实现需要广泛的社会协作。其表现形式一种是生产工具、设备等，是硬件；另一种形式是规则，即生产使用的工艺、方法和制度等，是软件。与科学一样，技术也是成套的知识体系。世界知识产权组织将能带来经济效益的科学知识都定义为技术，认为技术是制造一种产品的系统知识、所采取的一种工艺或提供的一项服务。
技术的根本职能是改造世界，实现对客观世界的控制、利用、保护，着重解决“怎么做”的实际任务。技术强调实用，即利用技术生产的产品必须够用、好用、耐用。够用指功能上满足用户要求，好用指使用方便，而耐用指使用时间长。
技术的成果是技术发明，是新方法、新工艺、新设备、新工具、新品种等，在这些发明出现之前，从来没有人做过。技术发明的存在取决于人类需要，并旨在满足人类需要。人类为了生存而利用石块等制成简单工具，这是技术的起源。古代的生火方法、青铜技术、炼铁技术等增加了食物的来源和种类，提高了劳动效率。现代的电报、电话、计算机、手机、互联网等为人类提供了新的通信途径，而汽车、火车和飞机为人类的出行提供了更加便利和快捷的方式。当人们嫌低速火车无法满足更快的出行需求时，高速铁路应运而生。总之，技术发明广泛应用于人类社会所有领域，促进了人类物质文明的发展，改变了人类的生活方式、思考方式、行为方式，使人类能更加高效地生产、更加幸福地生活。
图1.2描述了人类历史上有巨大影响的发明。轮子和帆船大约在公元前4000年被发明，其中，轮子最初不是用来做运输工具的，而是制陶的转盘。
  
图1.2 人类历史上有巨大影响的发明
由于人类对美好生活的不断追求，从石器时代开始，技术始终处于演化进程中，从未停下前进的脚步，经过了青铜时代、铁器时代、蒸汽时代、电气时代、信息时代，一直发展到今天的智能时代。
在石器时代，人类从最开始的打制石器（把石块打碎，挑选合适的石块），到磨制石器、陶器、青铜器和铁器等。青铜时代和铁器时代的典型特征分别是青铜广泛用作工具和武器、冶铁技术的广泛使用，而随后的三个时代对应18世纪中叶以来，人类历史上发生的三次工业革命。三次工业革命也是技术革命，伴随着大量颠覆性技术的涌现。
第一次工业革命（1750—1850年），人类生产与制造方式出现了以机器取代人力和兽力、以大规模工厂替代手工业生产的趋势。蒸汽机的发明和改进是第一次工业革命的中心技术。这次工业革命推动生产力飞跃式发展，西方资本主义开始超越东方并逐渐统治世界，而同时期的中国依然陶醉在“天朝上国”的美梦中无法自拔，遗憾地错过了这次工业革命，从而导致后来百年屈辱的历史。
第二次工业革命（1870—1950年）以电力在生产和生活中的广泛应用为代表，电灯的发明是标志。新技术有电力、内燃发动机、炼钢、电报和无线电通信技术等。人类的生产力又一次得到飞跃。
第三次工业革命（1950—2000年）以原子能技术、航天技术、电子计算机和可再生能源的应用为代表。这次革命彻底改变了整个社会的运作模式，使科学和技术紧密结合，相互促进。
三次工业革命使人类发展进入空前繁荣的时代，也造成了极大的资源消耗，付出了巨大的环境代价和生态成本，急剧扩大了人与自然的矛盾，为此，起源于21世纪初的第四次工业革命尽力为这些问题和矛盾的解决提供新的思路。第四次工业革命的标志是数字化、网络化和智能化，核心技术是互联网、物联网、大数据、人工智能等，将对制造业、交通运输、能源环保等行业产生深远影响。
1.1.3 科学与技术
技术贯穿整个人类历史。中国古代技术发达，四大发明对全世界影响深远，而鸦片战争后，中国因技术落后而被动挨打，经历了长达百年的屈辱历史。
科学的出现远比技术晚，人类技术演进到古希腊时期，才出现科学。中国古代科学不发达。在欧洲，科学知识由贵族掌握，而技术掌握在工匠手中，科学与技术彼此分开。在文艺复兴时期之后，科学活动规模变大，科学与技术才开始彼此相互接近。19世纪以后，科学成为技术发展的重要基础，往往是科学实现从0到1的突破，技术则将1变成n，许多技术都是科学发展的结果，即先有科学，后有技术。比如，以电力为标志的第二次工业革命就是在科学理论的指导下完成的，内燃机原理发现21年后，人类才于1883年制成了第一台汽油内燃机（四冲程往复式汽油机）；无线电通信原理在1895年被研究出来，26年后才出现基于该原理的技术成果——公共广播电台。不过，技术也能产生科学，比如，射电望远镜的发明和利用，产生了射电天文学。总之，科学与技术既有差别，又有密切联系。
科学的进步并不总是推翻一切重来的大革命，而多是在原有基础上的演化。科学的进步是连贯的进步。被视为现代科学最大的两场革命就是如此：达尔文的进化论并没有推翻博物学、地质学的一切成果，而是保留了其中绝大部分数据和理论，并做了重新解释；爱因斯坦相对论也没有推翻牛顿力学，而是它的扩展、深化。爱因斯坦在总结他的成果时曾说：“创造一个新理论并不像是摧毁一个旧谷仓，然后在原地建一座摩天大厦。它倒像是在攀登一座山，获得了新的、更宽阔的视野。”而技术演进往往是摧毁一个旧谷仓，然后在原地建一座大厦，每一次技术革命，随着新的颠覆性技术的不断涌现，无数技术被淘汰，消失在人类的生产和生活中。
科学技术实力是整个国家实力的重要组成部分，也是发达国家遏制和制裁其他国家的重要手段，尤其是技术封锁，已成为一些发达国家打压其他国家的惯常做法。我国在一些关键技术如芯片制造技术方面受制于美国等西方国家，技术水平落后是一方面，更重要的是基础研究薄弱。目前，我国基础研究经费占全社会研发投入的比重超过6%，仍远远落后发达国家的15%。除了国家加大基础研究投入外，企业也要加大对基础研究的投入。全社会齐心协力，方能在基础研究上实现突破，让“卡脖子”成为历史。
理工科研究包含基础研究、应用研究等，其中基础研究以扩展科学知识、建立科学理论为目的，是科学范围内的研究，其研究成果是新概念、新理论、新现象等。理科专业如数学、物理、化学、生物学、力学等的学生和老师主要从事基础研究。基础研究不着眼于应用，没有商业目的，不直接解决实际问题和难题，却是整个科学体系的源头、一切技术问题的总开关。其成功率低，一般不足10%，能够实现商业化和企业化的仅有2%～3%，但重大科学发现往往会带来生产和生活的革命性改变。
应用研究则以技术为目的，探讨知识应用的可能性，研究成果为新工艺、新产品、新流程等。工科专业如计算机、自动化、土木工程等的师生主要从事应用研究。应用研究有目的、有计划、有时间限制，其成果具有实用价值和一定的保密性。应用研究成功率有50%～60%，实现商业化的可能性较大。
总之，科学与技术具有不同的历史发展过程、不同的进步规律，但无论是科学的发展，还是技术的演进，都得靠解决一个个科学问题或技术问题而向前进化。
1.2 区分科学问题与技术问题 
