科研方略十八讲之七：精心设计 由简及繁 （实验篇） | 戴世强专栏
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本文阐述实验工作在科学研究中的重要性和方法要旨。从实验的目的谈起，述及实验研究的特点和分类，然后给出实验的要领、步骤和注意事项，最后用三个著名案例加以具体阐释。
往期回顾：
大纲
一、引言
二、科学实验的分类
三、科学实验的计划和实施
四、案例分析
五、结束语
第7讲 精心设计 由简及繁 （实验篇）
一、引 言
实验是科学探索的“垫脚石”。为了准确地认识研究对象，把握其变化规律，并对出现的现象给出科学合理的解释，就必须通过实验实现更精准的观察，掌握必要的实验数据；即使是做理论研究的学人，也必须对实验过程和结果有足够的了解。
科学实验指的是人们根据一定的科研目的，运用一定的物质手段（科学仪器和设备），人为地控制或变革客观事物的过程，暴露它们在自然条件下无法显露的特性，以便深入地研究自然界规律的一种方法，亦即，通过创造人为环境在给定条件下的观察。
实验的目的有二：发现事物的新现象和发展规律，验证已有理论结果。正如法裔美国生物学家杜博斯（ R.J. Dubos）所说：“实验有两个目的，彼此往往不相干：观察迄今未知或未加解释的新事实；以及判断为某一理论提出的假说是否符合大量可观察到的事实。”
实验方法的优点在于：
可以排除附带因素的影响，简化研究对象；
可引入新的因素，研究事物在更复杂的条件下发生的情况；
若有必要，可在同样的条件下多次再现所研究的现象和结果；
可研究自然界中不以纯粹形式存在的现象；
可以创立新的人工对象。
实验方法有如下四个特点：
主动性－可以突破自然条件的限制；
目的性－可以有目的、有计划探索感兴趣的事物；
精确性－可以根据要求，经过细化、强化、纯化，精准把握规律；
经济性－可以有效地控制运作规模、周期和耗费。
二、科学试验的分类
可以采用各种不同的方式把实验进行分类，人们通常将其分成如下六类：
1. 定性实验
用以判定某个（或某些）因素是否起作用，某些因素是否有联系，某研究对象的内在结构。例如，著名的迈克尔逊-莫雷实验：旨在证实光速不变性，否定宇宙中以太的存在性；再如，巴斯德的胚种论实验：用来证明空气中有一种能产生微生物的胚种。
2. 定量实验
为了了解研究对象的量的特征，测定某对象的数值，或求出某些因素之间的数量关系，给出定量结果或经验公式。例如，拉瓦锡的燃烧后的秤重实验，借此发现了氧气；再如汤姆逊的确定电子荷质比的实验。
3. 析因实验
由已知结果寻找未知原因或因素的实验。例如，流体力学家进行的孤立波实验，用来确定孤立波形成的色散因素和非线性因素及其相互作用；再如，雷诺的圆管流动实验，确定管径、流速和粘度的对于从层流到湍流转捩的综合作用。
4. 对照实验
通过比较的方法，揭示某种原因或因素对研究对象的影响，通常有两个或多于两个的相似组——“试验组”和“对照组”，在生物学实验中最为常见。例如，达尔文的植物向光生长的实验，通过对照，确定植物的生长锥是植物向光生长的起作用的部位。
5. 模拟实验
创造条件以模拟自然条件或自然演变过程，通常用原型的缩尺模型在实验室里完成的仿真实验。例如，高坝消能模拟实验，经常以1：100的比例完成缩尺模拟。
6. 思想实验
在现实条件下无法进行的实验，通过在思想中的虚拟条件，在思想上塑造实验的过程。例如，伽利略的V型木槽的小球在理想光滑斜面上的滑动实验；再如，爱因斯坦所设计的相对性实验。人们有时不把思想实验归于实验类，而将其归结为一种推理形式。
三、科学试验的计划和实施
有实践经验的人都知道，完成实验研究很有难度，经常费时费力费钱，往往旷日持久，一波三折，因此需要精细地筹划，并用心掌握有关要领。
概括地说，做好科学实验有如下要领：
有明确的目的性；
有可靠的准确性；
有可行的简单性；
有可再现性；
注意结果的正常性和反常性。
人们在实验研究中一般采取如下步骤：
确定总体目标；
完成设施准备；
小型简单实验；
正式规模实验；
数据处理整理；
具体结果分析。
可把实验研究的注意事项归纳如下：
1、精心筹划
实验前对研究对象要心中有数，实验设施应精心研制、调试，对相关的概念、手段、关键数据和可能出现的问题胸有成竹。具体计划应包括：实验项目的个数、实验条件和分析方法、数据的获取和处理、测量的正确性和精确度、误差来源和可能的大小等等。
2、由简及繁
从简单的试验性实验入手，获得初步经验，而后渐入佳境。贝弗里奇在《科学研究的艺术》中指出：“应该尽可能在研究工作的开头进行一项简单的关键性实验，以判断所考虑的基本架设是否成立。”
3、细致入微
应集中注意力，观察、捕捉最有意义的结果。熟练掌握实验技巧，提高观察水平，不放过正常结果，更留意反常结果，反复试验，不被表面现象迷惑。
4、耐心分析
