科研入门系列之四

科学思维工具：推理与批判性思维

      推理是论证的工具，是按一定的逻辑，从前提推导出结论的过程。科学是从经验事实中推导出来的知识[1]。因此构建科学知识的过程，是应用推理构建一个严密论证的过程。推理和实验、观察、数学一起，构成科学方法论的主体。

       批判性思维是批判论证的工具。科研活动是不断质疑和检验现有理论和学说的思维活动。批判性思维贯穿科学问题从发现到解决的全过程，是科研能力的精髓。 

       因此，推理作为论证的工具，批判性思维作为批判论证的工具，是科研人员必须尽早掌握并不断磨砺的两大思维工具。

一、论证的结构和推理

       科学论文是科学思维的结晶。每篇论文都是批判性思维的成果，是用一系列推理链条，精心编织的论证之网。为了对论文开展批判性阅读，需要先分析论文的论证结构：提取文中的诸多前提和结论，厘清连接前提和结论的多个推理链条，将其按照图尔敏模型标准化（参考2023年4月30日博文《批判性思维和论证结构分析》）。

       在扩展的图尔敏模型中，前提包括“根据”、“确认”、“保证”、“支撑”和“辩驳”(图1)。承担“确认”、“保证”和“支撑”角色的某些前提，经常被作者有意无意地隐含起来。需要按照忠实作者原意的原则，为每个推理补充隐含前提，使论证更有效、更完善。必要时画出结构图。在科学探究前期，构建科学假说的推理过程，也可以画出一个类似的结构图。图1展示依据图尔敏模型概化的科学论证结构图，包含两个相继的推理。

      大部分科学研究的论证包含先后两步推理。第一步推理是演绎推理，即从一系列不同作用的前提出发，推导出适用于特定研究对象的非普适结论。在这步推理中，来自观察和实验的数据、资料（即“根据”）构成演绎推理的小前提，连接数据/资料和结论的是普遍性原则和科学规律，是演绎推理的大前提（“保证”）。除非这步演绎推理是从最底层的逻辑出发，否则还会有一些更底层的前提来支撑大前提为真（“支撑”）。底层的前提包含一些根本假设。这些根本假设经常以研究范式的形式，被有意无意地隐含起来。质疑和推翻这些根本假设是范式革命的任务。

      研究方法和背景知识也是这步演绎推理的前提，用于确保数据和资料的有效性（“确认”）。涉及研究方法的细节性假设，比如“在一天中不同时间采样，不会影响数据的可比性”，也经常被有意无意地隐含起来。

      科学研究论证的第二步推理是归纳推理，即从本人和前人的有限观察或实验中得到的非普适结论，推论到普适性结论。广义上的归纳推理有四种：简单枚举、统计、类比和因果。选择某个典型研究区，研究某个具有普适性的科学问题，是应用简单枚举归纳推理。统计推理最常用，其可靠性主要取决于样本的代表性和正确使用统计数据。类比推理是仿生学和物理模型的逻辑基础，要求类比的两个事物之间具有相似性。建立正确的相似律，是物理模型可靠的保证。

      因果推理指从已知的现象中推导出普遍的因果关系。仅仅依靠现象之间时间上或统计上的关联，不足以确定它们具有因果关系。根据经典的穆勒五法[2,3]设计控制实验,应用前沿的数学方法分析时间序列信息，都能探测可能的因果关系。但是，只有正确理解因果作用的机制，才可能确认某个因果关系真实存在，提出的解释才有预测力。

      由于一因多果、一果多因、双向因果、因果传递等现象在复杂系统中普遍存在，加上原因的类型多样（如直接/间接、内因/外因、偶然/必然），因果关系普遍具有复杂性。因此，因果推理是最重要也是最难的科学推理类型。提出和验证有关因果机制的假说是科学探索的深层目标。创建假说使用溯因推理。后者提出一个可能的原因，即待检验的最佳解释,来解释某个现象为什么会发生。溯因推理是一种特殊的因果推理，常用于地质学和人工智能研究。

