内容提纲
  • 在科学研究中应用描述
  • 在科学研究中应用描述：G.K. 吉尔伯特和亨利山脉的地质
  • 跨学科描述研究
  • 描述研究的局限性
  • 现代活动中的描述研究
你知道么？
你知道么，并非所有科学家都会进行实验。人类学家珍·古道尔 (Jane Goodall) 进行的科学研究，是多年一直在非洲森林观察黑猩猩并记录系统的观察结果。在许多科学领域里，描述被用来发展理论，包括天文学、地质学、灵长类动物学。
关键概念
  • 描述对自然系统的组成部分进行系统观察和编目，让其他科学家能够使用与重现。
  • 描述这种研究方法，通常用作解释独特的自然系统（例如生态学或化学）、大规模现象（例如天文学）、过去事件（例如地质学或法医学）。
日食很有戏剧性：日食时，白天天空变暗，月食时月亮变红。因此，许多文化都崇拜日食和月食，并且在史前艺术、口述历史、历史记录中经常提及它们。早在公元前2000年，中国人就开始在他们所谓的甲骨上系统地记录日食的时间和地点。古代美索不达米亚的天文学家将月食的详细记录刻在了公元前600年的70块石碑上（如图 1 所示），并用它们来准确预测未来的月食（Steele，2000）。到了公元前4世纪，美索不达米亚人从这些观察中发展出了一套全面的月球理论——对太阳和月亮在天空中运动的数学描述——这是此类理论的首次提出（Britton，2007）。
这些记录标志着天文学发展的早期阶段，天文学把定量描述作为一种研究方法。古代天文学家观察并描述天空中物体的运动，记录事件的时间和位置，根据他们观察到的现象建立数学模型，然后使用这些模型通过数学计算来预测未来的日食。
图1：这块泥石碑上列有公元前518年至465年在美索不达米亚古城巴比伦发生的日食。
大约在公元前340年，希腊天文学家欧多克索斯 (Eudoxus) 发展出一套宇宙几何理论 (Goldstein & Bowen, 1983)：他提出宇宙由嵌套的球体组成，中心有一个不动的地球。该理论基于他对行星在天空中运行的路径以及行星与地球、月球和太阳的关系的记录观测。然而，欧多克斯无法量化这些关系，因此无法使用他的观察结果来预测。公元前二世纪，美索不达米亚的记录传到了希腊，数学家喜帕恰斯（Hipparchus）通过结合希腊和美索不达米亚的观察和描述，彻底改变了希腊天文学。
尽管思想传播的确切方法尚不清楚，但这些长期描述性记录的存在和使用是天文学发展的核心。事实上，这些早期数据非常重要，我们今天仍在重新审视它们：现代科学家使用中国和美索不达米亚日食目录来解决新的科学问题，例如测量地球自转随时间的减慢速度（Pang等，1988）。
在科学研究中应用描述
这些早期的天文学家利用对自然现象的描述来对广泛的物理原理（例如地球的自转或太阳系的性质）做出科学推论。正如“科学实践：对研究方法的介绍”模块中所讨论的，所有研究方法都涉及数据收集、提出和检验假说，描述性方法也不例外。该方法通常包括以下步骤：
1.以可复制的方式对现象进行系统观察和详细描述，例如月食的频率、犹他州岩层的组成和方向、野生黑猩猩的行为。
2.这些证据（有时还有其他证据）被用来提出一个或多个有效假说，来解释该现象。
3.进行额外的观察或其他类型的研究，来检验假说或确定竞争假说的可能性。
4.最终，提出符合观察结果和证据的解释性理论。
这是一个迭代过程，且有多个层面：对于一位科学家来说，整个过程可能会在几天内发生，也可能需要数十年或数百年的时间，并涉及许多科学家（有时来自多个科学领域）的贡献。
描述研究也可以是探索性的，不是要验证假说。例如，美国地质调查局在美国的许多溪流和河流上设有流量计，记录该点的每日水流量观测结果。建立这些并不是为了检验任何特定的假说，而只是为了保留记录。事实证明，这些记录对于解决有关洪水复发间隔、河流流量的每日和季节性波动以及其他与流域相关的问题非常有用。然而，并非所有对水流的描述都是科学的。这些记录如此有用，原因之一是这些描述是系统的，并且涉及设计良好控制的实验（参见“科学研究中的实验：变量与控制”模块）或构建有用的数学模型（ 请参阅“科学研究中的建模”模块）。每个流量计的位置都经过测量和校准，以准确记录流量。每天在同一时间、同一地点测量水流。每个站点每天都会记录相同的参数，包括溪流高度、水温、流量。如果没有这种一致性，就很难确定所收集数据的准确性和可靠性。
