高中化學/科學方法

“

這種科學方法對人類意味著什麼希望和恐懼？我認為這並不是提出這個問題的正確方式。這個工具在人類手中會產生什麼，完全取決於人類自身目標的本質。一旦目標存在，科學方法就提供了實現目標的手段。然而，它不能提供目標本身。科學方法本身並不會導致任何結果，甚至如果沒有對清晰理解的強烈追求，它都不會誕生

”

課程目標

簡要考察科學史和科學方法。
描述科學方法中涉及的步驟，並培養對科學方法價值的認識。
認識到在某些情況下，並非所有科學方法中的步驟都會出現，或者它們不會按照特定的順序出現。
解釋實驗控制的必要性，並識別實驗中的控制變數。

歷史比較

科學入門

什麼是科學？它是一系列奇妙的發明及其工作原理的清單嗎？還是關於物質、能量和生物系統的理論清單？或者科學是一門透過在實驗室進行活動來學習的學科？科學包含所有這些，但它也是更基本的東西。科學是一種思維方法，它使我們能夠發現周圍世界是如何運作的。

為了開始對科學的一種形式的研究，我們將回顧人類交通、通訊和醫療史上的最後 3000 年。以下摘要列出了過去 3000 年中這三個時期人類在這方面的成就。

公元前 1000 年的交通

在公元前 1000 年，人們可以透過步行、騎動物或乘坐動物拉動的馬車來運輸自己和貨物（圖 1.1）。橫渡水域，人們可以划船或讓動物在河邊行走並拉動船（圖 1.2）。這些交通方式需要肌肉力量，無論是人力還是動物力量。

**圖 1.1**：一輛由馬拉動的埃及戰車。戰車起源於公元前 3000 年的美索不達米亞。

一些社會設計了划船或帆船，它們利用肌肉力量或風力來移動船隻。這些早期的交通方式在速度方面非常有限，因此在旅行距離方面也受到限制。帆船和划船在河流和內陸海域使用，但不是遠洋船隻。

1830 年的交通

到 1830 年，人們仍然步行和乘坐動物拉動的馬車。鐵礦石透過動物拉動駁船沿著運河移動。美國拓荒者乘坐動物拉動的篷車穿越美國（圖 1.3）。大城市有馬拉的電車（圖 1.4）。跨越大西洋是由帆船完成的。交通運輸的唯一改進是為馬車和貨車增加了彈簧和軟墊座椅，使乘坐更舒適。從公元前 1000 年到 1830 年，跨越了 2830 年（大約 100 代人），人類交通方式沒有發生重大變化。

1995 年的交通

到 1995 年，蒸汽機、汽油發動機、汽車、螺旋槳飛機和噴氣發動機、機車、核動力船舶和星際火箭都被髮明出來（圖 1.5）。在所有工業化國家，幾乎所有人都可以擁有汽車，並在很短的時間內長途旅行。

在 19 世紀中期，從密蘇里州到加利福尼亞州乘坐篷車旅行需要幾個月的時間，而且旅行對旅行者的生命構成相當大的風險。在 1995 年，一個普通家庭可以輕鬆地在兩天內完成相同的旅程，而且相對安全。1995 年的普通人可能一年旅行的距離比 1830 年的普通人一生旅行的距離還要遠。1830 年到 1995 年之間 165 年（也許是 5 代人）的交通方式發生了顯著變化，這真是非凡的。

公元前 1000 年的通訊

從本質上講，公元前 1000 年人們進行長距離（超過 15 英里）通訊的唯一方式是傳送手持資訊（圖 1.6）。一些社會在短距離內開發了煙霧訊號、燈光訊號或鼓訊號，但這些方法在長距離內無用。由於通訊方式需要手持資訊，通訊速度受到交通速度的限制。傳送 1000 英里的資訊可能需要幾周時間，即使如此，也無法保證資訊能夠送達。

1830 年的通訊

到 1830 年，人們進行長距離通訊的方式仍然是手持資訊。雖然用於寫信的紙張和墨水已經有所改進，但它仍然需要手持。在美國，紐約和舊金山之間的通訊需要超過一個月的時間。當選出新總統時，加州人要花幾個月的時間才能知道新總統是誰。

快馬郵件在短時間內建立起來，可以在 11 天內將一封信從密蘇里州聖路易斯送到加利福尼亞州薩克拉門託，這在當時是非常了不起的（圖 1.7）。1830 年的通訊方式與公元前 1000 年基本相同。

1995 年的通訊

到 1995 年，電報、電話、無線電、電視、光纖和通訊衛星相繼發明（圖 1.8）。人們幾乎可以在工業化世界的任何地方即時交流。現在，當美國總統當選時，全球人民在最後一票統計出來的瞬間就知道了新總統的名字。

宇航員在地球和月球之間直接交流。一個工業化國家的普通人可以與世界各地的人通話，同時即時觀看全球發生的事件。在過去的 165 年裡，人們的交流能力發生了真正非凡的變化。