      绝大部分研究联合应用至少两种归纳推理。例如，利用斑马鱼模型筛选人类的靶向抗肿瘤药物，联合使用了类比、统计和因果三种归纳推理，因此也有三个对应的推理链条。

二、批判性思维

      了解了科学论证的典型结构和推理类型，接着讲如何在科研活动中开展批判性思维。批判性阅读是最基本、最常用的批判性思维活动。批判性阅读剖析、审查、评价科学文献里的论证，还经常进一步构思替代的假说或发现新的科学问题。批判性阅读有八个步骤：

      1.通读全文，重在理解科学问题及其研究的意义。评价科学问题的重要性、研究思想的独特性、研究方案的创新性和研究成果的科学价值，筛选值得进一步精读的文献。

      2.精读全文，依据扩展的图尔敏模型，分析论证结构，必要时画出结构图。辨认文中各个推理的所有前提和结论。注意作者在论证过程中是否无意识地转移论题或错失主旨，结论不是对科学问题的正面回答。检查从前提到结论的推理链条是否存在缺口（缺乏“保证”）。挖掘尽可能多的隐含前提（为此需要阅读更多相关文献），包括没有提及的背景知识、研究方法背后的理论支撑和细节性假设、当前的研究范式、理所当然的信念等，补充到论证结构图中。这一步为审查和评价论证做准备，是批判性阅读的关键，考验读者的科学素养。

      3.标注出关键的概念和重要的词句，仔细体会、正确理解作者赋予它们的含义。注意论证是否存在定义过宽或过窄、概念界定不清、措辞前后不一致、偷换概念、同义反复、循环论证、模棱两可、引用文献是否断章取义等语言意义上的缺陷。遵守论证的语言意义规则，是作者科学素养的表现。

      4.根据推理的类型，结合研究方法，审查“根据”的可靠性、充足性，以及和结论的相关性[2,3,4]。这一步需要查阅相关专业文献，了解针对性强的审查要点。以下列举一些审查要点：

     （1）在演绎推理中，模型输入数据的来源是否可靠？不确定性是否过大，足以影响输出结果的可靠性？

     （2）在简单枚举归纳推理中，对于研究某个科学问题，研究对象是否足够典型？枚举的例子是否具有代表性和多样化？例子数量是否足够多？

     （3）在统计归纳推理中，抽样的规模和范围是否足够大？样本选取是否随机？是否受到观测方法的影响？是否以偏概全？是否存在幸存者偏差现象？是否存在统计数据误用问题？例如“平均数”有算术平均数、众数、中位数、几何平均数、加权平均数等。不恰当使用这些平均数，将得到错误的结论。除了平均数误用，统计数据误用还包括绝对数陷阱、百分比陷阱、数据和结论不相关、数据不可比、未提供背景信息的独立数据谬误等，详细可参考[3，4]。

     （4）对于类比推理，模型和原型在本质上是否相似？它们之间的相似性，是否比差异性更显著、更重要、和结论的相关性更强？

     （5）对于因果推理，控制实验的设计是否合理，实验结果是否有效？实验条件是否过于复杂，初始条件是否难以精确控制，导致实验可重复性降低，实验结果的不确定性过大？对于特定的科学问题，时间序列的长度是否足够大？信噪比是否足够高？采样频率是否合理？是否包含有意义的极值和变点？

      5.对于每一个推理，审查“确认”是否有效，“保证”、“支撑”和“辩驳”是否为真，是否适合论证的主题。只有所有的前提（包括隐含前提）都为真，加上有效的推理，结论才 有可信度。拷问和质疑隐含前提，它们经常是论证谬误的根源。欧几里得教导我们“没有假设，就没有证明”，法拉第则警告我们：人类思维有“依赖于假设”的倾向，经常忘记这个假设尚未得到证明。未经证明的根本假设越多，依赖这些根本假设的研究范式越不可靠，遵循这一范式获得的结论为真的可能性越小。深入挖掘和审慎评价隐含前提，考验读者的知识储备和洞察力。

