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【复旦大学赵斌教授公开课图文】自然科学的思维
生态学时空
>《待分类》
2021.11.20
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同学们好,我们今天所讲的主题是自然科学的思维。
我相信,不管你是文科生还是理科生,今天这个内容,对你都会有一定的帮助。
我们经常会说文科生思维和理科生思维,其实呀,是文科生思维还是理科生思维,与你目前就读的专业没有必然的联系。
我也看到许多文科专业的学生,有非常强的理科生思维,而相反,也有许多理科专业的学生,思考方式还特别感性。
当然,我今天并不想评价哪种思维更好。
只是想说,自然科学思维,也就是理科生思维,有其独到之处,我今天也只是想强调这种思维方式。
大家看到,我背后的这张画面中,包含Nature和Science两个杂志的logo,但我显然不是要介绍这两个杂志的,只是我今天所讲的话题,的确离不开这两个关键词。
具体来说,我今天所讲的话题,包括两个方面的内容。
一个是The Nature of Science,一个是The Science of Nature。
这不是文字游戏,而是做科学研究的思维方式和思考问题的方法的总结。
我还希望大家通过今天的学习,能学会什么是批判性思维,并能应用于自己的实践。
还有一些内容涉及到归纳推理和演绎推理,以及什么因变量和自变量,如何使用对照等等。
首先是The Science of Nature,那么,这个汉语怎么说呢?
有关自然的科学,也就是对自然进行研究的方式。
几乎所有的人都认为,自己独特的想法。
但真的么?
其实,好好想想,就会发现,我们常常更喜欢让别人替我们想,也就是说呀,我们并不想主动思考,我们更喜欢做一些不太需要动脑筋的工作。
这个其实也是无可奈何的,我们都是依靠学校教育培养出来的。
那么现今的学校教育,究竟是什么样的呢?
想一想,学校的任务,就是尽可能快地向学生传授尽可能多的信息,而学生的任务,就是尽快地获得尽可能多的知识。
这二者可以说是完美的结合。
在这种快速传递信息中,学生与学校心领神会地相互配合,我们可能就会忘记,我们所传递信息的价值是什么。
所以,在学校教育中,我们从小就学会了只是接受信息而不去评判它,这就是让别人替你思考。
而相反,批判性思维(Critical Thinking),是在接受信息之前,对其质量进行判断,这是一种深思熟虑的过程。
当你使用批判性思维时,你会超越新信息的内容,考虑所支持的证据是什么,是否有偏见,或者这是否有其他的解释。
这听起来可能很复杂,但其实需要做的事儿并不多,只是需要一些这方面的意识。
例如,我们在学习新知的时候时,可以问一下自己下面几个问题:
我被要求接受什么信息?
信息是基于事实还是基于观点?
是否有不同的方法来解释这个事实?
演讲者可能有什么偏见?
我是否有什么偏见,可能会影响我听到这条信息的方式?