问题是需要解答或回答的疑难。当人类认识未知现象或事物时，问题便产生了，即当人不了解却渴望了解未知事物或现象时，就会提问题。比如，从小朋友嘴里冒出的各种为什么，理工科生在答疑课上提出的问题，人类自身面临的粮食问题、环境问题、能源问题、人口问题等。人所面临的问题，有的答案明显，有的需要不懈探索，有的始终找不到合适的解决办法。
科学问题和技术问题都是需要不懈探索方能找到答案的问题。科学问题是以目前人类的知识未能找到答案的问题，比如，有没有外星人？目前虽然有很多假说，但没有大家普遍接受的答案。科学问题的解决将拓展人类的知识边界。而技术问题是运用科学理论或技术实现某种特定功能时遇到的问题，比如如何实现软件缺陷自动检测。技术问题反映了人类需求和满足需求的能力与方法间的矛盾，往往是为了提高生产效率、防范威胁和攻击、改善生活便利等现实目的。科学问题与技术问题之间存在明显区别。
1.2.1 科学问题
1921年，印度物理学家钱德拉塞卡拉·文卡塔·拉曼受邀参加英国帝国大学会议后乘船回国，途经地中海，蔚蓝色的海水令他赏心悦目，他突然对“海水为什么是蓝色的”这个科学问题产生了强烈的兴趣。关于这个问题，英国物理学家、诺贝尔奖获得者瑞利曾解释过蓝色天空的形成原因：太阳光经大气分子散射后，红色光大部分被接收，剩下的大多数为蓝色光，所以天空一般呈蓝色，而海水之所以是蓝色的，是反射天空颜色的缘故。
拉曼怀疑瑞利的解释，他用随身携带的尼科尔棱镜观察海水颜色，惊讶地发现，在消去大海表面反射的天空蓝光后，大海的颜色竟比天空的颜色蓝得多。拉曼猜想，这种现象并非由海面对天空颜色的反射引起，而可能是由于水分子对阳光的散射。回到加尔各答后，拉曼立刻开始了研究。经过7年不懈的研究，利用价值不到7美元的实验仪器，拉曼成功发现了以他的名字命名的光的散射，即拉曼散射或拉曼效应。
拉曼效应具体描述如下：一束单色光入射到物质上，入射光的光子与物质的分子发生碰撞，产生能量交换，导致入射光频率发生改变。具体来说，光照到某种物质上，一部分光被吸收，其余光因物质分布不均匀而偏离原来的传播方向，成为散射光，一部分保持频率不变，为瑞利散射，另一部分散射光与入射光在频率上相差一个固定的数量，为拉曼散射，如图1.3所示。

图1.3 拉曼散射与瑞利散射
 科学问题是科学研究的核心，科学研究的过程就是提出科学问题并解答科学问题的过程。拉曼正是对“海水为什么是蓝色的”这个问题产生了浓厚的兴趣，并通过长达7年的观察、实验、比较、归纳和分析等，才最终发现了光散射时频率会变化这一以前未曾被认识的现象，从而创造了新的知识。
那么，到底什么是科学问题？人们为什么要提出某个科学问题？首先，科学问题针对的是现有科学理论无法解释的异常现象或受限于人类思维和智慧水平而无法弄清楚的客观事实；其次，具有一定背景知识和思维能力的人对异常现象和客观事实利用现有科学理论和知识进行了研究，却未找到答案或者找到的答案是错的；最后，科学问题是独立的人的问题，但它不仅仅是提出者的问题，还是整个科学知识体系和科学实践有待解决的问题，是一定历史时代的产物。总之，科学问题是一定时期内特定知识背景下，具有一定联想思维能力、背景知识、渴望求知的人们，对已知理论无法解释的异常现象和客观事实，通过主动性思维、分析、归纳、总结后提出的需要解决而未解决的问题。
上述科学问题的定义反映了科学问题的诸多特点。科学问题是在一定时期、特定背景下提出的。比如，三峡大坝未修建完毕之前，研究三峡大坝对生态环境的影响机理是科学问题，而在三峡大坝修建完成后，上述问题就不是科学问题了。科学问题的提出者往往是科学工作者，他们有联想思维能力、专业知识，对未知的自然现象和客观规律孜孜以求。科学问题需要提炼，才能提出。所谓提炼就是思考、分析、归纳和总结等。科学问题是未知的。
下面给出一些科学问题的例子。
冠状病毒跨种传播的生态学机制是什么？
引力波将如何揭示宇宙奥秘？
地球物质是如何演化与循环的？
第五代核能系统会是什么样子？
特种能场辅助制造的科学原理是什么？
数字交通基础设施如何推动自动驾驶与车路协同发展？
调节人体免疫功能的中医药机制是什么？
植物无融合生殖的生物学基础是什么？
如何优化变化环境下我国水资源承载力，实现健康的区域水平衡状态？
如何建立虚拟孪生理论和技术基础并开展示范应用？
肠道菌群如何通过免疫系统调节体温与产热？
高密度空中交通流演化机理和拥堵传播特性
从上述例子可以看出，科学问题主要关注特性、机理、机制、原理、理论、基础，是“是什么” “做什么”等形式的问题。
科学问题包含问项和答域两部分。问项就是提问的内容，比如，交通流演化机理。而答域就是对求解范围的限定。答域包括全域、类域和特域。全域就是对求解范围不做限制，比如“疟疾由什么引起”这个问题肯定了疟疾病因的存在，但未指定范围，这样的科学问题用处不大。类域就是对求解范围有一定程度的限定，比如，“清除污水为何能减少疟疾的发生”。此类问题往往代表了科学研究的最前沿，上述科学问题的例子的答域大都是类域。当科学问题的答域限定为某个具体的答案时，对应的答域为特域，比如，“肠道菌群如何通过免疫系统调节体温与产热”，该问题的答域就是特域。
科学问题是科学研究的起点和重要环节。按照中国科学院植物研究所蒋高明研究员的理解，科学问题来自如下几个方面：
（1）科学问题来自好奇心。神秘的自然现象是科学问题的直接来源，正是对神秘自然现象拥有无穷的好奇心和进取心，一个个自然之谜才得到破解。理工科生要保留一份好奇心，方能提出新奇独特的科学问题。
（2）科学问题来自实践，来自生活。理工科研究不能完全从文献到文献，纸上谈科学问题，应从生产、运输、能源、环境、健康等实际过程和国家重大需求中提炼科学问题。
（3）科学问题来自怀疑精神。拉曼正是怀疑瑞利的解释，才有了新的发现。理工科生要具有怀疑精神，不迷信权威、不固守成规，面对疑点，要紧抓不放，穷究下去，直到搞清原理，探明结果。
（4）科学问题来自知识积累。没有扎实的学科基础和理论知识，没有充分的文献阅读，很难提出有价值的科学问题。
（5）科学问题来自知识交流。经常参加学术交流，开阔视野，启迪智慧，更容易有豁然开朗的感觉。
1.2.2 技术问题
在工业革命之前的几千年里，技术演进缓慢，人类的生产和生活方式没有明显的改变。比如，生活在明朝的人自打在娘胎时，其一生从事的职业和生活半径就定了，与父母无异，和祖父母一样，而且明朝的职业与一千多年前的汉朝差别也不大。而从工业革命到现在，仅仅三百多年，旧技术不断被淘汰，新技术层出不穷，导致人类的生产和生活经历了巨大的改变，无数职业湮没在历史中，而新职业不断涌现，老的技术问题（如生产效率低下）得到了解决，新的技术问题，包括因新技术衍生而来的技术问题（如人脸识别技术广泛应用后的个人信息泄露问题）持续出现，令人困扰。总之，人类像飞蛾扑火，孜孜不倦地解决一个个技术问题，又创造出一个个技术问题，不是在解决技术问题，就是在去解决技术问题的路上。
