谢寅，科学教育搬运工(._.) 零.写在前面 BBC 有一部纪录片，叫做《猫的秘密生活》，记录了一群动物科学家在英国一个小镇上几个星期的研究生活。 这是一部非常有趣的纪录片，不仅因为展现了很多科学家工作中的细节，更多的是展现了科学家群体的特殊气质和思维方法。 之前做小学的科学老师的时候，我经常会把这部纪录片的片段，作为科学课的“开学第一课”放给孩子们，与 ta 们一起讨论科学家的工作是什么样的。 所以，这个纪录片看了很多遍，在这里写下的，就是我找到的，这部纪录片中有趣的细节。 让我们顺着剧情的脚本，一点一点的讲一讲吧。 一、实验开始之前，科学家的准备工作 1.1.影片脚本 两位科学家来到了英国的一个宁静的小镇。 这里是英国猫咪分布最为密集的地方。 猫咪们在洞外的行为是什么？猫咪们每天会走多远的路？这些独居动物如何生活在一起？猫咪在哪里可以找到食物？这些都引起了科学家极大的兴趣。 为了得到猫主人的支持，科学家还在小镇上张贴了相应的告示，还与猫主人当面进行交流，寻求他们的支持和帮助。 有意思的是，主人们也同样对自己宠物的神秘生活充满了兴趣。 比如：猫咪们在哪里抓到了猎物，猫咪们晚上出去能走多远？这些都是主人们感兴趣的问题。 科学家召开了一个发布会，介绍了他们的研究目的，并且带来了一位技术专家，他向小镇居民们展示了为了研究而改进的工具：记录猫咪们的位置的项圈。 技术专家告诉居民们：他将原本在非洲草原上研究大型猫科动物的项圈进行了改进，以更加轻便和耐用，经过了测试之后的项圈，可以套在猫咪的脖子上，并且完全没有影响。小镇居民们也饶有兴趣的聆听了他的分享，并且领取了项圈，给猫咪们戴在了脖子上。 一切就绪之后，科学家把仪器搬进当地的市政厅，布置了探究的临时会场，并且在小镇上设置了拍摄相机，现在要等待的，就是猫咪们的表现了。 1.2.科学家做了什么 这一段其实是介绍了研究背景和科学家们的研究目标，还有科学家在相应的研究仪器和研究技术上的准备。 二、从信息中发现感兴趣的问题 2.1.影片脚本 随着时间的推移，项圈开始纪录下猫咪们的运动轨迹等数据，科学家也开始着手分析和整理数据。 一开始，科学家想要寻找一个直观显示猫咪移动的方法，经历了一段时间的分析之后，科学家选择了用图表显示出猫咪们活动的方向和距离随着时间的分布，科学家还将猫咪们的行动轨迹，显示在了地图上。 根据数据的显示科学家们开始明确他们的研究目标，他们提出了第一个问题：猫咪们离家后能走多远：猫咪们的活动范围是多少？并且根据数据进行了初步的分析 苏提的活动范围很大，引起了科学家的注意，科学家们查看了它的资料，认为它活动范围大，或许是和它农场猫的身份有关。 两位科学家也会彼此分享和交流自己的发现：例如：公猫活动范围似乎大一些，母猫的活动范围普遍比公猫小。 猫咪的分布密度会影响它们的活动范围。猫咪密集的区域，猫咪的活动区域要更狭小一些。 有些发现，科学家没有深究下去，比如猫咪们看起来有不同的巡视区域，有些地方猫咪们不去，或许是因为天气原因。哪只猫活动范围最大？为什么会这样？ 但是有一些问题，引起了科学家真正的兴趣：两只猫咪共享一片区域的时候，它们会如何影响彼此的行为？ 一天工作就这样结束了，科学家进行了总结：我们期待一周的结果，比一天的结果能够呈现更多的信息。但是究竟要怎么做呢，我们目前得到的，仍旧只是一些数据而已，科学家又该怎么找到自己研究的方向呢？ 2.2.科学家做了什么 首先，是整理数据。 其次，是从数据中发现一些他们感兴趣的问题，并且彼此进行交流。 第三，他们找到了感兴趣的问题，提出了一个猜想 猜想是怎么来的呢？