2.2: 科学方法
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科学方法是一个研究过程，有明确的步骤，包括数据收集和仔细观察。
观察
科学进步始于观测。 这涉及直接或间接地从文献中注意到一种模式。 直接观察的一个例子是，注意到自从你打开洒水装置以来，你的院子里已经有很多蟾蜍，作为间接观察，读一份科学研究报告说，在有浇水的草坪的城市地区，蟾蜍，密度很高。
在越战期间（图\(\PageIndex{a}\)），来自北越的新闻报道记录了出生缺陷率的上升。 尽管这些信息的这种可信度最初受到美国的质疑，但它引发了人们对可能导致这些先天缺陷的原因的质疑。 此外，某些癌症和其他疾病的发病率后来在返回美国的越战退伍军人身上出现了增加。这使我们进入了科学方法的下一步，即问题。
问题
科学方法的提问步骤只是问，观察到的模式是什么解释？ 单个观察结果可能产生多个问题。 科学家和公众开始问，是什么原因导致了越南的出生缺陷和越战退伍军人的疾病？ 这可能与军事上广泛使用除草剂 Agent Orange 来清理森林（图\(\PageIndex{b-c}\)）有关，这有助于更轻松地识别敌人？
假设与预测
该假设是问题的预期答案。 最佳假设陈述了效应的拟议方向（增加、减少等），并解释了为什么该假设可能是正确的。
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OK 假设：橙色特工会影响出生缺陷和疾病的发生率。
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更好的假设：橙色剂会增加出生缺陷和疾病的发生率。
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最佳假设：Agent Orange 会增加出生缺陷和疾病的发生率，因为接触这种除草剂的人经常报告这些健康问题。
如果两个或多个假设符合此标准，则首选较简单的假设。
预测源于假设。 该预测解释了哪些结果将支持假设。 该预测比假设更具体，因为它引用了实验的细节。 例如，“如果 Agent Orange 导致健康问题，那么在发育过程中，通过实验暴露于 Agent Orange 的污染物 TCDD 的小鼠比对照小鼠更频繁地出现出生缺陷”（图\(\PageIndex{d}\)）。
假设和预测必须是可检验的，以确保其有效。 例如，一个取决于熊想法的假设是不可检验的，因为它永远无法知道熊在想什么。 它还应该是伪造的，这意味着它们有能力被测试并证明是不真实的。 一个不可伪造的假设的例子是 “波提切利的《金星的诞生》很漂亮”。 没有任何实验可以证明这个说法是错误的。 为了检验一个假设，研究人员将进行一项或多项旨在消除一个或多个假设的实验。 这很重要。 假设可以被驳回或消除，但永远无法得到证实。 科学不处理数学之类的证据。 如果一个实验未能反驳一个假设，那么我们就会找到对该解释的支持，但这并不是说将来找不到更好的解释，也不是说会找到更精心设计的实验来伪造假设。
假设是试探性的解释，与科学理论不同。 科学理论是对一系列观测结果或现象的广泛接受、经过充分测试和证实的解释。 科学理论是科学知识的基础。 此外，在许多科学学科中（在生物学中则不那么如此），都有科学定律，通常用数学公式表达，这些定律描述了自然元素在某些特定条件下的行为，但它们没有解释它们出现的原因。
设计实验
接下来，计划进行一项科学研究（实验）来检验该假设并确定结果是否与预测相符。 每个实验将有一个或多个变量。 科学家假设自变量可能会导致其他原因。 在操纵实验（见下文）中，自变量由科学家操纵。 d 因变量是响应，该变量最终在研究中测量。 受控变量（混杂因子）可能会影响因变量，但它们不是研究的重点。 科学家试图对受控变量进行标准化，以免它们影响结果。 在我们之前的示例中，Agent Orange 的曝光量是自变量。 据推测，它会导致健康状况发生变化（可能生育有先天缺陷的孩子或患上疾病），这是因变量。 许多其他因素可能影响健康，包括饮食、运动和家族史。 这些是受控变量。
科学研究主要有两种类型：实验研究（操纵实验）和观察研究。
在操纵实验中，科学家改变了自变量，然后他们观察了反应。 换句话说，科学家们采用了一种治疗方法。 例如，将发育中的小鼠暴露于 TCDD 中，并将出生缺陷率与对照组进行比较。 对照组是一组与所有其他测试受试者尽可能相似的测试受试者，唯一的不同是他们没有接受实验性治疗（确实接受过实验治疗的受试者称为实验组、治疗组或测试组）。 对照组的目的是确定在没有实验治疗的情况下，在正常条件下因变量是多少。 它作为测试组可以与之进行比较的基准。 在此示例中，对照组将包含未暴露于 TCDD 但在其他方面处理方式与其他老鼠相同的小鼠（图\(\PageIndex{e}\)）