技术问题，顾名思义，就是技术领域遇到的具体问题，比如设计一款产品、优化一个算法、改进某个工艺、识别并排除故障等。技术问题很多，旧技术有问题，新技术也有问题。与科学问题不同，技术问题着眼于技术细节和实现方法，考虑技术可行性、性能要求和安全性等，其中，技术可行性涉及功能能否实现、性能要求能否得到满足、规定时间内能否解决问题等。
技术问题的例子如下：
如何开发新型免疫细胞在肿瘤治疗中的新途径与新技术？
水平起降组合动力运载器一体化设计为何成为空天技术新焦点？
如何实现农业重大入侵生物的前瞻性风险预警和实时控制？
信息化条件下国家关键基础设施如何防范重大电磁威胁？
硅光技术能否促成光电子和微电子的融合？
如何解决集成电路制造工艺中缺陷在线检测难题？
无人车如何实现在卫星不可用条件下的高精度智能导航？
如何在可再生能源规模化电解水制氢生产中实现“大规模”“低能耗”“高稳定性”三者的统一？
如何突破进藏高速公路智能建造及工程健康保障技术？
如何实现基于空地态势共享的协同交通自主运行？
从以上例子可以看出，技术问题的主要表达形式是“如何解决/实现/开发/突破×××”，即“怎么做”。解决技术问题是为了实现某种现实的目的和功能，比如高精度智能导航、风险预警和实时控制、缺陷在线监测、重大风险防范等。和科学问题一样，技术问题也需要提炼，也需要限定特定的条件、目的、要求等，特定条件如“卫星不可用条件下”，特定目的包括“防范重大电磁威胁”，特定要求如“实现 ‘大规模’ ‘低能耗’ ‘高稳定性’三者的统一”。
1.2.3 科学问题与技术问题的区别
当一个人忍饥挨饿时，大概率是不关心四季为何变迁、地震是怎么回事等科学问题的，而对各种有助于吃饱饭的技术问题（如荒地开垦）会兴趣浓厚，而在衣食无忧时，如当今的中国，科学成为一个行业，技术更是人们眼中的香饽饽。当饥饿已成为遥远的回忆，研究者的好奇心和怀疑精神才能自由发挥。科学问题和技术问题不是在被提出的路上，就是在被解决的途中，那么这两类问题有何区别？
技术问题是人类在生产和生活中遇到的困难和障碍。解决了技术问题，就剔除了技术障碍，能让经济能好起来，钱包能鼓起来。科学问题是未知世界的奇异现象和事实激发了人的好奇心，从而在脑海中冒出来的问题。需要发现的新现象、新物质、新原理是科学问题，而怎样去发现是技术问题。两者往往不能分开，却是两个不同的概念。科学问题涉及认识和发现，技术问题面向应用；科学问题回答“做什么”，技术问题回答“怎么做”。比如，发现一个新基因是科学问题，怎么去发现则是一个技术问题；研究一个基因的功能和机理是科学问题，怎样去研究就是技术问题；研究一个化合物或药物的作用机理、发现其作用靶点是科学问题，怎么去研究和发现则是技术问题。
经由科学问题的解答可获得新原理、新现象、新理论，而解决技术问题的过程是利用科学原理提出可行技术路线的过程。以利用万有引力定律制造火箭为例，它需要解决一系列技术问题，比如，火箭发动机如何设计以实现极端条件下的稳定运行。当然，技术路线也可在经验指导下产生，比如，曹冲利用船称象时，应该不知道阿基米德浮力定律，但不妨碍聪明的他找到解决办法。其实，人类在技术发展的很长一段时间内，技术问题的解决主要靠经验，工业革命以后，科学原理和科学研究才成为技术问题解决的重要因素，甚至是决定性因素。
在解决科学问题之前，无人知道问题的答案，而在我国攻克某个技术难题之前，其他国家可能已经找到解决办法，只是我国还不拥有相关的技术方案而已；对科学问题的探索是人类认清未知的世界、发现客观规律、解释异常现象的主要抓手，而所有技术问题都面向应用，服务于功能和性能的增强、效率的提升、成本的降低等。如何提出科学问题，非常重要，甚至比解决科学问题更重要；而对技术问题来说，运用科学理论和方法找到可行的技术路线才是关键。
科学问题与技术问题尽管差异较大，却都是理工科研究的对象。只有先选择和确定要研究的对象，才能开展理工科研究。
1.3 理工科研究的过程 
理工科研究往往以获得公开发表的论文或者专利局批准的专利等研究成果为目的，从选题开始，历经选题，解决所选择的研究问题（包括设计与验证研究思路），进行论文、专利文献或软件著作权申请等文档准备，研究文档的审稿、审查和登记。当评审顺利通过，论文公开发表、专利获批、著作权登记，才能得到理工科生孜孜以求的研究成果。图1.4描述了理工科研究的具体过程。

图1.4 理工科研究的具体过程
1.3.1 选题
理工科生面对研究领域的科学问题或技术问题，首先要明确要研究哪个或哪些问题，即选题。选题是理工科研究的重要一步。选题恰当合适，既能充分调动理工科生的科研激情，又具有较强的挑战性和研究价值；选题不当，过难或者过于简单，容易事倍功半或者做无用功，同时不利于发挥理工科生的主动性，不利于促使理工科生积极努力。
选题有意义，是理工科期刊论文和学位论文的审稿人和读者关注的关键因素，是理工科生的研究工作有意义和价值的前提。选题意义包括理论意义和现实意义。理论意义指研究工作能补充或创新现有理论，而现实意义指研究工作对现实生产或生活等有促进或改善作用。比如，混合励磁同步电机控制策略的研究将促进电机控制理论的发展，具有理论意义，而混合励磁同步电机控制系统设计与开发研究为该电机在工业领域的实际应用打下基础，具有较强的现实价值。
那么，怎样让选题有意义？
首先，进行文献综述和研究现状分析。针对选定的问题，通过收集和阅读所有相关文献，掌握研究现状，详细分析当前研究的问题与不足。
其次，确定每个问题研究的理论意义或现实意义。比如，从实际铸造过程中提炼出具有批处理机阶段的生产调度问题，对该问题进行建模和智能优化。由于问题来自实际生产过程，问题的优化结果具有应用于实际生产过程的较大可能，选题现实价值较大；由于问题的子问题和目标众多，复杂性高，求解难度大，理论意义较大。
再次，选题应具有足够的创新性，即问题应是全新或者具有不同程度的新颖性的问题。重复前人工作、创新性不足甚至毫无创新的选题毫无意义。选题的创新性包括研究的问题和相关研究内容是前人未曾研究的，需要开辟新的研究领域或新的技术方法等，或者虽已存在相关研究，但不够深入，需要补充、发展、解决新问题，提出新方法等。
最后，理工科生应选择与自己能力匹配、导师实验条件满足要求、可控性较强、能进行创新性工作的问题开展研究。对于超出理工科生能力范围，导师实验条件无法满足，或者过于空泛、陈旧的问题，由于难以做出创造性研究结果，理工科生应尽量不碰。不可控因素太多的问题也不行，比如，实验用的相关数据无法获取时，就得忍痛割爱。此外，应避免一味赶时髦选择一些热门的问题或主题，或者对一些冷门的问题避而远之，而应对所选的问题进行仔细认证。
选题的来源主要有两个：
（1）科技前沿。不断学习，追踪科技前沿。在科学和技术发展过程中，其前沿就像待开垦的处女地，正是研究者驰骋的广阔天地。
