【研究方法】2. 科学研究中的实验：变量与控制

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9月前

内容提纲

实验方法简史
在科学研究中应用实验

变量：自变量与因变量
控制变量：负、正、安慰剂

实验研究的应用：路易·巴斯德的例子
跨学科实验研究
实验研究的局限性
现代活动中的实验研究

你知道么？

你知道么？一千多年前，中东有一位研究光的科学家开发了实验方法。平常，我们会找哪里的手机信号最强，也会尝试做一道新菜，我们都是在开展某种形式的实验研究。科学实验就是基于同样的原理。

关键概念

实验是一种研究方法。在实验中，有意识地操控一种或多种变量，观察通过这种操控对其他变量的影响。
实验设计常用到控制变量，用以让系统变化，还能用来检查误差来源。
实验方法通常用于确定因果关系，或用于量化一个变量带来的系统反应。

用过手机的人都知道，有时做点研究是免不了的：如果突然发现自己所在的地方手机信号接收不好，就要向左或向右，向前或向后走几步，或者将手机举过头顶，这些动作可能会让手机信号变好。虽然看似简单，但我们找手机信号实际上就是在进行一项科学实验：有意识地操纵一个组件（手机位置）并观察该操作对另一个组件（手机信号）的影响。科学中的实验显然要更复杂，通常需要更严格地应用控制，但它们和我们在许多日常情况下用的推理是一样的。事实上，最早有记录的科学实验是为了回答一个非常常见的日常问题：我们是怎么看到东西的？

实验方法简史

图1 在伊拉克一万第纳尔的纸币上，有阿尔哈森 (965-约1039) 的头像

人类视觉如何工作？最早的观点是希腊哲学家恩培多克勒（Empedocles）在公元前450年左右提出的。恩培多克勒认为，希腊女神阿芙罗狄蒂在人眼中点燃了一把火，人眼之所以能看到东西，是因为这火的光线从眼睛发出，照亮了我们周围的物体。我们惊讶地发现，虽然许多人质疑这一说法，但人眼发光的观点持续存在了很久。直到公元1000年左右，中东的一位科学家增进了我们对光本质的认识，并在此过程中开发了一种新的、更严谨的方法。阿布·阿里·哈桑·伊本·哈桑·伊本·海瑟姆（Abū 'Alī al-Hasan ibn al-Hasan ibn al-Haytham），又名阿尔哈森（Alhazen），公元965年在阿拉伯城市巴士拉（今伊拉克境内）出生。阅读数位希腊哲学家的著作后，他开始了物理学、数学等领域的科学研究。阿尔哈森最重要的贡献之一，是一部七卷的光学著作《Alhazen 的光学书》（原名Kitab al-Manazir，后来翻译为拉丁文Opticae Thesaurus Alhazeni）。该书不仅对光学领域做出贡献，更是一部非凡的著作，因为它的结论基于实验证据而不是抽象推理——这是第一本这么做的重要出版物。阿尔哈森的贡献太大了，因而他的肖像被印在了伊拉克2003年发行的一万第纳尔纸币上（图 1）。

阿尔哈森投入大量时间，研究光、颜色、阴影、彩虹等光学现象。比如在一项研究中，他站在一间墙上有一个小洞的黑暗房间里。房间外面，他挂着两盏不同高度的灯笼。阿尔哈森观察到，每个灯笼发出的光照亮了房间里的不同点，每个被照亮的点都与洞和房间外面的一个灯笼形成一条直线。他还发现，遮盖灯笼会导致其照亮的地方变暗，而不挡住灯笼则会让该地方重新出现。因此，阿尔哈森提供了首批实验证据，证明光不是从人眼发出的，而是由某些物体（如灯笼）发出并从这些物体沿直线传播。今天看来，阿尔哈森的实验很简单，但他的方法具有开创性：他根据对物理关系（光来自物体）的观察提出了一个假说，然后设计了一个实验来验证这个假说。尽管方法简单，但阿尔哈森的实验却迈开了关键性的第一步，驳斥长期以来“光从人眼发出”的理论。这是现代科学研究方法论发展的重大事件。

【考考自己】为什么阿尔哈森的工作被认为是现代科学研究方法论的一个重大事件？

a.因为他基于观察提出假说，并设计实验验证假说。

b.因为他的研究证实了光是从人眼里发出的。

在科学研究中应用实验

实验是一种科学研究方法，也许是一系列方法中最知名。除了实验研究，还有描述研究、比较研究、建模研究（请参阅“科学研究中的描述、科学研究中的比较、科学研究中建模”这三个模块）。虽然这些都是科学方法，但实验的独特之处在于，它有意识地操纵真实系统的某些方面以及观察该操纵的效果。要解决手机信号接收问题，你可以在附近走动直到看到手机变强，也可以观察其他手机用户以了解接收效果最好的人站立的位置，也可以在网络上查找手机信号覆盖地图。所有这些方法也可以提供解答，但通过四处走动并亲自测试信号情况，就是在进行实验。