科学家之前注意到了这样的数据特征：猫咪分布的比较密集的区域，猫咪们的活动范围会相对小一些，猫咪们分布的比较稀疏的区域，猫咪们的活动范围会大一些。正是这一点启发了科学家，使他们提出了“猫咪们的生活区域重叠，或许会对彼此产生一定的影响”的猜想。 如果你反复看这一段影片，你会发现科学家这个时候的工作好像特别的零乱且没有头绪，科学家感兴趣的点一直都在变化。这其实就也许就是真实科研的样子：科学家感兴趣的问题，并不是一蹴而就的，而是随着他们对研究对象的了解，逐步发现的。 科学家就在不断的尝试中，慢慢的逼近着他们感兴趣的问题。直到他们把自己的若干想法整理为一个猜想，这时候科学研究的工作，就正式跨过了启动阶段，真正的开始了。 三、深入研究 3.1.剧情脚本 我们继续看剧集的脚本： 科学家首先把注意力，放在了猫咪出门之后的行为上，为此，他们专门研发了一种可以进行拍摄和录音的摄像头，并且和 GPS 项圈整合在了一起。 但是有了相机，要拿它来拍摄什么呢？ 科学家是这样描述自己的想法的：尽管我们从数据上知道，猫咪们活动范围离家并不远，但是如果猫闯入其他猫的领地，会发生什么？ 从这里可以看出，科学家缩小了拍摄的范围。猫在外面有很多行为，但是科学家却只选择了一个行为去观察，他们决定拍一拍猫咪们入侵别人领地时会发生什么。 拍摄之前，科学家进行了口头的调查，在询问主人后，得到了对方的证实：他们的确看到过猫咪们打架的行为。 科学家进一步完善了自己的观察计划，他们把计划修改成：猫是如何保卫围自己的领地的呢？ 我们在这里先停一下，科学家为什么要这么做？他们到底在做什么？ 3.2.科学家工作的意义解读 我们从第一天的工作可以知道，科学家想要研究的，是猫咪彼此之间的互相影响，“互相影响”从直觉上说，应该在猫咪外出时更可能发生，在室内是不太可能发现“互相影响”的行为的。因此，科学家首先要关注的，是猫咪在户外的行为； 其次，猫咪们在户外有很多的行为，但是有必要进行一个筛选，涉及到“彼此影响”的行为才更值得关注，因此“入侵领地”才得以引起科学家的重视； 第三，光是入侵还不够，因为涉及到的只是“入侵者“这一个维度的行为，我们还应该关注对方的反应，这才叫做“互相影响”。所以，科学家把问题的提问视角修正成了：猫是如何保卫自己的领地的，这是一个“保护者”的角度，也是一个互相影响的角度 这个过程中，科学家确定和缩小了自己的研究对象和研究范围。一步一步的确立了关注的对象和观察的目标。 更重要的，他们在竭尽全力地寻找能够准确描述自己猜想的两个变量；并且持续的在寻求一个能够呈现两个变量关系的、具体的例子。 如果你知道“假设“、“自变量”和“因变量”的关系，你就不难明白，上文提到的所谓的“猜想”，其实是科学家提出的“研究假设”。科学家开始研究工作的时候，首要的是要提出一个研究假设；而一个研究假设，一定是提出了一个可验证的关系的假设，这个关系里要包含一个自变量和一个因变量，还要明确解释自变量和因变量的关系。 就“猫咪们彼此会产生影响”这个假设来说，“行为变化”和“领地重叠”就是变量。而“领地纷争”则是一个具体的例子。 （这部分内容，参考和引用了知友 @刀熊说说 老师的文章，特此注明） 什么是好的研究假设(Hypothesis)？-- 顺谈与自变量、因变量的关系 3.3.科学家工作时的思维方式：两种品质 一个研究光有了假设还不够，下一步还要准确的定义 “被影响的行为”甚至是“影响的机制”。 但这个定义的过程并不是一蹴而就的。是逐步形成的。从观察猫咪在外面的行为、到聚焦观察猫咪保卫自己领地的行为，科学家是经过一系列的思考和摸索的过程才走到这一步的。 这个摸索的过程是盲目的吗？不是的。科学家所做的，是一种“有目的的摸索”。 所谓的”目的“，是有意识的做一件事情。