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按部就班的科学研究方法 精选

已有 11381 次阅读 2008-10-18 18:56 |个人分类:接力棒|系统分类:观点评述| 理论, 预测, 科学研究方法, 假说, 定律

张星元:按部就班的科学研究方法
 
一、开头语
        科学研究方法是用来解决难题的程序,或者说是用来逐步理解某些自然现象的程序,包括用来检验难题的可能答案的程序。
        科学研究方法是获得关于大自然信息(知识)的这样一类方法:首先提出可能解决问题的方案,然后通过严格的试验确定这些解决方案是否有效(有意义、令人信服、可靠、满意、得到公众认可)。
        科学研究方法的使用,以如下假定为前提,因此属于理想状态下进行的方法,或称按部就班的(经典的)科学研究方法。
① 在自然界观察到的事件都有其发生的原因;
② 事件发生的原因是可以找到的;
③ 自然界发生的事件可以用一般规律或模式来描述;
④ 重复发生的事件可能有同样的原因;
⑤ 一个人能做到的实验结果别人也能重复;
⑥ 基本的自然规律的应用与事件发生的地点、时间无关。
例如:闪电打雷事件。我们大家都观察到闪电必有雷声伴随,根据以上假定,应该有一种解释可以说明所有的闪电打雷事件,不论它们发生在何时何地,并且所有的人对这种事件都可以得到同样的观察结果。我们从科学的观察和试验知道,闪电起因于云块之间的电荷差,闪电同样遵循静电试验观察到的一般规律;并且,已经测试过的所有的闪电,不论是何时何地发生的,都是由同样的原因引起的。
要区分仅仅是,是相关(一起发生)的情况,还是相关而且表现因果关系的情况。如果一个事件的发生是前一个事件的直接结果,这两个事件之间就存在因果关系。许多事件是相关的,但并不是所有的相关都表现因果关系。例如,闪电和雷声相关而且具有因果关系。然而,要确定秋季和树木落叶之间的关系就比较困难。因为秋天带来了低温,许多人就以为低温是树叶变色和下落的原因。事实上,这两个事件只是相关,并不存在因果关系。树木发生变化的原因是秋天日照时间的缩短。在温室里进行的试验显示,人为地缩短日长(光照时间),将引起树木落叶,尽管温度并没有变化。知道了因果关系的存在,就有可能预言,如果存在同样的一套环境条件,将会有什么的事件发生。
科学方法需要系统地搜索和研究信息,并且持续不断地核对、再核对,看早先的假说是否仍然得到新信息的支持。如果不能从新信息得到的新证据的支持,就应该抛弃或改变早先的假说。科学的假说要经受不断的重新评价,批评和修正。
 