（2）生产实践。要研究真的科学问题和技术问题，就应该从生产和社会实践中发现和提炼问题。实际上，生产实践如工业过程的控制、优化、制造广泛存在各种复杂的科学问题和技术问题，理工科生应积极参与企业调研、社会调查，力争自己的选题符合实际需要，让相应的研究成果具有较高应用价值，甚至能直接用于生产实践。
选题的具体办法有如下几种：以发现新问题或研究不够深入的问题为目标的选题；通过深入调查、研究、分析，发现未引起研究者重视的问题，或虽已有一些研究，但不够深入和系统的问题；对已研究问题从不同的侧面、以不同的方法等分析的选题，即采用新方法、新视角研究老问题；对热点选题，应该在新研究领域的研究早期，及时捕捉相关信息、预见未来、抢抓先机、超前选题，这种超前选题一旦成功，相关研究成果将具有较大的影响力。
1.3.2 解决问题
选定研究的问题，接下来就要全力解决问题。下面介绍解决问题的基本过程。
首先，掌握并使用本研究领域的常用研究方法。
“授人以渔，终身受用无穷”，“渔”就是方法。研究方法科学、可行，才不至于误入歧途，白费功夫，才能顺利解决研究问题。
研究方法有很多，获取科学事实的方法有观察和实验。拉曼和他的助手在做光的散射研究时，观察到散射光中包含“绿荧光”，随后对“绿荧光”做了一系列实验，最终发现了拉曼效应。理工科研究是创新性活动，需要理工科生掌握一些创新思维的方法，比如，归纳和演绎，归纳是从大量数据或事实概括出一般性原理、知识、结论的思维方法，演绎则过程相反，从一般性原理推出个别性的结论。
数学方法也是常见的研究方法，它是科学抽象的思维方法，它用数学语言描述研究对象的状态、关系、过程，进行逻辑推理、运算、演算和分析等，形成对研究对象的解释和预测。数学方法也是很多科学家看重的方法。爱因斯坦认为，科学家必须在庞杂的经验事实中抓住某些可用精确公式表示的普遍特征。
科学史上著名的数学公式有：
爱因斯坦质能方程 E=mc2
式中，E为能力，m为质量，c为光速。
薛定谔方程    
式中，ψ(x,t)为波函数，U(x,t)为势函数。
前者是质量与能量相互转换的公式，后者是量子力学的基本公式。
数学方法最大的优势在于能提供简洁精确的形式化语言、数量分析和计算的手段与技巧、可靠的逻辑推理和证明的工具。
数学模型是数学方法的一种。比如，控制策略与技术都建立在控制对象的数学模型（如传递函数、状态空间描述等）的基础上。建立数学模型时，需要做合理简化，对认为不重要的因素进行简化处理，但不能简化过多或者不合理，使得模型无法反映控制对象的实际特性，模型与实际对象脱节，这时利用模型设计控制器或确定控制量，将难以保证控制精度和性能方面的要求。
其次，分析问题的特点，结合问题特点，提出问题的解决方案或研究思路。
这是解决问题的关键步骤。以拉曼效应发现过程为例。拉曼用随身携带的尼科尔棱镜观察海水的颜色，惊愕地发现在消去大海表面反射的天空蓝光后，大海的颜色竟比天空的颜色蓝得多，直接否定了瑞利的解释。随后，拉曼和他的助手开始试验，发现光散射伴随着颜色变化，出现了不存在于入射光的绿色荧光。他们起初以为绿色荧光是进行光的散射试验所用液体的杂质所致，提纯液体后，荧光仍然存在；随后他们猜想荧光是散射物质的特有材质引起的，此猜想又被随后的实验否定，荧光与散射物质无关。1927年康普顿效应被发现，这一效应让拉曼意识到，绿色荧光的出现可能是由于波长变化的非相干散射。在新的启发下，实验继续。1928年1月拉曼发现，高度纯化的甘油散射的阳光颜色是明亮的蓝色，且纯甘油散射的颜色每次都与入射光不同。两个月后，利用价值7美元不到的实验仪器，拉曼发现，所有散射光的光谱都存在不同于入射光光谱的若干条锐线或光带，自此，拉曼效应被发现。整个过程中，猜想、验证不断循环，直到最终的拉曼效应问世。
当然，针对不同的研究问题，研究思路的提出方式也各异，理工科生可通过模仿、借鉴同一研究方向的文献，找到新思路的有效提出方法和技巧。比如，针对某个复杂的优化问题，设计一种具有新型优化策略和机理的算法对问题求解，可从如下几个方面思考新思路：
优化问题的特点，以及如何将特点融合在算法的求解过程中
算法的特点，以及基于算法特点提出改进策略
引入新机理、新机制等
针对问题的特点，可构造基于知识的搜索算子。以遗传算法为例，在搜索前期，出现早熟收敛，即很快收敛到局部最优解，到了搜索后期，其收敛速度变慢，可采用自适应参数、自适应搜索策略、多种群优化等方式改进算法。全新的机理和机制会显著改善搜索效率。例如，基于学习的优化算法，融合了学习算法和优化算法；或者在多种群算法基础上，探讨种群的评价，以及基于评价结果的算法参数、策略、结构的动态调整等。
最后，针对研究思路或解决方案，验证其合理性、有效性和优势等。
以实验验证为例，它包括实验方案设计、实验结果获取与整理、实验结果分析等。实验有仿真实验、模拟实验、实物实验、对比实验等。大多数情况下要将新方法和新策略与现有方法进行对比。比如，论文《飞行作业机器人动态抓取的非奇异终端滑模控制》中，进行了仿真实验、实验平台上的实验，并对比了论文的控制策略与该论文所列文献[12]的方法。
以上研究过程中，创新思维是提出问题、选择问题、解决问题的关键因素。理工科生若不能合理运用创新思维方法，研究过程的效率和成果质量将变得低下，以至于毫无价值。理工科生要学会并掌握各种创新思维方法，尤其是逆向思维、发散思维、逻辑思维。
理工科研究在解决问题后，要准备研究文档，包括撰写论文、专利文档、软件著作权登记申请等，然后进行论文投稿、专利审查、软件登记等。当论文发表、专利获批、软件著作权登记完成，科研成果才算正式出炉，能登记在作者们的名下。
1.4 科研成果的种类 
科研成果是科研人员从事科学研究而获得、通过同行专家评审或鉴定、具有学术意义和实用价值的创造性结果，是一种具有特殊意义的生产力，也是衡量科学研究任务完成与否、科研成果质量优劣、科研人员贡献大小的重要标志。
科研成果应符合以下三方面的条件：
（1）科研成果应具有创造性、先进性。创造性是指前人所没有或国内外所没有的，理论上有新的创见，或技术上有新的提高。先进性指成果在技术价值和技术水平上有所提升。
（2）科研成果既要有实用性，又要符合科学规律，具备实施条件，满足社会要求，经济价值高。
（3）科研成果必须经过技术鉴定或评审。鉴定或评审应实行同行专家评议。通过鉴定或评审的成果，才能算作科研成果。
科研成果包括学术论文、学术著作、专利、农业和生物新品种（如袁隆平院士的杂交水稻新品种深两优841）、新技术、新工艺、新设备、计算机软件等。专利、生物新品种、计算机软件著作权等都属于知识产权，受法律保护，其中生物新品种包括植物新品种和动物新品种；软件著作权在中国版权保护中心登记。
下面描述两种常见的理工科科研成果。