再次回顾一下科学家的思考和缩小研究范围的过程，科学家在不断的，有意识的做着两件事，展现着两种独特的工作品质： 第一件事：不断的在寻找“合适的线索”。 比如“猫咪们在户外才更有可能彼此影响”就是一条合适的线索。 什么可以称之为线索呢？线索就是那些可以反映潜在的、变量的关系的事物。 第一，线索中一定有变量，虽然是潜在的，但是随着研究开展一定可以明确的变量； 第二，线索还能引导我们发现变量之间的关系。 我们之前分析过，为什么科学家要把把观察精力集中在户外，其实就是科学家认为：在户外观察两只猫咪，才更有可能发现它们之间发生的相互作用的关系，虽然具体是什么关系还有待确定，但是，顺着这个方向追寻下去是没错的 第二件事：顺着线索去摸索，在不能明确变量和变量之间的关系的时候，要有意识的寻求一个能够呈现两个变量关系的，具体的例子。 影片中，“领地纷争”就是一个可以描述猫咪们相互影响的，具体的例子。 “找具体的例子”描述的是一种科学家的心理活动，或者是科学家思考的过程。这个过程的外在表现，就是科学家在做“调查”：科学家们开始进行调查。 而调查的目的，是为了给自己的假设找到一个能够反应两个变量关系的例子，从而着手辨别变量之间具体的关系。 科学家找到了大概的研究方向，但是现在还缺少一个具体的例子来供调查，猫咪们具体怎么入侵别人的领地，别的猫咪又会做什么？ 于是，小姜出现了。 四、对小姜的调察 4.1.电影脚本 小姜（Ginger）是一只在小镇上生活了 10 年的猫，看着温顺乖巧。 科学家主人那里得知：它似乎不太喜欢出去，证据是它经常舔自己的爪子，它不想弄脏自己。 但是，数据给科学家们提供的发现则是小姜经常入侵别人的地盘。这是明显的“入侵领地”的现象，也是科学家关心的现象。 于是，他们给小姜带上了摄像机，观察和记录下它去过的地方，看看会不会有期待的事情发生。 经过一晚的拍摄，科学家发现摄像头记录下了两只猫相遇和打架的行为和场景。这一段纪录片中进行了浓墨重彩的氛围渲染。 结局是小姜闯入了另一只猫所在的院子，然后被当地的主人拦截，最后，小姜落荒而逃。 后来科学家找到了把小姜赶跑的那只猫：提格（Tigger）。从提格的主人那里，科学家们得知：他们没有听见打架的声音，但他们也非常震惊提格的这个举动。 这一段看起来非常有趣，但是科学家不仅仅很兴奋，他们还仔细分析画面中两只猫都做了什么，为它们的动作赋予了意义：猫咪们会用发出嘶嘶声，低声咆哮和嚎叫的方式来赶走其他猫。但是这并不是打架行为。 因此科学家总结说：这就是猫咪们如何建立和保卫自己的领地的。 4.2.科学家做了什么 到此为止，科学家进行了一个完整的调查。他们怀着好奇心去观察计划中的研究对象，并且最终在小姜那里获得了非常有趣的结果。 在影片中，可以看到科学家在这个阶段，是十分的兴趣盎然的。 （这一点可以参考 《学习观》对于好奇心的解释，详见后文） 前面说过，光有一个假设“猫咪们可能因为生活区域重叠而彼此影响”是不够的，我们还得准确的定义变量，描述变量之间的关系：例如 “被影响的行为”和“影响的机制”。 通过对小姜的观察，针对他人（他猫）的入侵，科学家已经观察到了猫咪们相应的应对行为，已经可以准确的描述两个变量以及它们的一些关系了。（行为包括“巡逻”和“威胁”和“驱赶对方”，这已经算是一种明确的“相互影响”的关系了） 但是接下来，科学家们又要做什么呢？ 五、问题并没有结束 5.1.电影脚本 科学家注意到了一个新的问题：虽然对峙行为很普遍，但是猫咪们很少发生打斗的行为。 这是一个和我们的预期非常明显的差异 科学家是这样解释产生差异的原因的：猫虽然会捍卫自己的领地，但是它们是独居动物，打架代价太高昂，所以猫咪们选择了四处巡逻并赶跑入侵者，但是并不常常打架 科学家提出了新的洞察：他们避免争斗的方法不仅通过远离彼此，还有其他有趣的事情会发生 。