尽管系统描述可以独立作为一种研究方法，但它通常与其他研究方法组合使用。进行实验的科学家必须首先研究和描述它们实验的系统，发起比较研究的研究人员需要有关他们正在调查的人群的描述性数据，而构建模型的科学家必须准确地表示他们正在建模的系统。
【考考自己】描述研究总是从一个假说开始。
a.对
b.错
在科学研究中应用描述：G.K. 吉尔伯特和亨利山脉的地质
美国的西部探险中，描述作为一种科学研究方法被广泛使用。十九世纪60年代，美国政府对美国西部开展了一系列四项调查，从1860年持续到1879年。每个调查小组都包括一名地质学家，其工作是观察和描述当地的地质情况与景观。：吉尔伯特对犹他州南部亨利山脉（ Henry Mountains）的地质勘探，可以让我们了解描述研究。
图2：犹他州亨利山脉的照片。
约翰·韦斯利·鲍威尔 (John Wesley Powell) 在十九世纪70年代两次沿着科罗拉多河顺流而下时，饶有兴趣地注意到了亨利山脉。它们位于河流的西边，河流蜿蜒穿过格伦峡谷，从周围的台地突然升起。黑色山峰与河流四周浅色的层状岩石形成鲜明对比（见图 2）。鲍威尔没有时间亲自探索山脉，因此将这项任务交给了曾与他共事的年轻地质学家格罗夫·卡尔·吉尔伯特(Grove Karl Gilbert)。1875年，吉尔伯特在山里待了一周，并于1876 年返回了一个月，带着几本笔记本出来，上面写满了仔细记录的笔记、草图、假说。1875年8月，他写下了以下观察：
……“B悬崖”这块岩石从南升向“希勒斯山”。接近时其倾角（7°）并没有增大，消失在碎片中。更远处是红色和白色的沙子——[更深的]岩石几乎垂直倾斜，并散布着堤坝面。此外，这些砂岩猪背似乎沿着山体的曲线延伸。
他绘制了一个草图，如下图3所示，其中指出了他进行测量的位置，总结了他的描述。
图3：G. K. 吉尔伯特 (G. K. Gilbert) 绘制的希勒斯山 (Mt. Hillers) 周围岩石的草图，并附有他的笔记；图中左侧的小写字母b与他笔记中的“B悬崖”相对应。（Hunt，1988）
吉尔伯特收集了图3中标记的每种岩石类型的样本并进行了描述。这些层状岩石（图3中标记为b、c、d、s和p）都是他以前在旅行中见过的沉积岩，他通过颜色、粒度和所含化石来描述它们。然而，希勒斯山的核心有所不同：由冷却的岩浆形成的火成岩。他将这种岩石描述为“一种浅灰色的膏体，含有大块白色长石晶体和大大小小的角闪石晶体”。根据这种成分，他确定它是粗面岩，在图3中标记为t。吉尔伯特从几个不同的角度绘制了同一座山的草图，并收集了周围岩层方向的测量数据，同时还收集了海拔等基本测量数据。
图4：吉尔伯特的绘图代表了希勒斯山形成的假设。
吉尔伯特仅仅在笔记本上写了几页。仅用一天，他完成了从观察和数据收集到假说的第一步。他绘制的横截面不再是对景观的忠实描绘，而是对希勒斯山形成的假说（图 4）。这个初始模型涵盖了迄今为止他的所有观察结果：通往山顶的沉积岩单元的缓坡、一直围绕山的陡峭倾斜的岩石以及中心的火成岩。此时，他没有用太多文字来解释他的想法，只写了在地表以下形成的岩浆“储层”，并使其上方的岩层变形。他知道他需要收集更多数据来检验这个最初假说；第二天，他在笔记中写道：“我搞不懂希勒斯山的东北面。” 他还无法用最初的假说解释那里发生的事情。
那年夏天，吉尔伯特在亨利山脉只剩下几天的时间继续他的探索之旅。第二年（1876 年）他又回来收集了更多数据的任务，以修正他最初的简单假说。经过一个月对调查数据和岩石朝向的收集，吉尔伯特与其团队因雨雪而被困在营地。吉尔伯特借此机会总结了自己的发现，并展示了他在探索过程中观点发展。他重新画了去年的草图，并为新模型写下解释：
亨利山结构最简单的类型是一个透镜状的圈闭体（”火成岩“的早期术语），上面的地层呈拱形……圈闭体的形式从未完全显示出来，但可以用一般的方式描述 在某些情况下...会以不同的方式组合和分组喷射。上面和下面都有片材来捕集喷射物，可以把它们看成是一个烟囱的渗出系统。
他对该过程进行了更真实的描述，因为它特别适用于亨利山脉（图 5）。吉尔伯特随后对这些入侵提出了一个问题：为什么岩浆没有到达地表？
图 5：吉尔伯特1876年的绘图，体现了修正后关于亨利山脉形成的假说。
