穆勒的探求因果联系的逻辑方法“剩余法”与其在生物学探究性课题中的应用
2022-06-08
探究性课题中首先必须遵循一些基本的科学逻辑思想方法。英国逻辑学家、哲学家穆勒的穆勒“五法”中的一些辩证思想方法――判断因果关系的归纳的逻辑思想，是探因类实验设计题破解的有效方法。其中“剩余法”较为复杂，有时要综合运用其他诸如“契合法”、“差异法”、“共变法”、“求同求异并用法”这些法则。但无论是经典探究实验，还是学生自主探究实验经常要用到，掌握其逻辑思想方法对学生完成从理论学习走向自己动手设计探究性实验有指导作用。
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1.经典实验――肺炎双球菌的转化实验“剩余法”的应用
1928年格里菲斯肺炎栓球菌转化实验推断：S型肺炎双球菌含有转化因子。那么转化因子到底是什么物质？
（1）是蛋白质吗？当时，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，形成不同的结构多样性的蛋白质，决定了蛋白质功能多样。由于蛋白质本身是生命的体现者，更多的科学家联想到：氨基酸多种多样的排列顺序，如果因此蕴含遗传信息，作为遗传物质的可能性很大。
（2）是糖类吗？多糖类的荚膜，是s型肺炎双球菌毒性的直接原因，是否是遗传物质？
（3）是DNA吗？而对含量较少的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怎么可以携带海量的遗传信息。
综上推测蛋白质为遗传物质的观点占主导地位。
……
1944年，艾弗里验证遗传物质的实验思路就是把S型肺炎双球菌的DNA、蛋白质、RNA、糖类等那些可能是遗传物质的先行条件（物质）分别分离提取，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。而且随着DNA纯度越高，转化效率就越有效；如果用DNA酶分解s型活菌的DNA形成脱氧核苷酸，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。
在这个实验中艾弗里应用了逻辑方法“剩余法”。
2.穆勒的“剩余法”
它是探求因果联系的方法之一。已知被研究的某一复杂现象由某种复杂情况引起，将其中已确认有因果联系的部分除开，则剩余的部分也有因果联系。
把各种先行条件逐一加以分析，那些与被研究现象无关的因素（蛋白质、糖类、RNA、DNA+DNA酶）一一加以排除，而剩下的某一先行条件（DNA），则是被研究现象s型肺炎双球菌转化具有转化能力的原因，再设计实验确证。
剩余法的逻辑形式是：已知被研究的复合现象a、b、c、d的复合原因是A、B、C、D；已知B是b的原因，C是c的原因，D是d的原因，所以，A是a的原因。“剩余法”相对较复杂，因为它往往综合应用了穆勒其他逻辑归纳法。
上述艾弗里“剩余法”实际上还综合运用了其他四种逻辑归纳法，以证实DNA是肺炎双球菌的转化因子，是遗传物质。
①求同法：契合法（即求同法）。
所有S型肺炎双球菌的DNA出现场合，R型活菌均能转化成s型肺炎双球菌。或所有s型肺炎双球菌DNA的没有出现场合，R型活菌均不能能转化成S型肺炎双球菌。
契合法（即求同法）为：如果做了若干次实验，出现了某种共同的生物现象，而在研究这几次实验中，只有一种因素是共同的，其余因素均不相同，那么这个共同的因素与被研究的生物现象之间存在因果联系，若以A、B、C、D、E、F、G分别表示不同的因素，a是所要研究的现象，“契合法”可以用表1表示
所以，A与a有因果关系。