这样的问题,是有意识学习的一种方式。
它们可以帮助你决定是否允许新的信息来指导你的信仰和行动。
批判性思维是科学的重要组成部分,是对可观察世界及其运作方式的系统研究。
科学研究,通常起始于研究者对自然界中可观察到的事物的好奇心。
比如,有人发现某一区域的鸟类数量突然异常减少。
研究人员在对这个现象做出解释之前,阅读了其他人的一些相关研究。
他们看到了一种可能性:
鸟的数量在减少,是因为猫的数量在增加。
如果我们将这种可能性表达出来,那就是提出假设,是一种归纳推理的方式。
我们这里,是根据观察和归纳来提出假设,而不是凭空想象。
而且,所提出的科学假设,也必须是在现实世界中可以检验的。
比如,在这个案例中,你非要假设:
鸟类数量减少,是因为外星人把它们掳走了。
那么这就是一个不可检验的问题,也就不属于科学研究的方法了。
这个问题解决后,接下来就是一个预测。
这种预测被称为if-THEN过程,其中“if”部分是假设,“THEN”部分是预测。
对于这个案例,我们就可以说:
如果鸟的数量因为猫的数量在增加而减少,那么将猫从该区域移走,应该就可以阻止鸟的数量下降。
我们前面的假设是一个归纳推理的过程,那么这里运用假设进行预测呢,则是演绎推理的一种形式,也就是采用一般前提对某一具体案例得出结论的逻辑过程。
那么,接下来,研究人员就应该测试预测中的“THEN”的部分。
我们知道,有些预测只需要通过系统的观察就能得到检验,而有些预测呢,则需要实验,实验是确定预测是否有效的最佳方式。
在这个猫与鸟关系的调查中,需要做一个实验,就是把大多数猫或者所有的猫从这个地区移走,看看鸟类的数量是否还在继续减少。
如果鸟类数量开始稳定或者增加,那么就说明我们假设正确的可能性非常大。
但有些实验,可能无法直接让受试者和事件一起进行测试,那么就要考虑在类似系统上进行实验。
例如,有关人体的研究,我们可以把动物疾病看做是人类疾病的模型进行实验。
典型的实验,就是使用变量来探索因果关系。
变量可区分为自变量和因变量,其中因变量是受自变量影响的。
自变量和因变量是由做实验的人来定义或控制的。
比如,在这个鸟猫实验中,自变量就是猫的存在或不存在,因变量是鸟的数量。
但仅仅如此,还不够的,因为生物系统是非常复杂,某个结果通常可能涉及到许多相互依赖的变量。
将一个变量与其他变量完全分开进行研究,那是非常困难的,甚至是不可能的。
所以,研究人员经常会同时考虑设立一个对照组和一个处理组,对照组与处理组要尽量保持其他所有的变量相同,只让一个需要考察的自变量有区别。
这样,两组实验结果的差异,才可能反映变量改变的结果,然后我们在此基础上进行各种分析,也就是对结果进行合理的解释。
最后呢,也是科学研究的一个必要部分,那就是用标准的方式报告你的数据和结论,让其他人看到你的研究,进行相互交流。
科学研究中,相互交流是很重要,给其他同行一个机会来评估这些科学假设,既可以重复实验结果,也可以检查其中还不太完善的部分。
所以,这种在观察的基础上形成一个假设,然后系统地测试和评估该假设,我们称之为科学方法。
科学研究,其实很少能以一种直接的、一蹴而就的方式进行。
科学方法更多的时候,描述为一个探索、提问、检验假设和改变方向的非线性过程。
许多时候,假设是错误的,实验结果大多时候也是不可预测的,研究通常会提出比答案更多的问题,因此可能根本就没有终点。
这种不可预测性,的确有时候让人感到沮丧,但对研究人员来说,他们喜欢自己的工作,恰好是因为这些不确定性所带来的曲折。
有时候一个精巧的实验设计,可以让研究工作变得非常有艺术效果。
我们来看一个有关蔗糖聚酯的研究。
蔗糖聚酯是一种由糖和植物油制成的脂肪替代品,有脂肪的风味,但不会增加产品的卡路里。
话说1996年的时候,美国食品和药物管理局(FDA)批准了Olestra®,也就是蔗糖聚酯作为食品添加剂。
薯片成为第一个添加蔗糖聚酯的食品。
因为是添加剂,总是有很多争论。
有一些人抱怨吃了薯片后有胃肠道方面的问题,认为可能是蔗糖聚酯的问题。
那么如何证实呢?
显然我们不能说,随便找几个人过来,然后让他们试吃,看看吃了后是否胃痛。
大家可能有些体会呀,人是有感情的生物,有时候心理暗示的作用很大,胃肠道是否舒适,许多时候并不是有严格的标准或者说可以用仪器检测出来的,那么这样的研究该如何进行呢?
