科学研究的方法之四——数据的采集和处理
发布时间:2017-02-20  浏览次数:

编者按: 

      做科学研究,首先要学习做研究工作的方法。所谓 “工欲善,必先利其器”,这句话就是讲改进和完善自己工作方法的重要性。

      作者蒋百川博士后期间,因教授Flom “世界上有多少事没人做过,你做得过来吗?这不能成为你要做这个研究的理由”的反问,开始认识到学习 “研究方法” 的重要性。之后蒋百川进行了相关课程的学习,并在实践中不断改进,逐步掌握了这方面的知识。2013年他退休后开始陆续撰文分享积累的经验、心得体会,并汇聚成一本《科学研究的方法》。《知识分子》获作者授权,将陆续为大家分享书中内容,此为该系列的第四篇。

 

撰文蒋百川(美国诺瓦东南大学教授)

 

数据的采集和处理

   

    “我是学实验物理的,实验是自然科学的基础。理论如果没有实验证明,是没有意义的。当实验推翻了理论之后,才可能创建新的理论。理论是不可能推翻实验的。”

——丁肇中

    1.数据收集的方法

    必须认识到,没有一种收集数据的方法可得到100%的准确和可靠的信息。数据收集的质量决定于若干因素(这在下面讨论各种方法时会谈到)

    作为一个研究者,你的研究技能之一是注意这些因素。一个有经验的和非专业的人员的主要差别在于他们是否懂得这一点,并能在数据收集过程中控制这些因素的影响。

    精密的测量,仔细的观察,克服主观的倾向bias,了解测量的精度和误差,都是实验者应有的素质。

    2.实验时一些必须遵循的原则

    在进行实验时,会显示出不同的研究者的能力和效率的极大区别。部分原因是天赋,部分是来自实践,还有部分是训练的结果。

    以下提供一些一般必须遵循的原则:

    1实验人员必须了解仪器的工作原理、性能、和工作范围。

    2如果要对实验条件作一些改变,毎次只能改变一个条件,而保持其他条件如旧。这样做有利于发现实验中的问题。

    3)预实验不仅可以测试和调整仪器,而且使实验者熟悉仪器的操作,实验程序,考虑或意识到哪里可能会出现问题,以及了解实验中的一些安全性方面的问题。

    4列表。列表使实验可以按步就班进行,不会遗漏测试的项目。

    5仪器定标。仪器定标必须由实验者亲自动手。在每次开始实验前,也要建立一套可行方法,去迅速检测仪器的工作状态有否被改变或破坏(这在仪器是公用的情况下尤为重要)

    6数据处理和分析:真正有趣的实验是出现出乎意料结果的那种实验。实验者或研究工作者必须具备这种敏感性和洞察力,随时准备这种情况的出现。

    弗莱明两次在实验室里获得意外发现的故事已广为人知。

    第一次是1922年,患了感冒的弗莱明无意中对着培养细菌的器皿打喷嚏;后来他注意到,在这个培养皿中,凡沾有喷嚏黏液的地方没有一个细菌生成。随着进一步的研究,弗莱明发现了溶菌酶——在体液和身体组织中找到的一种可溶解细菌的物质。他以为这可能就是获得有效天然抗菌剂的关键。但很快他就丧失了兴趣:试验表明,这种溶菌酶只对无害的微生物起作用。

    1928年运气之神再次降临。在弗莱明外出休假的两个星期里,一只未经刷洗的废弃的培养皿中长出了一种神奇的霉菌。他又一次观察到这种霉菌的抗菌作用——细菌覆盖了器皿中没有沾染这种霉菌的所有部位。不过,这一次感染的细菌是葡萄球菌,这是一种严重的、有时是致命的感染源。经证实,这种霉菌液还能够阻碍其它多种病毒性细菌的生长。

    青霉素(弗莱明在确认这种霉菌是一种青霉菌之后选定了这个名字)是否就是他长期以来一直在寻找的天然抗菌素?它是可敷在伤口上的有效杀菌剂吗?进一步的试验表明,这种抗菌素作用缓慢,且很难大量生产。他的热情也随之凉了下来。在他转向其它研究项目之前,他在1929年发表的一篇论文中介绍了自己的上述发现,但当时这篇论文并未引起人们的重视。弗莱明在论文中提到青霉素可能是一种抗菌素,仅此而已。他没有开展观察青霉素治疗效果的系统试验。他给健康的兔子和老鼠都注射过细菌培养液的过滤液——进行青霉素的毒性试验,但从未给患病的动物注射过。如果当时他做了这方面的试验,这种“神奇药物”很可能会提早10年问世。

    7)一定要对实验结果马上加以处理和分析,而不是做完一批结果再对数据加以处理。不然的话,如果实验条件不完全正确,会浪费做一批实验的整个时间。

    一边做实验,一边要思考实验结果。不要只会机械地收集数据。一个成功的研究者,不仅是用手和眼睛做实验,更是用心在做研究。所以,实验的过程,是测量和积累数据的过程,也是一个分析、解释你观察到的结果的过程。

    3.数据记录

    保持一个良好的工作记录是有效工作的关键之一。

    实验记录本应该是永久性的、装订起来的、足够大尺寸的、并且是编页的。每个课题应使用一个记录本(或分册)

    数据应该是在作观察时直接记录到记录本内,不允许先记录在草稿纸或记在心里,再转记到记录本上去。

    应该使用可以持久保存的墨水记录数据。

    粗略的或定性的图形可以直接画在记录本内。详细的作图用计算机作成后,贴到(或装订到)记录本上去。

    在记录本中,应对所使用的仪器有详细记录,包括每次定标的记录。

    毎个实验应有实验时间、条件等记录。

    (现在这些规定应当被存储在电脑中的文件、图表所代替。但通常来说,必须保持将同一结果存储在至少两个磁盘内)

    在做实验记录时,对于当时尚不能完全了解的数据或现象不要忽视,要如实地记录下来。做得不成功的、或者是失败的实验,也应有完全的记录。

    数据先应该以它们最原始的形式被记录下来。例如,你最终需要两个观察结果的比值,你必须首先分别记录这两个观察结果。记录纸上应有事先准备好的表格,并注明各个数据的单位。

    如果实验记录是有关专利工作的,最好定期地请证人签字,甚至定期公证。证人不能是自己的合作者。