假设驱动科学研究的一般模式.pdf

卢宝荣卢宝荣 复旦大学复旦大学 生命科学学院生命科学学院 科学研究方法与论文写作科学研究方法与论文写作 Scientific Methodology & Scientific Paper Writing 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 3. 假假设驱动：科学研究的一般模设驱动：科学研究的一般模式式 科学研究是在正确的时间提出科学研究是在正确的时间提出 正确的问题并使问题得以验证和正确的问题并使问题得以验证和 解释。解释。 Lu 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 基础科学研究的六步法则基础科学研究的六步法则 3. 建立假设建立假设 4. 验证假设验证假设 5. 建立理论建立理论 2. 获取事实获取事实 1. 选题选题 （科学问题）（科学问题） 6. 理论验证理论验证/ 评价（社会）评价（社会） 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 以假设为以假设为驱动的科学研究方驱动的科学研究方法法 - - 结论结论 - - 发现发现 - - 理论理论 科学问题科学问题 科学假设科学假设 假设验证假设验证 ( (实验设计实验设计& &实施实施) ) 分析分析 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 提出提出科学问题科学问题是研究的是研究的 第一步！第一步！ 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 3.1 提出科学问题提出科学问题 提出问题往往比解决问题更重要，因为提出问题往往比解决问题更重要，因为 解决问题也许是一个数学上或试验上的技解决问题也许是一个数学上或试验上的技 能而已。而提出新问题，则需要有创造性能而已。而提出新问题，则需要有创造性 和想象力，而且标志着科学的真正进步。和想象力，而且标志着科学的真正进步。 爱因斯坦爱因斯坦 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 以假设为以假设为驱动的科学研究方驱动的科学研究方法法 - - 结论结论 - - 发现发现 - - 理论理论 科学问题科学问题 科学假设科学假设 假设验证假设验证 ( (实验设计实验设计& &实施实施) ) 分析分析 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 如何提出科学问题如何提出科学问题 ? ? 学习、观察、思考学习、观察、思考 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 伽利略的困惑？伽利略的困惑？ 亚里士多亚里士多德德的物体运动理论：的物体运动理论： 分为“自然运动”和“人为运动”分为“自然运动”和“人为运动” 地球中心地球中心物体向地运动物体向地运动 重的物体下落快，轻的物体下落慢重的物体下落快，轻的物体下落慢 亚里士多德亚里士多德 公元前公元前384384年年- -322322 古希腊的哲学家古希腊的哲学家 人人为运动和自然运动无大差别为运动和自然运动无大差别 轻的物体和重的物体绑在一起下落，轻的物体和重的物体绑在一起下落， 是更快还是更慢？是更快还是更慢？ 指出亚里士多德的重物体掉落速度快指出亚里士多德的重物体掉落速度快 于轻物体的主张是错误的于轻物体的主张是错误的 伽利略伽利略 15641564- -16421642 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 A. 科学问题的种类科学问题的种类 What? 事物的属性（事物的属性（Pattern） How? 事物之间的运动规律事物之间的运动规律 （Process） Why? 事物运动规律的本质或事物运动规律的本质或 机制机制 （Mechanism） 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 B. 提出科学问题重要的原则提出科学问题重要的原则 科学性科学性（Scientifically solid） 创新性创新性（Novelty） 重要性重要性（Values & importance）重）重 大理论价值大理论价值/社会需求（社会需求（scientific & social values） 可验证性可验证性 （Feasibility） 普适性普适性（generalizability） 联系联系性性（interconnectedness） 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 提出的科学问题：提出的科学问题： 简单简单 明确、无歧明确、无歧意意 可验证可验证 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 C. 科学问题的来源科学问题的来源 观察观察 探索分析探索分析 实践经验实践经验 意外实验结果意外实验结果 思考思考 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 找到导致找到导致科学问题科学问题的原因并的原因并 将其转化为将其转化为科学假设科学假设 原因原因 问题问题? ? 123.Ranking 假设假设 提出问题提出问题: : Brainstorming 讨论讨论 分析分析 争辩争辩 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 Questions 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 提出科学问题提出科学问题 与稻米相关的案例与稻米相关的案例 案例分析案例分析-1 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 提出科学问题提出科学问题 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 What is weedy rice (杂草稻杂草稻)? 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 杂草稻杂草稻: 稻田中长得像水稻但是杂稻田中长得像水稻但是杂 草的植物草的植物 杂草稻对水稻生产带来很多问题杂草稻对水稻生产带来很多问题 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 杂草性杂草性 种子落粒性种子落粒性 种子休眠性种子休眠性 红色种皮红色种皮 芒芒 杂草稻的性状杂草稻的性状 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 问题问题 ? 我国北部采集的杂草稻能立即萌发我国北部采集的杂草稻能立即萌发 也没有诱导的二次休眠性也没有诱导的二次休眠性 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 Three questions ? 1.Do seeds of all WR have dormancy ? 2.If not, can non-dormant WR seeds survive through winter ? 3.If yes, what mechanisms regulate WR seed germination after fall into soil ? 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 D. Brain storming practice Formulate a scientific question 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 关于雾霾的空气关于雾霾的空气 ? Question 1 ? Question 2 ? Question 3 ? ? 