并且有一次调整了观察计划：决定仔细观察猫咪领地重叠的区域 5.2.科学家的第三种品质：重视差异 科学家是怎么想的，我们来解读一下： 第一，很少会发生打斗，领地纠纷会一直悬而不决，这意味着一定有其他的解决领地纠纷的方式 第二，很少会发生打斗，意味着猫咪们主动改变了自己的行为，它们选择了其他的方式解决领地纠纷，产生了行为变化。 所以科学家们才会问：猫咪们为什么要做这样的改变？这种方式是如何产生的？ 而行为变化，不正是科学家们想研究的东西么？ 之前我们说过，猫咪们会相互影响，但我们只观察到了“行为变化”，猫咪之间互相影响的机制是什么？我们并不知道。 但是根据刚才对这一点的“差异”的分析，如果我们从这里追寻下去，说不定就可以摸索到“相互影响的机制”了。说不定，这种机制和“当面赶跑对方”不同，是不受空间时间的限制的。 根据上面的分析可知，既然“相互影响”是两只猫之间存在的一种关系，因此接下来科学家关注的重点，就不是一只猫外出时会遇到了什么，而是“两只猫外出时，它们之间的关系”。 这也就是科学家把后续观察的重点，放在“观察两只猫领地重叠的地方”上的原因。 我们可以通过这一段的分析，看到科学家的一种品质，那就是科学家格外重视那些和预期的情况有所不同的地方。 换句话说，科学家尤其关注差异和意外。 差异是什么，差异是一种线索，差异和线索一样，都反映了变量之间的一种关系。表面的差异的背后，是影响事物产生差异的，所谓的秘密的存在。 通过对差异的重视，科学家意外的，但是却是成功的摸索到了“相互影响的机制”，找到了一个可以“揭示两个变量之间的关系”的例子。进而，他们摸索到了发现的边缘。 六.得出结论 6.1.电影脚本 科学家把关注点放在了两只猫咪领地区域重叠的地方，进一步的分析了两只猫咪的活动数据，通过深入分析数据，他们得出了有趣的结论：两只猫的确在共享同一片区域，但是并非同时享用着它。 例如一只猫在外巡逻的时候，另一只猫则呆在自己的家里，紧张的注视着外面，而当这只猫出门的时候，对方已经回到家中了。 科学家为此提出了自己的解释： 它们为了避免遇到对方，多数情况下，会采取一种”轮换机制“，当偶尔遇到对方的时候，就打起来了。它们采用这种机制，说明它们在自我调节 此外，科学家还在其他的猫咪身上观察到了同样的情况。但是这又带来了一个新的问题：猫咪们究竟是怎么能做到如此同步的错开的呢？ 原来，猫咪们会在经过的地方，通过蹭树和抓挠的方式，留下自己的化学物质和气味，标记了谁何时何地来过这里，科学家称之为猫咪们的随意贴，通过随意贴留下的信息，猫咪们就可以了解彼此，从而进行调整（相互影响的关系建立） 科学家终于可以舒一口气了，他们最后这样做结论说： 一直以来，科学家们相信轮换机制可以让猫咪们共享领地和避免争斗，这些数据是证明这一种观点的最有力的证据 七.一点感想 7.1.再次回顾一下，科学家的思想过程 1.从数据的分析中得到假设的灵感。 2.提出假设后，尽可能去寻找明确的变量。 3.寻找变量时注意有价值的线索。 4.致力于寻找一个可以描述两个变量关系的例子（“调查”的心理过程） 5.重视与自己预测相异的那些现象和事实 这部纪录片中，最为打动我的，是科学家们“定义变量”的这个过程。 都说要激发学生的好奇心，但是好奇心的激发方法，英国人选择了和我们完全不同的一条路。 我们一提到好奇心，总是说：“设法去选择合适的材料，激发学生的兴趣和好奇心”这是一种对材料的关注，是一种“刺激 - 反应”的心理过程。 但是在英国的科学家这里，好奇心是在对“假设”和“变量”的不断追寻中，一步一步的激发起来的。 