Name: scientific method steps and controls
Uploaded: 2019-01-29T11:04:44.000Z
Duration: 7 min 23 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Virginia  Standards of Learning

HIgh School

Earth Science

ES.1

ES.1.a

Scientific Method

المنهج العلمي هو إطار من التقنيات والأسئلة التي يستخدمها العلماء للتحقيق في الظواهر بهدف جعل الاكتشافات العلمية بسيطة وقابلة للتكرار. لقد لوحظ بشكل فضفاض من قبل المجربين منذ القرن الرابع قبل الميلاد ، ولكن تم صياغة أول طريقة علمية رسمية بشكل صحيح خلال عصر النهضة الأوروبية. هنا بدأ الأفراد في طليعة العلم مثل فرانسيس بيكون وجاليليو وإسحاق نيوتن في وضع القواعد التي نستخدمها لإجراء التجارب اليوم في الممارسة الروتينية. 
عادة ما تكون الخطوة الأولى في المنهج العلمي هي صياغة سؤال ، عادة بعد ملاحظة ظاهرة ما. على سبيل المثال ، لنفترض أنك كنت تربي اليرقات ولاحظت أن بعضها يستغرق وقتا أطول من البعض الآخر للوصول إلى التشرنق وتتساءل ، هل تتطور اليرقات بمعدلات مختلفة حسب درجة الحرارة؟ 
هذا هو المكان الذي يأتي فيه الجزء الثاني من المنهج العلمي ، الفرضية. الفرضية هي تفسير غير مؤكد لسبب ملاحظتنا لما نلاحظه ، وهناك نوعان رئيسيان. الأول هو الفرضية التجريبية أو البديلة ، ويعني أنه ستكون هناك علاقة بين المتغيرات التي يتم التحقيق فيها ، ودرجة الحرارة وتطور اليرقة ، في هذه الحالة. لذلك ، قد تكون فرضيتنا التجريبية هي أن اليرقات ستستغرق وقتا أطول للانتقال من البويضة إلى التشرنق إذا تم تربيتها في درجات حرارة أكثر برودة. بشكل حاسم ، ستكون الفرضية الجيدة قابلة للاختبار. بالنسبة لليرقات لدينا ، يمكننا تغيير درجة الحرارة ، وتسجيل الوقت الذي تستغرقه للانتقال من البيضة إلى الخادرة ، وقابلة للتكذيب. لذا، إذا استغرق الأمر نفس الوقت تقريبا حتى تتطور اليرقات بغض النظر عن درجة الحرارة، فيمكننا قبول أن الفرضية كانت خاطئة على الأرجح. النوع الثاني من الفرضيات هو الفرضية الصفرية. هذا عادة ما يتكهن بأنه لن يكون هناك أي تغيير أو اختلاف كبير ملحوظ أثناء التجربة. في مثال اليرقة الخاص بنا ، نذكر أن اليرقات ستتطور بنفس المعدل في كل حالة درجة حرارة. 
بمجرد أن نحصل على فرضياتنا ، تغطي الخطوة الثالثة من الطريقة العلمية التجريب وجمع البيانات. في تجربة نموذجية ، سيكون هناك نوعان من المتغيرات. المتغير المستقل هو شيء يتم التلاعب به مباشرة من قبل المجريب. لذا، مع اليرقات، نقوم بتغيير المتغير المستقل عندما نغير درجة الحرارة. يجب أن يتأثر المتغير التابع ، المعروف أيضا باسم متغير الاستجابة ، بحالة المتغير المستقل. لذلك ، عندما نعرض اليرقات لدرجات حرارة مختلفة ، فإن الاستجابة ، المتغير التابع ، هي معدل نموها. 