变量：自变量与因变量

在实验方法中，我们有意识地操纵（也就是干预处理）一些条件或参数（通常称为变量），并在其他变量上观察该操纵的结果或效果。变量被赋予不同的名称，具体取决于它们是被操纵的变量还是被观察的变量：

自变量是指实验中由科学家操纵的条件。
因变量是指可能受到自变量操纵影响的实验事件或结果。

科学实验有助于确定自变量和因变量之间关系的本质。虽然在实验中操纵单个变量通常很困难，有时甚至做不到，但科学家经常努力尽量减少操纵的变量数量。例如，当我们从一个位置移动到另一个位置以获得更好的手机接收效果时，我们可能会改变身体的朝向（也许从朝南变为朝东），或者我们可能以不同的角度握住手机。哪个变量影响信号接收：手机的位置、方向，还是角度？至关重要的是，科学家必须了解自己正在操纵实验的哪些方面，以便能够准确地确定该操纵的影响。为了约束实验可能出现的结果，大多数科学实验都系统性地使用对照。

对照：阴性对照、阳性对照、安慰剂

在对照研究中，科学家本质上同时进行两个（或更多）并行实验：一个实验组，观察实验操作对因变量的影响；还有一个对照组，除了干预所有条件和前者相同。对照可以分两类：阴性对照和阳性对照。

在阴性对照中，对照组暴露于除干预处理之外的所有实验条件。精确匹配所有实验条件的需求巨大。例如，在新药试验中，阴性对照组将获得看起来完全相同的药丸或液体，只不过其中不含药物成分。对照本身通常被称为安慰剂。阴性对照让科学家能够测量因变量的自然变化、提供测量实验误差的手段，提供和实验干预处理比较的基线。

一些实验设计用到阳性对照。阳性对照作为平行实验进行，通常涉及使用研究人员知道会对因变量产生影响的替代治疗方法。例如，测试一种新药缓解疼痛的有效性时，科学家可能会向一组患者施用治疗安慰剂作为阴性对照，并向另一组患者施用阿司匹林等已知干预作为阳性对照，因为阿司匹林缓解疼痛的作用已有详细记录。在这两种情况下，对照让科学家能量化背景变化，驳斥可能解释治疗对因变量的影响的替代假说。

【考考自己】在实验中，科学家试图每次操控_____变量。

a.尽可能多

b.尽可能少

实验研究的应用：路易·巴斯德的例子

实验控制得当，通常能得到因果关系的强有力证据，证明对一个变量的操纵是否会引起另一个变量的响应。例如，早在公元前六世纪，希腊哲学家阿那克西曼德（Anaximander）就推测生命可以由海水、泥土、阳光的混合物生成。得出这个观点可能是因为他观察到，蠕虫、蚊子等昆虫会在泥滩和其他浅水区域“奇迹般”出现。虽然这一观点受到很多质疑，但活微生物可以从空气中“自发生成”的想法一直持续到十八世纪中叶。

十八世纪50年代，苏格兰牧师兼博物学家约翰·李约瑟（John Needham）声称自己证明了自发生成。他看到某些食物（例如汤）中微生物会大量繁殖，即便短暂煮沸并盖上盖子。几年后，意大利修道院院长兼生物学家拉扎罗·斯帕兰扎尼 (Lazzaro Spallanzani) 将汤煮了一个多小时，然后将几碗汤放在不同的条件下，其中一些密封，另一些暴露在空气中。斯帕兰扎尼发现，微生物在暴露于空气的汤中生长，但在密封的汤中却没有微生物。因此，他对李约瑟的结论提出了质疑，并提出自己的假说：悬浮在空气中的微生物沉积在暴露的汤上，而到不了密封的汤上，因此自发生成这个观点是错的。

