第三讲 科学方法论： 观察、实验和科学发现的方法

1. 第三讲 科学方法论： 观察、实验和科学发现的方法 张新庆 北京协和医学院社科系 sheke07@126.com

2. 我国医学教育的一些缺憾 人文熏陶较少 过分强调了专业教育 求知中的功利导向 个性化思考遭压制 观念更新：树立正确的科学观、方法论，培养创造性思维 能力培养：综合力，判断力，信息处理力，应变力，开放意识 引言：做一名有哲学头脑的研究生

3. 为培养学生思考问题和应用知识的能力，2006年新修订的哈佛必修核心课程包括：为培养学生思考问题和应用知识的能力，2006年新修订的哈佛必修核心课程包括： 伦理学、世界社会（人类学和国家关系）、美国在世界的地位、经验推理和哲学 哲学—帮助人们应对日常生活中的混乱局面，认识未来人生将遭遇的问题间的联系。 国际教育前沿：哈佛的教学新理念

4. 思考题：哲学有助于你应对未来复杂的社会社会吗？思考题：哲学有助于你应对未来复杂的社会社会吗？ 药厂、医保机构 医院管理者 学术团体，消协 和医学会 现在和未来的你 患者及 家属 医生 政府 媒体 护士 政策法规制定者和执行者

5. 哲学原意是“爱智慧” • Philosophy：philia ＋sophia • Philia： “友爱”－－温和而理性的爱 • Agape：“博爱”－－无私的爱 • Eros： “情爱”－－本能冲动和浪漫的情怀 • Sophia：“智慧”

6. 定义：哲学的原意是“爱智慧” • 爱智＝拥有智慧 • 智慧起源于惊讶，凡事保持好奇 • 智慧来自生命的历练、理性的反省 • 爱智是人的天性

7. 哲学头脑：善于透过现象看本质 • “透过现象看本质”：是去掉事物的表象，抽取其本质属性，将个别经验纳入公共经验的过程。抽象的结果，就是形成能够在特定共同体中互相理解和交流的对象——概念、符号和模型等对象。 • 例如：冷热的个人经验，经过抽象，形成温度、热量等概念，可以用T、Q等符号来表示。这些抽象出的概念应该是公共的，即任何人都可以适度把握和经验的东西，否则不叫抽象，而叫臆想。

8. 练习：重新审视一下你熟知的“医患关系” 医患关系 医生和护士 病人及其 家属 医院和 医疗体制 • 对“医患关系”多维描述： • 从对象看：狭义的和广义的 • 从性质看： “行医和求医关系”、“信托关系”、“利益关系”、“伦理关系” • 从状态看：“和谐 vs. 不和谐”、“互信 vs. 敌对”、“稳定 vs. 不稳定” • 从动态看：传统的、改革开放前、社会主义市场经济条件下 • 从体制看：美国的、英国的和中国的

9. 科学哲学：通过对科学的目标、方法、标准、概念、定律和理论进行逻辑的、方法论的分析，从而试图理解科学的意义、方法和逻辑结构。科学哲学：通过对科学的目标、方法、标准、概念、定律和理论进行逻辑的、方法论的分析，从而试图理解科学的意义、方法和逻辑结构。 －－Klemke，Introductory Readings in the Philo of Science，1998 科学认识论：一个从感性认识到理性认识的复杂过程。从观察与实验中获得的科学事实材料，经过归纳、概括出概念，并由概念组成科学判断和推理，得出定律，再进行更高层次的概括，从而得出理论乃至原理。 科学方法论：科学认识中的基本方法研究。 掌握科学的认识论和方法论

10. 临床实践中的科学认识论 • 通过采集病史、体格检查、实验室检验等方法获得患者的基本信息。 • 通过影像辅助检测手段进一步获取研究和临床资料 • 运用医学理论和方法对临床资料进行加工、整理、升华，形成初步的诊断假说 • 进一步收集临床资料，再通过思维而逐渐达到对疾病的确诊和治疗。