هناك أيضا نوعان رئيسيان من البيانات التي يمكن جمعها لدعم أو تزوير الفرضيات. الأول هو البيانات النوعية ، والتي تشير عادة إلى الملاحظات الوصفية التي يتم إجراؤها باستخدام الحواس أو الرؤية أو اللمس أو السمع أو الشم أو حتى التذوق. في تجربتنا ، قد نسجل أن اليرقات تبدو وكأنها تتحرك وتأكل كثيرا في حالة درجة الحرارة العادية ، مقارنة بالحالة الأكثر برودة. على عكس البيانات النوعية ، يمكن قياس البيانات الكمية وكتابتها كأرقام. لذلك ، عندما نحسب عدد الساعات التي تستغرقها اليرقة من الفقس إلى التشرنق أخيرا ، فإن هذا يعطينا رقما محددا. حيثما أمكن ، يكاد يكون من المهم أن يكون لديك شرط تحكم في أي تجربة حيث نتلاعب بالمتغيرات المستقلة. في تجربة اليرقة الخاصة بنا ، يمكننا زراعة اليرقات عند درجة حرارة غرفة قياسية محددة تبلغ 21 درجة كعنصر تحكم ، لأن هذا يوضح ما يحدث عندما تتطور اليرقات في ظل الظروف العادية مقارنة بالإعدادات التجريبية. 
في التجارب الرصدية ، قد لا تكون هناك حاجة إلى عنصر تحكم أو حتى ممكن. على سبيل المثال ، تخيل أن اليرقات لدينا نمت الآن فراشات ، تتغذى على الرحيق في حديقة الزهور. في فرضيتنا التجريبية ، نقترح أنهم يفضلون أن يتغذوا من الزهور الوردية الكبيرة ، بينما تشير فرضيتنا الصفرية إلى أنه ليس لديهم تفضيل وسيزورون الأزهار بشكل عشوائي. في هذه الحالة ، فإن مجرد مراقبة وتسجيل عدد المرات التي تزور فيها الفراشات كل نوع من أنواع الأزهار سيوفر بيانات كافية لتأكيد أو رفض فرضياتنا دون الحاجة إلى التلاعب بأي متغيرات أو الحاجة إلى تحكم. 
بمجرد جمع البيانات ، فإن الخطوة التالية هي معرفة ما يعنيه كل ذلك. سيقارن العلماء تنبؤات فرضيتيهم لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم رفض الفرضية الصفرية. يمكن القيام بذلك عن طريق مقارنة قيم المتغير التابع في عنصر التحكم مقابل الظروف التجريبية. إذا لم يكونا متساويين ، فيمكن رفض الفرضية الصفرية. إذا كانت البيانات التي تم جمعها تدعم فرضية ، مثل اليرقات التي استغرقت ساعات أطول بكثير للانتقال من البيضة إلى الخادرة عند الاحتفاظ بها في المناخ البارد ، فإن هذا يعطي الفرضية التجريبية مزيدا من المصداقية ، ولكن بشكل حاسم لا يشير إلى أن الفرضية صحيحة بالتأكيد ، لأن التجارب المستقبلية قد تكشف عن معلومات جديدة. 
الجزء الأخير من المنهج العلمي هو المكان الذي نستخلص فيه النتائج ، ونناقش ما قد تعنيه النتائج التي توصلنا إليها. هنا ، قد يشير العلماء إلى تجارب أخرى أو أدبيات أخرى لوضع النتائج التي توصلوا إليها في سياقها ، والتوصل إلى تفسيرات لسبب إظهار النتائج لما فعلوه. على سبيل المثال ، قد يكون الاستنتاج هو أن اليرقات تحب النمو في درجات حرارة أقرب إلى بيئتها الطبيعية. قد يؤدي هذا بدوره إلى إثارة أسئلة جديدة ، مثل هل تتشرنق الأنواع الأخرى بمعدلات مختلفة في درجات حرارة مختلفة أيضا؟ قد يلهم هذا تجارب جديدة ، يمكننا اختبارها باستخدام ، كما خمنت ، الطريقة العلمية.