李约瑟反驳说，汤中细菌的生长并不是由于微生物从空气中沉积到汤上，而是因为自发产生需要与空气本身中无形的“生命力（life force）”接触。他提出，斯帕兰扎尼的过度煮沸破坏了汤中存在的“生命力”，暴露于空气的碗能从空气中得到生命力的补充，而密封碗中的自发生成则被阻碍。几十年下来，科学家一直在争论生命的自发发生理论。支持该理论的著名科学家包括费利克斯·普切特（Félix Pouchet）和亨利·巴斯蒂安（Henry Bastion）。法国鲁昂自然历史博物馆馆长普切特和英国著名细菌学家巴斯蒂安认为，通过发酵和腐败等化学过程，生物体可以自发生成。这场争论越来越激烈，法国科学院1860年设立了一个2500法郎的阿尔翁伯特奖，奖励能最终解决这场冲突的人。1864年，路易·巴斯德（Louis Pasteur）通过一系列控制得当的实验，获得结论，并因此获得了阿尔翁伯特奖。

巴斯德研究前人的工作，来为他的实验做准备。1861年4月，巴斯德写信给普切特，来获取普切特发表的描述研究的结果。巴斯德在这封信中写道：

巴黎，1861年4月3日

亲爱的同事：我们对自发生成这个著名问题的看法不同，但这并不妨碍我高度评价您的工作和值得赞扬的努力……这些真诚的情感……让我可以完全信任您的热心帮助。我非常仔细地阅读了你所写的关于我们俩所关心的主题的所有内容。现在，我无法获得您刚刚出版的小册子……如果能得到一份副本，我会很开心的，因为我目前正在编辑我的全部观察结果，我会批判您的观点。

L·巴斯德（波特，1961）

几天后，巴斯德收到了普切特寄来的小册子，他继续进行自己的实验。在这些实验中，他重复了斯帕兰扎尼煮汤的方法，但他将汤分成几部分，并将这些部分暴露在不同的受控条件下：一些肉汤被放置在直颈烧瓶中，这些烧瓶与空气接触，一些肉汤被放置在不与空气接触的密封烧瓶中，一些肉汤被放置在一组专门设计的鹅颈烧瓶中，肉汤暴露于空气，但空气在到达肉汤之前必须经过弯曲的路径，从而不让空气中可能存在的任何物质轻松地沉积到汤上（图 2）。然后巴斯德观察了因变量（微生物的生长）对自变量（烧瓶的设计）的响应。巴斯德的实验包含阳性对照（他知道直颈烧瓶中的样品会被微生物污染）和阴性对照（他知道密封烧瓶中的样品会保持无菌）。巴斯德推测，如果暴露在空气中确实发生了自发生成，那么在鹅颈烧瓶和直颈烧瓶中都会发现微生物，但在密封烧瓶中则不会。相反，巴斯德发现微生物出现在直颈烧瓶中，但没有出现在密封烧瓶或鹅颈烧瓶中。

图2：巴斯德绘制的他使用的烧瓶图（巴斯德，1861年）。图25D、C和B（顶部）显示了各种密封烧瓶（阴性对照）；图26(右下)示出了直接通大气的直颈烧瓶(阳性对照)；图25A（左下）示出了专门设计的鹅颈烧瓶（实验组）。

通过应用对照，并重复实验（每一种类型的烧瓶中都用了多个），巴斯德能够回答仍然围绕自发生成的许多问题。巴斯德谈到他的实验设计时说：“我以最真挚的诚意确认，照我刚才解释的安排开展的任何实验，从来不会带给我可疑的结果”（Porter，1961）。巴斯德的工作，驳斥了自发生成的理论——他的实验表明，空气本身并不是烧瓶中细菌生长的原因，他的研究支持了这样的假说：悬浮在空气中的活微生物可以通过重力沉淀到开颈烧瓶中的肉汤上。

【考考自己】实验可以提供证据，看改变系统的一个组分，会不会带来一个反应。

a.对

b.错

跨学科实验研究

所有科学学科都会用到实验来研究问题。在某些情况下，科学实验是出于探索性目的，因为科学家也不知道因变量会是什么。在此类实验中，科学家操纵自变量并观察操纵的效果，从而识别因变量（或许有多个）。举例来说：探索膳食营养素的功能和用途。营养生物学有时会进行探索性实验。科学家将让一组动物接受正常饮食，让第二组动物接受类似的饮食，只是缺乏特定的维生素或营养素。然后，研究人员观察这两组，看看缺乏所研究的营养素的一组出现了哪些具体的生理变化或医疗问题。

科学实验也常用于量化两个或多个变量之间关系的大小。例如，在药理学和毒理学领域，科学实验用于确定新药物或化学品的剂量反应关系。在这些方法中，研究人员进行了一系列实验，其中将一群生物体（例如实验室小鼠）分成几组，并且每组都暴露于不同量的药物或化学物质。对这些实验产生的数据的分析（参见“数据分析与数据解释”模块）涉及比较生物体对所施用物质剂量的反应程度。

