【研究方法】1. 科学实践：对研究方法的介绍

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10月前

内容提纲

科学实践简史
科学方法不止一种
科学研究方法
研究方法的应用：探究平流层臭氧消耗
真实的科学实践

你知道么？

尽管人们谈论“科学方法”，但进行研究的方法并不只有一种。公元前5000年到现在的各类案例表明，科学实践并不是一条简单的循序渐进的道路。相反，真正的科学方法难预测得多，且有趣得多。

关键概念

科学实践涉及许多可能的途径。将科学方法经典地描述为线性或循环过程，并不能充分捕捉实践的动态而严格的本质。
科学家使用多种研究方法来收集数据并提出假设。这些方法包括实验、描述、比较、建模。
科学研究方法是互补的。当多种独立得到的证据相互支持时，假说会得到加强，人们对所得结论的信心得到提高。

有些人想到科学时，他们会想到需要记住的公式和事实。我们中许多人在科学课上的学习，可能是通过记住DNA中四种核苷酸的名称（腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶）或通过练习牛顿运动定律之一（比如f = ma，力等于质量乘以加速度）。

虽然这些知识是科学的重要组成部分，但它并不是科学的全部。科学除了包含公式和事实的知识体系，还是一种实践，我们通过这种实践寻求可以科学地解决的问题的答案。这种做法统称为科学研究，虽然不同学科的科学家用于进行研究的技术可能有所不同，但基本原则和目标是相似的。无论是生物学、化学、地质学、物理学，还是其他科学领域，通过这些学科建立的知识体系都基于数据收集，然后根据其他研究结果进行分析和解读。腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶是怎么为我们所知的？它们并不是偶然发现的，它们的发现是来自许多科学家收集数据、评估结果并整理出一个综合理论来解释他们的观察结果。

科学实践简史

据记载，正式的科学研究源自古希腊、波斯、阿拉伯、印度、中国、欧洲文化中许多人工作的集结，而不是来自单个人或单件事。希腊数学家毕达哥拉斯被认为是第一个提出科学假说的人。公元前5世纪，他根据对天空中恒星运动的描述性研究，提出地球是圆的。印度数学家和天文学家阿里亚巴塔 (Aryabhata) 在公元 6 世纪利用有关夜空中物体运动的描述性记录，提出太阳是太阳系的中心。九世纪，中国炼金术士在尝试从其他物质中提取黄金的同时发明了火药。中东科学家 Alhazen 因在公元1000年左右研究与视觉和光相关的特性时设计了科学实验的概念而受到赞誉。

这些事件表明，解决自然世界问题的科学方法早已存在于许多文化中。然而，许多历史学家认为现代科学研究方法的根源在于16、17世纪欧洲发生的科学革命。大多数历史学家将科学革命的开始视为1543年波兰天文学家尼古拉斯·哥白尼 (Nicolaus Copernicus) 出版的《论天体运行》(De Revolutionibus Orbium Coelestium)。哥白尼对行星相对于地球的运动的仔细观察和描述使他提出观点：太阳是太阳系的中心，行星水星、金星、地球、火星、木星、土星沿着逐渐变大的轨道围绕太阳旋转（图 1）。尽管哥白尼不是第一个提出太阳系日心说的人，但他系统收集的数据提供了严格的论据，挑战了人们普遍认为的地球是宇宙中心的观点。

图1：《De Revolutionibus》的封面和内页，其中是哥白尼关于行星绕太阳公转的假说（来自第二版，巴塞尔，1566 年）。

随后，伽利略·伽利雷、约翰内斯·开普勒、艾萨克·牛顿（图 2）等人的工作推动了科学革命，他们不仅挑战了传统的地心宇宙观，而且明确拒绝了亚里士多德普及的关于自然科学旧哲学方法。拒绝这一哲学方法的关键事件是弗朗西斯·培根于1620年出版《新工具：关于自然解释的新方向》（Novum Organum: New Directions Concerning the Interpretation of Nature）。培根不是一位科学家，而是一位哲学家和散文家。《新工具》是一部关于自然解释的新方向的著作，培根提出了一种归纳推理方法，他认为这种方法优于亚里士多德的哲学方法。培根的方法涉及观察、假说、实验的循环，独立验证的必要性。培根的著作倡导了一种客观、逻辑和实证的方法，为科学研究方法论的发展提供了基础。