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 科学问题头脑风暴小结科学问题头脑风暴小结 雾霾多发城市之间有哪些共性？雾霾多发城市之间有哪些共性？ 雾霾与城市化过程有何关系？雾霾与城市化过程有何关系？ 雾霾在全国分布的特点如何？雾霾在全国分布的特点如何？ 城市整体设计结构是否影响雾霾的形成？城市整体设计结构是否影响雾霾的形成？ 雾霾对呼吸道疾病发病率有何影响？雾霾对呼吸道疾病发病率有何影响？ 雾霾中引起呼吸道疾病的主要成分有哪些？雾霾中引起呼吸道疾病的主要成分有哪些？ 雾霾浓度与持续时间对人体的影响程度如何？雾霾浓度与持续时间对人体的影响程度如何？ 雾霾引起心血管疾病的机制是什么？雾霾引起心血管疾病的机制是什么？ 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 3.2 提出科学假设提出科学假设 只要自然科学在思维着，它的只要自然科学在思维着，它的 发展形式就是假设。发展形式就是假设。 恩格斯恩格斯 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 勒内勒内笛卡尔笛卡尔 1596-1650 勒内勒内笛卡尔笛卡尔 法国哲学家、数学家、物理学家法国哲学家、数学家、物理学家 “现代哲学之父”“现代哲学之父” “我思故我在”“我思故我在” “越学习，越发现自己的无知”“越学习，越发现自己的无知” 探索真理的指导原则探索真理的指导原则 建立科学理论时，首先要建立科学理论时，首先要提出假设提出假设 由假设由假设推出某些结论推出某些结论 如结论与实验如结论与实验符合符合，则，则假设为真假设为真 反之，反之，假设就要修改假设就要修改 验证假设的特点：验证假设的特点：1） 证伪性，证伪性，2） 预见性预见性 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 以假设为以假设为驱动的科学研究方驱动的科学研究方法法 - - 结论结论 - - 发现发现 - - 理论理论 科学问题科学问题 科学假设科学假设 假设验证假设验证 ( (实验设计实验设计& &实施实施) ) 分析分析 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 提出提出科学假设科学假设是研究的是研究的 第二步！第二步！ 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 Formulate a scientific hypothesis ? Turning the causes of a scientific question into hypothesis 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 找到导致找到导致科学问题科学问题的原因并的原因并 将其转化为将其转化为科学假设科学假设 原因原因 问题问题? ? 123.Ranking 假设假设 提出问题提出问题: : Brainstorming 讨论讨论 分析分析 争辩争辩 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 A statement of expected results A possible response (prediction) to the research question hypothesis & theory are often used as synonym in informal usage A hypothesis is untested theory A. 什么是假设（假说）什么是假设（假说） 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 假设（假设（Hypothesis） 对现象本质及其规律性作出的对现象本质及其规律性作出的推测推测或或假定假定 Hypothesis (H1)：科研中根据事实提出的科研中根据事实提出的 假定说明假定说明 A proposed relationship for an observed phenomenon (reason) Null hypothesis (H0)：两件事情之间没有两件事情之间没有 关系的假定说明关系的假定说明 No relationship between two measured phenomena (accidental) 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 G. Mendel 的豌豆实验的豌豆实验 推理和实验结合的典范推理和实验结合的典范 (A) 提出问题提出问题 (B) 建立假设建立假设 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 案例分析案例分析-2 科学问题：科学问题： Why the F1hybrids of tall short plants are always tall? Why the F2s of tall short plants segregate into tall & short? 假设：假设： Morphological traits are controlled by “heritable factors” (genes) from parents The “heritable factors” are either “dominant” or “recessive” 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 G. Mendels pea experiment (C) Testing hypothesis Pea experiment (7 pairs of traits) tall P (TT) : short P(tt) purple F (PP) : white F (pp) Statistical analysis of thousands of pea plants 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 伟大的发现伟大的发现 Mendels 遗传定律遗传定律： 独立分配独立分配 自由组合自由组合 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 科学假设的提出是基于科学问题科学假设的提出是基于科学问题 科学假设的内容和形式有很大的变异科学假设的内容和形式有很大的变异 辨别科学假设和非科学假设非常重要辨别科学假设和非科学假设非常重要 优秀优秀的科学假设的科学假设往往导致成果往往导致成果 科学假设科学假设 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 B. 提出科学假设重要的原则提出科学假设重要的原则 可验证性（能力范围）可验证性（能力范围） 成熟性（预成熟性（预见性高）见性高） 精确性（准确性精确性（准确性） 丰富性（可解释设定现象，还可解丰富性（可解释设定现象，还可解 释其他相关和预测未知的事实）释其他相关和预测未知的事实） 逻辑清楚、简单逻辑清楚、简单 没有特设条件没有特设条件 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 C. 提提出科学假说的有效思维形式出科学假说的有效思维形式 比较比较 分分类类 溯溯因推断因推断 类类比推断比推断 分分析与综合析与综合 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 基于科学问题提出假设基于科学问题提出假设 复旦大学复旦大学 卢宝荣卢宝荣 案例分析案例分析-1 Three hypotheses 1.Not all WR have seed dormancy 2.Some non-dormant W