科学研究和科学方法(课前讲座).ppt

科学研究和科学方法科学研究和科学方法 发酵原理课前讲座 *1张星元：发酵原理(讲座) 科学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（包括用来检 验难题的可能答案的自然现象 ）的程序。 Date2张星元：发酵原理(讲座) 科学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）。 Date3张星元：发酵原理(讲座) 科学方法的使用，以如下假定为前提 ： 在自然界观察到的事件都有其发生 的原因； 事件的原因是可以找到的； 自然界发生的事件可以用一般规律 或模式来描述； Date4张星元：发酵原理(讲座) 1. 重复发生的事件可能有同样的 原因； 一个人能做到的实验结果，别 人也能重复； 基本的自然规律的应用与事件 发生的地点、时间无关。 Date5张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date6张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date7张星元：发酵原理(讲座) 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，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。 Date8张星元：发酵原理(讲座) 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 的观点是否仍然得到新信息 的支持。如果不能得到新的 证据的支持，就应该抛弃或 改变早先的观点，科学的观 点要经受不断的重新评价， 批评和修正。 Date9张星元：发酵原理(讲座) 科学方法涉及几个重要的、可以 识别的组成部分：包括小心的观察 ；假说的构建和检验；新信息和 观点的公开，即自愿提交自己的观点 ，以接受他人的审查。 然而，科学方法并不是一成不变 的。下图显示科学方法的步骤，用来 说明科学研究怎样完成从最初的问题 到理论和定律的导出。 Date10张星元：发酵原理(讲座) 观察设问提出 假说 检验 假说 修改 假说 导出新 的科学 理论或 者定律 与当今理 论或定律 相符 交流 Date11张星元：发酵原理(讲座) 观察 设问（提出问题） 多方求索 假说的构建 对假说的检验 理论和定律的导出 交流 小结 Date12张星元：发酵原理(讲座) 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。 *13张星元：发酵原理(讲座) 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 商业街播放音乐吗？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，小心的观察都是重要的。 Date14张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date15张星元：发酵原理(讲座) 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? *16张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date17张星元：发酵原理(讲座) 打个比方，你观察到的猫捕捉、 咬死和吃老鼠的现象，就可能以几种 不同的方式设问（这两套问题希望得 到相似的信息，即为什么会发生猫捉 老鼠的现象 ）： Date18张星元：发酵原理(讲座) 1a是不是猫喜欢吃鲜活的老鼠肉？（实 验范围宽而不定） 1b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） 2a是什么因素刺激猫去捉老鼠？（实验 范围宽而不定） 2b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1b和2b比1a和2a 容易得多， Date19张星元：发酵原理(讲座) 多方求索 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。 *20张星元：发酵原理(讲座) 这个过程（多方追求探索）通常包 括阅读适当的科学文献，上网搜索信息 ，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或研 究伙伴们也能够提供一些有利于解决问 题看法和意见。 Date21张星元：发酵原理(讲座) 经过适当的文献探索后，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，就可以构 建一个正式的假说，质询的过程将在 一个新的水平上继续下去。 Date22张星元：发酵原理(讲座) 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解释。 *23张星元：发酵原理(讲座) 一个好的假说必须是： 符合 逻辑的； 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。 Date24张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date25张星元：发酵原理(讲座) 假说是建立在观察和 其他知识源泉的基础上的 ， 并且可以预言在特定的 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 是否正确。 Date26张星元：发酵原理(讲座) 如果假说是不正确的，就把它否定掉， 并必须构建新的假说。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。科学始终容许对某些观点的 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特定的场合发 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。 Date27张星元：发酵原理(讲座) 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；并且在未 来的时间很可能上升为理 论或定律。 Date28张星元：发酵原理(讲座) 对假说的检验 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，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。 *29张星元：发酵原理(讲座) 2. 可以单单通过进一步的观察来检 验假说。例如，如果你假说一种鸟利 用树的空穴建巢，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。 Date30张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date31张星元：发酵原理(讲座) 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。为了排除这些繁 杂的因素，科学家们利用叫做对照试 验（a controlled experiment）的手段 。 Date32张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date33张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date34张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date35张星元：发酵原理(讲座) 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有或 没有睾丸（对应的自变量）。 Date36张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date37张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date38张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date39张星元：发酵原理(讲座) 克服这个困难的一种方法是，给 所有的参加实验的鸟进行同样的外科 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。 Date40张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date41张星元：发酵原理(讲座) 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必将导致 成千上万新的实验和研究。 Date42张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date43张星元：发酵原理(讲座) 科学家往往设计一些能证明假说错 误的实验，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。 Date44张星元：发酵原理(讲座) 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（ 如，西方地平线 ）一侧消失 。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。 Date45张星元：发酵原理(讲座) 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，但并不能证明它是正确的。与此 成对照的是，如果发现预测是不正确的 ，假说就不可能是正确的。 Date46张星元：发酵原理(讲座) 通过对可供替代的假说（alternative hypotheses）的证伪（disproving），借助 于消除的过程来逼近假说的真实性。一个 假说只有经受所有的证伪（falsification） 的考验依然没有被推翻，才被接纳为相对 的正确。 Date47张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date48张星元：发酵原理(讲座) 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。 *49张星元：发酵原理(讲座) 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，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。 Date50张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date51张星元：发酵原理(讲座) 因为我们也确信，这理论关于某 种疾病为什么能从一个人散布到另一 个人的解释；所以我们采取极端的保 护措施，如处理饮用水，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，保护免疫系统减弱 的人免受感染。 Date52张星元：发酵原理(讲座) 理论（theory）是已经实验证实 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。理论是一种广泛的接受的观念 ，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。 Date53张星元：发酵原理(讲座) 一种理论的存在并不意味着检验 的停止，我们继续不断地获得新的信 息，可能会发现对理论来说是例外的 信息，甚至偶尔会有能证明理论不正 确的信息。 Date54张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date55张星元：发酵原理(讲座) 定律描述发生什么事件，而理论 解释事件为什么发生，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。 Date56张星元：发酵原理(讲座) 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 从分析许多组特殊的事实出发导出一般原 理的过程，叫做归纳（induction）或归纳 推理（inductive reasoning）。 Date57张星元：发酵原理(讲座) 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 ），而并没有（不可能，也没有必要 ）观察每一种鸟。 Date58张星元：发酵原理(讲座) 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 ） 。 Date59张星元：发酵原理(讲座) 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。 Date60张星元：发酵原理(讲座) 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。 *61张星元：发酵原理(讲座) 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，他们常常发表并不会得到当 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。 Date62张星元：发酵原理(讲座) 其结果是大多数的科学 ，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。 Date63张星元：发酵原理(讲座) 小结 假说（hypo