二、经典的科学研究方法
经典的科学研究方法是在前文所述的理想状态下进行科学研究的方法,它涉及几个可以识别的重要组成部分:
①观察
②设问(提出问题)
③多方求索
④假说的构建
⑤对假说的检验
⑥优化假说
⑦理论和定律的导出
⑧进一步的交流……
然而,科学研究方法并不是一成不变的。下面将分段阐述。
仔细的观察
科学的质询常常始于对于重复发生的事件的观察。观察就是用我们的感觉(看、听、闻、辨味、触摸)或感觉的延伸(显微镜、望远镜、摄像机、录音机、X-光、温度计等等)来纪录事件。观察要比不经意的感知更深入一些。
 你可能听到一种声音或者看到一个物象,然而并没有真正地进行观察。你听到超市播放音乐吗?你当然听到了,但是如果你不知道播放的是什么乐曲,那么你并没有进行观察。如果你留心去观察所播放的音乐,你就能识别它。我们谈到观察,指的是对事件的小心的、动脑筋的认辨,并不仅仅是不经意的注意到。我们要自我训练以改进观察技能,因为在科学方法的每一部分,仔细的观察都是重要的。
 通过对事件的直接观察获得的信息叫做经验的证据,经验的证据能够被进一步的观察证实或推翻。如果事件只发生一次,或者说不能够人为地重复,那么就不可能用科学的方法获得关于这个事件的进一步的信息,就不可能对这个事件做出科学的解释。
正确的设问
        得到更多关于某事件经验的证据后,应该就该事件开始酝酿并准备提出问题。如,该事件是怎样发生的?该事件是由什么引发的?该事件什么时候再次发生?能控制该事件使它对我们有利吗?
        问题的形成并不如想象那么简单,因为提出问题的方式将决定你怎样去回答它们。问题太大太复杂不可能做出回答;因此,要在以正确的方式提出问题上狠下功夫。在某些情况下,这可能是科学方法中最消耗时间的部分;正确的设问对于你期望的答案是关键的。
        打个比方,你观察到的猫捕捉老鼠、咬死老鼠和吃老鼠的现象,就可能以几种不同的方式设问(用如下两套问题设问,希望得到相似的信息,即为什么会发生猫捉老鼠的现象):
        A1是不是猫喜欢吃鲜活的老鼠肉?(实验范围宽而不定)
        B1如果要在鲜活的老鼠肉和罐头猫食之间作选择,猫会挑选哪一种?(易实验)
        A2是什么因素刺激猫去捉老鼠?(实验范围宽而不定)
        B2猫只有在感到饥饿的时候才去捉老鼠吗?(易实验)
        显然,通过实验回答B1和B2比A1和A2容易得多。B1和B2的实验给出结果:之所以会发生猫捕捉老鼠、咬死老鼠和吃老鼠的现象,是因为猫喜欢吃鲜活的老鼠肉,特别是当它(它们)饥饿的时候。
多方质询求索
一旦已对设问(提出什么问题)做出决定,就开始搜索其他的知识来源,以获得更多信息。也许这个问题已被其他人回答,或者几种可能的回答已经被否定。知道其他人已经做了些什么,可以节约时间和精力。
这个过程(多方求索)通常包括上网搜索信息,阅读适当的科学文献,或者与对同样的研究领域感兴趣的朋友们的联系。即使对这个问题没有现成的答案,科学文献和其他同行专家、研究伙伴们也能够提供一些有利于解决问题看法和意见。
经过以上的求索后,就要做出是否继续探索下去的决定。如果我们仍然对这个问题感兴趣,就可以正式构建一个假说(质询的过程将在一个新的水平上继续下去)。
假说的构建
        假说是一种这样的陈述,它对问题提供一种可能的回答,或者对能够进行实验的观察做出的解释。
        一个好的假说必须是: 符合逻辑的,② 能对当今可以搜集到的所有有关信息做出解释的,  根据此假说可以预测(与所问的可以试验的问题有关的)未来事件。
        此外,如果有几个假说可供选择,应该采用假定条件最少的、最简单的假说。假说的形成需要进行文字的推敲和理性的深化。如果假说不能够对设定条件下观察到的所有事实做出解释,就会令人生疑,并且可能最终怀疑你的工作的有效性。如果假说不是可检验的或者没有得到试验结果的支持,那么由这样的假说所做出的解释是不可靠的,不过是推想或臆测而已。
        假说是建立在观察和其他知识源泉的基础上的,并且可以预言在一定的条件下某一事件将怎样发生。我们要通过检验假说的预测能力,审查该假说是否不正确。
假说的检验
 假说的检验可采用几种方式:
 ①可以仅仅是从已经存在的各种各样的信息源搜集有关的信息。
 例如,如果你访问一个墓地,从阅读墓碑观察到,异常多的不同年龄的人在同一年去世。你可能会假说那年曾发生传染病或者天灾人祸,造成许多人的死亡。查阅当时的新闻报可能是检验这个假说的一种好的方式。
 ②可以单单通过进一步的观察来检验假说。
 例如,如果你假说一种鸟,它们利用树的空穴来建巢,你就去观察几个属于这个种的鸟,并且纪录它们建巢的地方和巢的种类。
 ③通常用于检验假说的方法是设计一个实验。
 实验是指对事件或存在的再创造(recreation)。通过对实验的分析,确定坚持、修正或抛弃假说。
        进行实验会遇到困难,因为一个具体的事件可能包含大量的独立事件(叫做变量)。例如鸟鸣的发生,就可能涉及鸟的神经系统和肌肉系统的许多活动,可能因为鸟受到多种环境因子的刺激。要弄清涉及鸟鸣的诸多因素似乎是不可能完成的任务。为了排除繁杂的因素,一般要进行对照试验(a controlled experiment)的手段。