1.4.1 论文
论文一词在古代汉语里，是谈论诗文，评论文人、文章的意思。唐朝诗人杜甫的《春日忆李白》中有诗句“何时一樽酒，重与细论文”，另一首诗《赠毕四》中有“同调嗟谁惜，论文笑自知”。南宋女诗人朱淑真有“把酒何时共，论文几日亲”（《和前韵见寄 
其二》）。
论文是科研结果的描述和记录，具体来讲，它是对某一学术课题在实验性、理论性或预测性方面新的科学研究成果或创新见解和知识的科学记录，是对某种已知原理应用于实际所取得的新进展的科学总结，是在学术会议上进行宣读、交流、讨论或在学术刊物上进行发表的媒介。
论文除了以上用途，还有一些其他用途。比如，在决定某项成果的首创者时，往往以发表的论文及其发表时间为依据。诺贝尔奖授予全世界最先取得相关成果的人，其证据往往就是发表的学术论文。1977年，屠呦呦所在的中国中医研究院等几家单位以“青蒿素结构研究协作组”名义在《科学通报》第22卷第3期首次发表了有关青蒿素化学结构及相对构型的论文《一种新型的倍半萜内酯——青蒿素》，在当年我国没有专利和知识产权保护法规的情况下，抢在外国人前面发表了第一篇论文，成为证明青蒿素由中国人研究出来的有力证据。
对理工科生来说，论文既是毕业的条件，也是自己在本科、硕士、博士期间工作的记录和证明，是那段创造力最强、思维最活跃的青春岁月的美好见证；对高校教师来说，论文既是自己学术成绩的体现，是学术水平的量化支撑材料，也是升职加薪的硬性条件，甚至是教师提高生活质量的门道。在破除“唯论文”观念之前，大多数高校对发表论文有奖励，有的奖励高达几十万元。
学术论文种类繁多，比如基础研究论文、应用研究论文。基础研究论文侧重于新理论、新观点、新方法，以在期刊或学术会议交流为主；应用研究论文则侧重于解决技术问题，具有技术先进性、实用性等，可公开发表，也可保密。
常见的学术论文有如下几种：
学术期刊论文
学术会议论文
学位论文
学术期刊是发表学术论文的主要媒体。中文学术期刊根据检索库可分为科技核心期刊、中文核心期刊、中文社会科学引文索引期刊（即所谓C刊）等。英文学术期刊有科学引文索引（Science Citation Index，SCI）、工程索引（Engineering Index，EI）期刊，指分别被SCI和EI两个数据库检索的期刊。学术会议也是发表论文的重要途径，包括国内学术会议和国际学术会议。大多数会议会出版论文集，部分会议的论文最终会被推荐到相应期刊发表。
学术期刊论文包括期刊研究论文和综述论文，是发表在各种期刊如SCI、EI源期刊，中国核心期刊等上的关于科学研究成果的描述与记录。学术会议论文是为了在学术会议上宣读和交流而发表的论文。学位论文是为了拿到学位而写的论文，包括学士学位论文、硕士学位论文和博士学位论文。
学术论文的显著特点包括创造性和科学性。其中，创造性是科学研究的根本特点。学术论文是科学研究成果的记录，自然也具有创造性。创造性的两个基本要素是新奇独特、有价值。理工科生只有采用别出心裁的思路做前人未做的工作，且取得具有较高的理论价值或现实价值的成果，相应的科研成果才有创造性。科学发现、技术发明是典型的创造性成果。科学性指切实从客观实际出发，从中引出符合客观实际的结论。
学术论文是传播科研成果的重要载体和媒介，其数量、质量和国际影响力是衡量一个国家科研水平和实力的重要因素，其中国际影响力主要通过引用次数，尤其是其他研究者对论文的引用次数，即所谓他引次数来确定。比如论文A发表后，有论文B、C、D、E、F对其加以引用，则引用次数为5。引用的具体标志是施引论文B的参考文献目录中有论文A，在论文B中，可能存在对论文A的介绍与评价、在A基础上开展的后续工作等。比如，模糊数学创始人、美国加州大学伯克利分校教授扎德（L. A. Zadeh）发表的论文“Fuzzy sets”，如图1.5所示。该论文引用次数达到恐怖的118 636次，多个研究领域如模糊控制、模糊决策分析等都建立在该论文的基础上，这就是原创性科研成果的魅力。而像本人这样的普通研究者，由于缺乏原创成果傍身，如图1.6所示，所有论文学术搜索次数也就几千次。而一些顶尖学者由于论文影响力大，学术搜索总次数至少3万次。

图1.5 “Fuzzy sets”及其学术搜索引用次数
  

图1.6 雷德明的Scopus引用情况
近几年，我国学术论文的数量、质量和国际影响力显著提升。2018年，中国科学论文数量已位居全球第一。不过，中国科技期刊远不能满足国内科研工作者的论文发表需求，大部分学术论文不得不发表在国外科技期刊上。尽管美国和欧洲的研究论文影响力仍然全世界最强，但从期刊论文和学术论文引用次数来衡量，中国学术论文的影响力表现强劲，增长迅猛。
日本科学技术振兴机构（JST）利用爱思维尔出版集团的论文数据，对3年内平均引用次数进入前10%的论文进行分析，分析的领域共151个，包括生命科学（46个）、工学、化学和材料（39个）、计算机科学与数学（26个）、物理、能源和环境（40个），中国居首位的有工学、材料科学、计算机科学等，且领域数量逐年增加。20年前居前五的只有两个领域；10年前，急剧增加到103个；2017年后，为146个领域。
理工科生应该正确对待学术论文。首先，学术论文是理工科生在项目研究或自由探索过程中的创新性见解或成果获得后，为了满足公开研究成果这一主要目的，以及顺利毕业这一次要目的而撰写的工作记录，只是该记录需要满足结构、表达规范，逻辑性强等诸多要求，并顺利通过评审。
其次，不能为了论文而论文。论文应该是创新性成果的完美呈现，不能研究工作还未做完、研究结果还不深入，就匆忙写论文，更不能采用捏造数据、重复使用图片等学术不端手段，制造无价值的论文。
最后，对有意从事研究的理工科生来说，发表足够数量的高质量论文，对走好今后的学术研究之路非常重要。比如，大多数理工科博士至少应发表5篇SCI期刊论文，博士学位论文才能内容丰富、成果突出，在找博士后岗位或到高校工作、申请国家基金等时，才有一定优势。理工科专业如自动化、计算机、人工智能等的硕士生如果能发表SCI期刊或顶会论文，对找到好工作也十分有利。
1.4.2 专利
论文公开发表后，其他人可使用。比如，利用论文的方法或技术研发新产品、新技术时，并不需要通过论文作者首肯，也不需要付费使用。专利则不同，一旦一项创造发明向国家审批机关如中国国家知识产权局提出专利申请，经依法审查合格后，专利申请人则被授予了在规定的时间内对此项创造发明的专有权，其他企业或个人使用专利的技术进行产品生产、研发时，须征得专利权人（即拥有专利权的人）同意，且支付一定费用，才能合法使用相应的专利技术。
1）专利基本概念