实验中应有详尽的全程记录，抓住要点，注意现象之间的内在联系，耐心细致地进行分析。必要时需要“冷处理”。对主要实验结果应做好不确定性（uncertainty）分析。
5、谨慎表述
对实验结果的适用范围应冷静分析，下结论时必须小心谨慎。不能轻信实验万能，做出重大结论时更应三思而后行。一个假说一时得不到验证不能就说这个假说不正确。
四、案例分析
案例1：赫兹的电磁波实验
德国物理学家赫兹（1857-1894）在30岁那年用简单的自制仪器发现了电磁波。
这一实验有明确的目的性。十九世纪六十年代英国物理学家麦克斯韦建立了电磁场理论，并从理论上推测到电磁波的存在，可惜他英年早逝，未能用实验来证明这一推测的正确性。1879年，德国物理学家亥姆霍兹针对这一难题提出悬赏征答；1884年，他的学生赫兹挺身而出，立志发现电磁波。经过四年苦心孤诣的奋斗，1888年，提出了一种检测从莱顿瓶或线圈火花产生的电磁波的方法，首次发现了电磁波的存在性，实现了麦克斯韦担心难以实现的愿望。
这一实验想法奇妙，但实现起来却具有简单性。赫兹的验波器仅由一个圆形导线组成，导线的两端接到两个铜钮上，两铜钮之间的距离调节得很小。当莱顿瓶发出的波落到导线上时，在适当的条件下，两铜钮之间会产生细微的火花，赫兹成功地使这些波发生反射、折射、衍射和偏振，从而无可争议地实现了实验的目的。对人类来说，这是一个极有意义的里程碑。可惜的是，六年之后的1894年1月，赫兹就被牙病引起的败血症夺取了生命，终年37岁。
案例2：孟德尔的豌豆杂交实验
奥地利生物学家孟德尔（1822－1884）家境贫寒，但自幼就对生物学（特别是生物的变异规律）有兴趣。他耗时八年进行了豌豆杂交实验，总结出遗传学上的分离规律和自由组合规律，并提出了遗传因子假说，对细胞遗传学作出了重大贡献。
他的成功秘诀在于：
殚精竭虑地做好实验观察；
深入细致地分析实验结果；
独具匠心地做好定量研究。
具体说来，他采用了如下步骤：
1、选择恰当的实验对象——豌豆
孟德尔的选择条件：具有稳定的便于观察和区分的特性；开花时不易受外来花粉影响；易于栽培；生长期短。他一开始选用山柳菊为对象，结果一无所获。后经过反复试验，最终发现豌豆能满足这些条件。
他抓住了豌豆各品种的特性差异：
种子外形（圆，皱）；子叶（黄，绿）；种皮外形（灰褐，白）；豆荚（饱满，不饱满）；未成熟豆荚颜色（绿，黄）；花的位置（叶腋，顶端）；植株（高，矮）。正是有这些差别，比较容易确定各代豌豆的遗传、变异的情况。
2、精确观察，避免差错
孟德尔指出，要尽量避免可疑结果的危险，有时需要准确地确定动手时间。例如，例如，选种应在豌豆成熟时进行，而识别子叶和植株必须趁早。在长期试验观察中，他从不放过细枝末节。
3、努力探索性状分配的数量关系
孟德尔对七对性状不同的豌豆进行杂交，发现第一代只有一种性状得到表现，第二代两种性状的表现率之比为3：1。从大量数据的分析得到了统计规律。
4、大胆提出遗传因子假说
他假设种子细胞里有一种遗传基础——遗传因子，每个遗传因子决定一种性状。又将其分为显性因子和隐性因子，前者占压倒优势。由此解释了3：1规律。推得孟德尔第一定律－分离定律：一对因子在异质接合状态下并不影响和沾染，按原样分离到不同配子。
5、从一对性状推广到多对性状
经细致分析，得到孟德尔第二定律——自由组合定律：当两对或更多对因子处于异质接合状态时，它们在配子中的分离彼此独立，不相牵连。
案例3： 费米的射线轰击原子实验
意大利物理学家费米（1911－1954）既擅长于理论研究，又善于进行实验研究，他想象力特别丰富，善于设计富有新意的实验和理论框架。
1933－1934年，费米领导的实验课题组用射线轰击不同质量的原子，发现：一种原子吸收了一个中子之后，就成为质量与元素周期表上下一位元素质量相等的同位素，但最初的实验效率很低。
有一次，费米的两个学生正做用中子轰击银原子的实验，偶然地把放射源放在铅盒子里，发现照射产生的放射性强度有明显改变；费米接到报告，觉得奇怪；他灵机一动，想到把放射源包在石棉里会怎样？结果，轰击的中子大大减速，击中靶核后产生的放射性比原来大增百余倍，显示出慢中子的有效作用。
费米联想起，用快中子轰击靶核就像手枪子弹漫射飞鸟，命中率必定很低；他想象，如果自己是中子，在其它像原子分布一样的人群中穿行时，若放慢脚步，同他人相撞的机会反而增多，作用也更强烈，于是就提出慢中子轰击靶核的方法，使用石棉和水为中子减速剂，大大改进了实验效果。两个月内制造出30多种同位素。
这一案例显示了偶然发现在实验研究中的重大作用。
五、结束语
实验是科学研究中的关键步骤；
科学实验必须精心筹划、由简及繁、细致入微、耐心分析、谨慎从事；
科学实验必须有深谋远虑，步步深入；
应充分注意实验中发现的反常现象。
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