在科学活动处于经验阶段的时候，一般观点认为科学认识开始于经验观察。这个被一般大众所接受的认识，在科学史和思想史上最着名的代表是哲学家培根，现代着名科学家和经验主义哲学家马赫也有相同观点。但是当代科学哲学研究表明，科学认识并不是所谓通过不断观察，积累大量事实后进行归纳，最终得到一个普遍性的认识。波普尔认为：“我们可以尝试性地说，科学以理论，以偏见、迷信和神话开始。或者更确切地说，它始于一个神话受到挑战并崩溃之时——即我们的一些期待落空之时。但是，这意味着科学以问题开始，以实践问题或理论问题开始。”“我们不是从观察开始而总是从问题开始：从实践的问题，或者从遇到的问题的理论开始——也就是说，唤起某些期待并使之落空的理论”。在他看来，为了进行观察，我们心中必须有一个我们通过观察也许能解决的明确的问题，否则观察是不可能实行的，观察总是为了解决某个问题而被执行的。
波普尔还进一步认为，“我们试图据以发现我们的理论的弱点的批评，导致了新的问题。我们可以依据我们最初的问题和这些新问题间的距离测量取得的进步。”科学实际上就是从问题到问题的进步。随着这种进步，问题的深度也在不断地增加。“在科学水平上，试探性地采用一个新猜想或新理论可能会解决一两个问题。但是它总要引发许多新的问题，因为一种新的革命性理论的作用正如一种新的、有效力的感觉器官。如果这个进步是有意义的，那么新问题的深度就根本不同于旧问题。”
库恩的范式理论与科学问题也存在着本质关联，他“所谓的范式通常是指那些公认的科学成就，它们在一段时间里为实践共同体提供典型的问题和解答”。“范式的存在决定了什么样的问题有待解决；范式理论往往直接地隐含在能够解决问题的仪器设计之中。”
二、科学问题的类型与功能
1）科学问题的类型
从不同角度可以对科学问题作出不同划分。从问题的研究对象分析，一般可以分为：是什么（what）问题，即判断或者识别研究对象的问题；为什么（why）问题，即解释某种现象存在的原因或某种行为的目的，解释研究对象的性质或过程的机制的问题，往往形成科学假说；怎么样（how）问题，即描述研究对象的状态或者发生发展的过程，以及针对研究对象而设计的观察实验程式等问题。
美国科学哲学家库恩将科学分为常规和非常规科学时期或叫科学革命时期，相应地，科学问题也被分为常规问题和非常规问题。常规问题是在公认的科学理论框架下和范式内提出的问题，其特点是同范式理论的基本概念和原理没有根本性矛盾，只要通过分析问题本身的结构并结合现有理论来思考，就可以平稳解决。这类问题的解决可以有效地扩展我们对现有理论适用范围的掌握，进一步巩固现有理论在特定领域的客观性。非常规问题的出现往往意味着科学革命时期的到来，其特点是同旧有理论的基本概念和基本原理存在本质对立和冲突。这类问题如想得到解决，必须改变或改革旧有理论体系，甚至导致旧有理论体系被抛弃。
美国科学哲学家劳丹将科学问题分为经验问题和概念问题两类。所谓经验问题是研究者对自然事物感到好奇并企图给予解释所形成的问题。
经验问题又可分为三类：一是尚未解决的问题，即没有得到任何科学理论解释的问题；二是已经解决的问题，即在相关范围内的所有理论都认为解决了的问题；三是反常问题，即没有被某个特定的理论解决，但是被与这个特定理论相互竞争的某个或某些理论解决的问题。反常理论往往对特定理论产生重大影响，所以常常是科学家最关注的问题。概念问题则是非经验问题，来自理论本身。分为内部概念问题和外部概念问题。
前者指理论内部逻辑导致的问题，后者是指同一领域内不同理论之间的矛盾，或不同领域的理论之间的矛盾。
2）科学问题的功能
通常理解科学问题的结构，一般包括问题指向、求解目标和应答域三个部分。问题指向即科学问题的针对性，也就是科学问题指向的某个科学体系或具体实践中的问题。求解目标是科学问题需要解决的具体目标。应答域是科学问题所确定的答案域限。