المنهج العلمي

تستخدم الطريقة العلمية لحل المشكلات وشرح الظواهر. تزامن تطور المنهج العلمي مع التغييرات في الفلسفة التي تقوم عليها الاكتشاف العلمي ، مما أدى إلى تغيير جذري في وجهات نظر المجتمع حول الطبيعة. خلال عصر النهضة الأوروبية ، قام أفراد مثل فرانسيس بيكون وجاليليو وإسحاق نيوتن بإضفاء الطابع الرسمي على مفهوم المنهج العلمي ووضعوه موضع التنفيذ. على الرغم من أن المنهج العلمي قد تمت مراجعته منذ تصوراته المبكرة ، إلا أن الكثير من الإطار والفلسفة لا يزالان قيد التنفيذ اليوم. 
<h4>الخطوة 1: الملاحظة والسؤال</h4>
قبل التحقيق ، يجب على العالم تحديد السؤال المراد معالجته. تتضمن هذه الخطوة الأولى الحاسمة في العملية العلمية مراقبة بعض الظواهر الطبيعية ذات الأهمية. يجب أن تؤدي هذه الملاحظة بعد ذلك إلى عدد من الأسئلة حول الظواهر. تتطلب هذه المرحلة في كثير من الأحيان بحثا أساسيا ضروريا لفهم الموضوع والعمل السابق على أفكار مماثلة. تسمح مراجعة وتقييم الأبحاث السابقة للعلماء بتنقيح أسئلتهم لمعالجة الفجوات في المعرفة العلمية بشكل أكثر دقة. سيؤثر تحديد سؤال البحث وفهم الأبحاث السابقة ذات الصلة على كيفية تطبيق المنهج العلمي ، مما يجعله خطوة أولى مهمة في عملية البحث. 
مثال يومي: أنت تحاول الوصول إلى المدرسة أو العمل ولن تبدأ سيارتك. تعكس عملية التفكير التي يمر بها معظم الناس في هذه الحالة بوضوح الطريقة العلمية الرسمية (بعد الانتهاء من الانزعاج). أولا ، قم بملاحظة: سيارتي لن تبدأ! السؤال التالي: لماذا لا يعمل؟ 
<h4>الخطوة 2: الفرضية</h4>
الخطوة التالية هي وضع فرضية بناء على المعرفة المسبقة. الفرضية هي "تفسير غير مؤكد" أو تخمين غير مثبت يسعى إلى تفسير بعض الظواهر بناء على المعرفة التي تم الحصول عليها أثناء تنفيذ التجارب أو الملاحظات اللاحقة. بشكل عام ، يطور العلماء فرضيات متعددة لمعالجة أسئلتهم واختبارها بشكل منهجي. 
يجب أن تفي جميع الفرضيات بمعايير معينة حتى تنجح العملية العلمية. أولا ، يجب أن تكون الفرضية قابلة للاختبار وقابلة للدحض. هذا الجانب من الفرضية حرج وذو أهمية أكبر بكثير من صحة الفرضية. الفرضية القابلة للاختبار هي تلك التي تولد تنبؤات قابلة للاختبار ، يتم تناولها من خلال الملاحظات أو التجارب. الفرضية القابلة للدحض هي الفرضية التي يمكن إثبات خطأها من خلال ملاحظة النتائج المتضاربة. يسمح هذا للمحققين باكتساب المزيد من الثقة بمرور الوقت ، ليس من خلال تراكم الأدلة التي تثبت صحة الفرضية ، ولكن بالأحرى من خلال إظهار أن المواقف التي يمكن أن تثبت زيفها لا تحدث. 
تأتي الفرضيات في شكلين: الفرضيات الفارغة والفرضيات البديلة. يتم اختبار الفرضية الصفرية مقابل الفرضية البديلة وتعكس أنه لن يكون هناك تغيير ملحوظ في التجربة. الفرضية البديلة هي بشكل عام تلك الموصوفة في الفقرتين السابقتين ، والتي يشار إليها أيضا باسم الفرضية التجريبية. الفرضية البديلة هي النتيجة المتوقعة للتجربة. إذا تم رفض الفرضية الصفرية ، فإن هذا يبني دليلا على الفرضية البديلة. 
مثال يومي: ربما يتجمد الجو في الخارج ، وبالتالي فمن المحتمل إلى حد ما أن بطارية سيارتك قد نفدت. ربما تعلم أنك كنت تعاني من نقص في الغاز في الليلة السابقة ، وبالتالي فمن المحتمل أن يكون الخزان فارغا. 
<h4>الخطوة 3: التجريب وجمع البيانات</h4>
في كلتا الحالتين ، فإن الخطوة التالية هي إجراء المزيد من الملاحظات أو إجراء التجارب التي تؤدي إلى استنتاجات. بعد صياغة الفرضيات ، يخطط العلماء ويجرون تجارب لاختبار فرضياتهم. توفر هذه التجارب بيانات من شأنها إما دعم الفرضية أو تزويرها. يمكن جمع البيانات من الملاحظات الكمية أو النوعية. تشير المعلومات النوعية إلى الملاحظات التي يمكن إجراؤها ببساطة باستخدام حواس المرء ، سواء كان ذلك من خلال البصر أو الصوت أو الذوق أو الشم أو اللمس. في المقابل ، فإن الملاحظات الكمية هي تلك التي يتم فيها استخدام قياسات دقيقة من نوع ما للتحقيق في فرضية الفرد. 