        对照试验要求我们构建一种只有一个变量的条件试验。而且这个变量可以操纵或改变。一个典型的对照试验分两个(或多个)组进行,只有一个组对指定的变量不按特定的方式操作,另外的一个(或多个)组则按特定的方式操作。对指定变量没有操纵的试验组叫做对照组,另外的一个(或多个)组叫做实验组。
 涉及鸟鸣发生的情况可被分解成许多简单的问题。诸如,公鸟、母鸟都会鸣叫吗?鸟儿一年四季都会鸣叫吗?鸟儿的鸣叫声在任何情况下的都是一样的吗?是不是有的鸟儿比其他的鸟儿叫得更多?鸟儿在什么情况下开始鸣叫,在什么情况下停止鸣叫?每一个问题都将为假说的构建提供能被实验检验的基础;每一个试验将为鸟鸣产生的全过程的某一部分提供信息。例如,为了检验“睾丸产生的雄性激素参与刺激公鸟鸣叫”的假说,就可以这样进行实验:把用于实验的公鸟分成两组,其中一组鸟除去睾丸,为实验组;另一组鸟保留睾丸(正常发育),为对照组。 实验中,由我们操纵的 “有或没有睾丸” 这个变量,叫做自变量。公鸟的鸣叫行为叫做应变量,因为如果性激素是重要的,观察到的鸣叫行为的变化将取决于公鸟究竟有还是没有睾丸(对应的自变量)。在实验中,只能有一个自变量,并且期望应变量作为自变量操纵的直接结果而发生变化。实验以后,对获得的数据(事实)进行分析。如果这两个组的鸟在鸣叫方面没有什么差别,我们就能推断自变量(睾丸)与应变量(鸣叫)之间没有明显的因果关系。然而,如果存在差别,自变量的变化很可能是对照组和实验组间发生差别的原因,在这个实验条件下,睾丸的除去确实改变了鸟儿鸣叫的行为。果真如此吗?我们往往不轻易接受单个的实验结果,因为它可能存在一个或多个与实验无关的随机的事件影响了实验结果,使人们误认为有一种因果关系存在。例如,去除睾丸的手术可能引起某些鸟生病或不舒服,鸣叫也就少了。克服这个困难的一种方法是,给所有的参加实验的鸟施行同样的外科手术,但只有一半鸟除去睾丸,而另一半作为对照的鸟仍保留睾丸。只有当变量数为1时,同样的实验能多次重复,而且实验结果始终如一;实验结果才被认可。此外,我们常常对实验结果应用统计检验,以便公平地判定实验结果,看它们是有效的(有意义的、与其他知识相吻合的)、可靠的(重复地给出同样的结果的)和显示因果关系的,还是随机事件的结果。
        还有一个检验重大假说的方法是通过检验从假说做出的预测来检验假说。假说的预测 (the predictions of a hypothesis) 要经受进一步的观察和实验的检验,从预测的结果可以检验假说是否正确。在探索真理的过程中,这一步是关键性的一步。
    往往可以设计一些实验来证明某假说是错误的,从另一个方向来分析假说的正确程度。通常不可能证明假说正确,因为从某些可供选择的假说,可能做出同样的预测,并且其中某个假说还没有考虑到的可能性也经常存在。例如,你已经有了一个关于太阳绕地球转的假说,根据这个假说可以预测早晨太阳将从地球的一侧(如,东方地平线)升起,傍晚太阳将从地球的另一侧(如,西方地平线)消失。这个预测是正确的,但是这个假说是不正确的。一个可供选择的假说,即地球绕太阳转的假说同样可以做出这个推测,是正确的假说。
        正因为如此,如果发现预测是正确的,只能说明做出这个预测的假说受到支持,但是并不能证明它是正确的。相反,如果发现预测不正确,假说就不可能是正确的。
        通常,通过对可供替代的假说(alternative hypotheses)的证伪(disproving),借助于逐个排除的方法来逼近假说的真实性。假说只有经受所有的证伪(falsification)的考验而依然没有被推翻,才能被接纳为相对正确。
        ㈥
假说的优化
        在适当的时候新的信息和观点应该公开,即自愿提交自己的观点,以接受他人的审查。如果产生新的疑问,必须针对疑问做进一步的实验来消除疑问。在实验过程中,仍必须了解新的信息,并且提出能导致进一步实验的新问题。一个好的问题,能引出上百个新的问题和实验。华生(Watson)和克里克(Crick)对 DNA 分子结构的发现导致成千上万实验,并且推动了整个分子生物学领域的发展。同样,人类基因组测序的成功已经导致成千上万新的实验和研究。科学始终容许对已提出的观点(假说)的怀疑,容许新观点取代原有的观点,新的观点应该能够更加全面地描述某一定的场合发生的事件。这种吐故纳新的情况的出现,也许是因为你还没有想到的另一个假说能对发生的事件做出更完善的解释,或者因为你没有进行适当的观察而不能觉察你原来的假说是错误的或片面的。如果假说是不正确的,就必须把它否定掉,并构建新的假说。然而,你若不能证明假说不成立,这或许会增强你对该假说的信心,但并没有证明该假说在任何时候任何场合都是正确的。
        如果设问和实验的过程继续下去,并且原来的假说和其他密切有关的假说连续不断地始终如一地得到证据的支持,我们将开始考虑怎样把这些假说和事实组合成一个广泛适用的模式。完成这一步,理论就形成了。
        ㈦
理论和定律的导出
        理论是一种能被广泛接受的、似乎真实的(相对真理)、能解释事件为什么发生的基本科学观念的概括和总结。
       