在这种情况下，实验可以提供额外的证据来补充其他研究方法。例如，在二十世纪50年代，关于香烟烟雾中的化学物质是否会导致癌症引发了一场激烈的争论。几位研究人员进行了比较研究（请参阅“科学研究中的比较”模块）。结果表明，与不吸烟者相比，吸烟患者患肺癌的可能性更高。比较研究与实验方法略有不同，因为比较研究并不会有意识地操纵变量；而是会观察两个或多个组之间的差异，具体取决于它们属于实验组还是对照组。香烟公司和游说者批评这些研究，认为吸烟与肺癌之间的关系是巧合。一些研究人员指出需要进行明确的剂量反应研究；然而，让香烟烟雾进入实验动物肺部遇到困难，这项研究因而受到阻碍。二十世纪50年代中期，厄内斯特·韦德（Ernest Wynder）及其同事提出了一个巧妙的想法：他们将香烟烟雾中的化学物质浓缩成液体，并将其以不同剂量涂抹到小鼠组的皮肤上。研究人员发表了烟草烟雾冷凝物对小鼠影响的剂量反应实验数据（Wynder 等，1957）。

如图3所示，研究人员发现涂在小鼠皮肤上的冷凝水量与患癌症的数量之间存在正相关关系。该图显示了一项研究的结果，其中不同组的小鼠暴露于不同量的香烟焦油中。黑点表示每个样本组小鼠由于将一定量的香烟烟雾“冷凝物”涂在皮肤上而患上癌症的百分比。垂直线是误差线，显示不确定性的程度。该图显示，随着暴露程度的增加，癌症发病率普遍增加。这项研究是吸烟争议中最早的实验证据之一，它支持了香烟烟雾是吸烟者肺癌致病因素。

图 3：患有癌症的小鼠的百分比与涂抹在皮肤上的香烟烟雾“冷凝物”量的关系（来源：Wynder等人，1957年）。

有时实验方法和其他研究方法并没有明显的区别，科学家甚至可能组合使用多种研究方法。例如，美国东部时间2005年7月4日凌晨1点52分，美国国家航空航天局 (NASA) 的科学家进行了一项研究，其中一艘名为“深度撞击”的370千克重的航天器故意撞向路过的“坦普尔1号”彗星。附近的航天器观察撞击并将数据传回地球。这项研究包含描述研究，因为它记录了彗星的化学成分；研究部分也包含实验研究，因为评估了深度撞击探测器撞击彗星对以前未检测到的化合物（例如水）挥发的影响（A'Hearn等，2005）。同时开展实验研究和描述研究是特别常见的。另一个例子是詹尼古道尔（Jane Goodall）对黑猩猩行为的研究，可以在“科学研究中的描述”模块中阅读该研究。

【考考自己】科学中，实验研究常用于____。

a.量化变量之间的关系

b.比较吸烟者和不吸烟者

实验研究的局限性

图 4：“坦普尔1号”彗星与 “深度撞击”撞击器碰撞67秒后的图像。

虽然科学实验提供了有关因果关系的宝贵数据，但它们确实有局限性。批评意见之一，是实验不一定代表现实世界的情况。为了清楚识别自变量和因变量之间的关系，设计实验去除了许多其他带来影响的变量，或者维持它们不变。例如，一项量化维生素A剂量对人类β-胡萝卜素代谢影响的实验中，沙娃娜·拉姆卡（Shawna Lemke）及其同事必须精确控制志愿者的饮食（Lemke、Dueker等，2003）。他们要求参与人限制富含维生素A的食物的摄入量，并进一步要求他们在研究前1周内准确记录所吃的所有食物。在研究中，他们通过给参与者提供所有相同的食物来控制他们的饮食。他们在论文“方法”部分中描述如下：

在给药当天控制膳食的时间和内容。给药后5.5小时提供午餐，包括冷冻晚餐辣肉玉米卷饼（来自Amy's Kitchen）、蓝莓百吉饼果冻、1个苹果和1个香蕉、一块大巧克力块饼干（来自Pepperidge Farm）。服药后10.5小时供应晚餐，包括冷冻晚餐中式炒菜（来自Amy's Kitchen）、百吉饼和水果（和午餐一样）。

虽然，这让实验易于管理且能给出信息，但它通常不能代表现实世界。在现实世界中，许多变量可能会立即发生变化，包括你吃的食物。尽管如此，实验研究仍然是确定变量之间关系的一种极好的方法，这些变量可以随后通过描述性或比较研究在现实世界中进行验证。

