科学研究的艺术

W.I.B.贝弗里奇 著

陈捷 译

W.I.B.Beveridge

THE ART OF SCIENTIFIC INVESTIGATION

William Heinemann Ltd. London, 1961

威廉•伊恩•比尔德莫尔（William Ian Beardmore，WIB）贝弗里奇是澳大利亚动物病理学家，也是剑桥大学动物病理学研究所所长。他于1908年4月23日出生在澳大利亚新南威尔士州朱尼市，并于2006年8月14日去世。他是1957年的《科学研究的艺术》和1977年的《上一次大瘟疫》的作者

第二章 实验

实验有两个目的，彼此往往互不相干：观察迄今未知或未加释明的新事实；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。 ——睿内・杜博斯（杜博斯（René Jules Dubos 1901一1982），法国血统的美国微生物学家和病理学家。―译者）

生物学实验

我们今天所认识的科学，可说是从文艺复兴时期实验方法的采用开始的。然而，尽管实验对于多数学科都很重要，却并非适用于一切类型的科学研究。例如，在描写生物学、观察生态学或者多种类型的医学临床研究中，都不用实验。但即使如此，後一类型的研究也利用了很多同样的原则。其主要不同点在于：假说的检验是通过从自然发生的现象中收集资料，而不是从人为地发生于实验条件下的现象中收集资料。在写上一章最後部分和本章第一部分时，我的对象是实验人员。但是，对于纯观察的研究工作者，这些章节可能也有一些有益的地方。

通常，实验在于使事件在已知条件下发生，尽量消除外界无关的影响；并能进行密切的观察，以便揭示现象之间的关系。

“对照实验”是生物学实验中最重要的概念之一。在“对照实验”中有两个或两个以上的相似组群（除了一切生物体所固有的变异性外，相似组完全相同）：一个是“对照”组，作为比较的标准；另一个是“试验”组，要通过某种实验步骤，以便人们确定它对试验组的影响。人们通常使用“随意抽取样品”的方法来编组，即用抽签或其他排除人为挑选的方法，把样品个体编入甲组或乙组。按照传统的实验方法，除要研究的那一个变数外，各组其它一切方面都应尽量相似，而且实验应该很简单。“一次变化一个因素，并把全部情况进行记录。”这一原则现仍广泛采用，特别在动物实验方面。但是，有了现代统计方法的帮助，现在已有可能设计同时试验几个变数的实验了。

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，以判断所考虑的主要假说是否成立。细节的计划则可稍後作出。因此，在对各部分试验之前先对整体试验，往往是明智的。例如：当你想用纯细菌培养物再次引起疾病之前，一般最好先试着用带病组织传染；在试验化学分馏物的毒性、抗原性及其它影响前，应先试验其原始提取物。这一原则貌似简单、明显，但常遭忽视，从而浪费了时间。同样这个原则还有一个应用，在初步试验某个定量因素影响时，通常最好在一开始就断定在极端条件下，例如在使用大剂量的条件下，是否会产生任何影响。

与此十分相似的另一条一般原则是逐步排除的方法。有一种猜谜游戏，提出诸如“动物、植物、还是矿物”等一连串间题，就很好地说明了这种方法。用逐步缩小可能性的方法，常常比一直接但是盲目的猜测能更快地找到未知数。该原则应用于称重时，先试验过重和过轻两个重最，然後使这两个极端重量逐步接近。在用化学方法寻找一种未知的物质时，这种方法特别有用；但是这种方法也同样经常应用于生物学的各个分支中。例如。在研究某种疾病的起因时，有时，我们排除各种可能的选择方案，最後只剩下一个很窄的范围，以便集中精力进行研究。