      6.根据推理类型，审查和评价各个推理，判断结论的可信度。运用推理的起步条件是所有的前提都可靠，且都和结论相关（第4、5步）。好推理的判别标准是“充足性”，即结论能从前提中得到充足的支持。

      对于不同类型的推理，审查“充足性”的要点不同。对于演绎推理，审查要点是考查推理的有效性：问一下“这个推理的方式有没有可能从真前提中推导出错误的结论？”并找出一个错误的例子。科研中常犯的一种推理错误是肯定后件谬误。其推理形式如下：如果P，则Q。Q。所以，P。举个例子：如果过度放牧，草原会退化。某草原退化了，所以那儿存在过度放牧。这个推理是无效的，因为气候干冷、虫灾等也会造成草原退化。另一种常犯的推理错误是否定前项谬误：如果P，则Q。非P。所以，非Q。举个例子：如果过度放牧，草原会退化。某草原没有过度放牧，所以该草原不会退化。这个推理也是无效的，理由同第一个例子。逻辑学家总结了一系列有效的演绎推理形式，参考文献[2,5]。

      对于归纳推理，审查要点是考查结论为真的可能性。这个可能性的大小和结论的范围及强度有关。换句话说，推理是有限度的。推理的进展超越事实越多，结论为真的可能性越小，假说被验证为真的难度越大[6]。

      7.构造替代的论证。批判性阅读不提倡光挑毛病、光破不立，提倡持求真、反思、开放的态度和创新、竞争的意识，构造替代的论证，提出新假说。构造替代论证的方法有六种。（1）采用相反的结论，找新理由来支持它。（2）采用相反的结论，反驳旧理由。（3）用旧理由，构造全新的结论。（4）发现或想象反例，来构造全新的论证。（5）承认事物的多样性和复杂性，综合使用以上方法，构造包含正反两面的论证。（6）变换论证的细节，开展“如果这样会如何”的假想推理，提出新论证。例如，想象如果时间、地点、条件等变了，结论还正确吗？需要如何修改？[2]

      8.继续全方位开放思考，从文献中挖掘启示。例如，本文的哪些思路与方法值得学习？能把它们用到别的问题上吗？现有一个备受关注的问题，能从本文中找到解决方法或启示吗？本文讨论的主题、提出的结论，和其他文献讨论的主题、提出的结论，是否存在有意义的联系？能否基于这个联系，提出新的科学问题，构建新的假说？本文阐释的概念、规律和结论等，和其他学科的内容有无类似之处，为什么？

      科研活动中除了深度阅读文献需要应用批判性思维，进一步考察、验证、评判替代的论证（第7步），权衡评判哪个课题值得钻研，凝炼科学问题，提出科学假说，设计研究方案以便符合逻辑地、有条理地解决科学问题，写作论文等都需要应用批判性思维，开展自我批判。

三、作业和范例

      推理与批判性思维，是科研人员的创新思维工具。科学推理要求科研人员严谨求实，批判性思维要求科研人员克服偏见和保守。这些都不是人类的本能，都是需要学习、坚持实践才能提高的技能。推理与批判性思维都需要结合大量范例学习。文末的参考文献中有大量范例。

      作业：请找一篇自己很熟悉的科学论文或一篇科学新闻报道，参照参考文献[2]《批判性思维原理与方法》一书中辨别、分析、评价论证的范例，对这篇文章开展批判性阅读。尽量完成所有八个步骤。

附：科学新闻报道《火星上有水》的批判性阅读，摘自参考文献[2]第130-133页。

参考文献：

[1]A.F.查尔斯顿. 科学究竟是什么？商务印书馆，2018.

[2]董毓.批判性思维原理与方法——走向新的认知和实践（第二版）.高等教育出版社，2017.

[3]周建武.科学推理：逻辑与科学思维方法. 化学工业出版社,2017.

[4]周建武.论证有效性分析.清华大学出版社，2016.

[5]安东尼·韦斯顿. 论证是一门学问.新华出版社，2011.

[6]W.I.B.贝弗里奇.科学研究的艺术.科学出版社,1979.