1998年,美国的约翰霍普金斯大学医学院的研究人员,就设计了一个非常精巧的实验,来测试蔗糖聚酯是否会引起胃痛。
对于美国人来看,看电影的时候,买一些薯片或者爆米花,那是一个常规配置。
所以,为了做这个实验,研究人员就将芝加哥的一家剧院作为“实验室”,给一千多名看电影的人,免费发放薯片,大家应该可以想到,这些薯片有些是添加了蔗糖聚酯的,但是并不会告诉他们。
看电影的每个人都收到一个没有标记的袋子,里面装着薯条。
袋子没有标记,只是不想让吃薯片的人有心理暗示,虽然没有标记,但是实验设计者是知道发给谁了的。
几天后,研究人员联系了所有人,收集了吃薯片后出现的任何有关胃肠道问题的报告。
结果发现,在563个添加蔗糖聚酯的实验组中,有89人抱怨胃痛,这大概占15.8%。
如果只有这个数据,你也许会觉得这个数值很高,认为蔗糖聚酯肯定有问题,有15.8%吃了感觉不舒服嘛;
但是,别忘记了,这作为科学实验,就不是这么简单的。
那必须还有一个对照组。
这个对照组有529人,其中也有93个人抱怨胃痛,大概占17.6%,但是他们吃的是没有添加蔗糖聚酯的普通薯片呀。
所以,从这个实验得出的结果是,不管人们吃不吃添加蔗糖聚酯的薯片,他们都可能胃痛,而且这个胃痛无法证明是与蔗糖聚酯有关的。
大家可以看到,设立对照组是多么有必要了吧。
我们再看另外一个例子。
这是什么?
看上去,是一只很难看的蝴蝶,对吧?
不过,你可能只看到了事物的一面,而没有看到另一面。
如果打开来看,这个蝴蝶是这个样子的,颜色非常鲜艳对不对?
从这个角度,我们看到了蝴蝶的两个面,的确反差很大。
这个蝴蝶称为孔雀蝶。
那么,这个蝴蝶有什么故事呢?
它的故事呀,是与一些掠食鸟的关系。
掠食鸟是捕食蝴蝶的,但蝴蝶抵御掠食鸟的也有各自的策略。
而孔雀蝶,休息的时候,深灰色的翅膀折叠起来,类似于一片枯叶,这多少提供了一些伪装,让它看上去不是那么显眼,大多数昆虫也都是采用的这种模式躲避天敌。
但问题是,当掠食鸟靠近的时候,它不是静静地一动不动,而是通过不断地张合翅膀,露出它明亮的斑点,并发出嘶嘶声,似乎生怕掠食鸟看不到它。
这种举动有些奇怪,所以研究人员对此发生了兴趣。
那么,研究人员在调查了前人的研究后,提出了两个最可能解释孔雀蝶翅膀张合行为的假设,假设孔雀蝶暴露出明亮斑点,或者拍打翅膀发出嘶嘶声,可以减少它们被捕食的风险。
然后据此做出预测,也就是一个IF-THEN的过程,如果这些假设成立的话,那么去除斑点或者让孔雀蝶无法发声,就会使它们更容易被捕食。
接下来就进行这个实验,分成了四个组。
第一组用黑色染料掩盖孔雀蝶翅膀的斑点,第二组切下孔雀蝶翅膀的一部分,使其发不出声音。
第三组呢同时进行上述两种处理。
随后,还有一个对照组,不做任何处理。
最后,这些蝴蝶都被放进一个大笼子里面,笼子里放了一只饥饿的蓝山雀。
那么,我们现在来这张表所列的结果,可以看到:
不做任何处理的对照组,还有保留斑点无法发声的第二组,所有的蝴蝶都存活下来了,而掩盖了斑点的第一组和第三组,都有很大一部分被吃掉了。
这个结果证明了我们第一个假设:
暴露出明亮斑点,可以减少被捕食;
但与第二个假设不一致,孔雀蝶翅膀发出声音,并不会减少它们被捕食的风险。
当然,如果认真想想,还有一些问题值得探讨。
比如,蓝山雀对孔雀蝶拍翅发出的声音没有反应,是否其他的鸟类或捕食者也是如此呢?
如果发声与防止被捕食无关,那么它的功能又是什么呢,还是说根本就没有什么用?
要回答这些问题呀,显然就需要再做一些额外的实验。
另外,刚才这个实验中设立的对照组呀,可能还是太简单了一些,也许还有许多需要考虑的问题。
比如,黑色染料涂抹蝴蝶斑点,是否导致了翅膀的损伤,我们是否还应该设立一个对照,只是涂抹透明涂料而不是遮盖斑点呢?
