Die wissenschaftliche Methode ist ein Gerüst von Techniken und Fragestellungen, mit denen Wissenschaftler Phänomene untersuchen, mit dem Ziel, wissenschaftliche Entdeckungen einfach und reproduzierbar zu machen. Sie wurde von Experimentatoren bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. grob beobachtet, aber die erste richtig formalisierte wissenschaftliche Methode wurde während der europäischen Renaissance geprägt. Hier begannen Personen an der Spitze der Wissenschaft wie Francis Bacon, Galileo und Isaac Newton, die Regeln, die wir heute bei der Durchführung von Experimenten verwenden, in die Routine umzusetzen.
In der Regel besteht der erste Schritt der wissenschaftlichen Methode darin, eine Frage zu formulieren, in der Regel nach der Beobachtung eines Phänomens. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie haben Raupen aufgezogen und festgestellt, dass einige länger brauchen als andere, um sich zu verpuppen. Und du fragst dich, entwickeln sich die Raupen je nach Temperatur unterschiedlich schnell?
Hier kommt der zweite Teil der wissenschaftlichen Methode ins Spiel, die Hypothese. Eine Hypothese ist eine unsichere Erklärung dafür, warum wir beobachten, was wir beobachten, und es gibt zwei Haupttypen. Die erste ist die experimentelle oder alternative Hypothese, die impliziert, dass es einen Zusammenhang zwischen den untersuchten Variablen, in diesem Fall der Temperatur und der Entwicklung der Raupe, geben wird. Unsere experimentelle Hypothese könnte also sein, dass die Raupen länger brauchen, um vom Ei zur Verpuppung zu gelangen, wenn sie bei kälteren Temperaturen aufgezogen werden. Entscheidend ist, dass eine gute Hypothese überprüfbar ist. Für unsere Raupen können wir die Temperatur ändern und die Zeit aufzeichnen, die sie brauchen, um vom Ei zur Puppe zu gelangen, und verfälschbar. Wenn es also ungefähr die gleiche Zeit dauert, bis sich die Raupen entwickeln, egal wie hoch die Temperatur ist, dann können wir akzeptieren, dass die Hypothese wahrscheinlich falsch war. Die zweite Art von Hypothese ist die Nullhypothese. Dies deutet in der Regel darauf hin, dass während des Experiments keine signifikanten Veränderungen oder Unterschiede beobachtet werden. In unserem Raupenbeispiel würden wir sagen, dass sich die Raupen unter jeder Temperaturbedingung mit der gleichen Geschwindigkeit entwickeln.
Sobald wir unsere Hypothesen haben, umfasst der dritte Schritt der wissenschaftlichen Methode das Experimentieren und die Datenerhebung. In einem typischen Experiment gibt es zwei Arten von Variablen. Die unabhängige Variable ist etwas, das direkt vom Experimentator manipuliert wird. Bei unseren Raupen ändern wir also die unabhängige Variable, wenn wir die Temperatur ändern. Die abhängige Variable, die auch als Antwortvariable bezeichnet wird, sollte vom Zustand der unabhängigen Variablen beeinflusst werden. Wenn wir also unsere Raupen unterschiedlichen Temperaturen aussetzen, dann ist die Reaktion, die abhängige Variable, die Geschwindigkeit, mit der sie sich entwickeln.
Es gibt auch zwei Haupttypen von Daten, die gesammelt werden könnten, um die Hypothesen zu stützen oder zu falsifizieren. Die erste sind qualitative Daten, die sich in der Regel auf deskriptive Beobachtungen beziehen, die mit den Sinnen gemacht werden, nämlich Sehen, Tasten, Hören, Riechen oder sogar Schmecken. In unserem Experiment könnten wir feststellen, dass sich die Raupen unter normalen Temperaturbedingungen im Vergleich zu den kühleren Bedingungen zu bewegen und viel zu fressen scheinen. Im Gegensatz zu qualitativen Daten können quantitative Daten gemessen und in Zahlen niedergeschrieben werden. Wenn wir also die Anzahl der Stunden zählen, die die Raupe vom Schlüpfen bis zur endgültigen Verpuppung benötigt, ergibt sich eine eindeutige Zahl. Wo immer möglich, ist es fast wichtig, in jedem Experiment, in dem wir die unabhängigen Variablen manipulieren, eine Kontrollbedingung zu haben. In unserem Raupenexperiment können wir die Raupen bei einer eingestellten Standardraumtemperatur von 21 Grad als Kontrolle züchten, denn dies zeigt, was passiert, wenn sich die Raupen unter normalen Bedingungen im Vergleich zu Versuchsanordnungen entwickeln.