在生物学上，开始的时候进行一种小规模的初步实验往往是一种好方法。除了经济上的考虑以外，在最初阶段就进行复杂的实验，试图对所有的问题作出全面的回答，往往很难得出理想的结果。不如让研究工作分阶段逐步进展，因为後面的实验可能要根据前面实验的结果加以修订。“试点”实验是初步实验的一种，常用于以人或家畜为对象的实验中。这是一种小规模的、往往在实验室进行的实验，旨在确定是否值得进行全面的现场实验。另一种初步实验是“观测”实验，目的是对主要实验的部署进行指导。让我们以传染因子或毒性因子的活体滴定分析为例。在“观测”实验中，稀释度间隔很大（如一百倍），用于每一种稀释度的动物很少（如两头）。取得结果以後，在可能的滴定终点两侧再选择间隔小（如五倍）的稀释度，同时使用较大的动物群（如五头）。通过这种方法，我们便可用最少量的动物而获得准确的结果。

所谓的“筛选”试验也是一种初步实验。这是用大量物质进行的一种简单的试验，目的在于找出其中哪一种值得进行进一步试验，以便用作譬如药物之类的东西。

偶尔，可以安排一种小型实验或者试验，以便短时间内指出某一设想中有没有什么东西本身佐证不够，不值得进行大型的实验。这类性质的简略实验有时可以如此安排：若是这样的结果就有价值；若是那样的结果就没有价值。然而，这里有一个最低的限度，即使是初步实验，把“规模”降低到这个限度之下也就没有用了。假如实验确实有进行的价值，则应将其安排得至少很有可能取得有用的结果。由于急躁或是缺乏资金，年轻科学家往往鲁莽从事，进行计划不周的实验，而这种实验几乎没有可能取得有意义的成果。只有当简略实验作为某项预计会得出可靠结果的复杂实验的初步实验时，才有理由进行这种简略实验。研究工作要在每一步确定无疑以後才能进展到下一步：否则全部工作可以被称为“草率马虎”。这样说是很恰如其分的。

作为一次成功的实验，其最基本条件是要能再现。在生物学实验上，这一条件常常很难满足。在已知因素未变的情况下，如果实验的结果不同，往往说既是由于某个或某些未被认识的因素影响着实验的结果。我们应该欢迎这种情况，因为寻找未知的因素可能导致有趣的发现。正像我的一位同事最近对我所说：“正是实验出毛病的时候我们得出了成果。”然而，我们首先应该知道是不是出了错误，因为最常犯的是技术上的错误。

做实验的时侯，在技术要点上采取极其审慎的态度是非常值得的。一种新技术方法的发明人，由于勤勉刻苦，对重要的细节小心重视，有时能够获得一些结果；这是其它对该课题不够熟悉、不够刻苦用心的研究人员难以重现的。就这一点而言，卡莱尔(Thomas Carle）（卡莱尔（I795一1881）,出生于苏格兰的英国作家。―译者）所说“天才就是无止境刻苦勤奋的能力”一语千真万确。赖特(Alrnroth Wright)爵士选用罗林斯(Rawlings)伤寒杆菌菌株作为预防伤寒的接种疫苗，就是一个很好的例证。直到最近，由于利用了某些新技术，人们才发现罗林斯菌株是一种极好的制作疫苗用的菌株。赖特当初慎重地选择了这种菌株，其理由在大多数人看来都是微不足道的。西奥博尔德·史密斯是一位难能可贵的大细菌学家，他在谈到研究工作时说：

“决定结果的正是我们在处理表面上微不足道、估燥乏味、而且不胜麻烦的细枝末节时所采取的谨慎小心的态度。”

然而，应该有辨别能力，因为可能在次要工作的无用细节上大做文章，以致浪费了时间。

对实验工作的全部细节作详尽的记录是一条基本而重要的规则。人们经常需要回过头来参看以前的某个实验细节，而该细节所具有的意义在进行实验的时候还意识不到。这种情况发生之频繁是令人惊讶的。巴斯德保存的笔记就是这种精心记录全部细节的出色例证。除了为所做的工作和所观察到的现象提供可贵的记录外，做笔记也是促使自己进行细致观察的一种有用方法。

