K.邓巴尔
一、引言：一种考察科学的新方式：有机的方法
令人惊讶的是，科学家做什么和他们怎样思考一直是困难的考察课题。研究者们一贯利用笔记、谈话、日记、历史重构和同事的阐述来得到对认知过程的描述，它成为科学思考和建立模型的基础。运用这些方法，研究者们对科学中发生的事情已经完成了许多重要的说明。然而，过去的十年我们一直追踪不同的方法来考察科学家思考和推理的方式。我们已经考察过"有机地"发生在分子生物学和免疫学实验室集会上的思考和推理。我们已经做的是当科学家在自己的实验室思考和推理的时候，对他们进行录像和录音。然后我们逐字逐句地分析科学家们在明确地叙述理论、分析数据、设计实验和建立模型时所利用的思考和推理的类型。我们已经在美国、加拿大和意大利考察了最主要的实验室。在每个实验室我们工作了三个月到一年的时间，为每周一次的实验室集会录音；以会见和其他文件(如核准的建议、论文草稿)以及个别谈话补充集会内容。用这种方法，我们能够建立科学思维的认知基础的细致模型。尤其是，我们考察了现代科学中类比、意外发现和组合推理的作用。
为什么把集会作为有关科学家数据的源泉?我发现，科学家思考和推理方式最有代表性的剖面是每周一次的实验室聚会。在那样的聚会上，科学家展示他们的数据、关于发现的推理，提出新的实验和理论。因此，通过分析科学家在他们的实验室聚会上所用的推理，就可能得到科学家实际怎样进行推理的清晰画卷。而且，在聚会上发生的许多情况是即时产生的推理，有时候科学发现和突破就是在这些聚会上做出的。用这种方法，有可能直接监控思考和推理，这要优于通过事后谈话、调查问卷或边想边说的草案来揭示推理。在实验室，科学家借助与其他科学家相互交流使他们的许多想法具体化。因此，对实验室聚会录音就有可能接近"在线式"的思考和推理。这种方法允许我们在科学进展的时候了解它们，这要优于当科学家期望记住在自己的实验室所发生的事情时，把它们记在自己的笔记本上的那些有选择的信息。因此，实验室集会提供了了解"有机的"科学的惟一机会。借用生物学的术语，我称此为"有机的"(In Vivo)认知方法。另外一种我们一直使用的方法是尝试性的(In Vivo)认知方法，那是我们在自己的认知实验室进行关于科学思考的实验。通过有机的和尝试性的方法的联合运用，就可能得到包含在科学中的认知过程的清晰图画。
二、一次典型的实验室聚会
我们考察的实验室由高级的科学家组成，三四个博士后学者，五六个研究生和一、两个技师。每周，实验室的一个成员将介绍他们最新实验的结果。陈述包括简要的基本原理，许多数据幻灯片和他们下一步将要做什么。虽然这是集会的基本安排，有一些人趋向于更多地关注理论，另一些人关注方法，还有一些人关注数据，许多人都关注未来的实验。因此，集会提供了科学家所做事情的精细的剖面和透视科学思维的工作方式的窗口。尽管实验室集会有推荐人，然而集会的形式是完全不拘礼节的。不少实验室集会包括了许多科学家涉及计划所有方面的推理，讨论了模型，画出了图表，进行了归纳，给出了演绎，讨论了竞争的模型，设计和分解了研究实验。而且，预备模型的可能性，方法上的错误和各种方法的可行性也都讨论了。从认知科学家的观点来看，这种类型的数据在它的丰富内容方面是至高无上的。这里，我们可以看到有关工作的所有基本推理过程和不同的认识在科学中起的实在作用。集会前和集会后的谈话对集会有所补充，它们提供了详细的背景资料。
用这种有机的方法，我们已经揭示了科学家思考、推理和建构模型方式的一系列基本特点。在下一节，我将提供对建构科学模型的四个重要方面的一般看法--类比、意外发现、分布式推理和促进实验设计的认知过程。当模型建构的这些不同方面的每一个能够被分别地加以讨论时，重要的是应注意，科学家在类比、意外发现、分布式推理和实验设计之间自如地迁移。所以，当我谈到科学模型建构的这些方面的四个不同部分时，我无意暗示，每个过程是单独起作用，或是以连续方式向前推移。
三、类比