特点：异中求同。不过特别要注意各场合有无其他的共同情况，还要注意这些场合的研究共同现象是否关键。所以要注意以下两点：
结论的可靠性和考查的场合数量有关。考察的场合越多，结论的可靠性越高；
有时在被研究的各个场合中，共同的因素并不只一个，因此，在观察中就应当通过具体分析排除与被研究现象不相关的共同因素。
②求异法。
S型肺炎双球菌的DNA存在时，具有转化能力（出现S型肺炎双球菌后代）；S型肺炎双球菌的DNA不存在时（蛋白质/RNA/糖类/DNA水解产物等物质），不具有转化能力（不出现S型肺炎双球菌后代）。结论：DNA是转化因子，DNA是遗传物质。
求异法的一般逻辑思路为：
在被研究的现象出现场合与不出现的两个对比场合之间只有一个因素不同，如果这个唯一不同的情况在被研究现象出现的场合中存在着，而在另一个场合中没有这种因素作用的场合不存在，那么，这个因素与被研究的现象之间存在因果联系，可用表2表示。
表2说明因素A与a现象之间存在因果关系。
特点：同中求异。求异法比求同法更可靠，相对其他探因类的逻辑归纳法简便，在各类实验中用得最多。
③共变法。
S型肺炎双球菌的DNA的浓度越高，转化效率越高。结论：DNA是转化因子，DNA是遗传物质。
共变法归纳原理可表述为：在某一现象（因素）发生一定程度的变化，另一现象也随之发生一定程度的正相关或负相关性相关性变化，那么这两个现象之间就存在因果关系。
设A1、A2、A3……是现象（因素）A的不同状态，a1、a2、a3……是另一现象a的不同状态，共变法可以用表3表示。
从表中不难看出A（自变量）与现象或因素a（因变量）之间存在因果关系。
④求同求异并用法。利用求同求异并用法例子见表4。
求同求异并用法：如果在被研究现象的若干场合（正事例组）中，只有一个共同的情况，而在被研究现象不出现的若干场合（负事例组）中，却没有这个情况，那么，这个情况就与被研究的现象之间有因果联系。公式可表示为图1所示。
3.DIY，利用“剩余法”进行生活实际的生物学探究性课题中因果联系的尝试
在生活中，经常要对复杂状况不明原因的进行探究，机械故障、病因探查，不妨用“剩余法”破解。例如，有次生物课上学生苏童左腮下部有疼痛感，自述食欲不佳……后来看了两个医生，一个医生诊断为“扁桃体发炎”，配了数百元的杀菌药；另一个专家诊断为感冒类病毒感染，又配了数百元的抑制感冒病毒的药。家长吩咐，两种药都服用试试。
苏童患的是感冒还是扁桃体发炎或左腮部炎症，还是其他什么原因？
课后，师生一起观察苏童的左腮下部，皮肤外表面没什么异样；扁桃体也没有红肿现象，用高温蒸煮杀菌过的筷子轻点扁桃体，也没有疼痛感，若伤口上撒盐，肯定会有痛感，所以沾取几粒盐轻点扁桃体，还是没有疼痛感，说明扁桃体没有炎性。学生发现其左边臼齿为龋齿，是不是龋齿部发炎？再次用消毒后的筷子轻压龋齿牙龈部，没有疼痛感，沾取几粒盐粒也没有疼痛感，可见也不是龋齿引起的发炎。看来可以不用服用杀菌药了！
当天，苏童没有打喷嚏、流鼻涕、发热等感冒症状，其他症状很不明显。
第二天早晨，苏童回校，其他学生发现他左腮下部略有肿大，会不会是流行性腮腺炎（俗称“田鸡鼓”）？联想到班上陆续有学生得了流行陛腮腺炎而停课回家休息了，看来很可能是此病。咨询了相关医生后，确诊是该病。建议苏童回家隔离治疗。在这个过程中，笔者不知不觉中与学生一起利用“剩余法”对生活实际中的生物学因果联系进行了探究尝试，。
综上所述，利用“剩余法”进行因果推理时，对先行条件可能原因不应是简单枚举，而应该是原因的全集，否则结论未必正确，如上述实例中腮部疼痛的原因探究，如果缺少次日腮部略有肿大，然后对流行性腮腺炎的可能性判断，就只能被误诊了。
