【复旦大学赵斌教授公开课图文】自然科学的思维

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！