图2：艾萨克·牛顿爵士

英国物理学家和数学家艾萨克·牛顿于1686 年出版了《自然哲学的数学原理》（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica），进一步完善了培根的科学推理方法。《原理》确立了四个规则，这些规则已成为基本的现代科学方法。简而言之，牛顿的规则提出，对自然现象最简单的解释往往是最好的，这不同于他那个时代常见的做法：从信仰体系、神秘学和对自然事件的观察中得出复杂的解释。《原理》坚持认为，当合理的解释已经存在时，不应使用新数据的特殊解释，并特别批评了许多牛顿同时代人用奇异的新解释来修饰其发现的重要性的倾向。

培根和牛顿为现代科学家和研究人员建立研究自然现象的严格方法论奠定了基础。特别是，英国统计学家 Karl Pearson 和 Ronald Fisher 通过开发用于数据分析和研究设计的统计技术，极大地完善了 20 世纪的科学研究（请参阅“科学中的统计”模块）。科学实践随着新工具和技术的出现以及我们对自然世界的了解不断增长，今天还在继续发展。科学实践通常被错误地描述为回答科学问题的简单的四步法或五步法，称为“科学方法”。事实上，科学家很少在研究中遵循如此简单的路径。相反，科学研究包括许多可能的路径，但并非所有路径都会得出明确的答案。真正的科学方法，或者说科学实践，更加动态且有趣。

【考考自己】想要正确地开展科学研究，简单遵照五步法的科学方法，会带来确定的答案。

a.真的

b.假的

科学方法不止一种

一般对科学方法的描述（图3）呈现出科学研究遵循线性路径，从问题出发，经过观察、形成假说、实验，最后产生结果和结论。然而，科学研究并不总是线性的。例如，十九世纪中期之前，一个流行的科学假说认为，某些食物中存在的固有生命力（life-force）可以自发产生蛆和微生物。路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）对这一假说表示怀疑，他进行了一系列实验，最终反驳了自发发生理论（请参阅“科学研究中的实验”模块）。巴斯德的工作很难用图3来描述——虽然它确实涉及实验，但他在实验之前并没有提出假说，而是带着反驳现有假说的动力。或者考虑一下葛洛夫·吉尔伯特（Grove Karl Gilbert）的工作，他在十九世纪末对犹他州的亨利山脉进行了研究（请参阅“科学研究中的描述”模块）。吉尔伯特并不是被紧迫的科学问题吸引到该地区，而是美国政府派他去那里探索该地区。此外，吉尔伯特没有在亨利山脉进行任何一次实验；他的工作完全基于观察和描述，但没有人会质疑吉尔伯特正在实践科学。图3中呈现了传统且简单化的科学方法，但没有开始反映科学研究的丰富性或多样性，更不用说科学家本身的多样性了。

图3：对科学方法的经典认识，在描述科学实践的表述中具有误导性。

科学研究方法

科学研究是一种稳健且动态的实践，研究现象可以采用多种方法，包括实验、描述、比较、建模。在这里一一描述这些方法，并在后续模块中更详细地描述，许多方法可以重叠或组合使用。例如，NASA科学家2005年让一艘名为Deep Impact的370公斤重的航天器去撞击一颗路过的彗星。该研究既有描述性研究的某些方面，也有实验研究的某些方面（请参阅“科学研究中的实验”模块）。许多科学研究主要采用一种方法，但不同的方法可能会结合在一项研究中，或者一项研究可能具有多种方法的特征。选择使用哪种研究方法是个人的，取决于进行研究的科学家的经验以及他们寻求解决的问题的性质。尽管这些研究方法存在重叠且相互关联，但我们现在逐一讨论，能更好地了解每种方法的主要特征以及它们用于研究问题的方式。

实验：当至少一个变量可以被控制或操纵时，实验方法用于研究两个或多个变量之间的关系。然后可以在另一个或多个变量上测量该操作（通常称为处理）所产生的效果。法国科学家路易斯·巴斯德的工作就是一个典型的例子。巴斯德将汤汁放入一系列烧瓶中，一些烧瓶暴露在大气中，另一些烧杯密封。然后，他测量了烧瓶类型对汤中微生物外观的影响，以研究这些微生物的来源（参见“科学研究中的实验”模块）。