设计对于实验的成功或失败至关重要。实验设置的轻微变化可能会严重影响测量的结果。例如，在二十世纪50年代，人们进行了许多实验来评估金属钼对哺乳动物的毒性，并以大鼠为实验对象。出乎意料的是，这些实验似乎表明，饲养老鼠的笼子类型会影响钼的毒性。作为回应，布林克曼（G. Brinkman）和米勒（Russell Miller）开展了一项实验来研究这一观察结果（Brinkman & Miller，1961）。布林克曼和米勒给两组老鼠喂食正常饮食，并添加了百万分之200 (ppm) 的钼。一组大鼠被安置在镀锌钢（涂有锌以减少腐蚀的钢）笼中，第二组被安置在不锈钢笼中。饲养在镀锌钢笼中的老鼠比另一组老鼠遭受更多的钼毒性：它们肝脏中的钼浓度较高，血液中的血红蛋白水平较低。随后的研究表明，当老鼠咀嚼笼子时，镀锌金属笼中的老鼠会吸收金属条上镀的锌，而现在已知锌会影响钼的毒性。为了控制锌暴露，所有大鼠都需要使用不锈钢笼子。

科学家还有义务在设计和进行实验时遵守伦理限制。第二次世界大战期间，在纳粹德国工作的医生对人体进行了许多令人发指的实验。其中一项实验旨在寻找治疗人类体温过低的有效方法，集中营囚犯被迫坐在冰水中或在冰冻温度下赤身裸体地留在户外，然后通过各种方式重新取暖。许多暴露在外的受害者被冻死或遭受永久性伤害。了解到纳粹实验和其他不讲伦理的研究，美国等国家政府以及几乎整个科学共同体采用了严格的科学伦理标准。伦理标准（请参阅科学伦理模块）要求研究对人类受试者的好处大于风险，且参与者必须是在充分意识到研究带来的所有风险后自愿参与的。这些标准具有深远的影响。比如，在香烟烟雾和肺癌争论中，想得到因果关系最明了的是设计一项实验：其中一组人被要求吸烟，而另一组人被要求不要吸烟；但是对于一个科学家来说，故意让一群健康的人暴露在烟雾中是非常不道德的。

【考考自己】每项实验都完全复制了现实情况。

a.对

b.错

现代活动中的实验研究

与所有科学研究一样，实验研究的结果会在科学共同体中共享，并以此为基础并激发更多的实验和研究。例如，阿尔哈森确定物体发出的光进入人眼，于是人们自然会问“进入人眼的光的本质是什么？” 关于光的本质的两种常见理论已经争论了很多年。艾萨克·牛顿爵士是光由小粒子构成理论的主要支持者之一。英国博物学家罗伯特·胡克（他拥有伦敦皇家学会实验馆长这个有趣的头衔）支持一种不同的理论，认为光是一种波，就像声波一样。1801年，托马斯·杨 (Thomas Young) 进行了一项现在经典的科学实验，帮助解决了这一争议。杨和阿尔哈森一样，在黑暗的房间里工作，光线只能通过窗帘上的小孔进入（图 5）。杨用镜子重新聚焦光束，并用一张纸一样薄的卡片将光束分开。然后，分开的光束被投射到屏幕上，并形成交替的明暗带状图案——这表明光确实是一种波（参见“光 I：粒子还是波？”模块）。

图 5：杨的分光光束实验阐明了光的波动性质。

大约100年后，即1905年，新的实验使阿尔伯特·爱因斯坦得出结论：光同时具有波和粒子的特性。爱因斯坦的波粒二象论现已被科学家普遍接受。

即使到今天，实验仍在继续帮助我们完善对光的理解。爱因斯坦提出光速不变。但到了1998年，由莉娜·韦斯特高·豪（Lene Vestergaard Hau）领导的一组科学家证明，利用特殊的实验装置，光速可以从正常的每秒30万千米减慢到每秒17米（Hau等，1999）。从1000年前的阿尔哈森开始，一系列的实验让我们对光的本质有了越来越深入的了解。尽管科学家进行实验的工具可能变得更加复杂，但背后的原理非常接近巴斯德和阿尔哈森数百年前用到的原理。

资料来源：

Anthony Carpi, Ph.D., Anne E. Egger, Ph.D. “Experimentation in Scientific Research” Visionlearning Vol. POS-1 (7), 2008.

https://www.visionlearning.com/en/library/process-of-science/49/experimentation-in-scientific-research/150

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来源：几只青椒

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