11. 我知道了，科学方法论不过如此！ • “事后聪明式偏见”（hindsight bias） • 医学生需要了解所谓的”科学方法论“吗？与其被哲学家貌似深奥的“玄论”迷惑，不如静下心来致力于眼前的科学实验。“我早就知道观察实验方法了”。 • 但是，不少人并没有真正反省那些事后看起来“显而易见”的错误或弯路。常识总是在事后才被证明是正确的。 • 大科学家时常进行哲学反思，如：《爱因斯坦文集》、《生命是什么》、《现代科学前沿中的哲学问题》。 • Kuhn、Popper等人的思想对广大科技工作者影响深远。先天的成见。

12. 第三讲 获取科学事实的基本方法：观察和试实验 北京协和医学院社科系 张新庆 sheke07@126.com 密码：sheke07

13. 3.1.1 ”科学观察“的含义 （1）科学观察：通过感官或借助于科学仪器，有目的、有计划、有选择地感知和描述研究对象，获得科学事实的一种研究方法。 • 直接观察 vs. 间接观察 • 定性观察 vs. 定量观察

14. 3.1.1 科学观察的含义 • 17世纪，新科学的先驱诉诸经验观察和实验后，科学知识才不在是基于亚里士多德和圣经的权威。例如：伽利略用望远镜观察到木星的卫星 • 现代科学观察举例： 动物的迁徙 • 北极燕鸥夏季在北极繁殖，冬季到南极洲海岸越冬，那么，动物为何要迁徙？怎样识途？ • 动物定向－－太阳和星星；地磁场 • 选择路线－－利用视觉、嗅觉等评价环境信息，灵敏地判断

15. 观察要仔细，不错过任何 一个细节。细节决定成败。 据说能看出九张脸的智商有一百八十。

16. 动态观察的重要性 十二个人还是十三个人？（等一会儿）

17. 3.1.2 纯粹的观察观 • 实证主义者：对客观事实的纯粹观察。 • 科学是以客观事实为基础的细心的和无成见的观察，这是真的科学知识的可靠基础。-----孔德 • 逻辑实证主义：观察是绝对“中性的”，观察语言是最“公正”、“客观”的，因而是最“可靠”的理论；否则，就是“形而上学”空谈，应一律取消。 • 纯粹的观察观要点： a) 科学事实、定律和原理依赖于观察 b) 科学观察独立于理论 c) 观察中要排除各种理论的干扰

18. 在气体导电研究中，一个焦点问题是：阴极射线的本质是什么？在气体导电研究中，一个焦点问题是：阴极射线的本质是什么？ 克鲁克斯：试图拍摄下“阴极射线”，照相底版模糊不清，误以为胶片跑光。 1895年，伦琴在重复类似克鲁克斯的实验时，发现了一束微光(X-ray)打在荧光屏上. 纯粹观察的作用：阴极射线被发现的故事

19. 找到特定的观察场所，如：在偏远地区采集罕见遗传疾病样本。找到特定的观察场所，如：在偏远地区采集罕见遗传疾病样本。 “吃得苦中苦”，如：在原始部落生存。 无偏见地观察，如阴极射线的发现 纯粹观察并非易事

20. 20世纪50年代，探险家发现：新几内亚土著人症状初期身体震颤、四肢抽搐、发出可怕的笑声，最终瘫痪而死。20世纪50年代，探险家发现：新几内亚土著人症状初期身体震颤、四肢抽搐、发出可怕的笑声，最终瘫痪而死。 Gaidusek，哈佛大学的博士博士生，在这群土著人进行了长达12年的实地研究。 Gaidusek因发现了苦鲁病（笑病）的起源和传播机制而获1976年的诺贝尔奖。 案例：苦鲁病起源和传播机制

21. 苦鲁病起源和传播机制 • Gaidusek否定了遗传病的设想，因为同样有吃人习惯的其他部落并没有流行苦鲁病。但他观察到：苦鲁病同羊瘙痒病有同样的长潜伏期。 • 搜集了病人的脑样本，并开创性地接种到猩猩的大脑。12-14月后，部分猩猩有了苦鲁病症状，一些猩猩在8年后才有症状。 • 结论：病原不是微生物，而是一种侵入到大脑神经系统的迟延性病毒，它主要以脑组织为寄主。

