張海銀

(廣東省深圳市坪山新區(qū)教科研中心 518118)

姚 舒

(首都師范大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院 北京 100048)

《義務(wù)教育生物課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》中明確提出要培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)探究能力，其中包括培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，以及培養(yǎng)學(xué)生掌握各種科學(xué)方法(如假說(shuō)、實(shí)驗(yàn)條件的控制等)，可見(jiàn)提出假說(shuō)是生物科學(xué)探究中的重要環(huán)節(jié)。

生物學(xué)教材中假說(shuō)的概念是人們以一定的經(jīng)驗(yàn)材料和已知的事實(shí)為依據(jù)，以已有的科學(xué)理論和技術(shù)方法為指導(dǎo)，對(duì)未知的自然事物或現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及其變化規(guī)律所作出的推測(cè)或假定性解釋[1,2]。假說(shuō)是研究者從理論框架和研究目的以及對(duì)所要研究的變量進(jìn)行分析以后提出來(lái)的，是對(duì)所要研究的變量之間關(guān)系的一種假定。因此，一般至少應(yīng)包含兩個(gè)變量，并說(shuō)明變量之間的某種關(guān)系。又因?yàn)榧僬f(shuō)是問(wèn)題解決的可能答案，假說(shuō)的句型結(jié)構(gòu)不是問(wèn)句，而是陳述句，且是描述因變量隨著自變量變化的定量或定性關(guān)系的陳述句。所以，完整的假說(shuō)句型通常為“如果，那么。”或“如果，則?！?/p>

中學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)假說(shuō)通常包含兩種類型：歸納概括型和解釋說(shuō)明型[3]。此時(shí)，教師不僅要能以敏銳的眼光迅速對(duì)學(xué)生提出的假說(shuō)進(jìn)行價(jià)值上的判斷，而且要以寬廣的視角引導(dǎo)學(xué)生提出高質(zhì)量的假說(shuō)，并對(duì)不同假說(shuō)做出科學(xué)的分析和評(píng)估。然而，在實(shí)際教學(xué)中要達(dá)到上述要求尚存在著一定的難度。一方面是學(xué)生對(duì)假說(shuō)的概念內(nèi)涵、特征、假說(shuō)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)系和假說(shuō)提出的邏輯過(guò)程等不清楚；另一方面中學(xué)生提出假說(shuō)是在比較開(kāi)放的情境下進(jìn)行的，生成性強(qiáng)，復(fù)雜程度高，教師難以在有限時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行及時(shí)、合理的評(píng)價(jià)。

現(xiàn)就上述問(wèn)題進(jìn)行闡述，以期為生物科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的假說(shuō)的分析和評(píng)估提供一些有益的參考。

1 假說(shuō)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)系

假說(shuō)是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是要檢驗(yàn)假說(shuō)。多數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定2個(gè)(組)因子之間的決定和被決定關(guān)系，當(dāng)改變自變量時(shí)，觀察因變量的相應(yīng)變化。一個(gè)好的假說(shuō)將變量之間的關(guān)系描述得很清楚。在完整的假說(shuō)中，還要陳述這種關(guān)系對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

例如，如果肥料的施用能加速水藻的生長(zhǎng)。那么，施用肥料的水藻與未施用肥料的水藻相比，會(huì)長(zhǎng)得更快。這個(gè)假說(shuō)為有效假說(shuō)嗎？當(dāng)然是。因?yàn)樗枋龇柿系氖┯门c水藻生長(zhǎng)的關(guān)系，在假說(shuō)被檢驗(yàn)為正確的情況下，也描述對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)期。那么，什么樣的假說(shuō)在生物科學(xué)探究中是可用的、或不好的假說(shuō)？現(xiàn)列表對(duì)比如下(表1)。

表1 基于3種不同科學(xué)事實(shí)的3類假說(shuō)的比較

有時(shí)假說(shuō)是不可測(cè)量的，這不是因?yàn)榧僬f(shuō)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系不一致，也不是因?yàn)榧僬f(shuō)本身不可使用，而是限于特定時(shí)期的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和手段。一個(gè)好的假說(shuō)總是要求實(shí)驗(yàn)者能在現(xiàn)有技術(shù)手段的前提下完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而不是超出現(xiàn)有技術(shù)。但是，偉大的科學(xué)家總是能夠通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，來(lái)彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不足，使得實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌剡M(jìn)行。眾所周知，遺傳學(xué)家孟德?tīng)柕耐愣箤?shí)驗(yàn)的假說(shuō)和設(shè)計(jì)就是超越時(shí)代的。