在当代生命科学研究中，上述5种逻辑方法仍然有着重要的生命力，尤其是“剩余法”对较为复杂的原因探究中经常用到。教师自觉地掌握和运用这类逻辑方法，对于提高的探究能力、设计能力、分析能力和创新能力都是十分有益的。在生物学新课改教学，教师应当倡导和加强对学生这方面的教育。
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1.经典实验――肺炎双球菌的转化实验“剩余法”的应用
1928年格里菲斯肺炎栓球菌转化实验推断：S型肺炎双球菌含有转化因子。那么转化因子到底是什么物质？
（1）是蛋白质吗？当时，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，形成不同的结构多样性的蛋白质，决定了蛋白质功能多样。由于蛋白质本身是生命的体现者，更多的科学家联想到：氨基酸多种多样的排列顺序，如果因此蕴含遗传信息，作为遗传物质的可能性很大。
（2）是糖类吗？多糖类的荚膜，是s型肺炎双球菌毒性的直接原因，是否是遗传物质？
（3）是DNA吗？而对含量较少的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怎么可以携带海量的遗传信息。
综上推测蛋白质为遗传物质的观点占主导地位。
……
1944年，艾弗里验证遗传物质的实验思路就是把S型肺炎双球菌的DNA、蛋白质、RNA、糖类等那些可能是遗传物质的先行条件（物质）分别分离提取，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。而且随着DNA纯度越高，转化效率就越有效；如果用DNA酶分解s型活菌的DNA形成脱氧核苷酸，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。
在这个实验中艾弗里应用了逻辑方法“剩余法”。
2.穆勒的“剩余法”
它是探求因果联系的方法之一。已知被研究的某一复杂现象由某种复杂情况引起，将其中已确认有因果联系的部分除开，则剩余的部分也有因果联系。
把各种先行条件逐一加以分析，那些与被研究现象无关的因素（蛋白质、糖类、RNA、DNA+DNA酶）一一加以排除，而剩下的某一先行条件（DNA），则是被研究现象s型肺炎双球菌转化具有转化能力的原因，再设计实验确证。
剩余法的逻辑形式是：已知被研究的复合现象a、b、c、d的复合原因是A、B、C、D；已知B是b的原因，C是c的原因，D是d的原因，所以，A是a的原因。“剩余法”相对较复杂，因为它往往综合应用了穆勒其他逻辑归纳法。
上述艾弗里“剩余法”实际上还综合运用了其他四种逻辑归纳法，以证实DNA是肺炎双球菌的转化因子，是遗传物质。
①求同法：契合法（即求同法）。
所有S型肺炎双球菌的DNA出现场合，R型活菌均能转化成s型肺炎双球菌。或所有s型肺炎双球菌DNA的没有出现场合，R型活菌均不能能转化成S型肺炎双球菌。
契合法（即求同法）为：如果做了若干次实验，出现了某种共同的生物现象，而在研究这几次实验中，只有一种因素是共同的，其余因素均不相同，那么这个共同的因素与被研究的生物现象之间存在因果联系，若以A、B、C、D、E、F、G分别表示不同的因素，a是所要研究的现象，“契合法”可以用表1表示
所以，A与a有因果关系。
特点：异中求同。不过特别要注意各场合有无其他的共同情况，还要注意这些场合的研究共同现象是否关键。所以要注意以下两点：
结论的可靠性和考查的场合数量有关。考察的场合越多，结论的可靠性越高；
有时在被研究的各个场合中，共同的因素并不只一个，因此，在观察中就应当通过具体分析排除与被研究现象不相关的共同因素。