专利权具有独占的排他性，未经专利权人许可，任何人不能使用专利技术生产、销售、许诺销售相关产品。正是专利权的独占排他、专利技术需经过专利权人许可等原因，容易导致专利壁垒。专利壁垒指发达国家（如美国）、大企业（如苹果公司）利用其自身拥有的大量相关专利，对进入本国市场的外国产品或者对大企业造成威胁的其他企业产品以侵犯专利权为由，进行起诉并收取高昂的专利费，从而让产品无法进入本国或市场。美国对华为的打压就是专利壁垒的鲜活实例。
专利是无形资产，专利权可转让，从而让专利权人享受收益，也可以通过合作开发，采用技术入股方式获得收益。不过，一个国家授予的专利权只在这个国家内有效，对其他国家的企业或个人无约束力。
专利有3种类型：
发明专利
实用新型专利
外观设计专利
发明指对产品、方法或其改进所提出的新技术方案。发明专利并不要求它是通过实践证明可以直接应用于工业生产的技术成果，它可以是一项解决技术问题的方案或一种构思，具备在工业上应用的可能性，包括产品发明专利（如药品配方专利）、方法发明专利（如一种重质纯碱的生产方法）。发明专利有效的期限为20年，申请周期为2～3年。
实用新型指对产品的形状、构造或结合所提出的适于实用的新技术方案。授予实用新型专利不需通过实质审查，手续较为简单，费用较低。有关日用品、机械、电器等方面的有形产品的小发明，相对比较适于申请实用新型专利。实用新型有效的期限为10年，申请周期为6～8个月。
外观设计专利，顾名思义，是关于产品的形状、色彩、图案等方面的新设计。
1999年“闪存盘之父”邓国顺和成晓华共同研究了世界上第一款闪存盘，取名优盘。两人及两人所在的深圳朗科公司申请了多项发明专利。图1.7给出了朗科公司的镇宅之宝 “99专利”，该专利申请日为1999年11月14日，有效期20年，从申请日开始算起。但应专利权人的请求，国家知识产权局会就发明专利在授权过程中的不合理延迟给予专利权期限补偿，一旦有效期过了，专利将失效，变成无效专利，其他人可自由使用无效专利的技术。
专利也是理工科生可以为之努力的成果，尤其是专业学位的硕士生和博士生，以应用研究、技术研究和技术开发为主，有必要获得一定数量的发明专利。有的高校明确规定，专业学位研究生获得专利和软件著作权等成果的学生人数占比要达到50%。
  
图1.7 U盘专利
2）专利申请
根据《中华人民共和国专利法》第二十六条，申请发明或者实用新型专利的，应当提交请求书、说明书及其摘要和权利要求书等文件。
请求书应当写明发明或者实用新型的名称，发明人的姓名，申请人姓名或者名称、地址，以及其他事项。发明的名称应当简短、准确地表明发明的技术主题。发明名称中不应含有非技术词语，如人名、公司名称、商标、代号、型号等，也不应有含糊不清的词语，如“及其他”“及其类似装置”等。此外，不能使用笼统的词语，如仅用“方法”“化合物”等词作为发明的名称。发明人应当是对发明创造的实质性特点作出创造性贡献的人。发明人应当是个人，不应当是单位或者集体。发明人的姓名应当用真名。申请人可以是个人，也可以是单位。如果是委托专利代理机构办理的，应当填写专利代理机构的全称。专利代理人应当使用真实姓名，同时填写专利代理人在专利局登记的编码。
说明书是申请人对申请专利的发明或者实用新型所作的书面说明，是专利申请的最基本的文件，是一项发明创造申请专利的基础。对发明或者实用新型作出清楚、完整的说明，是说明书的基本要求。所谓“清楚”，指主题明确、用词准确。主题明确，即说明书应当写明发明或者实用新型的目的，为达到该目的所采用的技术方案以及该技术方案所能达到的技术效果。用词准确，要求说明书应当使用技术用语，准确表达主题，用词不能含糊不清，所使用的法定计量单位应当符合规范。所谓“完整”，是指说明书不得缺少专利法实施细则第二十条所规定的内容，如专利的名称与请求书中的名称一致，这些内容是理解、再现发明或者实用新型所必不可少的内容。缺少其中任何一部分内容，都是不完整的说明书。
摘要应当简要说明发明或者实用新型的技术要点。说明书摘要是发明或者实用新型说明书的内容提要。它仅仅用来检索发明或实用新型的内容，不具有任何法律效力，不属于原始公开的内容，不能作为以后修改说明书和权利要求书的根据，也不能用来解释专利权的保护范围。技术要点主要包括发明或者实用新型的技术领域、需要解决的技术问题、主要技术特征和用途。在必要的时候，摘要还应当附上一幅最能说明发明或者实用新型的附图。摘要应当简要。
权利要求书是关于申请人要求专利保护范围的文件。权利要求书应当以说明书为依据，清楚、简要地限定要求专利保护的范围。权利要求书中可以包括一项或多项权利要求。权利要求的类型按保护对象区分，可以分为产品权利要求和方法权利要求；按撰写方式区分，可以分为独立权利要求和从属权利要求。
产品权利要求保护的对象包括物质、物品、设备、机器、系统等，通常应当用产品的结构特征来描述；方法权利要求保护的对象包括制造方法、使用方法、已知产品的新用途、将产品用于特定用途的方法等，通常应当用工艺过程、操作条件、步骤流程等技术特征来描述。发明专利的权利要求书可以包含产品权利要求，也可以包含方法权利要求，比如，如图1.7所示的U盘专利就包含两种权利要求；但实用新型专利的权利要求书只能包含产品权利要求，不能包含方法权利要求。
权利要求书应以说明书为依据，权利要求应当得到说明书的支持，即权利要求从形式到内容都应与说明书所反映的内容一致，权利要求书中的用语在说明书中应有所反映，权利要求书中记载的技术特征在说明书中有记载，且实质内容应当一致，不能超出说明书的范围。
由于权利要求书是专利申请文件的核心，具有直接的法律效力，在被授予专利之后，是判断专利侵权的依据，也是提出专利权撤销和专利权无效宣告的依据，因此，认真撰写权利要求书中的专利保护范围，对于申请人来讲，显得尤为重要。申请人应将发明或实用新型的全部技术特征完整地记载在权利要求书中，不能过宽，也不能过窄。
整个审批过程包括受理、初步审查、实质审查（仅发明）、授权及获得专利证书5个环节。国家知识产权局网站给出了如图1.8所示的专利审批过程。
得到授权的发明专利会遭到侵权人的非法使用，使得专利权人蒙受损失、丧失技术优势，加上侵权人的侵权事实举证困难，有必要加强对技术发明人的专利保护，比如，不能一个发明申请一个专利，应该一个发明申请一组专利：发明专利、实用新型、外观设计、配送、设备、工艺，像布“地雷阵”那样，让侵权人无从下手，从而保护核心技术。

 图1.8 专利审批过程
高校老师和理工科生申请专利时的一些做法不太合适，尤其是将专利申请文件当作论文来写。比如，非常重视摘要。学术论文的摘要的确非常重要，但专利说明书的摘要并不是法律性文本，不会对专利的保护范围产生实质性影响，而且摘要有300字的字数限制。写摘要时，只需将专利名称、技术领域、技术问题、主要技术特征和效果等写清楚即可。此外，同样的内容，应先写专利，等专利获批后再去发表论文，至少保证论文发表时，专利已通过审查。由于发明专利需要2～3年的申请审查期，而大多数论文在2～3年内会被录用或发表，若为了毕业或升职而先发表论文后写专利，在专利审查时论文已公开发表，专利就不会得到授权。