التجربة هي إجراء مصمم لتحديد ما إذا كانت ملاحظات العالم الحقيقي تتفق أو تدحض التنبؤات المشتقة في الفرضية. إذا كان الدليل من التجربة يدعم فرضية ، فهذا يعطي الفرضية مزيدا من المصداقية. هذا لا يشير إلى أن الفرضية صحيحة ، حيث قد تكشف التجارب المستقبلية عن معلومات جديدة حول الفرضية الأصلية. يعد التصميم التجريبي خطوة حاسمة أخرى في المنهج العلمي ويمكن أن يكون له تأثير كبير على النتائج والاستنتاجات التي يستخلصها المرء من التجربة. يجب تكريس التفكير الدقيق والوقت للتصميم التجريبي وتقليل الأخطاء المحتملة. يجب تصميم التجربة بحيث يكون كل متغير أو عامل يمكن أن يؤثر على نتيجة التجربة تحت سيطرة الباحث. يتم استخدام نوعين من المتغيرات لوصف الظروف في التجربة: المتغير المستقل والتابع أو الاستجابة. يتم التلاعب بالمتغير المستقل أو التحكم فيه بشكل مباشر من قبل العالم وهو بشكل عام ما يتوقع المرء أنه سيؤثر على المتغير التابع. وبالتالي ، يعتمد المتغير التابع أو الاستجابة على قيمة المتغير المستقل. يتم تصميم التجارب بشكل عام بحيث يتم التلاعب بعامل واحد محدد في التجربة من أجل إلقاء الضوء على علاقات السبب والنتيجة. 
مثال يومي: هل لا تزال السيارة تحتوي على جميع أجزائها؟ هل هذا هو المفتاح الصحيح؟ ماذا يقول مقياس الغاز؟ هل تساعد البداية السريعة؟ 
جانب آخر مهم في التصميم التجريبي هو دور العلاج الضابط ، والذي يمثل حالة علاج غير معالجة. يتم الاحتفاظ بمعالجة التحكم في نفس ظروف العلاج التجريبي ، ولكن لا يتم تطبيق التلاعب التجريبي على عنصر التحكم. على سبيل المثال ، إذا كان الباحث يختبر تأثيرات ملوحة التربة على نمو النبات ، فلن تحتوي التربة في معالجة التحكم على ملح مضاف. يوفر التحكم خط أساس للظروف "العادية" التي يمكن من خلالها مقارنة العلاجات التجريبية. 
يجب أن يتضمن التصميم التجريبي أيضا تكرارات لكل علاج. تعد قابلية تكرار النتائج التجريبية جزءا مهما من المنهج العلمي الذي يضمن صحة البيانات ودقتها. من الصعب جدا التحكم في جميع جوانب التجربة ، لذلك هناك تباين متأصل في النتائج لا يمكن التحكم فيه حتى في ظل التجارب الأكثر تصميما والتحكم بعناية. إن وجود التكرارات يمكن الباحث من تقدير هذا التباين المتأصل في النتائج. كما أن التسجيل الدقيق للبيانات وقياسها لهما أهمية كبيرة لضمان دقة النتائج والاستنتاجات التي يستخلصها المرء من النتائج. 
<h4>الخطوة 4: تحليل النتائج والبيانات</h4>
تتضمن الخطوة التالية في المنهج العلمي تحديد ما تعنيه نتائج التجربة. يقارن العلماء تنبؤات فرضيتهم الصفرية بفرضيتهم البديلة لتحديد ما إذا كانوا قادرين على رفض الفرضية الصفرية. يعني رفض الفرضية الصفرية أن هناك احتمالا كبيرا بأن قيم المتغير التابع في المعالجات التجريبية مقابل المعالجات التجريبية لا تساوي بعضها البعض. إذا كانت هناك اختلافات كبيرة ، فيمكن للمرء أن يرفض الفرضية الصفرية ويقبل الفرضية البديلة. على العكس من ذلك ، قد يفشل المحقق في رفض الفرضية الصفرية ، مما يعني أن العلاج ليس له أي تأثير على النتائج. قبل أن يتمكن العلماء من تقديم أي ادعاءات حول فرضيتهم الصفرية من بياناتهم أو ملاحظاتهم التجريبية ، يلزم إجراء اختبارات إحصائية لضمان صحة البيانات ومزيد من التفسير للبيانات. تسمح الاختبارات الإحصائية للباحثين بتحديد ما إذا كانت هناك اختلافات حقيقية بين العلاجات التجريبية والتجريبية. من هناك ، يمكنهم إنشاء أشكال وجداول لتوضيح النتائج التي توصلوا إليها. 
<h4>الخطوة 5: الاستنتاجات </h4>
يتضمن الجزء الأخير من المنهج العلمي تقديم تفسيرات للنتائج والاستنتاجات التي يمكن استخلاصها منطقيا من النتائج. بشكل عام ، تتطلب هذه الخطوة من العملية العلمية أيضا إعادة النظر في الأدبيات العلمية ومقارنة نتائجها مع التجارب أو الملاحظات الأخرى حول الموضوعات ذات الصلة. يسمح ذلك للباحثين بوضع تجربتهم في سياق أكثر عمومية وتوضيح أهمية نتائج معينة. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح لهم بشرح كيف يتناسب عملهم مع سياق أكبر في تخصصهم. 