吉尔伯特于1877年发表了他的《亨利山脉地质报告》（Gilbert，1877）。在出版物中，他将这种新发现的入侵类型命名为laccolite（后来改为laccolith）。他将他的实地草图、测量结果和研究问题形式化为有关亨利山脉形成的连贯理论，并指出该地区的许多其他山脉很可能是通过相同的过程形成的。对于与相对密度和沉积岩的“渗透性”有关的侵入的根本原因的问题，他提出了两种不同的答案，但他的问题至今仍未得到解决。吉尔伯特的报告被认为是地质学的一个重要里程碑，不仅因为他提出了新型侵入岩，而且因为他高度系统化地使用描述方法
；吉尔伯特后来成为新一届美国地质调查局备受重视和尊敬的领导人，并两任美国地质学会主席。

吉尔伯特的工作也为进一步研究亨利山脉奠定了基础。对岩层褶皱和断层的更详细测量有力地支持了吉尔伯特的石岩假说（Jackson & Pollard，1988）。最近，研究人员用物理模拟模型进行了实验，试图通过用沙子建造沉积层并从下面注入硅胶来模拟岩浆来理解为什么岩浆没有到达地表（Roman-Berdiel等，1995）。
【考考自己】可以用绘图来描述观察与提出假说。
a.对
b.错
跨学科描述研究
描述作为一种研究方法不只是历史，也不再仅仅由草图组成。对大气中二氧化碳浓度的持续测量，例如查尔斯·基林 (Charles Keeling) 于1958年在夏威夷莫纳罗亚火山开始的测量，是对大气成分随时间变化的定量描述（请参阅“碳循环”模块）。这些每日的全球测量使气候科学家能够提出关于大气对火山喷发、污染物与温室气体排放稳步增加的反应的假说。通过对格陵兰岛和南极洲冰芯中捕获的气泡中二氧化碳浓度的采样和描述，大气记录可以追溯到65万年前（图 6）。这些数据揭示了二氧化碳浓度的周期性规律，有助于气候科学家了解长期气候。根据这些发现，气候学家可以开发模型来评估大气中二氧化碳浓度持续增加可能产生的影响。
图 6：来自欧洲南极冰芯项目 (EPICA) 的数据，显示随时间变化的二氧化碳浓度（图表来自 Siegenthaler等，2005 年）。三种不同的颜色代表从三个独立的冰芯收集的数据。
有别于实验，有时候描述性方法的主要目标是明确避免操纵任何变量，例如在一些试图描述环境中生物之间的自然相互作用的生态研究中。珍·古道尔 (Jane Goodall) 二十世纪60年代开始在坦桑尼亚贡贝国家公园工作时，她的目标是对野生黑猩猩进行非侵入性观察。她的第一篇论文《自由生活的黑猩猩群体中的工具使用和目标投掷》发表于1964年，文章开头提到了在圈养的黑猩猩中观察到工具使用的事实，但许多人想知道这种行为是否存在于野生种群中。
为了回答这个问题，古道尔在自然栖息地观察了黑猩猩并做了详细的记录。古道尔的工作需要在现场进行长时间的日复一日、数周甚至数月的工作。在研究开始时，她只是坐在黑猩猩附近，以确保动物会适应她的存在并表现正常，因为她不希望她的存在成为影响它们行为的变量。古道尔随后将装满香蕉的盒子放在黑猩猩会发现的地方。她在论文中提供的数据类型包括如下描述：
在拉扯盒子长达5分钟后，每只黑猩猩都折断了一根棍子并剥去了叶子。然后，有两个试图将棍子推到盒盖下面……这三只黑猩猩都没有见过其他黑猩猩试图以这种方式解决问题。
重要的是要认识到古道尔确实操纵了环境（她给了黑猩猩一些新的东西来观察——一盒香蕉），但她并没有试图操纵它们的行为——那是她观察和描述的对象。她利用这些和其他观察结果提出了关于黑猩猩作为工具使用者的新想法，它们独立思考并可以相互学习（Goodall，1964），彻底改变了我们对非人类灵长类动物和人类起源的理解。
事实上，从某种意义上说，古道尔是在对黑猩猩进行一项实验：它们会对一盒密封的香蕉做什么？这个特定的研究问题属于实验和描述之间的连续体，并强调了不同的研究方法如何相互补充。实验和描述重叠的情况尤为常见：另一个例子是NASA的Deep Impact任务，该任务在科学实验模块中进行了描述。
【考考自己】描述研究的目标包括：
a.操纵变量
b.避免操纵变量
描述研究的局限性
描述在科学研究中使用非常广泛，使用起来几乎没有局限。面对无法进行实验的问题（例如确定地球历史中的事件），这是一种非常有用的研究方法。尽管该方法在科学中广泛适用，但仅通过描述来建立因果关系仍然具有挑战性。相反，以吉尔伯特的工作为例，描述研究通常会得出有关现象的功能或形式的信息，并建立物理、空间、时间关系。