又如，20世紀(jì)初德國(guó)生理學(xué)家Loewi觀察到用電流剌激迷走神經(jīng)，蛙心跳動(dòng)減慢。他思考著:是迷走神經(jīng)受電流剌激后產(chǎn)生的電信號(hào)直接導(dǎo)致心跳減慢，還是由于神經(jīng)受電流剌激后分泌了某種化學(xué)物質(zhì)導(dǎo)致了心跳減慢。這就是個(gè)假說(shuō)，但當(dāng)時(shí)的電生理技術(shù)是難以用來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這個(gè)假說(shuō)，這就是生物學(xué)史上常有的超時(shí)代的假說(shuō)與當(dāng)時(shí)相對(duì)落后的實(shí)驗(yàn)手段之間的矛盾。然而，Loewi經(jīng)過(guò)17年的探究，精心設(shè)計(jì)的“雙蛙心實(shí)驗(yàn)”解決了這個(gè)問(wèn)題。他解剖了2只青蛙，取出心臟，1只連著迷走神經(jīng)，1只剝離掉神經(jīng)，將2只蛙心通過(guò)導(dǎo)管連接起來(lái)，實(shí)施生理鹽水的灌流，剌激帶有迷走神經(jīng)的蛙心，被灌流的蛙心跳動(dòng)會(huì)減慢。

2 提出假說(shuō)的邏輯過(guò)程

假說(shuō)是對(duì)觀察做出的解釋，基于現(xiàn)象生成的假說(shuō)都來(lái)源于人們對(duì)于自然的理解。假說(shuō)的產(chǎn)生首先來(lái)源于對(duì)外界的觀察，進(jìn)而產(chǎn)生了疑問(wèn)，最后生成假說(shuō)，這一過(guò)程需要想象、直覺(jué)、機(jī)遇、邏輯、經(jīng)驗(yàn)和先前科學(xué)結(jié)論的參與。如何提出假說(shuō)是重要的科學(xué)技能，更是科學(xué)智慧。既有科學(xué)合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，又有對(duì)于科學(xué)假說(shuō)概念內(nèi)涵和外延的深刻把握，更重要的是對(duì)影響生命活動(dòng)的內(nèi)外因素相互關(guān)系的直接洞察。假說(shuō)的生成步驟一般包括以下[4]：

2.1 收集材料 為假說(shuō)提供客觀事實(shí)或?qū)嶒?yàn)材料，這里所說(shuō)的實(shí)驗(yàn)材料是廣義的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康幕蜓芯空n題，對(duì)于實(shí)驗(yàn)材料的收集，最主要的問(wèn)題是對(duì)于材料的取舍。表面看這是個(gè)看得見(jiàn)摸得著的非思維過(guò)程，但實(shí)際上是個(gè)選擇和淘汰的邏輯過(guò)程。這與研究者的學(xué)術(shù)背景、思維方式甚至個(gè)人喜好都有直接或間接的關(guān)系。

2.2 提出基本觀念 即提出可以作為假說(shuō)核心的基本事實(shí)和基本原理。對(duì)第一階段獲得的客觀事實(shí)如何解釋是這一階段的中心，也是假說(shuō)提出的關(guān)鍵。在這里，實(shí)驗(yàn)者的主體性和想象力得到充分體現(xiàn)。

2.3 從基本觀念推導(dǎo)出假說(shuō)的具體內(nèi)容 這是在前兩個(gè)過(guò)程的基礎(chǔ)上制定出假說(shuō)的具體內(nèi)容的過(guò)程，作用包括對(duì)已知事實(shí)的解釋和科學(xué)預(yù)見(jiàn)。

這三個(gè)過(guò)程不是彼此分割的，而是互相聯(lián)系的：第一過(guò)程是假說(shuō)的出發(fā)點(diǎn)和客觀依據(jù)；第二個(gè)過(guò)程是假說(shuō)基本觀點(diǎn)的提出；第三個(gè)過(guò)程是假說(shuō)具體內(nèi)容的確定。假說(shuō)的提出是一個(gè)依據(jù)感性材料做出理性思考的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中科學(xué)思維起著重要的作用。

3 假說(shuō)的檢驗(yàn)

3.1 只能“被證偽”的假說(shuō) 按照假說(shuō)的形式，提出一個(gè)關(guān)于維生素C的假說(shuō)：如果維生素C能夠降低患感冒的風(fēng)險(xiǎn)，那通過(guò)日常飲食補(bǔ)充維生素C的人群，將比不補(bǔ)充維生素C人群患感冒的概率低，可以對(duì)其進(jìn)行結(jié)果預(yù)測(cè)的演繹推理來(lái)檢驗(yàn)假說(shuō)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能有3種：補(bǔ)充維生素C的人群比未補(bǔ)充人群更易患感冒，兩者相同亦或補(bǔ)充維生素C人群不易患感冒。如果補(bǔ)充維生素C者更易感冒，或者與沒(méi)有補(bǔ)充維生素C者相同，維生素C可以抵抗感冒的假說(shuō)即被否定，而如果補(bǔ)充維生素C者的確更少患感冒，可不可以認(rèn)為維生素C可以對(duì)抗感冒呢？不能。該結(jié)論僅僅是支持而非證實(shí)了該假說(shuō)而已。