公元前 1000 年的醫療治療

公元前 1000 年的醫療治療包括一些天然草藥和一些迷信的咒語和舞蹈。最先進的社會使用巫師和草藥師進行醫療治療。一些天然草藥對病人有幫助，而另一些則沒有。清潔和包紮傷口減少了感染的機會，而芝麻油等一些草藥表現出中等程度的防腐特性。舞蹈、咒語、焚香和魔法咒語在治療疾病方面毫無用處。在某個時間點，放血被新增到醫生的治療方法中（圖 1.9）。放血是透過切開病人並讓血液滴出來或透過應用水蛭（醫生經常隨身攜帶）來完成的。然而，放血對病人沒有幫助，在很多情況下，它是有害的。放血在公元前 500 年盛行，由外科醫生和理髮師執行。直到大約 1875 年，放血才被確認為江湖騙術。

在那個時代，對於普通人來說，骨折無法復位，深切口或刺傷等傷害往往因感染而致命。嬰兒死亡率很高，一個家庭中至少有一個孩子在成年之前死亡是常見的。產婦死亡也相當普遍。

在中世紀，人們對細菌、衛生和傳染病一無所知。對於患有嚴重疾病的人，他們的疾病可能被歸咎於行星失序（占星術）或“惡臭”，或對罪孽的報應，或體液失衡。治療方法可以包括任何東西，從魔法咒語、放血、出汗和嘔吐到重新平衡體液。從公元 1340 年到公元 1348 年，黑死病（鼠疫）導致歐洲大約一半人口死亡。導致這種疾病的細菌是由跳蚤攜帶的，但當然，當時的醫生對此一無所知。阻止瘟疫的努力包括焚香以消除“惡臭”，發出巨大的噪音來驅趕瘟疫（持續不斷的鐘聲或大炮發射），以及許多人用自我鞭笞來試圖治癒疾病。

1830 年的醫療治療

1830 年的醫療治療仍然以天然草藥和放血的形式存在。在此期間，人們還發展了復位骨折和截肢的能力。截肢使許多人免於感染和壞疽。壞疽是指組織血液供應中斷並導致組織死亡。死亡的組織仍然是身體的一部分，會導致感染，並導致死亡，因為腐爛組織中的毒素會透過身體傳播。一旦壞疽侵襲手臂或腿部，來自肢體的毒素最終會導致病人死亡。在美利堅合眾國南北戰爭（1861 年至 1863 年）期間，野戰醫院中治療傷口的常見方法是截肢。除了截肢之外，人們還可以燒灼傷口以止血。

儘管放血對病人沒有幫助，但它一直持續到 1830 年。有一個故事（可能是真的，也可能不是真的），說喬治·華盛頓患了肺炎，他的醫生為了治療他而抽取了大量的血液，實際上導致了他的死亡。

1995 年的醫療治療

到 1995 年，醫學已經發現了化學藥物、防腐程式、手術，也許最重要的是疫苗接種，能夠預防疾病而不是在感染後治癒它（圖 1.10）。

過去曾殺死和使數十萬人致殘的疾病今天已鮮為人知（脊髓灰質炎、天花、霍亂、鼠疫等）。這些疾病已經被對它們的病因和傳播媒介的科學理解以及疫苗接種所控制。平均預期壽命在過去的 165 年裡幾乎翻了一番。嬰兒死亡率和產婦死亡率都降至 1830 年的 25% 以下。

瞭解自然的方法

意見、權威和迷信

為什麼人類在 1830 年之前的 2800 年裡進展如此緩慢，而在之後的 160 年裡取得了如此驚人的進步？

蘇格拉底（公元前 469 年 - 公元前 399 年）、柏拉圖（公元前 427 年 - 公元前 347 年）和亞里士多德（公元前 384 年 - 公元前 322 年）是三位最著名的希臘哲學家。柏拉圖是蘇格拉底的學生，亞里士多德是柏拉圖的學生。這三位可能是他們那個時代最偉大的思想家。亞里士多德關於物理科學的觀點深刻地影響了中世紀的學術，他的影響力一直延續到文藝復興時期（14 世紀）。直到 1300 年代，亞里士多德的觀點一直是關於自然界的權威。

不幸的是，亞里士多德的許多觀點都是錯誤的。毫無疑問，亞里士多德是一位傑出的人，然而，他用來確定物質世界本質的方法不適合這項任務。他的方法是邏輯思維，而不是對自然世界進行觀察。這導致了亞里士多德關於自然界的許多錯誤認識。讓我們以亞里士多德的兩個觀點為例。

在亞里士多德看來，男人比女人更大更強壯，因此，男人比女人有更多的牙齒是合乎邏輯的。因此，亞里士多德得出結論，男人比女人有更多牙齒是一個真實的事實。顯然，他從未想過真正地觀察男女的口腔並數數他們的牙齒。如果他這樣做，他會發現男人和女人有完全相同數量的牙齒。