还有,蝴蝶翅膀被剪后,是否也影响了其他方面的功能?
所以,要做一个严谨的科学研究,显然还有许多事儿需要补充。
在实验研究中,采样误差是无法避免的。
但我们应该知道它是如何发生的,并尽量使其最小。
一般来说,样本太少,采样误差可能就是一个大问题了,所以一般需要尽量收集更大的样本。
我们来举一个例子,说明样本大小的影响。
比如我们抛硬币,每次都有两种可能的结果:
正面或反面,都是1/2。
如果次数太少,往往会得到连续几次正面或反面。
比如只抛了4次,很难得到两面各自50%的概率,而如果抛了1000次,那么就有很大可能得到了接近50%的概率。
无论如何,我们都需要如实地表达出这种具有误差的结果,所以大家看到这上面的图都有误差棒,就是一种科学表达方式,还体现了你的科学思维。
说到采样分析呢,还有一个问题就是,子集不一定能代表整体。
在自然条件下,研究人员很少能观察到群体中的所有个体或所有实例,因此部分的观察结果,想说明整体,本身就存在很大的风险。
我们这里看到的这个例子,那就是1993年,在新几内亚的一个山顶森林中,科学家发现了金毛树袋鼠。
因为这是首次被发现,而且之后十多年,这个物种也从未出在其他地方看到,这个栖息地的范围,由于受人类活动的影响,正在日益变小,因此金毛树袋鼠一度曾被认为是地球上最濒危的动物之一。
然而,2005年,其他探险者发现这种袋鼠在福贾山脉的森林中相当普遍,种群数量很高,也就将它从濒危动物名单中去除了。
我们刚才强调过,把一个变量与所有其他变量分开进行实验一般来说是不可能的。
例如,在前面蔗糖聚酯的研究中,参与实验的人员是随机选择的,这意味着一个假设,那就是胃肠道问题不受性别、年龄、体重、服用药物等因素的影响,但是这个假设并不一定是正确的,这些变量是很可能影响实验结果的。
另外呢,科学家与所有其他人一样,也是有主观性的,他们也有自己想得到的结果,这种情绪会不会影响到最后对结果的客观判定?
但是,如果我们具备了科学思维和批判精神,我们就可以将结果产生偏差的可能性降到最低。
总体上,科学界是由一帮具备批判性思维的人所组成的,他们试图寻找出彼此的问题,这种的集体的努力和监督,使得科学成为一种可以自我修正的事业。
接着呢,我们来看看生e Nature of Science,显然这个汉语不能说是科学的自然,而是科学的天性。
科学的天性,就是不断证实或者证伪一些科学理论或科学假设的正确性,这是一个永无止境的过程。
科学假设是对自然现象可检验性的解释,检验一个假设,有可能证明它是错误的,这太正常了。
但如果一个假设,在经过多年的严格检验,还有人试图对其进行严重的歪曲、甚至打压之后仍然存在,它与现有的证据是一致的,而且科学家还利用它,成功地预测了其他各种各样的现象。
那么,符合这些标准的假设最终就可以归为科学理论。
我们现在这里列出的,都是公认的科学理论。
那么,是否科学在任何情况下都可以被证明呢?
至少目前还不敢这么说,这也就是为什么我们还需要对大自然要有所敬畏。
刚才我们看到的原子理论说,物质是由原子和亚原子粒子所组成的。
那么如果有人问,原子理论是否在任何情况下都成立?
要证明这个问题呀,就意味着要验证宇宙中所有物质的组成,这当然是一项不可能完成的任务。
因此,在我们的科学描述中,建议避免用“证明”这个词来描述一个理论,更多的时候,说一种理论是可以“被接受的”,会显得更加严谨。
还有一种可能性,如果有人发现一个理论有例外,那该怎么办?