1.5 如何做出有价值的科研成果 
科研成果的价值包括理论价值、应用价值、技术价值等。比如，美国物理学家理查德·费曼由带有康奈尔大学校徽的盘子的旋转启发而发现了量子电动力学，即带电粒子相互作用的量子理论，它是“物理学的瑰宝”，是全新的理论成果，其理论价值显而易见。美国密歇根大学已故教授约翰·霍兰德（John Holland）提出了遗传算法这一适合于大规模复杂优化的问题的全新算法，该算法采用区别于传统优化方法如梯度下降法的全新理论，广泛应用于理工科各个领域的优化、控制、决策、规划、调度等，在社会科学领域也有成功的应用，具有极高的应用价值。而互联网技术、华为公司的5G技术彻底改变了人类的通信、生活、生产，影响了全世界各个行业，导致其他行业不得不主动拥抱这些技术。
有的科研成果最开始是理论成果，后来具备应用的可能，最后真正落地，成为生活和生产某个领域的技术。比如，模糊数学是理论性的，模糊控制有了应用的可能和基础，在洗衣机和汽车等产品的制造过程中，模糊控制技术得到广泛应用。
有价值的科研成果，一定具有较高的创新性，甚至是首次做出的研究成果。科学史上那些如雷贯耳的科学家都因做出原创性科研成果而名留青史。比如，爱因斯坦的广义相对论、薛定谔的量子力学、杨振宁的宇称不守恒定律等。理工科生年龄多为20～30岁，正是精力正旺盛、创造力正强的时期，完全有可能像DNA双螺旋结构提出者詹姆斯·沃森、爱因斯坦和日本诺贝尔奖获得者田中耕一那样，在二十多岁的年纪，创造出具有高创造性的科研成果。在我国，理工科生，尤其是有意在科研方面做出成绩的理工科生应该激发自己的创新热情、扎实掌握创新方法与技巧、培育敢于冒险和挑战的勇气和能力、做有难度且有价值的研究，不能为了毕业选择一些容易完成的、热门的科学问题或技术问题。
有价值的科研成果要“顶天立地”。“顶天”指要做国际前沿的研究，甚至原创性研究，实现从0到1的突破，或者攻克核心关键技术，在某一研究领域拥有国际话语权；而“立地”指要解决国家的科学和技术问题，满足国家的需求，为国家、企业和个人做出实实在在的贡献。很多科研大咖的科研成果既“顶天”也“立地”，既在科学和技术方面的国际学术舞台占有一席之地，又能实实在在解决企业和人民的生产和生活中的难题。比如，中国工程院院士宋宝安既在农药学领域有突破性研究，又自主研发了十余种环境友好型农药新产品。武汉理工大学教授、中国工程院院士姜德生面对国外公司对光栅核心器件的漫天要价，带领团队经过三年技术攻关做出了工艺更先进的同类产品，让我国彻底不惧国外公司的技术要挟。
虽然理工科生对“顶天立地”这样宏大的要求并没有太多清晰的认知，而且从事什么研究也多半由导师说了算。但是，理工科生仍然可在“顶天立地”方面有所作为。首先，源浚者流长，根深者叶茂。理工科生应积极拓宽视野，增长见识，打下坚实学术根基，铸就一流学术品位，未来应对各种变化才有学养底气。其次，无论是做科学探索，还是进行技术研究，理工科生应立足最前沿，瞄准世界一流，以高标准严要求激励自己，同时坚持实事求是、理论联系实际的准则，将国家战略、社会需求与自己的研究紧密联系起来，解决重大实际问题，把论文写在祖国大地上。最后，要做到不受纷扰诱惑、不被挫折打倒，有咬定青山不放松、千磨万击还坚劲的刚性和韧性。科学研究总是与失败同行，研究成果价值越高，经历的失败往往越多，理工科生只有经受住打击，千锤百炼，方能打磨出具有更高价值的科研成果。
除了以上三点，还要耐得住寂寞，有勇气坐几年甚至几十年的冷板凳，只为解决日思夜想而不得的科研难题。2013年，时年58岁的华裔数学家张益唐在孪生素数猜想这一数论重大难题上取得重要突破，从而一鸣惊人、名扬天下。这位数学家在成名之前，由于专注于孪生素数猜想的研究，曾生活无着落，后来当了十余年的大学讲师，一共发表论文3篇，但他始终坚持做别人没有做、不敢做的研究，持之以恒地做了十几年。继2013年的重大突破后，2022年张益唐又在与黎曼猜想相关的另一重大难题的研究上取得重大突破。田中耕一的经历更奇特，他因为偶然的发现而获得诺贝尔奖，为此，他深感不安，用15年时间创造出了配得上诺贝尔奖的成果：能提前30年，从几滴血中检测出阿尔茨海默病的征兆。
有价值的科研成果往往是全新的理论、更有优势的方法、更加先进的技术。做出有价值的科研成果，没有捷径可走，只能花费足够多的时间，耗费无数脑细胞，靠想象力、信心和恒心支撑，本着“舍得一身剐、敢把难题破解了”的决心，方能实现自己的科研梦。华侨大学博士生林克斌在Nature发表论文，实现该校Nature论文零的突破。作为一位普通高校的博士生，林克斌历经两年的反复实验，研究进展缓慢，但他坚持不放弃，最终取得了重大突破。
1.6 别让学术不端毁掉学术生涯 
学术不端行为是科技界的毒瘤，主要包括：
剽窃
伪造
篡改
不当署名
一稿多投
重复发表
其中，剽窃指采用不正当手段，窃取他人观点、数据、图像、研究方法、文字表达等并以自己名义发表的行为。伪造指编造或虚构数据、事实的行为。篡改为故意修改数据和事实使其失去真实性的行为。不当署名是指论文作者的署名、排名不符合其对论文的实际贡献，或者虚假标注论文作者信息。一稿多投是将一篇论文或者只有微小差别的多篇论文投到两个及以上的期刊。在未说明的情况下，重复发表已经发表的文献，属重复发表行为。
1.6.1 剽窃
根据《学术出版规范——期刊学术不端行为界定（ CY/ T 174—2019）》，剽窃包括：
观点剽窃
数据剽窃
图片和音视频剽窃
研究（实验）方法剽窃
文字表述剽窃
整体剽窃
他人未发表成果剽窃
前5种剽窃都指不加引注或说明就使用他人的观点、数据、图片和音视频、研究（实验）方法、文字表述，并以自己的名义发表。整体剽窃指直接使用他人已发表的大部分或所有内容，或在他人论文基础上增加部分内容后以自己的名义发表，而他人未发表成果剽窃指未经许可使用他人未发表的观点、具有独创性的研究（实验）方法、数据、图片等，或获得许可但却不加引注，或者不以致谢等形式加以说明。
2023年，江西农业大学2010级思想政治教育专业硕士研究生翟某一篇10年前的毕业论文被翻出来，该论文的标题、框架、摘要，甚至连致谢都跟原作一模一样，其抄袭程度之高、抄袭范围之大令人咋舌。经查实，该论文存在“剽窃他人作品和学术成果”的作假行为，江西农业大学决定撤销翟某硕士学位，注销其硕士学位证书。
更让人咋舌的论文剽窃是北京大学化学与化工学院某个研究生干的。这名研究生利用他高超的黑客技术从同门师妹的电脑里盗取论文，然后，未经过武汉大学化学院的3名研究生的许可，自行决定让武汉大学的3名研究生当了“作者”，论文居然被European Journal of Inorganic Chemistry录用并发表。这名北京大学研究生的目的很简单，就是想让与之有矛盾的师妹的这篇论文作废，结果是自己遭到学校的严厉处罚，师妹的论文正常发表。