العملية العلمية لا تتوقف عند هذا الحد! تعمل العملية العلمية عبر الزمن حيث تتراكم المعرفة حول موضوعات العلوم وتدفع فهمنا لآليات أو عمليات معينة تشرح الظواهر الطبيعية. إذا فشلنا في رفض فرضيتنا الصفرية ، فسيصبح من الضروري إعادة النظر في المراحل الأولية للمنهج العلمي ومحاولة إعادة صياغة أسئلتنا وفهم سبب عدم تحقيق النتيجة المتوقعة. 
<h4>تطبيق المنهج العلمي</h4>
الفرق الوحيد بين استخدام هذه الطريقة في الحياة اليومية وفي المختبر هو أن العلماء يوثقون عملهم بعناية ، من الملاحظة إلى الفرضية إلى التجربة ، وأخيرا الاستنتاجات ومراجعة الأقران. بالإضافة إلى ذلك ، على عكس حل المشكلات خارج المختبر ، تتضمن الطريقة العلمية في المختبر ظروفا ومتغيرات خاضعة للرقابة. 
دعونا نحقق في الطريقة العلمية باستخدام مثال من المختبر. من المعروف أن نمو النبات يتأثر بالميكروبات ، مثل البكتيريا والفطريات ، التي تعيش في تربتها. من الممكن معرفة الميكروبات التي لها تأثيرات عن طريق وضع النباتات في تربة معقمة تماما ، ثم إضافة الميكروبات واحدة تلو الأخرى ، أو في مجموعات مختلفة وقياس نمو النبات. الآن دعنا نضع هذا في المصطلحات المستخدمة لوصف الطريقة العلمية:
الملاحظة والسؤال: هناك ميكروبات في التربة... هل تؤثر على نمو النبات؟ 
الفرضيات:
تجريبي: سيؤدي ميكروب معين مثير للاهتمام إلى نمو النباتات بشكل أبطأ. 
فارغ: لن يكون لوجود أو عدم وجود الميكروبات أي تأثير على نمو النبات 
التجربة : قم بإعداد مجموعات من النباتات في 1) تربة معقمة ، 2) تربة مضافة إلى الميكروب ، و 3) تربة طبيعية. قم بقياس نمو النباتات بمرور الوقت باستخدام المسطرة. 
الخلاصة : إذا كانت النباتات في المجموعة 2 تنمو بشكل أبطأ من النباتين الآخرين ، فإن الفرضية مدعومة. يجب دعم هذا بتحليل إحصائي من العديد من النباتات لاعتباره مهما. تجربة مثل هذه ليست مشروعة مع نبات واحد فقط لكل مجموعة. 
المجموعة 1 هي تحكم مما يدل على أن النباتات يمكن أن تنمو في التربة المعقمة. المجموعة 3 هي عنصر تحكم يوضح أن النباتات يمكن أن تنمو في ظل الظروف العادية. المجموعة 2 هي المجموعة التجريبية. سيكون من الممكن إضافة كميات مختلفة من الميكروب ، أو ميكروبات مختلفة ، لإدخال المزيد من المتغيرات. النقطة الأساسية هي أن الباحث لديه شيء يقارن به المجموعة التجريبية - المجموعة الضابطة. إذا تضمنت التجربة المجموعة 2 فقط وقرر الباحث أن النباتات "تبدو مريضة" ، فستكون هذه مسألة رأي. الطريقة الوحيدة لجعل هذه الملاحظة علمية هي أن يكون لديك نباتات صحية لقياسها. نوع أو كمية الميكروب المستخدم هي المتغير المستقل ، لأن الباحث يتحكم فيه. حجم النبات في نهاية التجربة هو التابع أو متغير الاستجابة لأنه النتيجة. 
في النهاية ، يتم نشر عمل مثل هذا في المجلات العلمية حتى يتمكن الباحثون الآخرون من القراءة عن الأساليب المستخدمة والاستنتاجات المستخلصة. تخضع مثل هذه المنشورات لمراجعة الأقران ، مما يعني أنه لن يتم نشر المقال في مجلة حتى يقوم باحثون آخرون بفحصه والموافقة على أنه جيد. كمجتمع من العلماء ، يتم تطوير المفاهيم العامة بناء على الأنماط المرصودة في التجارب التي يجريها العلماء الأفراد. ينتج عن هذا تطوير نظرية علمية . يعني هذا المصطلح أن هناك إجماعا بين الباحثين على وجود مفهوم أو عملية معينة. من المهم ملاحظة أن كلمة نظرية لا تعني نفس الشيء مثل الفرضية. بمجرد أن يصنف العلماء مفهوما بهذا المصطلح ، فإنه يعتبر صحيحا ، مع الأخذ في الاعتبار جميع البيانات المتاحة حاليا. بالطبع ، إذا أظهرت مجموعة كبيرة من التجارب معلومات على عكس ذلك ، فيمكن تعديل النظريات.

