“科学探究”说证伪

程炜月

初中、高中乃至大学教材展示的科学探究绝大多数是以证实为主：经典、简洁。而事实上绝大多数科学探究本身要经过大量的去粗取精、去伪（证伪）存真（证实）的过程。证实与证伪是一个问题的两个方面，通常证实的过程中遇到证伪的工作量更大，在提倡学生自主科学探究过程中，进行大量的证伪工作是常态，所以，引导学生重视并强化证伪的训练，显然非常必要。

1 从经典科学史中感知证实与证伪的辩证统一，在艰难曲折中感受科学探究的历程

遗传物质的发现是经典：20世纪20年代，人们已经认识到蛋白质是由多种（20种）氨基酸连接而成的生物大分子，各种氨基酸可以按照不同的方式排列，形成不同的蛋白质。更多的科学家联想到：氨基酸多种多样的排列顺序，可能蕴含遗传信息，而蛋白质功能多样，本身是生命的体现者，作为遗传物质的可能性很大。科学家们对含量较少的DNA的分子结构不甚了解，只知道，它是由4种不同的脱氧核苷酸组成，想象不出DNA如何携带海量的遗传信息，所以推测蛋白质为遗传物质的观点占主导地位。

艾弗里验证遗传物质的实验是分别提取S型肺炎双球菌的DNA、蛋白质、糖类等物质，观察其对R型活菌的转化效果，发现只有DNA具有转化能力，其他物质均没有转化能力，而且DNA纯度越高，转化就越有效；如果用DNA酶分解S型活菌的DNA，就不能使R型菌发生转化。显然，DNA是遗传物质，其他物质均不是。

尽管艾弗里的实验逻辑性很强，但DNA纯度最高时，还有0.02%蛋白质杂质，人们对此实验结论表示怀疑。

1952年，赫尔希和蔡斯选用T2噬菌体，用放射性同位素标记，发现噬菌体侵染细菌时，蛋白质外壳留在外面，进入细菌体内的只有DNA、DNA可以单独进入大肠杆菌体内，完成自身复制、指导蛋白质合成、组装新噬菌体、释放……显然，DNA能复制传代指导蛋白质合成，是真正的遗传物质。

可见，在向科学进军的道路上，大多数的人和大量的时间实际上都耗费在证伪性实验引发的对实验、假说的检讨、修正上。因此，只讲“证实”的探究性教学会使学生产生科学的道路是平坦的、发现科学理论是一帆风顺的错觉，从而曲解科学探究的本质，形成不正确的印象。证伪性设计与探究是对科学研究历程的模拟，有利于学生以平常心踏踏实实地对待科学探究中大量的证伪性工作。

2 证实与证伪矛盾与和谐的统一：正视生物学科的复杂性

在探究人体免疫原理时最早有两个学派：细胞免疫派与体液免疫派。俄国梅契尼克发现白细胞有吞噬功能，能吞噬和清除各种病原微生物，这是细胞免疫学说；而德国欧立希相信人体体液产生的抗体，能清除各种病原体，这是人体的体液免疫。科学家最后探究的结果是：正常人体这两种免疫形式同时存在，而且协同起来，共同完成免疫、防御、细胞及大分子识别的功能。

非此即彼的证实、证伪模式，在生物学中总有例外，因此教师应正视生命运动的复杂性，对实验科学全面地进行总结。

3 理论证伪也精彩——感受相关原理或概念之间的关系

在探究单细胞动物草履虫的应激性现象时，教师引导学生思考：草履虫靠什么结构对盐或肉汁的刺激发生反应？学生联想到人体相关知识，异口同声：“靠神经系统完成反应！”

教师继续追问：“草履虫是单细胞动物，还是多细胞动物？”

生：“单细胞！”

师：“一个细胞能构成神经系统吗？”

学生想到显然不能，然后总结出单细胞生物一个细胞完成全部的代谢、生殖、生长、分裂、排泄、应激性等全部生理功能。

教师继续引导：“草履虫这类对刺激的反应是反射吗？”

反射是较高等的动物依靠神经系统对内外刺激产生有规律的反应。草履虫的个体只由一个细胞构成，当然没有系统的复杂构建，所以此类反应在生物学上只能称为“应激性”。生物体对外界刺激的反应，包括植物的茎叶向光性、根的向地性，全部是应激性，只有拥有神经系统的多细胞动物，才可能有反射活动。