描述：描述用于收集有关自然现象和自然关系的数据，包括对行为的观察和测量。描述性研究的一个经典例子，是哥白尼对天空中行星运动的观察和草图，以确定地球或太阳是否是这些物体的轨道中心（请参阅“科学研究中的描述”模块）。

比较：比较用于通过观察因选择或环境而接受不同治疗的不同群体来确定和量化两个或多个变量之间的关系。比较研究的例子是二十世纪50年代发起的研究，旨在调查吸烟与肺癌之间的关系，其中科学家将自愿吸烟的个体与不吸烟的个体进行比较，并将吸烟的决定（对照组）与肺癌等各种健康做关联（请参阅“科学研究中的比较”模块）。

建模：物理建模和基于计算机建模，都是为了模仿自然系统而构建的，然后用于进行实验或进行观察。天气预报就是我们每天看到的科学建模，其中收集的温度、风速、风向数据与已知的大气环流物理学相结合，来预测风暴和其他天气模式的路径（请参阅“科学研究中的建模”模块）。

这些方法是相互关联的，并且经常结合使用以充分理解复杂的现象。建模和实验是简化系统以理解因果关系和未来事件的方法。然而，两者都依赖可以通过描述研究或其他实验提供的现有系统的假说和知识。描述和比较用于理解现有系统，并用于检查实验和建模结果在现实系统中的应用。描述性和比较研究的结果通常用于确认建模和实验所确定的因果关系。由于所研究问题的范围或性质，有些问题适合采用一种或另一种方法，但大多数科学研究领域用到所有这些方法，相互补充，以澄清特定的假说、理论、观点。

【考考自己】实验、描述、比较、建模等科学研究方法____。

a.相互关联，通常结合起来使用。

b.单独使用更有效。

实践研究方法：平流层臭氧消耗调查

通过从多种产生多种证据的方法收集数据，科学理论得到澄清和加强。以用于调查所谓“臭氧空洞”的各种研究方法为例。

早期的描述研究和比较研究指出了问题：1957年，英国南极调查局 (BAS) 开始对平流层臭氧水平进行描述性研究，以更好地了解臭氧在吸收太阳能方面的作用（MacDowall & Sutcliffe，1960）。在接下来的20年里，BAS记录了臭氧水平并观察了臭氧水平的季节性变化，他们将其归因于自然波动。然而，在二十世纪70年代中期，BAS开始注意到臭氧水平急剧下降，并将其与南极洲的季节变化联系起来。此后不到十年，他们注意到南极上空开始出现季节性“臭氧洞”（图4）（Farman 等，1985）。

图4：2000年南极臭氧空洞的照片，这是有记录以来最大的空洞之一。臭氧水平以多布森（以纪念最早研究大气臭氧的科学家之一多布森）为单位，这是一种专门针对平流层臭氧研究的测量方法。

新技术的发展开辟了新的研究路径：与早期的BAS研究同时，英国科学家詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）致力于开发用于检测大气中痕量气体和蒸汽浓度的新技术（Lovelock，1960）。洛夫洛克发明的仪器是一种灵敏的电子捕获探测器，可以量化大气中氟氯化碳 (CFC) 的含量。当时，氟氯化碳被广泛用作制冷剂和气雾罐中的推进剂，人们认为它们在大气中是稳定的，因此无害。1970年，洛夫洛克开始对大气中的氟氯化碳进行观测研究，发现这些化学物质确实非常稳定，可以通过盛行风将其从主要城市空气污染源带到很远的地方。洛夫洛克认为氟氯化碳具有化学惰性，因此提出这些化学品可以用作大型气团运动的良性大气示踪剂（Lovelock，1971）。