22. 一个被观察到的罕见家庭 • 谢华堂湖北的一农民，他16岁的妹妹和20岁的弟弟已患病去世。1995年，谢华堂时常感到头痛、恶心、手足无力。4年后，谢华堂抛开相依为命的妻子吴莲香和两个年幼的女儿离开人间，那年他才刚刚38岁。此时，妻子吴莲香才醒悟：丈夫和他的弟妹患的病是一样的。 • 武汉同济医院的诊断结果：一种罕见的由于基因突变引发的家族性遗传病---血管网状细胞瘤（或多发性血管母细胞瘤）。 • 2001年，寄托着吴莲香惟一希望的大女儿谢娟也死在自己的怀里。谢娟去世后20天，武汉同济医院为小女儿谢秋荔也开出了一张‘死亡证书’。 2002年6月8日《京华时报》 启发：吴莲香和武汉同济医院大夫之间的观察有何不同？血管网状细胞瘤的产生机理是什么？国家是否要资助此类罕见疾病的研究？药厂是否愿意开发“孤本药物”？

23. 科学观察并非易事：肉眼的局限性 有几个黑点？

24. 视觉视觉经验（观察） 两个正常的观察者，从同一地方，在同一物理环境下观看同一物体，而且在视网膜上的映像是相同的，但并不一定有同样的视觉经验。 因为，视觉经验并非仅取决于进入观察者眼睛的信息，也不仅决定于观察者视网膜上的映像，而且受观察者的故有观念和理论影响。 纯粹观察观面临的挑战

25. 正楼梯？ 反楼梯？

26. 正楼梯还是反楼梯？ • 大多数人，在初看图时，看到的是一个正向的楼梯素描。 • 但这不是看它的唯一方式。也不难把它看作是反向的楼梯。 • 如果长时间的注视这张图，就会发现，所看到的东西在频繁地来回变换着，从正楼梯变为反楼梯，再变回到前者。

27. （1）一种科学常识 观察者在观看物体时得到的视觉经验，部分依赖于他过去的经验、知识、期望和观察者一般的内心状态。 地心说 vs.日心说 大陆漂移学说 3.1.3 观察渗透理论

28. 3.1.3 观察渗透理论 （2）汉森的观点 • 20世纪60年代，汉森从心理学上研究科学发现逻辑。在《发现的模式》一书中，他致力研究科学家在实际上如何发现定律、理论以及进行假说的实际历史事件和具体情形。 • 汉森认为：由于观察主体所持的理论观点的不同，观察总是受某种理论的作用而有所偏向，纯粹的观察并不存在。汉森观点的英文原名为Theory-Laden，直译为“理论负荷论”，通译为“观察渗透理论”。

29. 3.1.3 观察渗透理论 （2）汉森的观点 • 观察者并非对观察对象“刺激”的消极的机械反应，而是受其故有理论的影响和支配。观察者的理论分歧程度小，则观察结果的差异也小；理论如果相对立，则可能会把同一对象看成相当不同的东西。 • 观察的物理和心理过程不同，眼睛从观察对象得到光刺激而形成的视网膜印象，是物理过程；“看到”却是一种视觉经验，这已经属于心理过程——它除了接受外来的光刺激之外，还受到观察者的理论体系，过去知识和经验的影响。 • 汉森指出，逻辑实证主义者只看到观察的物理过程，而忽视其心理过程，所以误以为观察是“中性的”、机械的反应。

30. 3.1.3 观察渗透理论 （2）汉森的观点 • 理论对观察的影响并非后加的，而是观察者接受光刺激而发生物理反应同时进行的。 • 与可观察的实物或图样是用语言表述的，不同的语言有不同的语言结构，不同的语言结构与不同的理论结构相关，使人们对同一事实引起不同的感受。

