科学研究和科学方法
《发酵原理》课前讲座
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 2
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 3
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）。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 4
科学方法的使用，以如下假定为前提：
? ① 在自然界观察到的事件都有其发生的原因；
? ② 事件的原因是可以找到的；
? ③ 自然界发生的事件可以用一般规律或模式来
? 描述；
? ④ 重复发生的事件可能有同样的原因；
? ⑤ 一个人能做到的实验结果, 别人也能重复；
? ⑥ 基本的自然规律的应用与事件发生的地点,
? 时间无关 。
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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。
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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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 7
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。
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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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 9
科学方法涉及几个重要的、可以
识别的组成部分：包括①小心的观察；
②假说的构建和检验；③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。
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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
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⑴观察
⑵设问（提出问题）
⑶多方求索
⑷假说的构建
⑸对假说的检验
⑹理论和定律的导出
⑺交流
⑻小结
⑴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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 13
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 14
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。
⑵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?
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 16
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 17
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 ）：
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 18
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，
⑶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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 20
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 21
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。
⑷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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 23
一个好的假说必须是：① 符合
逻辑的； ② 能对当今可以搜集到的
所有有关信息做出解释的； ③ 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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 24
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 25
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 26
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 27
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。
⑸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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 29
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 30
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 31
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 32
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 33
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 34
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 35
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）。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 36
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 37
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 38
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 39
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 40
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 41
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 42
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 43
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 44
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 45
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 46
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 47
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。
⑹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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 49
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 50
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 51
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 52
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 53
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 54
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 55
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 56
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）。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 57
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 58
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 ）。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 59
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。
⑺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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 61
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 62
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。
⑻小结
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 。
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。
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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 66
推理（ reasoning）,由一个或几个已
知判断（前提）推出未知判断（结论）思
维形式。推理是客观事物的联系通过人的
实践在意识中的反映。由推理得到的知识
是间接的、推出的知识。正确推理基本条
件是前提真实，推理形式正确。推理有演
绎推理、归纳推理、类比推理等不同形式。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 67
预测（ predications）,一般以条
件陈述句的形式出现。定律、原理或
理论一旦建立，就能作为推理的前提，
通过演绎推理来预测自然界更多的观
察结果。如果这些定律、原理或理论
是正确的，预测必定是正确的，因为
预测的结果是通过演绎逻辑推出的结
果，不包含任何创造和臆测。因此，
从预测的结果可以检验假说是否正确，
是否得到支持。
《发酵原理》课前讲座
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 2
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 3
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）。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 4
科学方法的使用，以如下假定为前提：
? ① 在自然界观察到的事件都有其发生的原因；
? ② 事件的原因是可以找到的；
? ③ 自然界发生的事件可以用一般规律或模式来
? 描述；
? ④ 重复发生的事件可能有同样的原因；
? ⑤ 一个人能做到的实验结果, 别人也能重复；
? ⑥ 基本的自然规律的应用与事件发生的地点,
? 时间无关 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 5
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 6
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。
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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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 8
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 9
科学方法涉及几个重要的、可以
识别的组成部分：包括①小心的观察；
②假说的构建和检验；③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。
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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
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⑴观察
⑵设问（提出问题）
⑶多方求索
⑷假说的构建
⑸对假说的检验
⑹理论和定律的导出
⑺交流
⑻小结
⑴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。
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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。
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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。
⑵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?
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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。
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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 ）：
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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，
⑶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。
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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。
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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。
⑷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 。
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一个好的假说必须是：① 符合
逻辑的； ② 能对当今可以搜集到的
所有有关信息做出解释的； ③ 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。
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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。
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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。
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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。
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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。
⑸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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 34
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。
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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）。
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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。
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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。
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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。
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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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 40
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 41
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。
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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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 43
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 44
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 45
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 46
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 47
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。
⑹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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 49
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 50
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 51
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 52
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 53
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 54
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 55
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 56
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）。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 57
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 58
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 ）。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 59
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。
⑺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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 61
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 62
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。
⑻小结
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 。
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。
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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 66
推理（ reasoning）,由一个或几个已
知判断（前提）推出未知判断（结论）思
维形式。推理是客观事物的联系通过人的
实践在意识中的反映。由推理得到的知识
是间接的、推出的知识。正确推理基本条
件是前提真实，推理形式正确。推理有演
绎推理、归纳推理、类比推理等不同形式。
2010-5-14 张星元：发酵原理 (讲座 ) 67
预测（ predications）,一般以条
件陈述句的形式出现。定律、原理或
理论一旦建立，就能作为推理的前提，
通过演绎推理来预测自然界更多的观
察结果。如果这些定律、原理或理论
是正确的，预测必定是正确的，因为
预测的结果是通过演绎逻辑推出的结
果，不包含任何创造和臆测。因此，
从预测的结果可以检验假说是否正确，
是否得到支持。