建模和实验研究用于绘制因果关系：1972年，加州大学欧文分校的化学家罗兰（F. Sherwood Rowland）参加了关于乐弗洛克工作的讲座。罗兰对氟氯化碳产生了兴趣，并开始与欧文市的同事马里奥·莫利纳 (Mario Molina) 一起研究该主题。莫利纳和罗兰熟悉科罗拉多州国家大气研究中心研究员保罗·克鲁岑（Paul Crutzen）的建模研究，该研究此前表明氮氧化物参与平流层的化学反应，并可以影响高层大气臭氧水平（Crutzen，1970）。他们还熟悉加州大学伯克利分校大气化学家哈罗德 · 约翰斯通（ Harold Johnston）的建模研究，该研究表明超音速喷气机排放的氮氧化物可以降低平流层臭氧水平（Johnston，1971）。他俩思考这些研究，并参考了两位英国化学家迈克·克莱因（Michael Clyne）和罗纳德·沃克（Ronald Walker）发表的有关几种含氯化合物反应速率的实验研究（Clyne & Walker，1973）。1974年，莫利纳和罗兰在《自然》杂志上发表了一项具有里程碑意义的研究。该研究中，他们模拟化学动力学，表明氟氯化碳并非完全惰性，它们可以被运输到高海拔地区，在那里它们会在强烈的阳光下分解并释放出氯自由基（Molina & Rowland，1974）。莫利纳和罗兰的模型预测，氯自由基具有反应性，会导致平流层中大量臭氧遭到破坏。

描述研究和比较研究提供了现实世界的证实：1976年，科罗拉多州博尔德国家大气研究中心的艾伦·拉兹鲁斯 (Allan Lazrus) 领导的一组科学家使用气球携带仪器高空采集高空空气样本。在这些样品中，他们能够检测到对流层上方存在CFC，从而证实CFC确实到达平流层，并且一旦到达平流层，它们就会在光下分解（Lazrus等，1976）。二十世纪80年代使用气球和高大气层飞机进行的进一步研究证实，氯和氯氧化物自由基导致了南极上空的臭氧损耗（McElroy等，1986）。到了二十世纪80年代末，科学家开始研究臭氧损失与皮肤癌之间可能存在的联系，因为臭氧空洞下存在的高强度紫外线会导致皮肤癌。在智利南部等地区，南极臭氧空洞与人口稠密的陆地重叠，确实发现不断扩大的臭氧空洞与不断增加的皮肤癌发病率之间存在显着相关性（Abarca & Casiccia，2002）。

由于收集了多样化但互补的科学证据，国际社会开始限制CFC的使用，并于1988年批准了《蒙特利尔议定书》，该议定书对CFC的使用实行了严格的国际限制。1995年，莫利纳、罗兰、克鲁岑分享了诺贝尔化学奖，奖励他们增进人类对臭氧化学的理解。

臭氧的故事强调了一个重要的观点：科学研究是多维的、非线性的，并且常常会开辟意想不到的道路。詹姆斯·洛夫洛克无意为臭氧层消耗的故事做出贡献；他的工作旨在量化大气中的氟氯化碳水平。因此尽管事后看来，对臭氧空洞的了解可能看起来是线性发展的，但当时的情况并非如此。虽然每个研究人员或研究团队都建立在以前的工作基础上，但将他们的研究之间的关系描述为一张网而非一条线更为准确。莫利纳和罗兰建立臭氧损耗模型是基于洛夫洛克的工作，洛夫洛克的工作也被开发改进电子捕获探测器的研究人员广泛引用。莫利纳和罗兰不仅使用了洛夫洛克的研究成果，还借鉴了克鲁岑、约翰斯顿、克莱恩、沃克等许多人的研究成果。任何一项研究进展随后都会在多个不同的方向上进行，这些方向相互补充和加强——这是科学中的常见现象。要建立一个关于臭氧在大气中的作用、我们人类如何影响它以及我们如何受到它的影响的连贯理论，整个关于臭氧的故事需要建模、实验、比较、描述。

【考考自己】臭氧研究的故事说明，实际上的科学研究是

a.一步接一步的线性过程。

b.相关研究织成的一张网。

真实的科学实践

科学研究方法是实践的一部分，通过它可以科学地解决问题。这些方法都会产生可供分析和解释的数据，并产生诸如假说、理论、定律等科学观点。科学观点通过文献发展和传播，个人和团体可以就结果的解释和意义进行辩论。最终，随着多方面的证据增加了一个观点的分量，它成为科学中存在的知识体系的一个组成部分，并反馈到研究过程中。图5是为解释科学实践而开发的概述，关键要素如下所述。