在物理科學方面，亞里士多德設想，把兩個大小和形狀完全相同但質量不同的球體掉下來，看看哪個球體先落地。在他看來，重的球體比輕的球體下落得更快是顯而易見的，他得出結論，這是自然規律。同樣，他沒有考慮做實驗來觀察哪個球體下落得更快。這對他來說是合乎邏輯的，事實上，這仍然看起來很合乎邏輯。如果有人告訴你，重的球體下落得更快，你沒有理由不相信它。事實上，這是不正確的，證明這一點的最好方法是嘗試一下。十八個世紀後，伽利略決定真的找來兩個質量不同但大小和形狀相同的球體，把它們從一座建築上扔下去（根據傳說，是比薩斜塔），看看哪個球體先落地。當伽利略真的做這個實驗時，他透過觀察發現，這兩個球體同時落地。亞里士多德的觀點再次錯誤。哲學家的方法，純粹的邏輯，更適合於不可觀察的事物，也就是說，更適合於研究科學領域之外的事物。

Leaning Tower of Pisa experiment — 比薩斜塔實驗

在 16 世紀和 17 世紀，富有創新精神的思想家正在開發一種新的方法來發現周圍世界的本質。他們正在開發一種方法，該方法依賴於對現象的觀察，並堅持認為他們對現象本質的解釋與其觀察結果相一致。為了做到這一點，他們必須克服古希臘人的觀點、教會的權威和普通人的迷信。

在古希臘人看來，地球是宇宙的中心，並且不運動，而太陽、月亮、行星和恆星在軌道上繞地球旋轉。天文學家托勒密（公元 150 年左右）觀察了行星的位置，並認識到他觀察到的行星位置與希臘人預測的軌道位置不一致。托勒密設計了新的軌道，這些軌道在軌道中包含圓圈，以及複雜的逆行運動（行星在某些時間在其軌道上向後運動）。他的描述更加接近，但仍然無法準確地預測天體在給定夜晚的位置。直到尼古拉·哥白尼（1473 年至 1543 年）提出日心說（太陽為中心）系統，行星的位置才接近於與預測相符。哥白尼猶豫不決地發表他的想法——有些人說是因為害怕被同行嘲笑，另一些人說是因為害怕被教會迫害——但最終，他將自己的作品在去世前夕送去出版。

哥白尼的日心說在接下來的 50 年裡一直處於休眠狀態，直到一位名叫喬爾丹諾·布魯諾的科學家支援它，他很快就被紅衣主教貝拉明於 1600 年起訴並燒死在火刑柱上。日心說違背了當時教會和大多數人的信仰。哥白尼體系最著名的支持者是伽利略·伽利雷（1564-1642），他改進了一種望遠鏡（1610 年）並將其指向天空。伽利略出版了一本小冊子，描述了他用望遠鏡看到的景象，以及他的觀測結果如何支援哥白尼理論。他的書於 1616 年被教會禁止，伽利略被指示不再寫關於這個主題的任何內容。1632 年，伽利略出版了另一部作品，再次支援哥白尼理論，並被教會逮捕和起訴。在死亡威脅下，他被迫放棄自己的觀點，並在餘生中被軟禁在家中。

但透過實驗、觀察和假設來學習的方法已經啟動，許多科學家不會回頭。仍然有一些人支援意見、權威和迷信的方法。在言論自由的情況下，任何人都可以將陳述作為事實提出，但如果沒有經受科學方法的檢驗，*該陳述就不是科學*。

科學方法

科學家經常將科學方法列為一系列步驟，但並非所有步驟都按順序進行。表 1.1 中列出了科學方法的一系列步驟，並在流程圖（圖 1.11）中進行了表示，因為這樣更容易學習。

**表 1.1**：科學方法中的步驟
步驟編號	步驟描述
1	確定需要解釋的問題或現象。這有時被稱為“定義問題”。此活動有助於限制觀察範圍。
2	收集和整理有關該問題的資料。此步驟也稱為“進行觀察”。
3	提出可能的解決方案或解釋。建議的解決方案稱為假設。
4	透過進行新的觀察來檢驗假設。
5	如果新的觀察結果支援假設，則接受假設以供進一步檢驗。如果新的觀察結果與你的假設不符，則丟棄假設，將新資料新增到你的觀察結果列表中，並返回步驟 3。

當幾個實驗的結果支援假設時，你可能會認為工作已經完成。但是，對於一個假設來說，它必須經受反覆檢驗才能有用。其他科學家必須能夠使用相同的材料和條件重複實驗並獲得相同的結果——這種品質被稱為可重複性。科學家將研究報告提交給其他科學家，通常是透過在科學期刊上發表文章來進行，以便對工作進行驗證。

科學方法的示例

**表 1.2**
會燃燒	不會燃燒
樹枝	石頭
椅子腿	磚塊
鉛筆	彈珠
棒球棒	輪轂蓋

（來源：理查德·帕森斯）

假設你被要求維持一個大型篝火，而且你完全不瞭解使物體可燃（能夠燃燒）的特性。科學方法的第一步是定義問題。*什麼特性使物體可燃？*

下一步是收集有關該問題的資料。因此，你開始隨機收集物體並將其放入火中。你必須詳細記錄嘗試過的物體以及它們是否燃燒。表 1.2 顯示了一個整理好的資料（觀察結果）列表。