在一项观察性研究中，科学家检查了多个样本，无论有没有假定原因。 例如，监测接触橙剂水平不同的退伍军人的健康状况。
科学研究包含许多重复项。 多个样本可确保观察到的任何模式都是由治疗引起的，而不是个体之间自然存在的差异。 科学研究还应该是可重复的，这意味着如果按照同样的程序再次进行科学研究，则应得出相同的一般结果。 此外，多项研究最终将检验相同的假设。
结果
最后，收集数据并分析结果。 正如 Math Blast 一章中所述，统计数据可用于描述数据和汇总数据。 它们还为决定数据中的模式是否足够强以支持该假设提供了一个标准。
我们示例中的操纵实验发现，在发育过程中暴露于高水平 2,4,5-T（橙剂的成分）或 TCDD（Agent Orange 中发现的一种污染物）的小鼠比对照小鼠更频繁地出现腭裂先天缺陷（图\(\PageIndex{f}\)）。 与对照组相比，小鼠胚胎在暴露于 TCDD 时死亡的可能性也更大。
一项观察性研究发现，自我报告的橙剂暴露与参加越战的韩国退伍军人多种疾病的发病率呈正相关，包括各种癌症、心血管和神经系统疾病、皮肤病和心理障碍。 请注意，正相关性仅意味着自变量和因变量一起增加或减少，但需要进一步的数据，例如操纵实验提供的证据来记录因果关系。 （当一个变量增加而另一个变量减少时，就会出现负相关性。）
结论
最后，科学家们就数据是否支持该假设得出结论。 就Agent Orange而言，暴露于TCDD和2,4,5-T的小鼠的腭裂频率更高的数据与预测相符。 此外，接触奥兰治特工的退伍军人患某些疾病的发病率更高，这进一步支持了这一假设。 因此，我们可以接受这样的假设，即 Agent Orange 会增加出生缺陷和疾病的发病率。
实际上，科学方法并不像最初出现的那样僵硬和结构化。 有时候，实验得出的结论有利于改变方法；通常，实验会给谜题带来全新的科学问题。 很多时候，科学不是以线性方式运作的；相反，科学家们不断得出推论和概括，在研究进行过程中寻找模式（图\(\PageIndex{g}\)）。 即使该假设得到支持，科学家仍可能继续以不同的方式对其进行检验。 例如，科学家们探索了 Agent Orange 的影响，研究了越战退伍军人年龄增长对健康的长期影响。
科学发现会影响决策。 针对有关橙剂对人类健康影响的证据，现在可以向接触橙剂并患上某些疾病的越战退伍军人提供补偿。 美国也禁止使用 Agent Orange。最后，美国已开始清理越南仍受三氯二苯甲醚污染的场地。
在他人工作的基础上再接再厉
科学发现很少能在现场全面展开。 当它发生时，它很可能会在科学家看待周围世界的方式上掀起一场革命，并开辟新的科学研究领域。 达尔文的进化论和孟德尔的继承规则就是这种革命性发展的例子。 但是，大多数科学都是在先前的工作中缓慢而艰苦地建造的大厦中再增加一块砖头。
新技术的开发通常为在许多不同的科学途径上取得快速进展奠定基础。 试想一下光学显微镜和后来的电子显微镜的发现使生物学的进步成为可能。 在这些页面中，有许多实验程序的示例。 每个都是为了解决一个特定的问题而开发的。 但是，每个人随后都被其他实验室的工作人员接受，并将其应用于解决他们的问题。
同样，在科学领域创造新的解释（假设）通常会刺激相关领域的工作者根据新思想重新审视自己的领域。 例如，达尔文的进化论对生物学和环境科学的几乎所有亚专业都产生了巨大影响。 时至今日，生物化学和保护生物学等不同专业的科学家在工作中都受到进化论的指导（图\(\PageIndex{g}\)）。
参考文献
美国医学研究所（美国）审查越战退伍军人接触除草剂对健康的影响委员会。 退伍军人和橙色特工：越南使用的除草剂对健康的影响。 华盛顿（特区）：国家科学院出版社（美国）；1994。2，《除草剂使用争议史》。
Neubert，D.，Dillmann，I. 使用 2,4,5-三氯苯氧基乙酸和 2,3,7,8-四氯二苯并对二恶英治疗的小鼠的胚胎毒性作用。 Naunyn-Schmiedeberg 的拱门。 药物。 272、 243—264 (1972)。
Stellman、J.M. 和 Stellman，S.D.（2018）。 越南战争期间的橙色特工：其民事和军事健康影响的挥之不去的问题。 美国公共卫生杂志，108 (6)，726—728。
Yi、S.W.、Ohrr、H.、Hong、J.S. 和 Yi、J.J.（2013）。 韩国越战退伍军人中橙剂暴露量和自我报告疾病的患病率。 《预防医学与公共卫生杂志》= Yebang Uihakhoe chi，46 (5)，213—225。