科学问题在科学认识的功能上，具有重大价值。从问题的内部功能分析，主要有定向、定域、运筹等作用，从问题的外部功能分析，主要有推进和评价作用。
①定向作用。科学问题能够大致规定并指出解决问题的方向和途径、问题解决后应该和可能达到的目标和结果，并预言了某些新的可能性空间。劳丹认为，科学是“一种解决问题和以问题为定向的活动”。罗洛·梅指出：“人所面对的问题，往往有一种我们尚未充分领悟的奇特性质，这就是它们能够预言未来。一个时代面临的问题，是那些可能解决而尚未解决的事物存在的危机。然而无论我们选择解决这个词时是如何慎重，倘若某些新的可能性并不存在，那也就根本不存在什么危机，而只有完全的绝望。事实上，我们精神上的困惑正表现出我们无意识的欲望。问题的产生，只能是当我们面对我们的世界，发现它不适合我们或我们不适合于它；发现某种东西挫伤我们，冲撞我们的时候。”
②定域作用。某个科学问题一旦产生，不但立即规定了科学认识活动的方向，而且立即规定了问题答案的大致范围。在科学问题的哲学研究中，一般将这个答案范围表示为“应答域”。“应答域”只是一种大致的猜测，问题的最终答案在不在预想的范围内，需要实际结果来检验。
虽然如此，“应答域”对解决问题的定向和指南作用却是相当关键的。例如“腹泻是由什么细菌引起的”这个问题，它就规定了相关科学认识活动的方向与目标是“引起腹泻的原因是什么”，同时也规定了“应答域”是在细菌中找出原因。从这个问题就不能把腹泻的过程作为研究目标，自然也不能把病毒作为原因范围。
根据大小不同，可以将科学问题的应答域分为三类，一是应答域限制在某个具体对象上。具有这种应答域的科学问题实际上就是假定限定的对象就是问题的答案，剩余的工作就是通过观察实验或者理论推演，判断这个答案是否正确。另一类应答域没有严格限制，可以在任何领域中寻找答案。这类应答域无限制的科学问题对于研究活动指导性最差，但仍然广泛存在，如“人得天花的原因是什么”这类问题，在没有现代医学知识的背景下，应答域完全是无限的。在这两类之间的是答案在一个具体领域中的应答域，它是科学问题中最常见的。有专家将以上三种答案范围分别称为特域、全域和类域。
③运筹作用。科学问题可以促使认识者将解决科学问题所需的主观条件和客观条件组织起来，相互作用，综合运筹，找出解决问题的途径与方法。客观条件包括已有的理论体系、经验事实、途径方法、仪器工具等。主观条件包括认识者的知识背景、思维能力、兴趣爱好、情感意志等。
④推进作用。在常规科学时期，新问题的产生和发现在已有科学理论中得到解决，表明科学理论得到进一步的确证，确证度增加。在科学革命时期，新问题的产生和发现在已有科学理论中不能得到解决，预示着必须提出新理论来解释。因此，科学进步实际上就是由科学问题推进的，科学问题要求科学家作出解释，科学在解决问题的过程中获得进化。
⑤评价作用。科学问题是衡量科学理论的尺度。波普尔认为：“一个理论所产生的新问题的质量、丰富性和深度是衡量它的内在科学意义的最好尺度。”科学的进展“可以通过把我们的旧问题与我们的新问题相比较得到最好的测定。如果取得的进步是伟大的，那么，新的问题就具有以前梦想不到的性质。会有更深刻的问题，会有更多更深刻的问题。
我们的知识越是取得进步，我们就越能够清楚地看出我们无知的巨大”。
三、科学问题的发现
问题发现对科学认识和科学发展具有重大价值。爱因斯坦指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看待旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正革命。”爱因斯坦发现惯性质量等于引力质量中的问题，导致他创立了广义相对论。德国着名数学家希尔伯特则认为，只要一门科学分支能提出大量的问题，它就充满着生命力；如果缺乏问题，则预示着其独立发展的衰亡或终止。1900年希尔伯特在第一届世界数学家大会上提出了23个数学问题，深刻影响了20世纪数学研究的方向。
