科學研究的藝術

W.I.B.貝弗里奇 著

陳捷 譯

W.I.B.Beveridge

THE ART OF SCIENTIFIC INVESTIGATION

William Heinemann Ltd. London, 1961

威廉•伊恩•比爾德莫爾（William Ian Beardmore，WIB）貝弗里奇是澳大利亞動物病理學家，也是劍橋大學動物病理學研究所所長。他於1908年4月23日出生在澳大利亞新南威爾士州朱尼市，並於2006年8月14日去世。他是1957年的《科學研究的藝術》和1977年的《上一次大瘟疫》的作者

第二章 實驗

實驗有兩個目的，彼此往往互不相干：觀察迄今未知或未加釋明的新事實；以及判斷為某一理論提出的假說是否符合大量可觀察到的事實。 ——睿內・杜博斯（杜博斯（René Jules Dubos 1901一1982），法國血統的美國微生物學家和病理學家。―譯者）

生物學實驗

我們今天所認識的科學，可說是從文藝復興時期實驗方法的採用開始的。然而，儘管實驗對於多數學科都很重要，卻並非適用於一切類型的科學研究。例如，在描寫生物學、觀察生態學或者多種類型的醫學臨床研究中，都不用實驗。但即使如此，後一類型的研究也利用了很多同樣的原則。其主要不同點在於：假說的檢驗是通過從自然發生的現象中收集資料，而不是從人為地發生於實驗條件下的現象中收集資料。在寫上一章最後部分和本章第一部分時，我的對象是實驗人員。但是，對於純觀察的研究工作者，這些章節可能也有一些有益的地方。

通常，實驗在於使事件在已知條件下發生，儘量消除外界無關的影響；並能進行密切的觀察，以便揭示現象之間的關系。

“對照實驗”是生物學實驗中最重要的概念之一。在“對照實驗”中有兩個或兩個以上的相似組群（除了一切生物體所固有的變異性外，相似組完全相同）：一個是“對照”組，作為比較的標准；另一個是“試驗”組，要通過某種實驗步驟，以便人們確定它對試驗組的影響。人們通常使用“隨意抽取樣品”的方法來編組，即用抽簽或其他排除人為挑選的方法，把樣品個體編入甲組或乙組。按照傳統的實驗方法，除要研究的那一個變數外，各組其它一切方面都應儘量相似，而且實驗應該很簡單。“一次變化一個因素，並把全部情況進行記錄。”這一原則現仍廣泛採用，特別在動物實驗方面。但是，有了現代統計方法的幫助，現在已有可能設計同時試驗幾個變數的實驗了。

應該儘可能在研究工作的開頭進行一項簡單的關鍵性實驗，以判斷所考慮的主要假說是否成立。細節的計劃則可稍後作出。因此，在對各部分試驗之前先對整體試驗，往往是明智的。例如：當你想用純細菌培養物再次引起疾病之前，一般最好先試着用帶病組織傳染；在試驗化學分餾物的毒性、抗原性及其它影響前，應先試驗其原始提取物。這一原則貌似簡單、明顯，但常遭忽視，從而浪費了時間。同樣這個原則還有一個應用，在初步試驗某個定量因素影響時，通常最好在一開始就斷定在極端條件下，例如在使用大劑量的條件下，是否會產生任何影響。

與此十分相似的另一條一般原則是逐步排除的方法。有一種猜謎游戲，提出諸如“動物、植物、還是礦物”等一連串間題，就很好地說明了這種方法。用逐步縮小可能性的方法，常常比一直接但是盲目的猜測能更快地找到未知數。該原則應用於稱重時，先試驗過重和過輕兩個重最，然後使這兩個極端重量逐步接近。在用化學方法尋找一種未知的物質時，這種方法特別有用；但是這種方法也同樣經常應用於生物學的各個分支中。例如。在研究某種疾病的起因時，有時，我們排除各種可能的選擇方案，最後只剩下一個很窄的范圍，以便集中精力進行研究。