生物学理论的一个例子是疾病的生源说(the germ theory of disease)。这个理论指出,某些疾病是由能够从一个个体传递到另一个个体的活的微生物引起的,这样的疾病叫做传染病。当这些微生物在人体内繁殖时,它们的数目上升,引发疾病。 正如你所知,这是一个非常完全的陈述,这个陈述是多年观察、设问、实验和资料分析的结果。这个疾病的生源说(理论)为传染病的性质和对它们的控制方法提供了一个明朗的概观。因为我们也确信,这理论的关于某种疾病为什么能从一个人传染给另一个人的解释;所以我们可以采取极端的保护措施,如采取消毒饮用水,外科手术时维持环境的无菌状态等措施来防止微生物对人的感染,以防止免疫系统减弱的人遭受感染。
        理论(theory)是已经过实验证实的、可以用来解释有关事实、偶然事件或自然现象的原则,是根据客观存在的普遍原理对事物做出解释的思想体系。理论是一种被广泛地接受的观念,理论为我们怎样看世界和怎样建立新的假说指出正确的方向。
        某种理论的存在并不意味着对它的检验的停止,我们继续不断地获得新的信息,可能会发现对这种理论来说是例外的信息,甚至偶尔会有能证明该理论不正确的信息。
        定律(law of nature)描述“自然界发生什么”的始终如一的、恒定的大自然运行的实际情况,是对于某种情况下经常发生的事件的真实的陈述,或者说,是指给定条件与对应的现象之间的不可变动的顺序,也就是自然规律。
        生物发生律( biogenetic law )就是生物学定律的一个例子,该定律指出所有生物(living thing)来自先前存在的生物。
        定律描述事件发生什么(规律),而理论解释事件为什么发生(原因),定律和理论在某种意义上相似,它们都要经受反复的检验,并且都被认为能够预报大自然怎样运行。
        在整理大自然运行方式的过程中,我们借助于概括(generalization)来组织信息。然而,概括必须得到事实的支持。概括与事实之间的关系如同一条双向道。通常观察完成了,假说检验了,导致一般结论、原理或理论的模式也就形成了。这种从分析许多组特定的事实出发而导出一般原理的过程,叫做归纳(induction )或归纳推理(inductive reasoning)。 例如,人们考察了成千上万种鸟,观察到所有这些种类的鸟都生蛋。根据这些观察,他们可能导出生蛋是鸟的一个基本特征的原理(principle),然而并没有(不可能,也没有必要)观察每一种鸟。 
        定律、原理或理论一旦建立,就能用来预测自然界更多的观察结果。一般原理用来预测某种情况下的特定事实的过程叫做演绎(deduction )或演绎推理(deductive reasoning )。 例如,鸟生蛋的一般原理建立起来以后,就可以演绎出新发现的某一种鸟也能够生蛋。
        在科学的程序中,归纳和演绎都是重要的思考程序,都可以用来增强我们对大自然和世界的理解。
        ㈧
坦诚的交流
        科学方法把交流放在十分重要的中心位置上。因为大多数科学规律是在对同一类难题感兴趣的其他人的批评的眼光下的、公开的情况下导出的。交流过程的一个重要的部分包括在科学杂志上发表反映研究、思考和意见的文章。交流还可能发生在科学发现的过程的任何环节。
        对于异常的观察结果,有人可能会提出问题。他们可能发表不完全的初步的实验结果。他们可能会发表概括大量材料的报告。而且,他们常常会对你的观点发表关于它并不会得到当前资料支持的强烈的保留意见。这就为其他科学家批评、建议或赞同提供机会。我们出席(学术)讨论会与同行直接对话,也可以以诸如电话、电子邮件、互联网等非正式的方式相互影响。其结果是大多数的科学规律,在它被发现、讨论和修改的过程中,都已接受许多头脑的审查。
 