②求异法。
S型肺炎双球菌的DNA存在时，具有转化能力（出现S型肺炎双球菌后代）；S型肺炎双球菌的DNA不存在时（蛋白质/RNA/糖类/DNA水解产物等物质），不具有转化能力（不出现S型肺炎双球菌后代）。结论：DNA是转化因子，DNA是遗传物质。
求异法的一般逻辑思路为：
在被研究的现象出现场合与不出现的两个对比场合之间只有一个因素不同，如果这个唯一不同的情况在被研究现象出现的场合中存在着，而在另一个场合中没有这种因素作用的场合不存在，那么，这个因素与被研究的现象之间存在因果联系，可用表2表示。
表2说明因素A与a现象之间存在因果关系。
特点：同中求异。求异法比求同法更可靠，相对其他探因类的逻辑归纳法简便，在各类实验中用得最多。
③共变法。
S型肺炎双球菌的DNA的浓度越高，转化效率越高。结论：DNA是转化因子，DNA是遗传物质。
共变法归纳原理可表述为：在某一现象（因素）发生一定程度的变化，另一现象也随之发生一定程度的正相关或负相关性相关性变化，那么这两个现象之间就存在因果关系。
设A1、A2、A3……是现象（因素）A的不同状态，a1、a2、a3……是另一现象a的不同状态，共变法可以用表3表示。
从表中不难看出A（自变量）与现象或因素a（因变量）之间存在因果关系。
④求同求异并用法。利用求同求异并用法例子见表4。
求同求异并用法：如果在被研究现象的若干场合（正事例组）中，只有一个共同的情况，而在被研究现象不出现的若干场合（负事例组）中，却没有这个情况，那么，这个情况就与被研究的现象之间有因果联系。公式可表示为图1所示。
3.DIY，利用“剩余法”进行生活实际的生物学探究性课题中因果联系的尝试
在生活中，经常要对复杂状况不明原因的进行探究，机械故障、病因探查，不妨用“剩余法”破解。例如，有次生物课上学生苏童左腮下部有疼痛感，自述食欲不佳……后来看了两个医生，一个医生诊断为“扁桃体发炎”，配了数百元的杀菌药；另一个专家诊断为感冒类病毒感染，又配了数百元的抑制感冒病毒的药。家长吩咐，两种药都服用试试。
苏童患的是感冒还是扁桃体发炎或左腮部炎症，还是其他什么原因？
课后，师生一起观察苏童的左腮下部，皮肤外表面没什么异样；扁桃体也没有红肿现象，用高温蒸煮杀菌过的筷子轻点扁桃体，也没有疼痛感，若伤口上撒盐，肯定会有痛感，所以沾取几粒盐轻点扁桃体，还是没有疼痛感，说明扁桃体没有炎性。学生发现其左边臼齿为龋齿，是不是龋齿部发炎？再次用消毒后的筷子轻压龋齿牙龈部，没有疼痛感，沾取几粒盐粒也没有疼痛感，可见也不是龋齿引起的发炎。看来可以不用服用杀菌药了！
当天，苏童没有打喷嚏、流鼻涕、发热等感冒症状，其他症状很不明显。
第二天早晨，苏童回校，其他学生发现他左腮下部略有肿大，会不会是流行性腮腺炎（俗称“田鸡鼓”）？联想到班上陆续有学生得了流行陛腮腺炎而停课回家休息了，看来很可能是此病。咨询了相关医生后，确诊是该病。建议苏童回家隔离治疗。在这个过程中，笔者不知不觉中与学生一起利用“剩余法”对生活实际中的生物学因果联系进行了探究尝试，。
综上所述，利用“剩余法”进行因果推理时，对先行条件可能原因不应是简单枚举，而应该是原因的全集，否则结论未必正确，如上述实例中腮部疼痛的原因探究，如果缺少次日腮部略有肿大，然后对流行性腮腺炎的可能性判断，就只能被误诊了。
在当代生命科学研究中，上述5种逻辑方法仍然有着重要的生命力，尤其是“剩余法”对较为复杂的原因探究中经常用到。教师自觉地掌握和运用这类逻辑方法，对于提高的探究能力、设计能力、分析能力和创新能力都是十分有益的。在生物学新课改教学，教师应当倡导和加强对学生这方面的教育。