在生物學上，開始的時候進行一種小規模的初步實驗往往是一種好方法。除了經濟上的考慮以外，在最初階段就進行復雜的實驗，試圖對所有的問題作出全面的回答，往往很難得出理想的結果。不如讓研究工作分階段逐步進展，因為後面的實驗可能要根據前面實驗的結果加以修訂。“試點”實驗是初步實驗的一種，常用於以人或家畜為對象的實驗中。這是一種小規模的、往往在實驗室進行的實驗，旨在確定是否值得進行全面的現場實驗。另一種初步實驗是“觀測”實驗，目的是對主要實驗的部署進行指導。讓我們以傳染因子或毒性因子的活體滴定分析為例。在“觀測”實驗中，稀釋度間隔很大（如一百倍），用於每一種稀釋度的動物很少（如兩頭）。取得結果以後，在可能的滴定終點兩側再選擇間隔小（如五倍）的稀釋度，同時使用較大的動物群（如五頭）。通過這種方法，我們便可用最少量的動物而獲得準確的結果。

所謂的“篩選”試驗也是一種初步實驗。這是用大量物質進行的一種簡單的試驗，目的在於找出其中哪一種值得進行進一步試驗，以便用作譬如藥物之類的東西。

偶爾，可以安排一種小型實驗或者試驗，以便短時間內指出某一設想中有沒有什麼東西本身佐證不夠，不值得進行大型的實驗。這類性質的簡略實驗有時可以如此安排：若是這樣的結果就有價值；若是那樣的結果就沒有價值。然而，這里有一個最低的限度，即使是初步實驗，把“規模”降低到這個限度之下也就沒有用了。假如實驗確實有進行的價值，則應將其安排得至少很有可能取得有用的結果。由於急躁或是缺乏資金，年輕科學家往往魯莽從事，進行計劃不周的實驗，而這種實驗幾乎沒有可能取得有意義的成果。只有當簡略實驗作為某項預計會得出可靠結果的復雜實驗的初步實驗時，才有理由進行這種簡略實驗。研究工作要在每一步確定無疑以後才能進展到下一步：否則全部工作可以被稱為“草率馬虎”。這樣說是很恰如其分的。

作為一次成功的實驗，其最基本條件是要能再現。在生物學實驗上，這一條件常常很難滿足。在已知因素未變的情況下，如果實驗的結果不同，往往說既是由於某個或某些未被認識的因素影響着實驗的結果。我們應該歡迎這種情況，因為尋找未知的因素可能導致有趣的發現。正像我的一位同事最近對我所說：“正是實驗出毛病的時候我們得出了成果。”然而，我們首先應該知道是不是出了錯誤，因為最常犯的是技術上的錯誤。

做實驗的時侯，在技術要點上採取極其審慎的態度是非常值得的。一種新技術方法的發明人，由於勤勉刻苦，對重要的細節小心重視，有時能夠獲得一些結果；這是其它對該課題不夠熟悉、不夠刻苦用心的研究人員難以重現的。就這一點而言，卡萊爾(Thomas Carle）（卡萊爾（I795一1881）,出生於蘇格蘭的英國作家。―譯者）所說“天才就是無止境刻苦勤奮的能力”一語千真萬確。賴特(Alrnroth Wright)爵士選用羅林斯(Rawlings)傷寒桿菌菌株作為預防傷寒的接種疫苗，就是一個很好的例證。直到最近，由於利用了某些新技術，人們才發現羅林斯菌株是一種極好的製作疫苗用的菌株。賴特當初慎重地選擇了這種菌株，其理由在大多數人看來都是微不足道的。西奧博爾德·史密斯是一位難能可貴的大細菌學家，他在談到研究工作時說：

“決定結果的正是我們在處理表面上微不足道、估燥乏味、而且不勝麻煩的細枝末節時所採取的謹慎小心的態度。”

然而，應該有辨別能力，因為可能在次要工作的無用細節上大做文章，以致浪費了時間。

對實驗工作的全部細節作詳盡的記錄是一條基本而重要的規則。人們經常需要回過頭來參看以前的某個實驗細節，而該細節所具有的意義在進行實驗的時候還意識不到。這種情況發生之頻繁是令人驚訝的。巴斯德保存的筆記就是這種精心記錄全部細節的出色例證。除了為所做的工作和所觀察到的現象提供可貴的記錄外，做筆記也是促使自己進行細致觀察的一種有用方法。