实验人员必须正确认识自己使用的技术方法，认识这些方法的局限性和各种方法所能达到的精确程度。他们必须非常熟悉实验用的方法，才能把它用于研究工作，并且必须能够取得稳定可靠的结果。任何方法都难免要出差错，难免会得出使人误解的结果，实验人员应能迅速发觉这类问题。如果可能，关系重大的估定和滴定分析都要用另一方法加以核对。科学家对于自己的仪器也必须有所了解。现代的复杂仪器常常很便利，但也并不都是稳妥可靠的。所以有经验的科学家常常避免使用这种仪器，以防产生给人错误印象的结果。

在安排对象是人或珍贵家畜这种只能对之进行有限的对照实验时，常常出现一些困难。如不能满足对照实验的基本要求，则最好放弃这种尝试。这种说法看起来可能是不言而喻的，但是，研究人员常常觉得困难太大，而采取妥协办法作了一些无用的安排。具备一个令人满意的对照组是必要的，而这种必要性决不是用大的数量能代替的。儿童接种卡介苗的经过就是一个极好的例子。卡介苗的接种是二十五年前采用的，当时认为它能使人们免于感染结核病。尽管二十五年来作了大量的实验，但是直到今天，卡介苗在欧洲人种免疫间题上是否有价值仍有争论。由于对照者都经不起严格的比较，大多数的实验都说明不了问题。威尔逊(Graham Selby Wilson)（威尔逊（1895—1987)，英国细菌学家。―译者）教授有关卡介苗接种的评论很好地说明了实验工作的困难和可能的危险。他的结论是：

“这些结果表明，在从事以人为对象的对照实验时，非常重要的一点是保证受接种的儿童和作为对照的儿童在包括下列各种因素在内的各个方面都十分相像：年龄，种族，性别，社会、经济以及居住条件，智力水平，父母合作程度，感染疾病的可能性，享受幼儿保健等机构的福利，以及病时得到的治疗。”

威尔逊教授在谈话中向我指出：一种据称是对人类有效的药物，如果不在实际使用之前做过有决定意义的实验，那么想在其後用未经治疗的对照者进行实验，简直是不可能的。于是，这种据称是有效的药物就被普遍采用。至于它是否真正有效，则无从得知。例如，巴斯德的狂犬病治疗法从未经过充分的实验，以证明这种治疗法对于被狂犬咬过的人们有防止狂犬症的效能。因而，一些权威人士怀疑该疗法是否真有价值。但是，现在已经不可能再去进行一种试验：不给受狂犬咬过的对照组的人进行治疗。

使各组处于不同环境之中，有时是现场实验中不可缺少的组成部分。在这种实验中，人们难以确定观察到的差异究竟是由观察的特定因素造成，还是由与不同环境相关的其它变量造成。有时，我们用这样的方法克服这个困难：照样再编成试验组和对照组，从而，暴露甚至消除环境造成的任何影响。如果不能排除那些观察到、但认为是外来的变量，那么，也许有必要使用一系列的对照组，或进行一系列的实验，以便把被比较的两个群体中每一已知的差异从实验上分离出来。

如有可能，应该用某种客观的尺度来评定实验结果。然而，这一点有时做不到，比如，当实验结果是关系到临床症状的严重性或是对有机体组织结构变化进行比较时，对实验结果的评定可能会受到主观因素的影响。这时，应该保证对结果进行判断的人肯定不知道每一个个体属于哪一组，以求得到其判断的客观性，这一点是重要的。不论科学家确信他自己是如何的客观，如果在进行判断时他知道哪些病例属于哪一组的话，就很准保证他的判断没有下意识地受到偏见的影响。一个责任心强的实验人员，由于意识到这种危险，甚至也有可能犯那种使他的判断偏向到与预期结果相反方向上的错误。当然，智力活动上完完全全的老实态度是实验工作的首要基本条件。（双盲法的必要 ！）

在完成了实验，并且必要时借助生物统计学评定了实验结果以後，应将实验结果与已知有关该课题的一切加以联系，作出解释。