**表 1.3**
會燃燒	不會燃燒
樹枝	石頭
椅子腿	磚塊
鉛筆	彈珠
棒球棒	輪轂蓋
掃帚柄	鐵管
	蘇打水瓶
	錫罐

整理好的觀察結果列表很有幫助，因為現在你只需要收集“會燃燒”列表中的物品，而不必浪費精力將不會燃燒的物品拖回火堆。但是，你很快就會用完“會燃燒”列表中的所有物品，有必要猜測“會燃燒”的物體具有什麼特性導致它們燃燒。如果你有那個答案，你就可以帶來可能不在“會燃燒”列表中但具有“會燃燒”特性的物體，並保持火勢繼續燃燒。

科學方法的第三步是提出假設。你對“會燃燒”的物體具有什麼特性使其可燃的猜測就是一個假設。假設你注意到“會燃燒”列表中的所有物品都是圓柱形的，因此你假設“圓柱形物體燃燒”。科學方法的第四步是檢驗你的假設。為了檢驗這個假設，你出去收集了一組圓柱形物體，包括鐵管、蘇打水瓶、掃帚柄和錫罐。當這些圓柱形物體被放入火中，其中大多數沒有燃燒時，你意識到你的假設不受這些新觀察結果的支援。新的觀察結果是檢驗，你的假設在檢驗中失敗了。當新的觀察結果不能支援你的假設時，你拒絕你的原始假設，將你的新資料新增到（表 1.3）中，並根據更新的觀察結果列表提出一個新的假設。在科學方法的示意圖中，失敗的檢驗將科學家返回步驟 3，*提出一個新的假設*。

假設你的新假設是“木製物體燃燒”。你發現這個假設更令人滿意，因為你嘗試過的所有木製物體都會燃燒。你可能越來越有信心，你已經發現了一條“自然規律”。即使有了你相當成功的理論，你可能也忽略了一大堆舊汽車輪胎、由織物或紙製成的物體，或者可能是石油容器。你可以看到，即使你對你的理論相當滿意，因為它完成了你想要它完成的任務，但實際上你並沒有關於使物體燃燒的特性完整的陳述，因為仍然存在未經檢查（也許未知）的證據。這在科學中經常發生。

你可以從這個例子中看到，這個“解決方案”並沒有成為我們認為的“事實”，而*變成了一個有待不斷檢驗和調整的暫定接受的理論*。無論一個暫定解釋被接受了多長時間，如果發現了矛盾的觀察結果，它隨時可能被拋棄。只要該理論與所有觀察結果一致，科學家就會繼續使用它。當一個理論被觀察結果所反駁時，它就會被拋棄或修改以解釋新的觀察結果。即使術語*假設*、*理論*和*事實*有時被互換使用，一個理論將在它有用的時候繼續被使用，並在發現矛盾證據時受到質疑。理論永遠不會變成事實。

關於理論的一個普遍概括是“理論更容易被證偽而不是被證明”。一個常見的例子是假設，“所有天鵝都是白色的”。你可能會觀察到一千隻白天鵝，每一次對白天鵝的觀察都支援你的假設，但只需要對一隻黑天鵝的單一觀察就可以證偽該假設。要成為一個可接受的科學假設，證偽假設的觀察必須是可能的。也就是說，如果每個可能的觀察都支援假設，那麼它就不是一個可接受的科學假設。要成為一個科學假設，它必須能夠被反駁。這種性質被稱為可證偽性。同樣，不可證偽的事物超出了科學的範圍。

一些基本術語

假設是在嘗試解釋一組觀察結果的過程中早期做出的猜測。有些科學家反對將假設稱為“猜測”。反對的主要依據是，研究過所考慮主題的人會比完全不瞭解該領域的人做出更好的猜測。也許我們應該說假設是“有根據的猜測”。
理論是對一組觀察結果進行解釋並經受日常生活考驗的解釋。理論沒有被證明，也不是“事實”。為了被接受為理論，科學理論必須是可證偽的。
規律描述了一種可觀察的關係，即以可預測的關係相互發生的觀察結果。只有在經驗表明該規律有效之後，它才會被納入知識領域。

科學革命

過去 160 年中取得的成就爆發，是由於使用了一種新的方法來了解自然。這種突然而巨大的理解自然的成就被稱為科學革命，是使用科學方法產生的。

英國曆史學家赫伯特·巴特菲爾德寫了一本名為《現代科學的起源》的書。在本書的前言中，巴特菲爾德寫道

“

科學革命不僅推翻了中世紀的權威，而且推翻了古代世界的權威……它不僅導致了經院哲學的衰落，而且導致了亞里士多德物理學的崩潰。科學革命的光輝超越了基督教興起以來的任何事物，並將文藝復興和宗教改革降級為僅僅是插曲……

”

17 世紀初以歐洲在那個時期對科學的態度發生的巨大變化而聞名，被稱為科學革命。這個術語指的是一個全新的學術思想時代，在這個時代，中世紀的哲學被拋棄，取而代之的是伽利略和牛頓提出的創新方法。