實驗人員必須正確認識自己使用的技術方法，認識這些方法的局限性和各種方法所能達到的精確程度。他們必須非常熟悉實驗用的方法，才能把它用於研究工作，並且必須能夠取得穩定可靠的結果。任何方法都難免要出差錯，難免會得出使人誤解的結果，實驗人員應能迅速發覺這類問題。如果可能，關係重大的估定和滴定分析都要用另一方法加以核對。科學家對於自己的儀器也必須有所了解。現代的復雜儀器常常很便利，但也並不都是穩妥可靠的。所以有經驗的科學家常常避免使用這種儀器，以防產生給人錯誤印象的結果。

在安排對象是人或珍貴家畜這種只能對之進行有限的對照實驗時，常常出現一些困難。如不能滿足對照實驗的基本要求，則最好放棄這種嘗試。這種說法看起來可能是不言而喻的，但是，研究人員常常覺得困難太大，而採取妥協辦法作了一些無用的安排。具備一個令人滿意的對照組是必要的，而這種必要性決不是用大的數量能代替的。兒童接種卡介苗的經過就是一個極好的例子。卡介苗的接種是二十五年前採用的，當時認為它能使人們免於感染結核病。儘管二十五年來作了大量的實驗，但是直到今天，卡介苗在歐洲人種免疫間題上是否有價值仍有爭論。由於對照者都經不起嚴格的比較，大多數的實驗都說明不了問題。威爾遜(Graham Selby Wilson)（威爾遜（1895—1987)，英國細菌學家。―譯者）教授有關卡介苗接種的評論很好地說明了實驗工作的困難和可能的危險。他的結論是：

“這些結果表明，在從事以人為對象的對照實驗時，非常重要的一點是保證受接種的兒童和作為對照的兒童在包括下列各種因素在內的各個方面都十分相像：年齡，種族，性別，社會、經濟以及居住條件，智力水平，父母合作程度，感染疾病的可能性，享受幼兒保健等機構的福利，以及病時得到的治療。”

威爾遜教授在談話中向我指出：一種據稱是對人類有效的藥物，如果不在實際使用之前做過有決定意義的實驗，那麼想在其後用未經治療的對照者進行實驗，簡直是不可能的。於是，這種據稱是有效的藥物就被普遍採用。至於它是否真正有效，則無從得知。例如，巴斯德的狂犬病治療法從未經過充分的實驗，以證明這種治療法對於被狂犬咬過的人們有防止狂犬症的效能。因而，一些權威人士懷疑該療法是否真有價值。但是，現在已經不可能再去進行一種試驗：不給受狂犬咬過的對照組的人進行治療。

使各組處於不同環境之中，有時是現場實驗中不可缺少的組成部分。在這種實驗中，人們難以確定觀察到的差異究竟是由觀察的特定因素造成，還是由與不同環境相關的其它變量造成。有時，我們用這樣的方法克服這個困難：照樣再編成試驗組和對照組，從而，暴露甚至消除環境造成的任何影響。如果不能排除那些觀察到、但認為是外來的變量，那麼，也許有必要使用一系列的對照組，或進行一系列的實驗，以便把被比較的兩個群體中每一已知的差異從實驗上分離出來。

如有可能，應該用某種客觀的尺度來評定實驗結果。然而，這一點有時做不到，比如，當實驗結果是關繫到臨床症狀的嚴重性或是對有機體組織結構變化進行比較時，對實驗結果的評定可能會受到主觀因素的影響。這時，應該保證對結果進行判斷的人肯定不知道每一個個體屬於哪一組，以求得到其判斷的客觀性，這一點是重要的。不論科學家確信他自己是如何的客觀，如果在進行判斷時他知道哪些病例屬於哪一組的話，就很準保證他的判斷沒有下意識地受到偏見的影響。一個責任心強的實驗人員，由於意識到這種危險，甚至也有可能犯那種使他的判斷偏向到與預期結果相反方向上的錯誤。當然，智力活動上完完全全的老實態度是實驗工作的首要基本條件。（雙盲法的必要 ！）

在完成了實驗，並且必要時藉助生物統計學評定了實驗結果以後，應將實驗結果與已知有關該課題的一切加以聯系，作出解釋。