长期以来，类比一直被看作是科学思考的重要认知成分。而且，近15年来类比推理成了热切考察的焦点。在包括于类比内的一系列认知过程的详细模型中，这类考察达到了顶点。一系列关于类比的认知说明已经注意到，在科学中包含着许多不同类型的类比。类比的说明在类比的两个成分(对象和来源)之间进行区分。对象是科学家试图解决或解释的概念或问题。来源是科学家用来理解对象或是向其他人解释对象的另一片断知识。当他或她进行类比时，科学家做的是，将来源的特征描绘成对象的特征。通过在对象之上描绘来源的特征，就有可能发现对象的新特征，或者重新安排对象的特征以便发明新的概念，或者科学家能够向其他人显示对象的科学特征。我将以卢瑟福(Rutherford)在他的研究中表面上应用的类比来说明关于类比的这一讨论。当卢瑟福试图理解原子的结构时，他拿太阳系做了类比。在这个例子中，对象是原子而来源是太阳系。卢瑟福从表面上把行星绕着太阳旋转的观念描绘成了原子的，因此而论证电子绕着原子核旋转。所以，许多历史学家一直主张，拿太阳系做类比，卢瑟福能够提出关于原子结构的新说明。通过描绘行星绕着太阳旋转的特征，卢瑟福能够使他的数据与那些借助太阳系类比所预言的数据一致起来。按照这种观点，类比导致了他的知识大幅度重建，从而做出了科学发现。
在科学史上，卢瑟福的例子和类比的其他例子提出了许多有关科学中类比作用的重要问题。从根本上说，科学家是在他们日复一日的科学工作中使用类比吗?如果他们使用，那是人们在历史创造的文献中一直谈论的远缘类比(distant
analogies)吗?是否像经验主义的心理学著作指出的那样，远缘类比在科学中较少起作用?类比是单独起作用，还是与其他智力操作联合起作用?最后，类比包括在科学发现和科学的模型建构中吗?
在四个实验室，我们寻求通过将类比的使用进行编码来考察科学中类比的作用。我们对每次类比的使用予以编码。这些情形包括，科学家从一个领域汲取知识用到另一个领域来填充他们关于正在研究的论题的知识的空白，或是用他们已有的知识去帮助其他人理解论题。我们已经发现，当对于目前的问题没有直截了当的答案时，科学家经常使用类比。他们的问题或许是明确叙述一个理论，设计一个实验，解释一些数据，或是从理论引出实验。我们发现，类比是经常被采用的。在16次集会上有99个类比。我们对科学家的目标予以编码，并且发现当他们进行类比时他们的目标可以被组合成四类：明确叙述一个假设，设计一个实验，装备一个实验，或是解释一个结果。我们发现，科学家所进行的类比类型直接与他们的目标有关。当科学家设计和装备实验时，是与很相似的实验或相同的生物体进行类比。例如，科学家可以从艾滋病(HIV)病毒的一个基因类推到该病毒上的另一个基因。这些类型的类比占了科学家所进行类比总数的45％。可是，当目标是明确叙述一个假说时，科学家倾向与其他具有相似的主要结构或可能具有相似的主要生物机制的生物体进行类比。例如，从埃博拉(Ebola)病毒到艾滋病病毒。这些类型的类比是经常的，占了类比总数的50％。当目标是向一个实验室的其他成员或更多的一般听众解释一个概念肘，科学家用相距很远的领域进行类比。例如，一位科学家试图类推到以流行歌曲"加利福尼亚旅馆"来解释液泡工作的方式。这些"远缘类比"是很少见的，占了类比总数的2％。
这些结果是很令人惊讶的，我们没有料想看到这么多与其他生物体进行的类比。大多数关于类比的研究已经表明，人们倾向于在表面特征(甚于深入结构特征)的基础上进行类比。在科学的场合，科学家既有关于主要生物机制的知识，又有关于如何了解诸如一个生物体中的基因与另一个生物体中的基因异体同形这类结构信息的知识。这种知识使科学家可能超越表面特征进行类比。而且，尽管有关于远缘类比在科学中起着主要作用的趣闻轶事的说法，我们的发现却表明，远缘类比是很少应用的，只是主要用于向其他人解释概念，而不是作为新颖的假说和实验的来源。尤其是，我们发现，许多类比的应用围绕着意外发现循环出现。我将在下一节讨论类比的这种应用。
我们有关类比的全部研究绘制出一幅类比应用的图画，这幅图画与趣闻轶事的著述中所谈到的那些是很不相同的，而和心理学文献更为一致。与其说新的理论和假说是通过与十分不同的领域进行类比而产生的，倒不如说新理论是通过与相关的领域进行类比而产生的。关于类比的最后一个注释是，我们已经发现，科学家对于他们应用的类比没有留下什么记忆。当我们事后要求科学家回忆他们在集会上(我们进行了录音)怎样产生出新概念或是怎样解决问题的时候，我们并不记得那是怎样发生的。因此，传记和趣闻轶事没有提及很多做出科学发现时在其中起过作用的类比。
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