“	科學最好被定義為對宇宙的任何和所有方面的知識進行的謹慎、有紀律、合乎邏輯的探索，透過檢驗最好的現有證據獲得，並且始終在發現更好的證據時進行修正和改進。剩下的就是魔法。它不管用。	”
——詹姆斯·蘭迪

什麼是實驗？

科學方法要求進行觀察。有時，我們想要觀察的現象在自然界中並不存在，或者即使存在，對我們來說也不方便觀察。因此，讓我們在特定時間和地點選擇性地使現象發生會更成功。當我們安排在方便的時候使現象發生時，我們可以將所有的測量儀器都準備好，以幫助我們進行觀察，並且可以控制其他變數。在想要的時間和地點，以及想要的環境條件下使現象發生的這種行為被稱為實驗。當科學家進行實驗時，他們通常是在尋求新資訊或試圖驗證他人的資料。課堂實驗通常會演示和驗證已知但學生尚未了解的資訊。在進行實驗時，重要的是要設定好實驗，以便清晰地觀察到關係。這需要所謂的實驗對照。

實驗對照

假設一位科學家在暴風雨後的一個非常寒冷的日子裡沿著海灘行走，觀察到兩個碗狀岩石附近有兩個水池。其中一個水池部分覆蓋著冰，而另一個水池沒有冰。未結冰的水池似乎是由海水從海浪中飛濺到岩石上形成的，但另一個水池太高，海水無法飛濺進去，所以它更有可能由雨水形成。

這位科學家想知道為什麼一個水池部分結冰而另一個水池沒有結冰，因為兩個水池的溫度相同。透過品嚐水（不是個好主意），科學家發現未結冰的水池比部分結冰的水池更鹹。科學家認為可能是鹽水比淡水的冰點低，她決定回家做個實驗看看是不是真的。到目前為止，這位科學家已經確定了問題，收集了一些資料，並提出了一個假設。為了檢驗這個假設，這位科學家將進行一個實驗，在此期間她可以進行準確的觀察。

為了進行實驗，這位科學家準備了兩個相同的盛有淡水的容器，並在其中一個容器中加入了一些鹽（圖 1.12）。在一個液體中放置了一個溫度計，然後將它們放入冰箱中。然後，這位科學家定期觀察兩種液體的溫度和狀態。

冰箱中淡水的溫度和狀態
時間（分鐘）	0	5	10	15	20	25	30
溫度，°C	25	20	15	10	5	0	−5
狀態	液體	液體	液體	液體	液體	凍結	凍結

冰箱中鹽水的溫度和狀態
時間（分鐘）	0	5	10	15	20	25	30
溫度，°C	25	20	15	10	5	0	−5
狀態	液體	液體	液體	液體	液體	液體	凍結

這位科學家從這個實驗中獲得了對假設的支援；淡水的冰點高於鹽水。在科學家對這個假設有信心之前，還需要更多的支援。也許她會要求其他科學家來驗證這項工作。

在科學家的實驗中，她有必要在完全相同的條件下冷凍鹽水和淡水。為什麼？這位科學家正在測試鹽水的存在是否會改變它的冰點。眾所周知，改變氣壓會改變水的冰點。為了得出鹽水的存在是導致冰點變化的原因的結論，所有其他條件都必須相同。鹽水的存在被稱為實驗變數，因為它是兩個試驗中唯一允許改變的因素。淡水部分的實驗被稱為實驗對照。在一個實驗中，可能只有一個變數，對照的目的是確保只有一個變數。 "對照"與 "測試"相同，除了實驗變數以外。除非實驗得到控制，否則結果無效。

假設你想確定哪種品牌的微波爐爆米花留下最少的未爆爆米花。你需要供應各種品牌的微波爐爆米花進行測試，還需要一個微波爐。如果你用不同品牌的微波爐和不同品牌的爆米花，未爆爆米花的比例可能是由不同品牌的爆米花引起的，但也可能是由不同品牌的烤箱引起的。在這種情況下，實驗者無法自信地得出是爆米花還是烤箱導致了差異的結論。為了消除這個問題，你必須對所有測試使用同一個微波爐。透過使用同一個微波爐，你控制了實驗中的變數數量。

如果你允許不同的爆米花樣品在不同的溫度下烹飪會怎樣？如果你允許更長的加熱時間會怎樣？為了合理地得出，一個變數的變化是由另一個特定變數的變化引起的，實驗中不能有任何其他變數。所有其他變數必須保持不變。