31. 3.1.3 观察渗透理论 （3）观察渗透理论例举 • 开普勒与第谷天文学理论截然不同——前者深信日心说，而后者坚持地心说，结果看到截然不同的景象，第谷看到太阳从东方向上升起，地面是不动的；开普勒却看到太阳是不动的，认为只因地球转动才使人们看到太阳。 • 观察结果须借助语言表达出来，形成所谓“观察陈述”。观察陈述往往要借助基于某种理论的语言来构成。理论或概念的框架有多精确，观察陈述也就有多精确。在这个意义上，理论先于观察。 • 观察陈述用科学语言表述.如，彩虹：光谱、波长、光学测量仪… • 肺部X光照片：阴影、线条 • 牛顿；从苹果落地到万有引力的发现

32. 3.1.3 观察渗透理论 （4）理论和观察陈述的可错性 • 如果观察者依赖的理论假设是错误的，那么观察陈述也是不可靠的。 • 某些野餐者在高山顶上烧火做饭，朝营火看了一眼，观察到“水已经沸腾，可以沏茶了”，然而，当他们品尝了所沏的茶时，发现自己错了。错误来自于假定的理论：沸水可以泡茶，而这一理论对于处在高海拔地区低压下的“沸”水不再适用。 • 理论的错误，导致了观察陈述的错误。

33. 3.2 科学的实验方法

34. 3.2.1 引言：近现代医学研究从“医院医学”向“实验医学”的转型

35. 1794年以后的50年，医院逐渐成为医学教育和研究的中心，医学知识的庇护所，医学权威的堡垒。1794年以后的50年，医院逐渐成为医学教育和研究的中心，医学知识的庇护所，医学权威的堡垒。 医学必须在医院里教授。《医生的临床训练》（【法】皮内尔，1793） （1）医院医学

36. 19世纪以前，医生用羽茎作静脉注射。 1930年，金属真空针出现。 图为各种注射针和备件 利其器：西方早期的医疗器械

37. （2）贝尔纳：实验医学的倡导者 • Laboratory一词始于17世纪，指化学研究（主要是炼金）的场所。1850年后实验室才开始对医学研究和教育有影响。以研究为谋生手段的医学科学家出现了。 • 贝尔纳：科学研究在临床医学中的决定性作用。 • 我以为医院只是通往科学的医学的入口。它们是医生开始观察的第一场所；但医学科学真正的圣所却在实验室；只有这样，医生才能通过实验分析对正常状态和病例状态下的生命做出解释。《实验医学研究概况》（ 【法】贝尔纳，1865）

38. 贝尔纳：实验医学的倡导者 • 贝尔纳指出了医院医学的两个局限性： • 作为一门观察科学，医院医学完全是被动的，对病理的揭示和诊治方法的探究主要建立在医生不自觉的认识中。 • 在病床前，存在太多的不确定因素，病人的病情千差万别，无法获得对疾病的精确理解。 • （注：注意 “治疗”和 “研究”的区别） • 贝尔纳提出了实验医学的三大支柱：生理学、病理学和药理学。只有在动物实验基础上，掌握病理生理和药理原理之后，才能弄清病因，找到合理的诊疗方法。

39. （3）缪勒—德国实验生理学的标志人物 • 19世纪医学科学的一个特征是：实验生理学的诞生。 • 【德】缪勒是一个有天赋的动物实验者，他的《生理学手册》（1833-1840）涵盖了生理学、解剖学、胚胎学、形态学等。他喜欢向学生灌输的思想是：“学会用显微镜观察！” • 1847年，他的学生宣布生理学的目的是用物理和化学的规律解释所有生命现象。设计了不少新的仪器记录和分析各种数据，了解生物本身故有的基本状况，如：血压的波动或肌肉收缩。

40. （4）巴斯德—法国实验医学的杰出代表 • 19世纪最著名的法国医学科学家巴斯德（1822-1895） ，是微生物学家，而不是一位临床医生。这象征着科学对医学的重要性在加强。 • 研究了“自然发生说”， • 研究发酵的性质，以及微生物在牛奶酸败、肉腐烂现象中的作用； • 研究葡萄酒和啤酒的酿造 • 研究微生物和患病的关系 • 研究传染和免疫的本质 • 研究传染病的预防和治疗