有些审稿人的惯常做法是，将其评审的论文拒稿后，对论文稍加修改，投稿发表，并未经同意使用他人署名。多名高校教师将其偷来的论文列入其国家自然科学基金项目结题报告中，最后不端行为曝光。由于涉及抄袭、未经同意使用他人署名、提供虚假信息，被取消申请国家自然科学基金资格5年。其中未经同意使用他人署名属不当署名。
1.6.2 伪造
伪造行为具体包括：
编造不以实际调查或实验取得的数据、图片等
伪造无法通过重复实验而再次取得的样品等
编造不符合实际或无法重复验证的研究方法、结论等
编造能为论文提供支撑的资料、注释、参考文献
编造论文中相关研究的资助来源
编造审稿人信息、审稿意见
因编造审稿人信息和审稿意见等原因，大量论文被期刊撤回。2017年，施普林格·自然出版集团发表声明，撤销《肿瘤生物学》（Tumor Biology）期刊所刊登的于2012—2016年发表的107篇论文。此次被撤稿论文的作者全部来自中国，撤稿原因为论文作者编造审稿人和同行评审意见。经过调查发现，存在第三方机构帮助这些论文作者造假。第三方机构投稿时推荐的评审人，有些姓名、职务和工作单位是真的，而联系所用的邮箱全由第三方机构注册。
伪造行为玩出了新花样：伪造并不存在的国外作者，甚至是通讯作者。比如，知名学术打假网站撤稿观察（Retraction Watch）发现，三篇发表在不同期刊的论文都有一个共同的不存在的通讯作者，这三篇论文的第一作者为中国作者，通讯作者为丹麦罗斯基勒大学数学研究所的Beatriz Ychussie，可该单位查无此人。2023年江南大学某离职教师虚构了一个作者——新加坡南洋理工大学的Toshiyuki Bangi。
由于修图工具和软件在科研中的广泛应用，图片造假行为层出不穷，其中生物医学领域是图片造假的重灾区，甚至弄出了图片诚信问题。国内外研究者，上到诺贝尔奖获得者，下到普通研究生，无一幸免。2019年诺贝尔生理学或医学奖获得者格列格·赛门扎因为图片/数据复制、图片拼接等问题，被《美国国家科学院院刊》撤稿论文4篇。斯坦福大学前校长、阿尔茨海默病研究专家马克·泰西尔–拉维尼因篡改论文数据和图片重复使用等学术不端指控被迫提前从校长岗位上下来。
1.6.3 不当署名
不当署名的具体表现形式包括：
将对论文所涉及的研究有实质性贡献的人排除在作者名单外
未对论文所涉及的研究有实质性贡献的人在论文中署名
未经他人同意擅自将其列入作者名单
作者排序与其对论文的实际贡献不符
提供虚假的作者职称、单位、学历、研究经历等信息
不当署名也时常发生，比如，一位学者在一年内以主要作者或者通讯作者身份发表几十篇甚至上百篇论文，应该有理由怀疑他是否对这些论文有与署名相应的足够贡献。署名还涉及科研激励和奖励，大多数高校的奖励和激励机制只认第一单位、第一作者和通讯作者，其他合作者的贡献往往被忽略，应通过推行合作作者贡献声明，对合作作者的贡献进行准确且详细的描述，比如概念建构、数据分析、撰写初稿、修改定稿等。
1.6.4 篡改
篡改的表现形式包括：
使用经过擅自修改、挑选、删减、增加的原始调查记录、实验数据等，使原始调查记录、实验数据等的本意发生改变
拼接不同图片从而构造不真实的图片
从图片整体中去除一部分或添加一些虚构的部分，使对图片的解释发生改变
增强、模糊、移动图片的特定部分，使对图片的解释发生改变
改变所引用文献的本意，使其对己有利
学术不端者往往同时采取篡改和伪造的方式搞论文。约阿希姆·博尔特（Joachim Boldt）是享誉全球的重症监护专家，却创造了医学界的造假记录。超过90篇羟乙基淀粉的临床研究完全是闭门造车的产物。到2023年6月20日，Joachim Boldt被撤稿的论文已超过185篇，撤稿数量超过日本学者Yoshitaka Fujii（撤稿数量183篇）之后，全球撤稿数量排第一位。有期刊专门刊登了一篇有关Boldt的文章，题目为“Boldt: the great pretender”即“Boldt：大造假者”。据推动调查Joachim Boldt学术不端事件的贾斯图斯·利比希大学医学院2018年报告，Joachim Boldt在1982年至1996年于该校工作期间，从他帮助指导的几位学生那里搜集数据，在学生们不知情的情况下发布了篡改后的结果。
1.6.5 一稿多投
一稿多投也是学术不端的重灾区，一稿多投具有如下几种形式：
将同一篇论文同时投给多个期刊
在首次投稿的约定回复期内，将论文再次投给其他期刊
在未接到期刊确认撤稿的正式通知前，将论文投给其他期刊
将只有微小差别的多篇论文，同时投给多个期刊
在收到首次投稿期刊回复之前或在约定期内，对论文进行稍微修改后，投给其他期刊
在不做任何说明的情况下，将自己（或自己作为作者之一）已经发表的论文，原封不动或做些微修改后再次投稿。
上述一稿多投最后一种形式与另一种学术不端，即重复发表类似。重复发表指在未说明的情况下重复发表自己或自己作为作者之一的已发表文献中内容的行为。2011年河南某大学副教授3年发了273篇论文。据调查，从2006年至2011年，该副教授署名的论文一共有300余篇，同一篇论文在不同期刊发表的现象至少出现了18次。
学术诚信是科研的基石，是科研工作者包括理工科生的必备操守，一旦某个研究领域的学术不端行为持续爆发，甚至领域顶级专家都是大造假者，将让同领域研究者和大众严重怀疑该领域新的研究成果。比如，荷兰著名社会心理学家斯塔佩尔数据造假，他的那些著名的心理发现都是假的，共有58篇论文被撤回，此人居然还大大方方出书讲述自己造假的心路历程，赚到不菲的稿酬，其无耻行径令人咋舌。
对于涉嫌学术不端行为的高校学生，经调查核实，学术不端行为成立，根据《高等学校预防与处理学术不端行为办法》《普通高等学校学生管理规定》，以及高校自己的规定，可对学生实施如下处罚：
记过处分。学校可以根据学术不端行为的严重程度，对有关人员给予记过处分
撤销学位。对于极其严重的学术不端行为，学校可以依照有关规定，撤销其获得的学位
取消学籍。学校可以依照有关规定，对发生学术不端行为的学生，取消其学籍
行政处罚。学校可以依照有关规定，对发生学术不端行为的学生，予以行政处罚，包括罚款、警告等
理工科生应远离学术不端行为，不能有任何侥幸心理，应充分认识到，学术不端只是让你暂时过关，甚至都无法暂时过关，而学术不诚信的大帽子将永远扣在你的头上，成为终身都洗刷不掉的耻辱，学术生涯也自然终结。因此，学术诚信是红线、底线、高压线，每个理工科生都应牢记于心。唯有对学术诚信“情比金坚”，理工科生沿着理工科的科研路径才能走得远。