使用科學方法的錯誤

科學方法要求觀察自然，以及提出的解釋與觀察結果之間的一致性。也就是說，假設必須解釋所有觀察結果。因此，科學方法只有在資料（觀察結果列表）沒有偏差的情況下才能正常運作。有幾種方法可以產生有偏差的資料集。每個人都可能在觀察中犯錯誤。天平可能被誤讀，或數字在記錄時被顛倒。這就是為什麼實驗要進行多次，並且要反覆觀察的原因之一。還可能存在一個未被識別的錯誤，並在每次實驗中產生相同的錯誤。例如，一位科學家可能試圖測試正常的雨水，但不知情的是，附近的一家工廠正在從煙囪中排放可溶性物質，這些物質汙染了科學家的樣本。在這種情況下，科學家的樣本將產生關於正常雨水的錯誤觀察結果。其他科學家複製實驗將收集未受汙染的樣本，並發現不同的結果。多次測試實驗將確定哪組資料有缺陷。未能應用適當的實驗對照肯定會使資料產生偏差。

在實驗者只收集支援資料而排除矛盾的觀察結果時，也會出現不誠實的錯誤。甚至有些科學家偽造觀察結果來支援自己的假設。名利對人的吸引力是難以抵擋的。出於所有這些原因，科學方法要求將實驗結果發表，並由其他科學家重複實驗。

課程總結

在科學方法發展之前，人類在交通、通訊和醫藥領域的成就微乎其微。
科學方法的使用使人類在交通、通訊和醫藥領域取得了重大成就。
科學方法比迷信、意見和權威的方法要成功得多。
科學方法的步驟是
1. 確定問題
2. 收集資料（進行觀察）
3. 提出假設
4. 檢驗假設（實驗）
5. 繼續檢驗或拒絕假設並提出新的假設
實驗對照用於確保實驗中唯一的變數是正在測試的變數。

複習問題

使用以下段落回答前兩個問題。1928 年，亞歷山大·弗萊明爵士正在研究培養皿中生長的金黃色葡萄球菌。他注意到一些培養皿中也生長著一種叫做青黴菌的黴菌。在圖 1.13 中，培養皿 A 表示只含有金黃色葡萄球菌的培養皿。培養皿 B 中的紅點表示青黴菌菌落。弗萊明注意到黴菌周圍存在一個透明區域，因為生長在這個區域的所有細菌都死了。在沒有黴菌的培養皿中，沒有出現透明區域。弗萊明認為這種黴菌正在產生一種殺死細菌的化學物質。他決定分離這種物質並對其進行測試，看看它是否能殺死細菌。弗萊明在營養肉湯中培養了一些青黴菌。在黴菌在肉湯中生長後，他從肉湯中移除了所有黴菌，並將肉湯新增到細菌培養物中。所有細菌都死了。

以下哪個陳述是弗萊明假設的合理表達？
(a) 營養肉湯能殺死細菌。

(b) 在青黴菌周圍存在透明區域，那裡沒有金黃色葡萄球菌生長。

(c) 黴菌能殺死細菌。

(d) 青黴菌產生一種殺死金黃色葡萄球菌的物質。

(e) 培養皿中沒有黴菌，細菌周圍就沒有透明區域。
弗萊明在肉湯中培養了青黴菌，然後移除了青黴菌，並將肉湯倒入含有細菌的培養皿中，看看肉湯是否能殺死細菌。這代表科學方法中的哪個步驟？
(a) 收集和整理資料

(b) 提出假設

(c) 透過實驗檢驗假設

(d) 拒絕舊假設並提出新假設

(e) 以上都不是

除非科學方法中的每個步驟都存在，並且按照本章列出的確切順序進行，否則科學調查將無效。

(a) 正確

(b) 錯誤

以下哪個詞語與假設的含義最接近？

(a) 事實

(b) 法則

(c) 公式

(d) 建議

(e) 結論

為什麼科學家有時會拋棄理論？

(a) 科學方法的步驟沒有按順序進行

(b) 公眾意見與理論不符

(c) 理論受到教會的反對

(d) 發現了矛盾的觀察結果

(e) 國會投票反對它

加里注意到他媽媽在同一天種的兩株植物，在種植時大小相同，但在三週後大小不同。因為較大的植物整天都在陽光充足的地方，而較小的植物大部分時間都在樹蔭下，所以加里認為陽光是造成植物大小差異的原因。為了檢驗這一點，加里買來了十株大小和型別相同的幼苗。他確保它們有相同的大小和型別的盆。他還確保它們有相同數量和型別的土壤。然後，加里建造了一個框架來支撐一塊帆布屋頂，覆蓋五株植物，而另外五株植物則在附近，但暴露在陽光下。加里小心地確保每株植物每天都接受相同數量的水和植物食物。

以下哪個是加里假設的合理陳述？
(a) 不同的植物具有不同的特徵。

(b) 接受更多陽光的植物比接受較少陽光的植物長得更大。

(c) 在陰涼處生長的植物長得更大。

(d) 不接受水的植物會死亡。

(e) 接受相同數量的水和植物食物的植物將生長相同的量。
加里堅持所有植物的容器尺寸必須相同，這可能有什麼科學原因？
(a) 加里想確定容器的大小是否會影響植物的生長。

(b) 加里想確保容器的大小不會影響他實驗中植物生長的差異。

(c) 加里想要控制他的植物接受多少植物食物。

(d) 加里想要他的花園看起來井井有條。

(e) 使用相同尺寸的容器沒有可能的科學原因。
加里堅持每天所有植物都接受相同數量的水，這可能有什麼科學原因？
(a) 加里想要測試陰影對植物生長的影響，因此，他希望除了植物接受的陽光量之外，沒有其他變數。

