生物科學探究實驗中的假說

張海銀

(廣東省深圳市坪山新區(qū)教科研中心 518118)

姚 舒

(首都師范大學生物科學學院 北京 100048)

《義務教育生物課程標準(2011年版)》中明確提出要培養(yǎng)學生的生物科學探究能力，其中包括培養(yǎng)學生提出問題、分析問題和解決問題的能力，以及培養(yǎng)學生掌握各種科學方法(如假說、實驗條件的控制等)，可見提出假說是生物科學探究中的重要環(huán)節(jié)。

生物學教材中假說的概念是人們以一定的經(jīng)驗材料和已知的事實為依據(jù)，以已有的科學理論和技術(shù)方法為指導，對未知的自然事物或現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及其變化規(guī)律所作出的推測或假定性解釋[1,2]。假說是研究者從理論框架和研究目的以及對所要研究的變量進行分析以后提出來的，是對所要研究的變量之間關系的一種假定。因此，一般至少應包含兩個變量，并說明變量之間的某種關系。又因為假說是問題解決的可能答案，假說的句型結(jié)構(gòu)不是問句，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系的陳述句。所以，完整的假說句型通常為“如果，那么。”或“如果，則。”

中學生提出的實驗假說通常包含兩種類型：歸納概括型和解釋說明型[3]。此時，教師不僅要能以敏銳的眼光迅速對學生提出的假說進行價值上的判斷，而且要以寬廣的視角引導學生提出高質(zhì)量的假說，并對不同假說做出科學的分析和評估。然而，在實際教學中要達到上述要求尚存在著一定的難度。一方面是學生對假說的概念內(nèi)涵、特征、假說與實驗設計的關系和假說提出的邏輯過程等不清楚；另一方面中學生提出假說是在比較開放的情境下進行的，生成性強，復雜程度高，教師難以在有限時間內(nèi)對其進行及時、合理的評價。

現(xiàn)就上述問題進行闡述，以期為生物科學探究實驗設計中的假說的分析和評估提供一些有益的參考。

1 假說與實驗設計的關系

假說是實驗設計的指導思想，實驗設計的目的是要檢驗假說。多數(shù)實驗測定2個(組)因子之間的決定和被決定關系，當改變自變量時，觀察因變量的相應變化。一個好的假說將變量之間的關系描述得很清楚。在完整的假說中，還要陳述這種關系對于實驗結(jié)果的影響。

例如，如果肥料的施用能加速水藻的生長。那么，施用肥料的水藻與未施用肥料的水藻相比，會長得更快。這個假說為有效假說嗎？當然是。因為它描述肥料的施用與水藻生長的關系，在假說被檢驗為正確的情況下，也描述對于實驗結(jié)果的預期。那么，什么樣的假說在生物科學探究中是可用的、或不好的假說？現(xiàn)列表對比如下(表1)。

表1 基于3種不同科學事實的3類假說的比較

有時假說是不可測量的，這不是因為假說與實驗設計的邏輯關系不一致，也不是因為假說本身不可使用，而是限于特定時期的實驗技術(shù)和手段。一個好的假說總是要求實驗者能在現(xiàn)有技術(shù)手段的前提下完成相應的實驗設計，而不是超出現(xiàn)有技術(shù)。但是，偉大的科學家總是能夠通過巧妙的實驗設計，來彌補實驗技術(shù)的不足，使得實驗能夠順利地進行。眾所周知，遺傳學家孟德爾的豌豆實驗的假說和設計就是超越時代的。

又如，20世紀初德國生理學家Loewi觀察到用電流剌激迷走神經(jīng)，蛙心跳動減慢。他思考著:是迷走神經(jīng)受電流剌激后產(chǎn)生的電信號直接導致心跳減慢，還是由于神經(jīng)受電流剌激后分泌了某種化學物質(zhì)導致了心跳減慢。這就是個假說，但當時的電生理技術(shù)是難以用來設計實驗驗證這個假說，這就是生物學史上常有的超時代的假說與當時相對落后的實驗手段之間的矛盾。然而，Loewi經(jīng)過17年的探究，精心設計的“雙蛙心實驗”解決了這個問題。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只蛙心通過導管連接起來，實施生理鹽水的灌流，剌激帶有迷走神經(jīng)的蛙心，被灌流的蛙心跳動會減慢。

2 提出假說的邏輯過程

假說是對觀察做出的解釋，基于現(xiàn)象生成的假說都來源于人們對于自然的理解。假說的產(chǎn)生首先來源于對外界的觀察，進而產(chǎn)生了疑問，最后生成假說，這一過程需要想象、直覺、機遇、邏輯、經(jīng)驗和先前科學結(jié)論的參與。如何提出假說是重要的科學技能，更是科學智慧。既有科學合理的知識結(jié)構(gòu)作為基礎，又有對于科學假說概念內(nèi)涵和外延的深刻把握，更重要的是對影響生命活動的內(nèi)外因素相互關系的直接洞察。假說的生成步驟一般包括以下[4]：