In Beobachtungsexperimenten ist eine Kontrolle möglicherweise nicht erforderlich oder sogar möglich. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, unsere Raupen sind jetzt erwachsene Schmetterlinge, die sich in einem Blumengarten von Nektar ernähren. In unserer experimentellen Hypothese gehen wir davon aus, dass sie sich bevorzugt von den großen rosa Blüten ernähren, während unsere Nullhypothese darauf hindeutet, dass sie keine Präferenz haben und die Blüten nach dem Zufallsprinzip besuchen. In diesem Fall liefert die einfache Beobachtung und Aufzeichnung der Häufigkeit, mit der die Schmetterlinge jede Blütenart besuchen, genügend Daten, um unsere Hypothesen zu bestätigen oder zu verwerfen, ohne dass irgendwelche Variablen manipuliert werden müssen oder eine Kontrolle erforderlich ist.
Sobald die Daten gesammelt sind, besteht der nächste Schritt darin, herauszufinden, was das alles bedeutet. Wissenschaftler vergleichen die Vorhersagen ihrer beiden Hypothesen, um herauszufinden, ob sie die Nullhypothese ablehnen können. Dies kann durch den Vergleich der Werte der abhängigen Variablen in der Kontrolle mit den experimentellen Bedingungen erfolgen. Wenn sie nicht gleich sind, kann die Nullhypothese verworfen werden. Wenn die gesammelten Daten eine Hypothese stützen, wie z.B. dass die Raupen deutlich mehr Stunden brauchten, um vom Ei zur Puppe zu gelangen, wenn sie in einem kühleren Klima gehalten wurden, dann gibt dies der experimentellen Hypothese mehr Glaubwürdigkeit, aber entscheidend ist nicht, dass die Hypothese definitiv wahr ist, da zukünftige Experimente neue Informationen enthüllen könnten.
Der letzte Teil der wissenschaftlichen Methode besteht darin, dass wir Schlussfolgerungen ziehen und diskutieren, was unsere Ergebnisse bedeuten könnten. Hier könnten sich Wissenschaftler auf andere Experimente oder andere Literatur beziehen, um ihre Ergebnisse in einen Kontext zu setzen und Erklärungen dafür zu finden, warum die Ergebnisse zeigten, was sie taten. Die Schlussfolgerung könnte zum Beispiel lauten, dass die Raupen gerne bei Temperaturen wachsen, die ihrem natürlichen Lebensraum am nächsten kommen. Dies kann wiederum neue Fragen aufwerfen, z. B. verpuppen sich auch andere Arten bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich schnell? Dies kann zu neuen Experimenten inspirieren, die wir mit der wissenschaftlichen Methode testen können.
Die wissenschaftliche Methode wird verwendet, um Probleme zu lösen und Phänomene zu erklären. Die Entwicklung der wissenschaftlichen Methode fiel mit Veränderungen in der Philosophie zusammen, die den wissenschaftlichen Entdeckungen zugrunde lagen und die Ansichten der Gesellschaft über die Natur radikal veränderten. Während der europäischen Renaissance formalisierten Personen wie Francis Bacon, Galileo und Isaac Newton das Konzept der wissenschaftlichen Methode und setzten es in die Praxis um. Obwohl die wissenschaftliche Methode seit ihren frühen Konzeptionen überarbeitet wurde, ist ein Großteil des Rahmens und der Philosophie auch heute noch in der Praxis geblieben.