(b) 加里想要測試水量對植物生長的影響。

(c) 加里的假設是水質影響植物生長。

(d) 加里在節約用水。

(e) 每天每株植物接受相同數量的水沒有可能的科學原因。
加里實驗中測試的變數是什麼？
(a) 水量

(b) 植物食物的量

(c) 土壤的量

(d) 陽光量

(e) 土壤型別
在加里的實驗設定中，哪些因素可能在變化，但他沒有控制？
(a) 個體植物差異

(b) 由於容器顏色不同導致的土壤溫度

(c) 由於土壤蒸發導致的水分流失

(d) 昆蟲的影響，可能攻擊一組植物，而不攻擊另一組植物

(e) 以上所有都是加里沒有控制的可能因素

當蚊子從宿主身上吸血時，它會用鋒利的喙刺穿皮膚並注入抗凝血劑，以防止血液凝固。然後它吸一些血並縮回喙。如果蚊子攜帶致病微生物，它會將這些微生物連同抗凝血劑一起注入宿主體內。長期以來人們認為，蝨子在吸血時會像蚊子一樣注入傷寒病毒。但事實並非如此。感染不在蝨子的唾液中，而在糞便中。當蝨子的糞便接觸到宿主皮膚上的抓痕或咬傷時，就會傳播這種疾病。1922年，人們對這一問題進行了一項測試，當時兩名工作人員用感染了蝨子的猴子進行了餵食，並小心地防止蝨子的糞便接觸到猴子。兩週後，猴子沒有患上傷寒。然後，工作人員給猴子注射了傷寒，幾天後猴子就病了。為什麼工作人員在實驗結束時給猴子注射傷寒？

(a) 為了證明蝨子攜帶傷寒病毒

(b) 為了證明猴子與人相似

(c) 為了證明猴子沒有對傷寒免疫

(d) 為了證明蚊子不是傷寒的傳播者

(e) 工作人員很壞

艾克曼用去除了種皮的稻米（拋光米或白米）專門餵養一群雞。這些雞都患上了多發性神經炎（雞的一種疾病）並死亡。他用未拋光的稻米（仍然帶有種皮的稻米）餵養另一群雞。這些雞中沒有一隻患上多發性神經炎。然後，他收集了稻米的拋光物（被去除的種皮），並用拋光物餵養其他患有多發性神經炎的雞。不久後，所有患病的雞都恢復了健康。艾克曼準確地追蹤了多發性神經炎的原因是飲食不當。歷史上第一次，透過實驗成功地誘發了食物缺乏症並治癒了它。以下哪個是艾克曼假設的合理陳述？

(a) 多發性神經炎是雞的一種致命疾病。

(b) 白米攜帶多發性神經炎的病毒。

(c) 未拋光的稻米不攜帶多發性神經炎病毒。

(d) 稻米種皮中含有營養物質，可以保護雞免受多發性神經炎的侵害。

(e) 以上都不是艾克曼假設的合理陳述。

以下三個問題與以下段落相關。

科學家 A 注意到，在一個特定的森林區域，唯一居住在該地區的動物是長頸鹿。他還注意到，這些動物唯一可用的食物在相當高的樹上，隨著夏季的推移，這些動物吃掉樹上越來越高的樹葉。這位科學家認為，這些動物最初與所有其他動物一樣，但幾代動物為了吃到更高的樹葉而伸長脖子，導致該物種長出了非常長的脖子。

科學家 B 進行實驗並觀察到，伸展肌肉不會導致骨骼生長變長，也不會改變動物的 DNA，使更長的肌肉遺傳給下一代。因此，科學家 B 摒棄了科學家 A 關於該地區所有動物都長著長脖子的建議。科學家 B 反而建議，最初該地區生活著許多不同種類的動物，包括長頸鹿，但只有長頸鹿在樹上高處是唯一食物來源時才能生存下來，因此所有其他物種都離開了該地區。