一般来说,科学理论是经过了严格而反复检验的,新的结果不会使先前的结果完全失效,但对结果含义的解释可能会有所改变,与原理论不一致的方面就会进行修正。
这里我们还是用原子理论来举例。
原子理论,几千年前就被提出来了,也进行了多次修改。
古希腊人将原子定义为不可分割的物质单位,但他们其实并不知道原子是什么,这个定义一直持续到1897年。
阴极射线管出现之后,人们发现了亚原子粒子的存在,知道了原子也不是不可分割,但这一新的认识,并没有完全推翻之前的原子理论,但促使它进行了修正,从原子的定义中去掉了“不可分割的”几个字。
但即使是今天经过修正的这个原子理论呢,相信也会随着先进设备的出现,揭示出亚原子粒子的新信息,仍然会不断修正。
针对我前面提的一个问题,如果未来有人发现某个物质不是由原子和亚原子所组成的,那么原子理论就会被修改,增加一些例外情况。
如果例外多了,说明理论本身就有问题,那么离全面改写也就不远了,改写是为了更好地解释普遍意义。
有关自然选择的问题,我们也称之为科学理论,表述为:
环境压力可以驱动一个种群遗传特性的改变。
经过一个多世纪的观察和检验,这个理论现在仍然存在。
虽然自然选择并不是进化发生的唯一机制,但它却是迄今为止研究得最多的机制,很少有其他科学理论能经受得住如此严格的审查。
在我们的科学论述中,经常会把“理论”这个词应用到一个推测性的想法上,而许多可能看到是一个自然法则。
这里想顺便说一下科学理论与自然法则的区别。
自然法则描述的是在某些情况下总是发生的现象,自然法则是不包括机制的,因此不一定有完整的科学解释,可能还没有呈现为科学理论。
比如,描述能量的热力学定律就是这样,我们能理解能量的行为方式,但不完全理解它为什么会是这样。
科学研究,也不涉及超自然现象,既不假定也不否认超自然现象的发生。
但是,许多所谓的“超自然”问题,可能只是人类一个历史阶段的认识,当科学家们找到了先前被认为是超自然现象的科学解释的时候,往往还会引发一些争议。
特别是,如果一个社会的道德标准与对自然的理解交织在一起时,这种争论还会变得异常剧烈,这其实在历史上多有发生。
比如,15世纪初,哥白尼提出地球绕太阳运行,这就冲击了当时主宰人们思想的“地心说”,1610年,伽利略发表了哥白尼太阳系模型的证据,这一行为导致他被监禁,作品无法发表,在软禁中度过余生。
这些故事说明,从科学的角度探索自然世界,因为与传统观点不同,可能会被误解为违反道德。
有了这些教训,我们在看待现在的科学研究的时候,就应该让科学问题回归到科学,回归到理性,而不应增加任何政治或道德色彩。
所以,科学帮助我们变得客观,因为它仅限于探讨关于自然可观察方面的可测试想法。
但是,科学并不准备解决哲学问题,比如“我为什么存在?
”因为这样问题的答案,只能来自人的内心,无法观察,无法测试,更无法证实。
在理解科学的道路上,我们不得不提一下伪科学。
并不是所有使用科学词汇的东西都是科学,区分伪科学和真科学也许有一些难度,但如果你能用这张表进行批判性思维,就会有助于你提高辨别能力。
还有一个比较容易掌握的判定方法。
科学方法是从观察开始,到结论结束。
而伪科学呢,通常从一个结论开始,然后搜索支持信息。
当然,如果这些信息是真实的,那么也就变成科学研究方法了。
问题是呀,这些信息有可能是虚构的、未经证实的、小道消息,而与结论矛盾的证据就被忽略和否定。
总之,科学有助于我们客观地交流我们对自然世界的体验,因此,它甚至可能是一种通用语言。
现在,我们相当确信,万有引力定律适用于宇宙的任何地方。
设想一下,如果我们在遥远的星球上发现了智慧生物,要与他们进行交流,一定是先寻找到一个彼此都能理解的东西,那么这个东西是什么呢?
只能是一种普适的东西,他们也许会理解万有引力的概念。
因此,刚开始接触的时候,我们就可以利用万有引力的概念与他们交流。
当然,我们做科学研究并不是为了与外星人交流,我们只是为了更好地认识这个世界。
那么我今天所介绍的呢,也正是对科学研究的基本认识,希望你能有所提高。
好,同学们,今天的课就到这里,再见!
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