生物科学探究实验中的假说

张海银

(广东省深圳市坪山新区教科研中心 518118)

姚 舒

(首都师范大学生物科学学院 北京 100048)

《义务教育生物课程标准(2011年版)》中明确提出要培养学生的生物科学探究能力，其中包括培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力，以及培养学生掌握各种科学方法(如假说、实验条件的控制等)，可见提出假说是生物科学探究中的重要环节。

生物学教材中假说的概念是人们以一定的经验材料和已知的事实为依据，以已有的科学理论和技术方法为指导，对未知的自然事物或现象产生的原因及其变化规律所作出的推测或假定性解释[1,2]。假说是研究者从理论框架和研究目的以及对所要研究的变量进行分析以后提出来的，是对所要研究的变量之间关系的一种假定。因此，一般至少应包含两个变量，并说明变量之间的某种关系。又因为假说是问题解决的可能答案，假说的句型结构不是问句，而是陈述句，且是描述因变量随着自变量变化的定量或定性关系的陈述句。所以，完整的假说句型通常为“如果，那么。”或“如果，则。”

中学生提出的实验假说通常包含两种类型：归纳概括型和解释说明型[3]。此时，教师不仅要能以敏锐的眼光迅速对学生提出的假说进行价值上的判断，而且要以宽广的视角引导学生提出高质量的假说，并对不同假说做出科学的分析和评估。然而，在实际教学中要达到上述要求尚存在着一定的难度。一方面是学生对假说的概念内涵、特征、假说与实验设计的关系和假说提出的逻辑过程等不清楚；另一方面中学生提出假说是在比较开放的情境下进行的，生成性强，复杂程度高，教师难以在有限时间内对其进行及时、合理的评价。

现就上述问题进行阐述，以期为生物科学探究实验设计中的假说的分析和评估提供一些有益的参考。

1 假说与实验设计的关系

假说是实验设计的指导思想，实验设计的目的是要检验假说。多数实验测定2个(组)因子之间的决定和被决定关系，当改变自变量时，观察因变量的相应变化。一个好的假说将变量之间的关系描述得很清楚。在完整的假说中，还要陈述这种关系对于实验结果的影响。

例如，如果肥料的施用能加速水藻的生长。那么，施用肥料的水藻与未施用肥料的水藻相比，会长得更快。这个假说为有效假说吗？当然是。因为它描述肥料的施用与水藻生长的关系，在假说被检验为正确的情况下，也描述对于实验结果的预期。那么，什么样的假说在生物科学探究中是可用的、或不好的假说？现列表对比如下(表1)。

表1 基于3种不同科学事实的3类假说的比较

有时假说是不可测量的，这不是因为假说与实验设计的逻辑关系不一致，也不是因为假说本身不可使用，而是限于特定时期的实验技术和手段。一个好的假说总是要求实验者能在现有技术手段的前提下完成相应的实验设计，而不是超出现有技术。但是，伟大的科学家总是能够通过巧妙的实验设计，来弥补实验技术的不足，使得实验能够顺利地进行。众所周知，遗传学家孟德尔的豌豆实验的假说和设计就是超越时代的。

又如，20世纪初德国生理学家Loewi观察到用电流剌激迷走神经，蛙心跳动减慢。他思考着:是迷走神经受电流剌激后产生的电信号直接导致心跳减慢，还是由于神经受电流剌激后分泌了某种化学物质导致了心跳减慢。这就是个假说，但当时的电生理技术是难以用来设计实验验证这个假说，这就是生物学史上常有的超时代的假说与当时相对落后的实验手段之间的矛盾。然而，Loewi经过17年的探究，精心设计的“双蛙心实验”解决了这个问题。他解剖了2只青蛙，取出心脏，1只连着迷走神经，1只剥离掉神经，将2只蛙心通过导管连接起来，实施生理盐水的灌流，剌激带有迷走神经的蛙心，被灌流的蛙心跳动会减慢。

2 提出假说的逻辑过程

假说是对观察做出的解释，基于现象生成的假说都来源于人们对于自然的理解。假说的产生首先来源于对外界的观察，进而产生了疑问，最后生成假说，这一过程需要想象、直觉、机遇、逻辑、经验和先前科学结论的参与。如何提出假说是重要的科学技能，更是科学智慧。既有科学合理的知识结构作为基础，又有对于科学假说概念内涵和外延的深刻把握，更重要的是对影响生命活动的内外因素相互关系的直接洞察。假说的生成步骤一般包括以下[4]：