以下哪個陳述是解釋，而不是觀察？
A. 該地區唯一生活的動物是長頸鹿。

B. 唯一可用的食物在高大的樹上。

C. 不斷伸長脖子的動物會生長出更長的脖子。

D. A、B 和 C 都是解釋。

E. A、B 和 C 都是觀察。
科學家 A 的假設是
A. 該地區唯一生活的動物是長頸鹿。

B. 唯一可用的食物在高大的樹上。

C. 不斷伸長脖子的動物會生長出更長的脖子。

D. 擁有最適合在某個地區生存的特徵的動物將成為該地區的優勢物種。

E. 以上都不是科學家 A 假設的合理陳述。
科學家 A 的假設被摒棄
A. 證明了科學方法並不總是有效。

B. 是在沒有使用科學方法的情況下取得的結果。

C: 是科學方法發明之前發生的事情的一個例子。

D. 是科學方法正常運作的一個例子。

E. 是一個不尋常的案例。

當一個理論已經存在很長時間時，它就會變成定律。

(a) 正確

(b) 錯誤

在巴斯德的時代，炭疽病是一種廣泛且災難性的牲畜疾病。許多以飼養牲畜為生的人失去了大部分牲畜。大約在 1876 年，法國東部的一位獸醫名叫盧夫裡耶聲稱發明了一種治療炭疽病的方法。當地有影響力的人支援盧夫裡耶的聲稱，他治癒了數百頭牛的炭疽病。巴斯德去盧夫裡耶的家鄉評估這種治療方法。這種治療方法被解釋為一個多步驟的過程，其中：1) 摩擦母牛，使其儘可能地熱起來；2) 在母牛的皮膚上切開長長的切口，並向切口裡倒入松節油；3) 在母牛身上塗抹一層厚厚的牛糞與熱醋混合物，並將母牛完全包裹在布里。由於一些牛在沒有治療的情況下也會從炭疽病中恢復，因此對一頭牛進行治療並不能得出結論，因此巴斯德提出了一項實驗來測試盧夫裡耶的治療方法。四頭健康的母牛將被注射炭疽病微生物，當這些母牛生病後，盧夫裡耶將選擇兩頭母牛（A 和 B），並對它們進行治療，而另外兩頭母牛（C 和 D）將不進行治療。實驗進行後，幾天後，一頭未經治療的母牛死亡，另一頭母牛好轉。在經過盧夫裡耶治療的母牛中，一頭母牛死亡，另一頭母牛好轉。在這個實驗中，感染母牛 C 和 D 的目的是什麼？

(a) 這樣盧夫裡耶就可以從兩頭以上的母牛中進行選擇。

(b) 確保注射液中確實含有炭疽病。

(c) 作為實驗對照（比較治療組與未治療組）。

(d) 儘可能地殺死母牛。

一個假設是

(a) 對觀察到的持續模式的描述。

(b) 一個保持不變的觀察結果。

(c) 一個已經被證實的理論。

(d) 對現象的初步解釋。

許多人在一家餐館吃了牡蠣後生病了。以下哪個陳述是關於這一事件的假設？

(a) 所有吃過牡蠣的人都病了。

(b) 無論人們吃的是生牡蠣還是熟牡蠣，他們都會生病。

(c) 症狀包括噁心和頭暈。

(d) 廚師對此感到非常難過。

(e) 牡蠣中的細菌可能是導致疾病的原因。

哪句話最能描述使用實驗對照的原因？

(a) 實驗對照消除了對大量樣本的需要。

(b) 實驗對照消除了對統計檢驗的需要。

(c) 實驗對照減少了所需的測量次數。

(d) 實驗對照允許比較僅在一個自變數上不同的組。

一名學生決定設計一個實驗，以確定植物生長速度與土壤中是否存在洗滌劑之間的關係。他設定了 10 個種子盆。在 5 個種子盆中，他將精確量的洗滌劑與土壤混合，另外 5 個種子盆的土壤中沒有洗滌劑。將 5 個裝有洗滌劑的種子盆放在陽光下，將 5 個沒有洗滌劑的種子盆放在陰涼處。所有 10 個種子盆都接受相同數量的水和相同數量和型別的種子。他將這些植物種植了兩個月，每兩天記錄一次生長情況。他的實驗有什麼問題？

(a) 學生的盆不夠多。

(b) 學生有兩個自變數。

(c) 學生有兩個因變數。

(d) 學生對土壤沒有實驗控制。

一位科學家種植了兩行玉米進行實驗。她給第一行施肥，而第二行沒有施肥。兩行都接受相同量的陽光和水。她在五個月內觀察了玉米的生長情況。在這個實驗中，起對照作用的是什麼？

(a) 沒有施肥的玉米。

(b) 施肥的玉米。

(c) 水量。

(d) 玉米植株的高度。

如果你的實驗有對照組，那麼以下哪項是正確的？

(a) 對照組和實驗組之間可以有多個差異，但不能超過三個差異，否則實驗無效。

(b) 對照組和實驗組之間可能存在許多差異。

(c) 對照組必須與實驗組完全相同，除了一個變數。

(d) 以上都不正確。

如果假設被實驗拒絕，那麼

(a) 該實驗可能已經成功了。

(b) 該實驗失敗了。

(c) 該實驗設計不佳。

(d) 實驗沒有遵循科學方法。

對自然世界某一方面有充分根據的解釋是

(a) 理論。

(b) 定律。

(c) 假設。

(d) 以上都不是。

詞彙

實驗: 進行測試以產生觀察結果，以證明或反駁假設的行為。
假設: 旨在解釋一組觀察結果的提議。
定律: 特定觀察之間存在的關係。
科學方法: 一種研究方法，涉及觀察以產生和檢驗假設和理論。
理論: 經過反覆測試得到支援的假設。
可重複的: 在科學中，結果可以被多個科學家在不同的時間和地點獲得的東西，通常是實驗。
可證偽的: 可以被證明是錯誤的，通常是假設。

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