維生素C攝入量與患感冒概率之間的關(guān)聯(lián)因素很多，關(guān)于降低感冒風(fēng)險(xiǎn)的備擇假說(shuō)有：經(jīng)常運(yùn)動(dòng)可以降低患感冒的概率。也許補(bǔ)充維生素C人群經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的可能性更大。如果該假說(shuō)正確，補(bǔ)充維生素C的人群的確比不補(bǔ)充的人群患感冒概率低，但這并不是因?yàn)橄惹凹僬f(shuō)(維生素C可以降低感冒風(fēng)險(xiǎn))為真，而是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)降低了感冒風(fēng)險(xiǎn)。

未被證偽而看似正確的假說(shuō)可能會(huì)被之后的實(shí)驗(yàn)證偽。下述即為補(bǔ)充維生素C降低感冒風(fēng)險(xiǎn)的真實(shí)假說(shuō)案例。1970年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Pauling在他的《維生素C與普通感冒》一書(shū)中對(duì)維生素C的功效進(jìn)行了論證并推廣。Pauling的推斷來(lái)源于19世紀(jì)30年代以來(lái)公開(kāi)發(fā)表的一系列研究結(jié)論：維生素C能夠大規(guī)模降低感冒發(fā)生率(45%)。然而，對(duì)于該假說(shuō)的重復(fù)檢驗(yàn)結(jié)果并不能支持它為真。在很多Pauling引用的研究中，出現(xiàn)了一個(gè)或多個(gè)能夠解釋維生素C補(bǔ)充者與未補(bǔ)充者感冒頻率不同的備擇假說(shuō)?，F(xiàn)在，絕大多數(shù)對(duì)普通感冒的研究表明，維生素C降低感冒風(fēng)險(xiǎn)這個(gè)假說(shuō)已證偽[4]。

3.2 實(shí)驗(yàn)法檢驗(yàn)科學(xué)假說(shuō) 實(shí)驗(yàn)法與觀察法、調(diào)查法等顯著的區(qū)別是：實(shí)驗(yàn)法要求在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前就必須有一個(gè)明確的科學(xué)假說(shuō)。實(shí)驗(yàn)假說(shuō)是實(shí)驗(yàn)者在長(zhǎng)期實(shí)踐、經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)因素與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間因果關(guān)系的一種假定性的推測(cè)?？茖W(xué)發(fā)展的歷史證明，任何一種科學(xué)理論的產(chǎn)生，都是經(jīng)過(guò)由科學(xué)的假說(shuō)到實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的驗(yàn)證才確立起來(lái)的。

有時(shí)假說(shuō)是能直接檢驗(yàn)的。例如，隨著冬天的到來(lái)，揚(yáng)子鱷代謝速率減慢。冬季是不可測(cè)量的，因?yàn)槎局辽侔鴾囟群腿照臻L(zhǎng)度等兩項(xiàng)最主要的變化?！半S著溫度的降低，揚(yáng)子鱷代謝速率減慢”就是個(gè)好的假說(shuō)，因?yàn)樽宰兞繙囟鹊慕档秃鸵蜃兞繐P(yáng)子鱷代謝速率減慢都是可定量測(cè)量的。

并不是所有的科學(xué)假說(shuō)都可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)的。例如，關(guān)于生命的起源或者恐龍的滅絕就不可用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，這類假說(shuō)必須通過(guò)對(duì)自然世界的原始模擬來(lái)檢驗(yàn)。

控制是實(shí)驗(yàn)法的本質(zhì)特征和精髓，沒(méi)有控制也就稱不上是實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)并控制用來(lái)檢驗(yàn)特定假說(shuō)的環(huán)境，控制無(wú)關(guān)變量，將實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組盡量置于相同的實(shí)驗(yàn)條件下。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)中科學(xué)家會(huì)控制特定條件讓現(xiàn)象發(fā)生。良好的控制是進(jìn)行推理的基礎(chǔ)，在良好控制的情況下，可將備擇假說(shuō)的數(shù)量減少到最低并且排除其對(duì)實(shí)驗(yàn)可能的影響，這樣才可以更好地解釋結(jié)果，找出變量之間的相關(guān)性?？茖W(xué)家在假說(shuō)檢驗(yàn)的過(guò)程中收集數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，進(jìn)而拒絕或接受該假說(shuō)。而當(dāng)很難或者不可能控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，科學(xué)家將會(huì)運(yùn)用相關(guān)性來(lái)檢驗(yàn)假說(shuō)。