教师通过这样举一反三理论性的证伪推理，加深学生对反射、应激性等相关概念的理解。

4 科学探究过程中证伪：生搬硬套“正确的原理”出错：感受课堂原理、知识在实际运用中的变通

学完人体的血液循环，教师引导学生思考：脑动脉瘤发病率、死亡率极高，被称为“脑部的定时炸弹”。它是动脉壁损伤或老化，使局部血管壁向外膨大而形成的囊状瘤体。现在最先进的微创介入手术是从右侧股动脉穿刺，经人体的血管，通过导管将微小的铂金弹簧圈放入脑动脉瘤腔内，阻断动脉瘤内的血流，逐渐形成血栓而阻塞动脉瘤腔，来降低动脉瘤破裂的机会。微导管为细导管，头端比缝纫线粗不了多少。

教师要求学生找出最佳的导管前进路线，怎样对患者的损伤最小。很快，学生找出的是与血液循环路径一致：循着血液循环入股动脉—小动脉—身体毛细血管—小静脉—下腔静脉—右心房—右心室—肺动脉—肺部毛细血管—肺静脉—左心房—左心室—主动脉—颈总动脉—相应脑动脉瘤部位……

利用血液循环的原理不错，但实际操作中可能遭遇关键的困难有：① 微导管头端直径与缝纫线接近，但还是比毛细血管粗多了，经过身体任何一处毛细血管都会损伤该处毛细血管等组织及细胞。上面途径起码损伤肺部等两处组织。② 该途径金属微导管两次经过心脏，相当与对心脏做切割手术，是不是对心脏威胁太大？

学生马上感到生搬硬套“正确的原理”出错了，那么微创介入是如何解决这个问题的？教师出示以下微创手术中常规途径示意图（图1）：

让学生看图找出相应的常规途径：从右股动脉-髂动脉-腹主动脉-胸主动脉-一直上行到颅内载瘤动脉内，并进入动脉瘤。图1显示经插入动脉瘤腔内的微导管向动脉瘤腔内送入可脱弹簧圈。图中显示动脉瘤被送入的弹簧圈完全栓塞。

显然实际手术导管前进途径进行了变通：先逆血液流动上行至主动脉，经主动脉分支进入颈总动脉，到相应的脑动脉血管瘤部位，完成手术。

同样也有经颈部动脉直接上行，到相应的脑动脉瘤部位。

可见，科学工作正是这样不断探索，不断创新，综合运用多学科高科技手段。

5 证伪与日常生活接轨：感受“地气”

科学探究源于生活，也应服务于现实生活。所以科学探究无处不在，证伪也应是日常生活中常态，为更积极、更主动、更健康的生活保驾护航。

很多医院，甚至著名医院，人满为患，每个坐诊医生每天接诊很多个病人。有时候在来不及、没有充分掌握病情状况时诊断也会出错，而根据这些错误的信息进行的治疗显然对人们的身体有害，甚至贻误最佳治疗时机，危及生命。

教师提供资料：某患者晕倒两次，每次都是头痛欲裂，晕倒后四肢蜷曲振颤，小便失禁。在当地第一人民医院，做脊髓腰椎穿刺，排除细菌性脑膜炎的可能，做了CT检查，查不出任何病因。恰巧那里核磁共振的机子坏了，脑外科的女主任高度怀疑是脑动脉血管瘤。到上海，请华山医院脑外科一海归黄博士看看CT片子，诊断一下病情，黄博士判断很可能是癫痫，但要等到癫痫发作时做脑电图才能确诊。

家属查阅网络、咨询相关医生，发现如果是脑动脉血管瘤，那可是“脑部的不定时炸弹”——一旦破裂，危险性极高。通过核磁共振加强型检查：发现脑部中动脉血管瘤。患者赶紧联系医院做微创介入手术，一周左右出院。

留心现代社会周围的人和事，可以发现，有很多时候，人们不可能是所有方面的专门技术人才，但培养不断进行科学探究的习惯与能力，可以迅速提升自己的解决难题的能力，从无知到了解，甚至每个人都可以参与自己的生活抉择，选择最佳的、更积极、更主动、更健康的生活方式方法，不做愚昧无知的科学文盲，不再被动“挨打”，这才是科学探究证伪训练最终的现实目的。