科學研究的方法之四——數據的采集和處理

作者: 時間:2017-02-20 點擊數:

編者按: 

      做科學研究,首先要學習做研究工作的方法。所謂 “工欲善,必先利其器”,這句話就是講改進和完善自己工作方法的重要性。

      作者蔣百川博士后期間,因教授Flom “世界上有多少事沒人做過,你做得過來嗎?這不能成為你要做這個研究的理由”的反問,開始認識到學習 “研究方法” 的重要性。之后蔣百川進行了相關課程的學習,并在實踐中不斷改進,逐步掌握了這方面的知識。2013年他退休后開始陸續撰文分享積累的經驗、心得體會,并匯聚成一本《科學研究的方法》。《知識分子》獲作者授權,將陸續為大家分享書中內容,此為該系列的第四篇。

 

撰文蔣百川(美國諾瓦東南大學教授)

 

數據的采集和處理

   

    “我是學實驗物理的,實驗是自然科學的基礎。理論如果沒有實驗證明,是沒有意義的。當實驗推翻了理論之后,才可能創建新的理論。理論是不可能推翻實驗的。”

——丁肇中

    1.數據收集的方法

    必須認識到,沒有一種收集數據的方法可得到100%的準確和可靠的信息。數據收集的質量決定于若干因素(這在下面討論各種方法時會談到)

    作為一個研究者,你的研究技能之一是注意這些因素。一個有經驗的和非專業的人員的主要差別在于他們是否懂得這一點,并能在數據收集過程中控制這些因素的影響。

    精密的測量,仔細的觀察,克服主觀的傾向bias,了解測量的精度和誤差,都是實驗者應有的素質。

    2.實驗時一些必須遵循的原則

    在進行實驗時,會顯示出不同的研究者的能力和效率的極大區別。部分原因是天賦,部分是來自實踐,還有部分是訓練的結果。

    以下提供一些一般必須遵循的原則:

    1實驗人員必須了解儀器的工作原理、性能、和工作范圍。

    2如果要對實驗條件作一些改變,毎次只能改變一個條件,而保持其他條件如舊。這樣做有利于發現實驗中的問題。

    3)預實驗不僅可以測試和調整儀器,而且使實驗者熟悉儀器的操作,實驗程序,考慮或意識到哪里可能會出現問題,以及了解實驗中的一些安全性方面的問題。

    4列表。列表使實驗可以按步就班進行,不會遺漏測試的項目。

    5儀器定標。儀器定標必須由實驗者親自動手。在每次開始實驗前,也要建立一套可行方法,去迅速檢測儀器的工作狀態有否被改變或破壞(這在儀器是公用的情況下尤為重要)

    6數據處理和分析:真正有趣的實驗是出現出乎意料結果的那種實驗。實驗者或研究工作者必須具備這種敏感性和洞察力,隨時準備這種情況的出現。

    弗萊明兩次在實驗室里獲得意外發現的故事已廣為人知。

    第一次是1922年,患了感冒的弗萊明無意中對著培養細菌的器皿打噴嚏;后來他注意到,在這個培養皿中,凡沾有噴嚏黏液的地方沒有一個細菌生成。隨著進一步的研究,弗萊明發現了溶菌酶——在體液和身體組織中找到的一種可溶解細菌的物質。他以為這可能就是獲得有效天然抗菌劑的關鍵。但很快他就喪失了興趣:試驗表明,這種溶菌酶只對無害的微生物起作用。

    1928年運氣之神再次降臨。在弗萊明外出休假的兩個星期里,一只未經刷洗的廢棄的培養皿中長出了一種神奇的霉菌。他又一次觀察到這種霉菌的抗菌作用——細菌覆蓋了器皿中沒有沾染這種霉菌的所有部位。不過,這一次感染的細菌是葡萄球菌,這是一種嚴重的、有時是致命的感染源。經證實,這種霉菌液還能夠阻礙其它多種病毒性細菌的生長。

    青霉素(弗萊明在確認這種霉菌是一種青霉菌之后選定了這個名字)是否就是他長期以來一直在尋找的天然抗菌素?它是可敷在傷口上的有效殺菌劑嗎?進一步的試驗表明,這種抗菌素作用緩慢,且很難大量生產。他的熱情也隨之涼了下來。在他轉向其它研究項目之前,他在1929年發表的一篇論文中介紹了自己的上述發現,但當時這篇論文并未引起人們的重視。弗萊明在論文中提到青霉素可能是一種抗菌素,僅此而已。他沒有開展觀察青霉素治療效果的系統試驗。他給健康的兔子和老鼠都注射過細菌培養液的過濾液——進行青霉素的毒性試驗,但從未給患病的動物注射過。如果當時他做了這方面的試驗,這種“神奇藥物”很可能會提早10年問世。

    7)一定要對實驗結果馬上加以處理和分析,而不是做完一批結果再對數據加以處理。不然的話,如果實驗條件不完全正確,會浪費做一批實驗的整個時間。

    一邊做實驗,一邊要思考實驗結果。不要只會機械地收集數據。一個成功的研究者,不僅是用手和眼睛做實驗,更是用心在做研究。所以,實驗的過程,是測量和積累數據的過程,也是一個分析、解釋你觀察到的結果的過程。

    3.數據記錄

    保持一個良好的工作記錄是有效工作的關鍵之一。

    實驗記錄本應該是永久性的、裝訂起來的、足夠大尺寸的、并且是編頁的。每個課題應使用一個記錄本(或分冊)

    數據應該是在作觀察時直接記錄到記錄本內,不允許先記錄在草稿紙或記在心里,再轉記到記錄本上去。

    應該使用可以持久保存的墨水記錄數據。

    粗略的或定性的圖形可以直接畫在記錄本內。詳細的作圖用計算機作成后,貼到(或裝訂到)記錄本上去。

    在記錄本中,應對所使用的儀器有詳細記錄,包括每次定標的記錄。

    毎個實驗應有實驗時間、條件等記錄。

    (現在這些規定應當被存儲在電腦中的文件、圖表所代替。但通常來說,必須保持將同一結果存儲在至少兩個磁盤內)

    在做實驗記錄時,對于當時尚不能完全了解的數據或現象不要忽視,要如實地記錄下來。做得不成功的、或者是失敗的實驗,也應有完全的記錄。

    數據先應該以它們最原始的形式被記錄下來。例如,你最終需要兩個觀察結果的比值,你必須首先分別記錄這兩個觀察結果。記錄紙上應有事先準備好的表格,并注明各個數據的單位。

    如果實驗記錄是有關專利工作的,最好定期地請證人簽字,甚至定期公證。證人不能是自己的合作者。

 

 

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