تستخدم الطريقة العلمية لحل المشكلات وشرح الظواهر. تزامن تطور المنهج العلمي مع تغييرات في الفلسفة ...

Education

JoVE Lab Manual

Biology

علم الأحياء

Fundamentals

أساسيات

scientific method steps and controls

The scientific method gives scientists a way to solve problems and explain natural events. Its development grew alongside new ideas in science during the European Renaissance. Thinkers such as Francis Bacon, Galileo, and Isaac Newton helped formalize the process. Although the method has changed over time, much of its basic framework is still used today.

The process begins with observation and a clear question. A scientist first notices a natural phenomenon and then asks why it happens. This stage often includes background research. Reading earlier studies helps refine the question and identify gaps in scientific knowledge. In everyday life, this can look like noticing that a car will not start and asking why it is not working.

Next comes the hypothesis. A hypothesis is an unproven explanation based on prior knowledge. Scientists often develop more than one hypothesis and test them in a systematic way. A good hypothesis must be testable and falsifiable, which means it can produce predictions and can also be shown wrong. Hypotheses are often written as a null hypothesis, which predicts no change, and an alternative hypothesis, which predicts the expected outcome. If the null hypothesis is rejected, that supports the alternative hypothesis.

After that, scientists collect data through experiments or more observations. Experiments are designed to test the predictions made by a hypothesis. Data may be qualitative, based on the senses, or quantitative, based on measurements. Careful experimental design is important because it helps reduce error and control factors that could affect the outcome. The independent variable is the factor the scientist changes, and the dependent, or response, variable is the result that is measured.

Controls and replicates are also essential. A control treatment is a condition that is not manipulated, but it is kept under the same conditions as the experimental treatment. It provides a baseline for comparison. Replicates, or repeated trials, help scientists estimate natural variation in the data and check that results can be repeated. Precise recording and measurement make the results more reliable.

Scientists then analyze the results to see what the data mean. They compare the null hypothesis with the alternative hypothesis and use statistical tests before making claims. Statistics help show whether differences between control and experimental treatments are real. Results are often displayed in figures and tables so they can be reviewed and understood more easily.

The final step is drawing conclusions. Scientists explain what the results mean and compare them with earlier research on related topics. This places the work in a wider scientific context and shows how it fits into the field. The scientific process does not end there. If the null hypothesis is not rejected, scientists return to the earlier steps and revise the question or hypothesis.

In lab work, the scientific method is carefully documented from start to finish. It also includes controlled conditions and variables. A plant-microbe experiment shows how this works. Researchers can grow plants in sterile soil, add one microbe at a time, or use natural soil, then measure plant growth with a ruler. In this example, the question is whether microbes affect plant growth. The experimental hypothesis is that one microbe will slow growth, and the null hypothesis is that microbes will have no effect.

The setup includes a control group and an experimental group. One group shows that plants can grow in sterile soil, and another shows that plants can grow in natural soil. The group with the added microbe is the experimental group. The type or amount of microbe is the independent variable, and plant size at the end is the dependent variable. A claim based on only one plant per group would not be valid. The results must be supported by statistical analysis from many plants.

Work like this is published in scientific journals so other researchers can read the methods and conclusions. These publications are checked through peer review before they are accepted. Over time, patterns from many experiments help scientists build broader ideas about how nature works. This is how scientific theory develops. In science, theory means a concept supported by a strong body of evidence, not a guess.

Scientific Method Steps and Controls

scientific method

The scientific method gives scientists a way to solve problems and explain natural events. Its development grew alongside new ideas in science during the European Renaissance. Thinkers such as Francis Bacon, Galileo, and Isaac Newton helped formalize the process. Although the method has changed over time, much of its basic framework is still used today. The process begins with observation and a clear question. A scientist first notices a natural phenomenon and then asks why it happens. This...

diffusion and osmosis

Cell Membrane Transport and Water Balance

Cell membrane transport and water balance help cells move materials in and out of the cytoplasm. Cell membranes are semipermeable, which means some molecules can pass through while others cannot. The phospholipid bilayer and its embedded proteins control this movement. Some of these proteins act as transport channels for ions and carbohydrates that could not cross on their own. Cells stay small in part because of the surface-area to volume ratio. As a cell grows, its surface area does not keep...

cell structure

Cell Types and Organelles

Cells are the basic units of life, and their structures help explain how living things work. Cell theory says that every living organism is made of one or more cells, cells are the functional units of organisms, and new cells come from preexisting cells. Cells also share key features, including a plasma membrane, cytoplasm, DNA, and ribosomes. The plasma membrane is a phospholipid bilayer that surrounds the cell. It separates the cell from its environment and controls what enters and leaves.

macromolecules

Biomolecules and Their Tests

Biomolecules are the organic molecules that living things use for structure, energy, and heredity. They all have a carbon backbone and hydrogen atoms, and carbon can form four covalent bonds. That bonding flexibility lets carbon build chains, branches, rings, and other complex shapes. Biomolecules also commonly include oxygen, nitrogen, phosphorus, and sulfur. Small building blocks join together to make larger molecules. These units are called monomers. Two monomers can form a dimer through...

physiology of the circulatory system

Circulatory System: Blood Flow and Pressure

The circulatory system moves blood, oxygen, nutrients, and wastes through the body to support homeostasis. Homeostasis is the stable internal balance that organisms must maintain even when the outside environment changes. Physiology is the study of how body systems work, and the circulatory system is one of the key systems that helps keep internal conditions steady. Body systems are built from cells, tissues, organs, and organ systems. Humans have 11 major organ systems, and they work together...

fundamentals

Learn the scientific method through observation, hypotheses, experiments, controls, variables, data analysis, conclusions, and a plant-microbe example.