2.1 收集材料 為假說提供客觀事實或?qū)嶒灢牧希@里所說的實驗材料是廣義的，根據(jù)實驗目的或研究課題，對于實驗材料的收集，最主要的問題是對于材料的取舍。表面看這是個看得見摸得著的非思維過程，但實際上是個選擇和淘汰的邏輯過程。這與研究者的學術(shù)背景、思維方式甚至個人喜好都有直接或間接的關系。

2.2 提出基本觀念 即提出可以作為假說核心的基本事實和基本原理。對第一階段獲得的客觀事實如何解釋是這一階段的中心，也是假說提出的關鍵。在這里，實驗者的主體性和想象力得到充分體現(xiàn)。

2.3 從基本觀念推導出假說的具體內(nèi)容 這是在前兩個過程的基礎上制定出假說的具體內(nèi)容的過程，作用包括對已知事實的解釋和科學預見。

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

3 假說的檢驗

3.1 只能“被證偽”的假說 按照假說的形式，提出一個關于維生素C的假說：如果維生素C能夠降低患感冒的風險，那通過日常飲食補充維生素C的人群，將比不補充維生素C人群患感冒的概率低，可以對其進行結(jié)果預測的演繹推理來檢驗假說。

實驗結(jié)果可能有3種：補充維生素C的人群比未補充人群更易患感冒，兩者相同亦或補充維生素C人群不易患感冒。如果補充維生素C者更易感冒，或者與沒有補充維生素C者相同，維生素C可以抵抗感冒的假說即被否定，而如果補充維生素C者的確更少患感冒，可不可以認為維生素C可以對抗感冒呢？不能。該結(jié)論僅僅是支持而非證實了該假說而已。

維生素C攝入量與患感冒概率之間的關聯(lián)因素很多，關于降低感冒風險的備擇假說有：經(jīng)常運動可以降低患感冒的概率。也許補充維生素C人群經(jīng)常運動的可能性更大。如果該假說正確，補充維生素C的人群的確比不補充的人群患感冒概率低，但這并不是因為先前假說(維生素C可以降低感冒風險)為真，而是因為運動降低了感冒風險。

未被證偽而看似正確的假說可能會被之后的實驗證偽。下述即為補充維生素C降低感冒風險的真實假說案例。1970年諾貝爾化學獎獲得者Pauling在他的《維生素C與普通感冒》一書中對維生素C的功效進行了論證并推廣。Pauling的推斷來源于19世紀30年代以來公開發(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，對于該假說的重復檢驗結(jié)果并不能支持它為真。在很多Pauling引用的研究中，出現(xiàn)了一個或多個能夠解釋維生素C補充者與未補充者感冒頻率不同的備擇假說?，F(xiàn)在，絕大多數(shù)對普通感冒的研究表明，維生素C降低感冒風險這個假說已證偽[4]。

3.2 實驗法檢驗科學假說 實驗法與觀察法、調(diào)查法等顯著的區(qū)別是：實驗法要求在實驗開始前就必須有一個明確的科學假說。實驗假說是實驗者在長期實踐、經(jīng)驗積累的基礎上對實驗因素與實驗結(jié)果之間因果關系的一種假定性的推測。科學發(fā)展的歷史證明，任何一種科學理論的產(chǎn)生，都是經(jīng)過由科學的假說到實驗和實踐的驗證才確立起來的。

有時假說是能直接檢驗的。例如，隨著冬天的到來，揚子鱷代謝速率減慢。冬季是不可測量的，因為冬季至少包含著溫度和日照長度等兩項最主要的變化?！半S著溫度的降低，揚子鱷代謝速率減慢”就是個好的假說，因為自變量溫度的降低和因變量揚子鱷代謝速率減慢都是可定量測量的。

并不是所有的科學假說都可通過實驗來檢驗的。例如，關于生命的起源或者恐龍的滅絕就不可用實驗來驗證，這類假說必須通過對自然世界的原始模擬來檢驗。

控制是實驗法的本質(zhì)特征和精髓，沒有控制也就稱不上是實驗。實驗需要設計并控制用來檢驗特定假說的環(huán)境，控制無關變量，將實驗組和對照組盡量置于相同的實驗條件下。一般來說，實驗中科學家會控制特定條件讓現(xiàn)象發(fā)生。良好的控制是進行推理的基礎，在良好控制的情況下，可將備擇假說的數(shù)量減少到最低并且排除其對實驗可能的影響，這樣才可以更好地解釋結(jié)果，找出變量之間的相關性?？茖W家在假說檢驗的過程中收集數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，進而拒絕或接受該假說。而當很難或者不可能控制實驗時，科學家將會運用相關性來檢驗假說。