系统性的描述也会引发不科学的解释，这在许多文化的神话和传说中都能看到。早期的希腊人很善于观察环境，他们对自然过程提出了神话解释，而我们现在从科学意义上理解了这些解释。例如，像大多数农业民族一样，希腊人观察和监测季节的变化，春季发芽和生长的规律周期，夏季丰收，秋季收获，冬季荒芜。这些观察结果都集中在农业女神得墨忒耳和她的女儿珀耳塞福涅的神话中，珀耳塞福涅被哈迪斯绑架并带到了地狱。神话中，德墨忒尔与哈迪斯达成协议，分享珀耳塞福涅——一年中的六个月，珀耳塞福涅与她的母亲生活在地表，德墨忒尔的幸福体现在春夏两季，而珀耳塞福涅返回的六个月 到了冥界，德墨忒尔的悲痛也随之而来，庄稼枯萎死亡。显然，对季节变化的观察是有效的，但神话的解释并不科学。
在某些情况下，即便当时的描述并不具有科学性，也会在后来被科学家用到。例如，许多历史人物在死后很久就被历史学家和科学家诊断出患有疾病或痛苦，他们仔细阅读了日记、信件和其他描述症状的主要来源。
1979年，开普敦大学化学家彼得·斯帕戈（Peter Spargo）与法医科学家庞兹（C.A. Pounds），以确定艾萨克·牛顿在1692和1693年之间经历的一次“疯狂”事件的原因。许多历史学家注意到牛顿在这段时期的行为中的奇怪之处，这反映在他的信件和记录中。根据这些信件和记录中对牛顿行为的描述，斯帕戈和庞兹将牛顿患病的症状总结为“严重失眠、人际关系极度敏感、食欲不振、迫害妄想和健忘症”。他们指出，在同一时期，牛顿正在进行激烈的炼金实验，并假设他正在经历重金属中毒（Spargo & Pounds，1979）。换句话说，尽管对牛顿行为的描述并不是为了彻底记录他的疾病，但它们对于发展科学假说仍然有用。斯帕戈和庞兹通过获取牛顿的头发样本来检验他们的假说，该样本确实显示汞、砷、金、氯、锑和铅的含量显着升高——所有金属都能够产生暂时的神经系统疾病，就像他所经历的那样 。
现代活动中的描述研究
尽管许多科学家仍然用铅笔和纸来勾画他们的描述，但可用于描述性研究的工具已经激增并且更加强大。例如，利用X射线衍射，地质学家不仅可以对岩石进行现场描述，还可以详细描述单个矿物的化学组成（请参阅“硅酸盐矿物”模块）。同样的技术让克里克、富兰克林、沃森、威尔逊能够将DNA分子的结构描述为双螺旋（参见“DNA II：DNA的结构”模块）。其他仪器，如质谱仪，可以确定火山喷发的熔岩和考古遗址中的骨头等物体的绝对年龄，而在此类技术发明之前，吉尔伯特等科学家只能为他研究的岩石分配相对年龄。我们的许多最先进和最昂贵的技术都是基于高度准确的描述：例如，全球定位卫星（GPS）技术使生态学家、海洋学家和许多其他人能够准确地确定他们的样本位置并对空间数据进行更详细的分析；磁共振成像（或 MRI）使我们能够看到体内的器官，从而进行更准确的医疗诊断。这些技术如今在各种科学学科中得到应用，为大规模、复杂、相互作用的系统带来了新的理解。
资料来源：
Anne E. Egger, Ph.D., Anthony Carpi, Ph.D. “Description in Scientific Research” Visionlearning Vol. POS-1 (6), 2008.
https://www.visionlearning.com/en/library/process-of-science/49/description-in-scientific-research/151
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References
  • Britton, J. P. (2007). Studies in Babylonian lunar theory: Part I. Empirical elements for modeling lunar and solar anomalies. Archive for the History of Exact Sciences, 61(2), 83-145.
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  • Steele, J. M. (2000). Eclipse prediction in Mesopotamia. Archive for History of Exact Sciences, 54(5), 421.
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