Scientific Method Steps and Controls | JoVE K12

ES.1.b

ES.1.f

Life Science

LS.1

LS.1.a

LS.1.b

LS.1.f

Physical Science

PS.1

PS.1.a

PS.1.d

Physics

PH.1

PH.1.a

PH.1.d

Texas Essential Knowledge and Skills

High School

Specialised Topic in Science

112.51.c.1.

112.51.c.1.B.

Florida Department of Education

Nature of Science

SC.912.N.1

SC.912.N.1.1

SC.912.N.1.2

SC.912.N.2

SC.912.N.2.1

BIO.1

BIO.1.B

BIO.4

BIO.4.B

BIO.4.C

استعد لتدريس المنهج العلمي من خلال هذا الدليل الإرشادي للمدرسين لمدة 1 دقيقة. يغطي خطوات التحضير الأساسية لمختبر Biology على JoVE Lab Manual.

تحضير المدرّس لـ المنهج العلمي في Biology - أكثر من 11K مشاهدة | JoVE Lab Manual

اتبع إجراءات المنهج العلمي خطوة بخطوة في فيديو بروتوكول الطالب هذا لمدة 4 دقيقة. جزء من مجموعة Biology على JoVE Lab Manual.

بروتوكول الطالب لـ المنهج العلمي في Biology - أكثر من 28K مشاهدة | JoVE Lab Manual

The scientific method is used to solve problems and explain phenomena. The development of the scientific method coincided with changes in philosophy ...

Scientific Laws and Theories

Scientific Laws

In science, a law is defined as a concise, verbal or mathematical, statement that summarizes a vast number of experimental observations. ...

The Scientific Method

The scientific method is a detailed, empirical problem-solving process used by biologists and other scientists. This iterative approach involves ...

Chemistry is an empirical science. Scientists often pose questions to understand the chemistry in everyday life and seek answers to these questions. To ...

What is a Hypothesis?

A hypothesis can be a simple sentence or statement about a property or any phenomenon observed or predicted for a population. It is usually a claim about ...

Types of Hypothesis Testing

There are three types of hypothesis tests: right-tailed, left-tailed, and two-tailed.
When the null and alternative hypotheses are stated, it is observed ...

Hypothesis: Accept or Fail to Reject?

The outcome of any hypothesis testing leads to rejecting or not rejecting the null hypothesis. This decision is taken based on the analysis of the data, ...

The student will demonstrate an understanding of scientific and engineering practices by asking questions and defining problems
• ask questions that arise from careful observation of phenomena, examination of a model or theory, or unexpected results, and/or to seek additional information
• determine which questions can be investigated within the scope of the school laboratory or field experience
• generate hypotheses based on research and scientific principles
• make hypotheses that specify what happens to a dependent variable when an independent variable is manipulated
• define design problems that involve the development of a process or system with multiple components and criteria

Inductive Reasoning

Inductive reasoning is a form of logical thinking that uses related observations to arrive at a general conclusion. It is uncertain and operates in ...

Deductive Reasoning

Deductive reasoning, or deduction, is the type of logic used in hypothesis-based science. In deductive reasoning, the pattern of thinking moves in the ...

Correlation and Causation

Correlation and CausationStatistical tests can calculate whether there is a relationship, or correlation, between independent and dependent variables. A ...

Demonstrating the Scientific Method with Tree Branches
ExpandObtain branches containing a few dozen typical leaves from five different local tree species. ...

Observation and Background Research
ExpandNOTE: The first two steps in the scientific process involve studying and observing natural phenomena of ...

The student will demonstrate an understanding of scientific and engineering practices by planning and carrying out investigations
• individually and collaboratively plan and conduct observational and experimental investigations
• plan and conduct investigations to test design solutions in a safe and ethical manner including considerations of environmental, social and personal effects
• select and use appropriate tools and technology to collect, record, analyze, and evaluate data

Introduction to Test of Independence

In statistics, the term independence means that one can directly obtain the probability of any event involving both variables by multiplying their ...

Statistical Analysis: Overview

An analysis is usually conducted by replicated sampling or repeated measurements on the same sample. This leads to scattered results rather than a single ...

Statistical Significance

Once data is collected from both the experimental and the control groups, a statistical analysis is conducted to find out if there are meaningful ...

Review and Preview

Data are individual items of information obtained from a population or sample. Data may be classified as qualitative (categorical), quantitative ...