三、结尾

        最后,对文中有关的概念进行规范。
       
假说(hypothesis)指的是对某一类事物提供的可能的解释,未经实验证实,或没有完全地经过实验证实,但可作为推理的基础,实验的指南,或作为从已知事实作进一步研究的出发点;并且有些假说在未来的时间很可能上升为理论或定律。
        理论(theory)是已经过实验证实的、可以用来解释有关事实、偶然事件或自然现象的原则,是根据客观存在的普遍原理对事物做出解释的思想体系。理论是一种受到广泛地接受的观念,理论为我们怎样看世界和怎样建立新的假说指出正确的方向。
        定律(law of nature)描述“自然界发生什么”的始终如一的、恒定的大自然运行的实际情况,是对于某种情况下经常发生的事件的真实的陈述,或者说,是指给定条件与对应的现象之间的不可变动的顺序,也就是自然规律。
推理(reasoning)是指由一个或几个已知判断(前提)推出未知判断(结论)思维形式。推理是客观事物的联系通过人的实践在意识中的反映。由推理得到的知识是间接的、推出的知识。正确推理基本条件是前提真实,推理方法正确。推理有演绎推理、归纳推理、类比推理等不同形式。
        预测 (predications )一般以条件陈述句的形式出现,定律、原理或理论一旦建立,就能作为推理的前提,通过演绎推理来预测自然界更多的观察结果。如果这些定律、原理或理论是正确的,预测必定是正确的,因为预测的结果是通过演绎逻辑推出的结果,不包含任何创造和臆测。因此,从预测的结果可以检验假说是否不正确,或者是否得到实践的支持。
   


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