41. （5）韦尔奇：美国实验医学的早期代表 • 19世纪80年代，到将德语的大学学习医学的美国人有1.5万人，包括病理学家韦尔奇。 • 一直任教于霍普金斯大学的韦尔奇，创办了《实验医学》杂志。 • （1850-1934）1876年约翰霍普金斯大学落成典礼，1889年向病人开放，1993年医学院成立。 • 20世纪初，Flexner的医学院改革报告后，霍普金斯大学和哈佛大学实施了“医学院和附属医院合一的办学模式。”

42. （6）协和模式：教学、科研和临床一体化 • 1917年，北京协和医学院成立，1921年协和医院开门。 • 我国医学教育的楷模:医学院+附属医院 • 医学大师：林巧稚、吴阶平、张孝骞

43. 3.2.2 科学实验的一般知识 （1）含义 • ”实验“就是运用适当的研究工具，通过人为控制、干预或模拟自然现象，排除次要因素，突出主要因素，探索自然规律的方法。 • 实验是“拷问自然”，它突破了单纯自然观察的局限，在有意识地变革自然中去认识自然，有利于发挥人的主观能动性。

44. 1665年，英国人开始在狗身上进行输血试验。 1967年，法国医生将羊血输到人体内后人复活，但1668年后的另一名患者输血后死亡。 1921年法国《小周刊》上的插图：标题为“医生的英雄行为。” Landsteiner因发现了血型，获得1930年诺贝尔奖。 医生的英雄行为 有关血型的人体试验

45. 3.2.2 科学实验的一般知识 （2）实验方法的优点 • 简化和纯化实验对象，突出了主要矛盾或主要因素，有利于认识的聚焦。 • 强化实验对象，使之处于某种极限状态中，有利于揭示新的自然规律。 • 比较经济、可靠。例如：模拟实验能避免危险，减小损失；果蝇实验使得研究周期缩短。

46. 30年代初期,野心勃勃的日本年轻军医石井四郎极力鼓吹细菌武器制胜论,在日本军方的大力支持下建立了300人的细菌实验室。1932年,日本在哈尔滨郊区建立了“关东军防疫给水部”,后来迁至平坊,命名为“731部队”, 即石井的“死亡工厂”。 “731部队”在爱国者、战俘、平民身上进行了骇人听闻的活体实验, 包括烈性传染病、化学武器、冻伤等,惨死的受害者达3000~12000人,进入“死亡工厂”者无一生还。 731细菌部队的人体试验

47. 731细菌部队的人体试验 • “731部队”是巨大的细菌工厂, 拥有超大容量孵育器, 能在几天内培育生产4亿亿个致病菌。人体实验包括鼠疫,天花,霍乱,伤寒,斑疹伤寒,脑膜炎,白喉,破伤风,炭疽, 流行性出血热,结核,冻伤,毒气,减压舱等。 • 实验手段极为残忍,包括用细菌感染病人后进行活体解剖并放血致死,再取器官组织进行研究;在 –40°C令受害者脱光衣服进行野外冻伤实验等。

48. 3.2.2 科学实验的一般知识 （3）实验的基本类型 • 定性实验：判定某因素是否存在，某些因素之间是否有关联。 • 定量实验：测定某种对象的数值，或确定某些因素之间的数量关系。 • 模拟实验：用物理或数学（计算机模拟）的方式预测或再现真实的过程。

49. （4）科学实验的判定功能 亚里士多德：落体的速度受它们各自的重量制约：例如，重两磅的石头下落的速度比重一磅的快两倍。伽利略则宣称，重量与物质无关；两个重量不等的物体同时到达地面。伽利略在比萨斜塔上的实验表明两个不同重量的球均匀落下，同时落地。 3.2.2 科学实验的一般知识

50. 3.2.2 科学实验的一般知识 （4）科学实验的判定功能 • 在自然科学领域，假说和理论正确与否，最终必须靠科学实验的裁决。在爱因斯坦看来，事实评价标准是科学理论的“最高判据”，它唯一地决定着理论的“生存权”。 • 一般情况下，一个假说或理论解释的科学事实越多、越准确，其科学价值就越大。