发现问题的条件有主观和客观之分，主观条件主要包括研究人员雄厚的知识基础、强烈的好奇心、敏锐的思维、多样的方法以及卓越的想象能力、直觉能力和创新能力。客观条件主要是各种产生科学问题的矛盾领域。
（1）经验事实之间的关联
经验事实之间有着无限的关联性，既有无数相同的关联，也有无数不同的关联。这就产生了疑问，为什么某些事物和这个事物直接关联，另一些事物不和这个事物有直接的关联？例如化学元素周期律的发现。
在化学元素发现的早期，虽然有许多元素陆续被发现，但是都是孤立地和个别性地发现，研究也是相互孤立的。到了1829年，科学家们发现的元素已经超过了50种，并且仍然保持增长趋势，不少科学家开始思考这些元素之间有无关联性。当时研究化学元素规律的主要成果有英国奥德林的“原子量和元素符号表”，英国纽兰兹的“八音律”以及德国迈耶尔的“六元素表”。1869年，发现的化学元素已经多达63种。同年，俄国化学家门捷列夫和德国化学家迈耶尔分别独立地发现了元素周期表。两位化学家的周期表都以原子量递增的顺序为规律排列元素，并且留下空位给尚未发现的元素。元素周期律可以预言未知的元素及其性质，是寻找事物之间关联性的典型的经验规律。
（2）经验事实与理论体系之间的矛盾
这包括两种情况，一是已有理论知识不能解释新的现象和事实，二是理论预测的现象与实际观测到的现象不吻合。比如海王星的发现。原先按照牛顿力学体系推算出来的天王星的轨道，同天王星实际测量出的轨道不吻合，这个情况甚至导致人们对牛顿理论的怀疑。科学家勒维烈提出了一个假说，后来伽勒发现了海王星，从而解决了这个问题。20世纪初，人们发现在β衰变中，电子所带能量比原子核释放出的能量少，这使人们对能量守恒定律产生了怀疑，后来泡利提出中微子假说并得到验证，解决这个危机。这类问题还有很多，如光的干涉和衍射与光波动说、光电效应和黑体辐射与经典物理理论的矛盾、电子的发现与原子不可分之间的矛盾等。
（3）理论内部的逻辑矛盾
这包括从理论内部推论出明显错误的结论，或者在理论内部发现了两个同时成立却相互矛盾的命题。这类矛盾在科学史上也屡见不鲜，不少矛盾还引起了科学理论的重大进步，比如逻辑体系和数学体系中出现的芝诺悖论、无穷小悖论、罗素悖论、康托尔悖论等。微积分刚刚发明时，无穷小概念不完善，其中的导数、微分和积分概念也比较含糊。这遭到了着名哲学家贝克莱的讽刺，贝克莱研究后揭示了其中的悖论，后来的许多优秀数学家，包括拉格朗日、拉普拉斯等不断地解决贝克莱的悖论，完善微积分，最终导致了极限论和集合论的产生。而集合论悖论产生的问题则引起了所谓第三次数学危机，对数理逻辑、语言学、哲学等学科都产生了巨大影响。
自然科学体系中出现的自由落体佯谬、麦克斯韦佯谬、薛定锷猫佯谬、光度佯谬、引力佯谬、量子领域的EPR佯谬、奥尔伯斯佯谬等，都是理论内部矛盾的表现。自由落体佯谬是广为大家了解的亚里士多德落体问题。亚里士多德提出一个观点：一个较重的物体A与一个较轻的物体B同时从高处下落，物体A下落的速度将比物体B下落的速度快，也即物体下落的速度与物体的重量成正比关系。针对以上观点，伽利略提出，按照亚里士多德的原理，如果将物体A和物体B捆在一起并使之从高处落下，那么在下落速度问题上将会产生悖论。首先，捆在一起的两个物体A和B一定比A重，因此，捆在一起的A和B的下落速度一定比单独一个物体A的下落速度快。其次，物体A下落较快，物体B下落较慢，因此，当两个物体捆在一起下落时，物体A的速度会被物体B的速度抵消一部分，因此，两者捆在一起的下落速度应该比物体A的速度要小。根据亚里士多德的理论推论出的两种结论正相反对，形成悖论。这就导致了一个关于自由落体速度的科学问题的产生。