2.1 收集材料 为假说提供客观事实或实验材料，这里所说的实验材料是广义的，根据实验目的或研究课题，对于实验材料的收集，最主要的问题是对于材料的取舍。表面看这是个看得见摸得着的非思维过程，但实际上是个选择和淘汰的逻辑过程。这与研究者的学术背景、思维方式甚至个人喜好都有直接或间接的关系。

2.2 提出基本观念 即提出可以作为假说核心的基本事实和基本原理。对第一阶段获得的客观事实如何解释是这一阶段的中心，也是假说提出的关键。在这里，实验者的主体性和想象力得到充分体现。

2.3 从基本观念推导出假说的具体内容 这是在前两个过程的基础上制定出假说的具体内容的过程，作用包括对已知事实的解释和科学预见。

这三个过程不是彼此分割的，而是互相联系的：第一过程是假说的出发点和客观依据；第二个过程是假说基本观点的提出；第三个过程是假说具体内容的确定。假说的提出是一个依据感性材料做出理性思考的过程，在这个过程中科学思维起着重要的作用。

3 假说的检验

3.1 只能“被证伪”的假说 按照假说的形式，提出一个关于维生素C的假说：如果维生素C能够降低患感冒的风险，那通过日常饮食补充维生素C的人群，将比不补充维生素C人群患感冒的概率低，可以对其进行结果预测的演绎推理来检验假说。

实验结果可能有3种：补充维生素C的人群比未补充人群更易患感冒，两者相同亦或补充维生素C人群不易患感冒。如果补充维生素C者更易感冒，或者与没有补充维生素C者相同，维生素C可以抵抗感冒的假说即被否定，而如果补充维生素C者的确更少患感冒，可不可以认为维生素C可以对抗感冒呢？不能。该结论仅仅是支持而非证实了该假说而已。

维生素C摄入量与患感冒概率之间的关联因素很多，关于降低感冒风险的备择假说有：经常运动可以降低患感冒的概率。也许补充维生素C人群经常运动的可能性更大。如果该假说正确，补充维生素C的人群的确比不补充的人群患感冒概率低，但这并不是因为先前假说(维生素C可以降低感冒风险)为真，而是因为运动降低了感冒风险。

未被证伪而看似正确的假说可能会被之后的实验证伪。下述即为补充维生素C降低感冒风险的真实假说案例。1970年诺贝尔化学奖获得者Pauling在他的《维生素C与普通感冒》一书中对维生素C的功效进行了论证并推广。Pauling的推断来源于19世纪30年代以来公开发表的一系列研究结论：维生素C能够大规模降低感冒发生率(45%)。然而，对于该假说的重复检验结果并不能支持它为真。在很多Pauling引用的研究中，出现了一个或多个能够解释维生素C补充者与未补充者感冒频率不同的备择假说。现在，绝大多数对普通感冒的研究表明，维生素C降低感冒风险这个假说已证伪[4]。

3.2 实验法检验科学假说 实验法与观察法、调查法等显著的区别是：实验法要求在实验开始前就必须有一个明确的科学假说。实验假说是实验者在长期实践、经验积累的基础上对实验因素与实验结果之间因果关系的一种假定性的推测。科学发展的历史证明，任何一种科学理论的产生，都是经过由科学的假说到实验和实践的验证才确立起来的。

有时假说是能直接检验的。例如，随着冬天的到来，扬子鳄代谢速率减慢。冬季是不可测量的，因为冬季至少包含着温度和日照长度等两项最主要的变化。“随着温度的降低，扬子鳄代谢速率减慢”就是个好的假说，因为自变量温度的降低和因变量扬子鳄代谢速率减慢都是可定量测量的。

并不是所有的科学假说都可通过实验来检验的。例如，关于生命的起源或者恐龙的灭绝就不可用实验来验证，这类假说必须通过对自然世界的原始模拟来检验。

控制是实验法的本质特征和精髓，没有控制也就称不上是实验。实验需要设计并控制用来检验特定假说的环境，控制无关变量，将实验组和对照组尽量置于相同的实验条件下。一般来说，实验中科学家会控制特定条件让现象发生。良好的控制是进行推理的基础，在良好控制的情况下，可将备择假说的数量减少到最低并且排除其对实验可能的影响，这样才可以更好地解释结果，找出变量之间的相关性。科学家在假说检验的过程中收集数据、得出结论，进而拒绝或接受该假说。而当很难或者不可能控制实验时，科学家将会运用相关性来检验假说。