图5：科学实践的示意图，详细说明了科学实践的过程——多种研究方法受到许多因素的影响，该过程反馈产生新的观点和研究。

科学共同体：科学家（参见“科学家与科学共同体”模块）在决定他们所追求的问题类型和所采用的研究方法时，利用他们的背景、经验甚至偏见，他们的努力得到了以下机构的支持：科学机构及其工作所在的团体（请参阅“科学机构和科学圈”模块）。科学家也是人，不可能完全客观，但科学研究的一个重要方面是科学家对任何潜在结果持开放态度。科学强调使用多方面的证据来检查科学家个人和整个社会的客观性。研究被重复，用多种方法来研究同一现象，且科学家在发表其工作时报告这些方法及其解释。确保数据和解释的客观性已成为科学文化的一部分。这些共同的做法把致力于推进科学发展的个人和机构联合起来，组成科学共同体。罗兰、莫利纳、洛夫洛克、克鲁岑都是受到个人兴趣的驱动，并得到各自机构的支持。例如，詹姆斯·洛夫洛克除了在CFC方面的工作，还提出了盖亚假说，即地球上所有生物和非生物都像一个大型的单一有机体一样相互作用。这种观点影响了他研究全球大气团运动的兴趣，这项工作得到了美国国家航空航天局 (NASA) 的资助。

数据：科学是一种理解我们周围世界的方式，它建立在收集和分析数据的原则之上（请参阅“数据分析和解读”模块）。相比之下，在科学普及之前，基于推理而不是数据对自然现象的哲学解释很常见，这导致了许多未经证实的想法，其中许多已被证明是不正确的。例如，除了提出关于视觉的观点，希腊哲学家恩培多克勒（Empedocles）还推断，由于大多数动物摸起来都是温暖的，因此它们体内一定含有火（参见“物态”模块）。相比之下，平流层臭氧层存在空洞的初步结论是基于英国南极调查局科学家多年收集的数据。与这些数据相关的不确定性和误差量（参见“不确定性、误差、置信度”模块）对于记录也至关重要——多布森单位中的一个小误差就会使漏洞看起来消失。BAS的科学家利用统计方法（请参阅"科学统计"模块）和数据可视化技术（请参阅"在科学中运用图表与可视化数据"模块）来分析数据，并利用自己的经验和知识来解释这些数据，并证明：这个“空洞”不仅仅是臭氧水平的季节性、自然变化。

科学观点：科学研究有助于形成科学知识体系，并记录在科学文献中（请参阅“利用科学文献”模块），以便未来的科学家可以从过去的工作中学习。文献不仅仅记录了科学家收集的所有数据：它还包括科学家对这些数据的解释。为了表达他们的观点，科学家提出假说来解释观察结果。例如，在观察、收集和解释数据后，洛夫洛克提出假说，认为气象学家可以使用氟氯化碳作为大型气团运动的良性示踪剂。虽然洛夫洛克关于氟氯化碳可用于追踪空气运动的预测是正确的，但后来的研究表明它们并不是良性的。这一假说只是莫利纳和罗兰用来形成臭氧损耗理论的证据之一。科学理论（参见“理论、假说、定律”模块）是经过严格审查并得到多种证据支持的想法。臭氧消耗理论基于上述所有研究的结果，而不仅仅是洛夫洛克的工作。与本质上可能脆弱的假说不同，理论依赖于多种证据，因此更持久。

尽管如此，随着新证据和分析的出现，理论可能会发生变化和完善。例如，2007年，美国宇航局的一组科学家报告的实验结果表明，过氧化氯（一种氟氯化碳被输送到平流层时形成的化合物，参与破坏臭氧）在紫外线下的反应速度比以前认为的慢些（Pope et al., 2007）。波普和他的同事的工作并没有对臭氧破坏理论提出异议，而是表明可能需要对大气化学模型中使用的反应速率进行一些修改。

尽管不同的科学家使用不同的方法，但由于已经发展出用于呈现与解释数据、构建观点的通用语言，他们可以轻松地共享结果并相互交流。这些共同的特征使得大气化学、植物生物学、古生物学等各类研究可以同归为“科学”。尽管任一学科的科学家都需要非常专业的事实知识来进行研究，但方法论上的广泛相似性使得这些知识可以在许多学科之间共享。

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References

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