7.2.为什么英国人会这么做？ 1.我们先引用 @YJango 《学习观》的几段结论： 我们需要模型 “任何生物都无法获得所有的信息，我们得到的信息都是有限的，因此需要模型来预测所发生的世界。魔术正是利用认知模型的预测与真实事件的差异，从而带给人们冲击。” 好奇心和模型的关系 我们无法通过“记忆”来学习知识，而只能通过归纳例子来构建知识。因此我们好奇的内容，其实是例子。 一个故事可以瞬间让大脑清楚知识的输入和输出。而例子是从输入到输出的一个具体的变换，缺一不可，所以当只有输入或输出时，好奇心想让大脑急切的知道另一个。 【学习观 09】标题党是如何用这些招数把你当宠物诱骗的_哔哩哔哩_bilibili 引用完毕.。 2.说说我对《学习观》这一段的理解。 首先，构建模型来做预测，然后根据现实的反馈来修正模型，是我们认知世界的方式。 魔术是一个利用我们已有的模型做出错误预测的典型的例子。 其次，好奇心是为知识（包括输入和输出）寻求一个例子的过程中产生的。 人们对故事的好奇，就是一个典型的代表。 第三，《学习观》强调的是故事（例子）的作用，而我更看重模型的力量。而产生好奇心逻辑前提，不仅仅是“例子的残缺”。而是我们大脑中得有一个“合适的模型” 例如，魔术能够激发人们的好奇心，原因在于魔术激发了我们大脑中构建的模型，让模型做了一次预测。 所以我们在看到了魔术营造的神奇结局之后，都迫不及待的想知道技巧和原理。 所以。激发好奇心最关键的一步，是尽可能的把着力点放在“构建模型”上面。 这也是《猫的秘密生活》花了很大的篇幅在“提出假设”和“定义变量”的原因。 可以看到，花了大量的篇幅，精心的构建了假设，通过寻找线索，定义了准确的变量之后。当小姜出现在科学家的视野里的时候，好奇心的激发是这样的顺理成章，相信每一个认真观看到此的人，都应该有同样的感受。 “接下来到底能看到，两只猫是怎么打起来的啊” 要激发好奇心，重要的一个准备工作，就是需要让学生的大脑中准备和积累足够的模型。 而有一个“知行相分”的意识。则是做到这种练习和建构过程的重要的一步。 7.3“知行相分”与好奇心 “知行相分”，是我的一个很明显的感受。在英国人的这部记录片中可以看到，在“提出假设”的这一段，他们的确遵从了“认识从实践中来”。但是，一旦提出了假设，科学家思考的重点，就放在“定义变量”这样的概念探讨上了。 其实，在头脑中构建模型，必然是一个“知行相分”的思维过程。 我们从“假设”的定义就可以看出来。 假设，是未经验证的解释 一般我们会认为，这里强调未经验证，是为了引出实验和证据的意义和作用。 但是我觉得，强调“假设”是未经证实的解释，更多的是为了激发探究者“构建模型”的意识。 假设”是未经验证的一个结论。这就和真实的现实世界拉开了一定程度上的距离。 而且因为“假设”是我们自己想出来的东西。我们就有了足够的动力去检验和修正它。 所以科学教育的一个着力点，就是先要有定义和探讨变量的意识。哪怕在小学，学生并不会涉及到太多的这一步。（像是《像乌鸦一样思考》就是直接给变量，而不去定义变量） 有了这样的意识，大脑才会开启自己的好奇之旅，才会去寻求线索，定义变量，进行调查，找到决定性的证据。 这个过程中产生的，便是好奇心。 最后，如果描述我们和英国人的区别的话，我们更强调使用材料，和围绕着材料的“体会”。但是激发好奇心，不是靠着体验和体会就能做到的，而是主动的去建构和练习才能得到的。因为，“学习和体会”本质上是一个被动的输入过程，不是主动的输出过程。 所以，到这里《猫的秘密生活》的第一部分分析，便可以告一段落了。 后续部分，以后再更。 阅读原文