Data: Types and Distribution

In biostatistics, data refers to the collected observations that are subject to analysis. Data can be parametric or nonparametric.
Nonparametric data ...

Histogram

The histogram is a graphical representation in the x-y form of data distribution in a data set. The horizontal x-axis is labeled with what the data ...

Scatter Plot

The most common and easiest way to display the relationship between two variables, x and y, is a scatter plot. A scatter plot shows the direction of a ...

Bar Graph

A bar graph is also called a bar chart and consists of bars that are separated from each other. It either uses horizontal or vertical bars to show ...

Pie Chart

A pie chart (or a pie graph) is a circular graphical chart or a pictorial representation of categorical data. It is divided into slices of pie each ...

Numerical Calculations

In engineering applications, the representation of the numerical value is critical. Presenting or reporting the answer is one of the essential parts of ...

Accuracy and Precision

Scientists typically make repeated measurements of a quantity to ensure the quality of their findings and to evaluate both the precision and the accuracy ...

Significant Figures in Calculations

Uncertainty in measurements can be avoided by reporting the results of a calculation with the correct number of significant figures. This can be ...

Realism in Experimentation

Source: Laboratories of Gary Lewandowski, Dave Strohmetz, and Natalie Ciarocco&#8212;Monmouth University

In an ideal world researchers would conduct ...

The student will demonstrate an understanding of scientific and engineering practices by pnterpreting, analyzing, and evaluating data
• construct and interpret data tables showing independent and dependent variables, repeated trials, and means
• construct, analyze, and interpret graphical displays of data and consider limitations of data analysis
• apply mathematical concepts and processes to scientific questions
• use data in building and revising models, supporting explanations of phenomena, or testing solutions to problems
• analyze data using tools, technologies, and/or models in order to make valid and reliable scientific claims or determine an optimal design solution

ES.1.c

Data Collection by Observations

Data collection refers to a systematic way of obtaining, observing, measuring, and analyzing accurate information. Observational studies are one of the ...

Data Collection by Experiments

Data collection is a systematic method of obtaining, observing, measuring, and analyzing accurate information. An experimental study is a standard method ...

Data Collection by Survey

The systematic method of obtaining and analyzing accurate information of a population is called data collection. A survey is a standard method of data ...

Reliability and Validity

Reliability and validity are two important considerations that must be made with any type of data collection. Reliability refers to the ability to ...

Reasoning

Reasoning involves transforming information into conclusions, which is essential for problem-solving, decision-making, and critical thinking.
Reasoning ...

The student will demonstrate an understanding of scientific and engineering practices by constructing and critiquing conclusions and explanations
• make quantitative and/or qualitative claims based on data
• construct and revise explanations based on valid and reliable evidence obtained from a variety of sources, including students' own investigations, models, theories, simulations, and peer review
• apply scientific ideas, principles, and/or evidence to provide an explanation of phenomena or design solutions
• construct arguments or counterarguments based on data and evidence
• differentiate between a scientific hypothesis, theory, and law

ES.1.d

using-topographic-maps-to-generate-topographic-profiles

Using Topographic Maps to Generate Topographic Profiles

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
Topographic maps are &#34;plan-view&#34; representations of Earth&#39;s ...

The student will demonstrate an understanding of scientific and engineering practices by developing and using models
• evaluate the merits and limitations of models
• develop, revise, and/or use models based on evidence to illustrate or predict relationships
• construct and interpret scales, diagrams, classification charts, graphs, tables, imagery, models, including geologic cross sections and topographic profiles
• read and interpret topographic and basic geologic maps and globes, including location by latitude and longitude

ES.1.e

Data Source

A data source is the origin of collected data, whether physical or digital, and includes all channels, platforms, and repositories for gathering and ...

Communication

Sharing information, concepts, and emotions to foster mutual understanding is communication. The sender, recipient, and transaction must be considered in ...

levels-of-communication-i-intrapersonal-interpersonal-and-small-group

Levels of Communication I: Intrapersonal, Interpersonal, and Small Group

Interpersonal communication focuses on the exchange of messages between two people.
We can participate in these relationships through verbal, nonverbal, ...

levels-of-communication-ii-organizational-public-and-group-dynamics

Levels of Communication II: Organizational, Public, and Group Dynamics

Effective communication is the foundation of a good organization. Communication is the lifeblood of an organization that connects the group with messages. ...

The student will demonstrate an understanding of scientific and engineering practices by obtaining, evaluating, and communicating information
• compare, integrate, and evaluate sources of information presented in different media or formats to address a scientific question or solve a problem
• gather, read, and evaluate scientific and/or technical information from multiple sources, assessing the evidence and credibility of each source
• communicate scientific and/or technical information about phenomena and/or a design process in multiple formats

Scientific Method Steps and Controls

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards