分类:巴氏消毒法原始实验设计

来自Big Physics
Jinshanw讨论 | 贡献2022年9月14日 (三) 23:40的版本


巴士德消毒法(pasteurization)是Louis Pasteur为了保存葡萄酒发明出来的。其实,在那之前,已经由Antonie van Leeuwenhoek发现了细菌(例如变质的食物上有彩色霉点,放到显微镜下面能看到这些霉点的细部结构,这样的东西被称为细菌。其实还有可能是真菌),由民间以及其他人(见wikipedia "pasteurization"词条)采用了加热密封罐的方法来保存食物。那Pasteur干了件什么事呢?他把细菌和加热保存两件事情给联系了起来,用实验证明了:加热之所以能够帮助保存食物是因为加热过程减少了食物中的细菌,而食物变质是由于细菌,所以,一旦大部分细菌被加热过程消灭了,则食物就能够长时间保存了。


为了证明这个结论,Pasteur做了下面的实验:

Louis Pasteur Experiment.png

Pasteur实验。图片来自于wikipedia"pasteurization"词条。By Kgerow16 - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=40506737


这个实验的第一行,也就是第一步,证明了:在没有变坏的酒里面,没有观察到(很多)细菌。至于用火烧一下,加加热,只不过就是前人已经知道的可以让酒长时间不变坏的一个办法。


这个实验的第二行,也就是第二步,证明了:第一、变坏了的酒里面可以看到很多细菌。


这两步合起来,细菌和“变坏”之间已经有了强关联性,也就是“细菌”可以当做即将或者已经“变坏”的标记物(indicator)。当然,还需要进一步反过来验证,是不是,大部分看不到细菌的确实没有已经也不会马上变坏,大部分看到细菌的已经或者马上就要变坏。只要这一步反过来的验证也能够通过,或者很大的概率通过,则细菌当做变坏的标记物这个事情就基本没问题了。


但是,如果我们要再往前走一步,看看是不是“变坏”就是由“细菌”引起来,那还要作进一步的实验。


一种可能的来检验因果性的方法是对比一下变坏前后的酒,是不是就唯一增加了细菌。可是这个做不了。第一,因为确实有别的东西也变了;第二,当时的条件也很难说把其他不同的因素找出来。


这就是Pasteur实验非常聪明的地方。Pasteur实验的第一步既然已经做到了基本没有细菌了,那第二步就想办法把细菌引入回来——把酒和空气接触。实验发现,经过这个接触,确实酒变坏了,里面也重新有了细菌。当然,这个实验不能排除还有其他没有观测到的更加直接的原因,例如某个其他东西从空气中进入到酒中,这个东西导致了细菌的产生和酒的变坏,于是细菌就不是直接原因。可是,最简单的可以和观测到的现象相符的解释就是:空气中有细菌,空气和酒接触以后细菌从空气进入酒,把酒变坏了。于是,Pasteur实验第二步基本上证明了细菌是变坏的原因,而不仅仅是一个标记物。


这种把一个东西变没了,再加回来,来体现这个东西的效果的思路是非常聪明和具有普遍意义的思路。


Pasteur实验第三步就更巧妙了。留作思考题。


好,现在我们来看我们正在开展的教育神经科学的研究。我们希望对高级思维,例如抽象推理、关系类比等,做教和学的方法的研究。尤其是,我们想看看机械式学习到推理,当做一个结论记住,和理解型学习推理,理解推理背后的思考过程来学会推理,有没有效果上的差别。


第一个层次,这个实验不用脑科学的参与,只需要做行为研究。一组被试做机械式学习,另一组做理解型学习,对比学习效果(例如,看看是否能解决某个难度的问题)。这就好像Pasteur实验的第一步:一组用火加热,一组不用火加热,对比哪一组变坏了。


但是,就算真的两组被试表现不一样,我们只能说,学习方式和效果有关联,而不知道这个关联是不是就是“理解型学习和机械式学习”的区别。因为我们的所谓理解型学习其实还意味着“真的理解了”这样一个大脑活动过程。用Pasteur实验的类比,也就是说,我们能说用火烧和不用火烧效果不同,但是,我们不知道所谓的火烧和不火烧之间的真正的区别是什么。于是,也就不能进一步迁移推广到。一旦我们发现,其实,两者的区别是是否消灭了其中的细菌,那我们就可以考虑其他的消灭细菌的方式,例如不适合加热的时候用电场。


类似地,如果我们能够找到所谓的行为上的“机械式”和“理解型”学习的内在区别,那我们就有可能可以迁移推广到其他的理解型方式上去。那怎么办呢?


我们需要Pasteur实验的第二步:找到某个东西,去掉它(或者说不激活它),然后重新加回去(或者说激活它),如果还有效果,那就一定程度上有了因果性。可是,在那之前,我们还需要把“它”是什么找出来,也就是找到理解型学习的Indicator(标记物或者标记活动)。也就是说,其实,我们需要先完成Antonie van Leeuwenhoek的那一步。


一旦能够区分机械式和理解型学习的标记活动找出来了,我们还能证明去掉它和加上它分别正好对应着机械式和理解型学习的行为(不用火烧和用火烧)和效果(不能和能够解决具有一定难度的问题),我们就真的达到了Pasteur实验的境界:理解型学习是学习者能够学习之后解决这个具有一定难度的问题的原因。


这样,我们就可以把理解型学习的理念推广到其他学习中去(做其他高层思维的实验),并且在教和学的实践中推广理解型学习。


你看,科学的思维其实很简单,人类如何通过对比和类比来做逻辑严密的、有想象力创造力的、解决问题的思考,多少年都没有变过,从一个Pasteur实验可以看到教育神经科学的实验研究怎么做。


另外,这其实是初中生物学的一课。我不知道上课的时候老师有没有深入地从思维和科学研究的角度来阐述Pasteur实验。其实,做高层次知识生成器,高层思维的教和学也很简单,只要有一双对科学研究和高层思维敏感的眼睛,对教学上心。

研究问题

研究过程

研究结论

神奇的地方

参考文献

从巴士德消毒法的发现看科学研究,以及对教育神经研究的启发

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