Schritt 1: Die Beobachtung und Frage
Vor der Untersuchung muss ein Wissenschaftler die Fragestellung definieren, die behandelt werden soll. Dieser entscheidende erste Schritt im wissenschaftlichen Prozess beinhaltet die Beobachtung einiger natürlicher Phänomene, die von Interesse sind. Diese Beobachtung sollte dann zu einer Reihe von Fragen zu den Phänomenen führen. Diese Phase erfordert häufig Hintergrundrecherchen, die zum Verständnis des Themas und früherer Arbeiten an ähnlichen Ideen erforderlich sind. Die Überprüfung und Bewertung früherer Forschungsarbeiten ermöglicht es Wissenschaftlern, ihre Fragen zu verfeinern, um Lücken in den wissenschaftlichen Erkenntnissen genauer zu schließen. Die Definition einer Forschungsfrage und das Verständnis relevanter Vorforschung beeinflussen die Anwendung der wissenschaftlichen Methode und sind damit ein wichtiger erster Schritt im Forschungsprozess.
Ein Beispiel aus dem Alltag: Sie versuchen, zur Schule oder zur Arbeit zu kommen, und Ihr Auto springt nicht an. Der Denkprozess, den die meisten Menschen in dieser Situation durchlaufen, spiegelt eindeutig die offizielle wissenschaftliche Methode wider (nachdem Sie sich nicht mehr aufgeregt haben). Zuerst machen Sie eine Beobachtung: Mein Auto springt nicht an! Die Frage, die folgt: Warum funktioniert es nicht?
Schritt 2: Die Hypothese
Der nächste Schritt besteht darin, eine Hypothese aufzustellen, die auf Vorwissen basiert. Eine Hypothese ist eine "unsichere Erklärung" oder eine unbewiesene Vermutung, die versucht, ein Phänomen auf der Grundlage von Erkenntnissen zu erklären, die bei der Durchführung nachfolgender Experimente oder Beobachtungen gewonnen wurden. In der Regel entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehrere Hypothesen, um ihre Fragen zu beantworten und systematisch zu überprüfen.
Alle Hypothesen müssen bestimmte Kriterien erfüllen, damit der wissenschaftliche Prozess funktioniert. Zunächst muss eine Hypothese überprüfbar und falsifizierbar sein. Dieser Aspekt der Hypothese ist entscheidend und von viel größerer Bedeutung, als dass die Hypothese richtig ist. Eine überprüfbare Hypothese ist eine Hypothese, die überprüfbare Vorhersagen generiert, die durch Beobachtungen oder Experimente adressiert werden. Eine falsifizierbare Hypothese ist eine Hypothese, die durch die Beobachtung widersprüchlicher Ergebnisse widerlegt werden kann. Dies ermöglicht es den Ermittlern, im Laufe der Zeit mehr Vertrauen zu gewinnen, nicht indem sie Beweise sammeln, die zeigen, dass eine Hypothese richtig ist, sondern indem sie zeigen, dass Situationen, die ihre Falschheit belegen könnten, nicht eintreten.
Hypothesen gibt es in zwei Formen: Nullhypothesen und alternative Hypothesen. Die Nullhypothese wird gegen die Alternativhypothese getestet und spiegelt wider, dass im Experiment keine Änderung beobachtet wird. Die alternative Hypothese ist im Allgemeinen diejenige, die in den beiden vorangegangenen Absätzen beschrieben wurde und auch als experimentelle Hypothese bezeichnet wird. Die alternative Hypothese ist das vorhergesagte Ergebnis des Experiments. Wenn die Nullhypothese verworfen wird, dann bildet dies einen Beweis für die Alternativhypothese.
Ein Beispiel aus dem Alltag: Vielleicht friert es draußen und daher ist es ziemlich wahrscheinlich, dass Ihre Autobatterie leer ist. Vielleicht wissen Sie, dass Sie am Vorabend wenig Benzin hatten und daher wahrscheinlich leer ist.
Schritt 3: Experimentieren und Datenerfassung
In jedem Fall besteht der nächste Schritt darin, weitere Beobachtungen zu machen oder Experimente durchzuführen, die zu Schlussfolgerungen führen. Im Anschluss an die Formulierung von Hypothesen planen und führen Wissenschaftler Experimente durch, um ihre Hypothesen zu überprüfen. Diese Experimente liefern Daten, die die Hypothese entweder stützen oder falsifizieren. Die Daten können aus quantitativen oder qualitativen Beobachtungen erhoben werden. Qualitative Information bezieht sich auf Beobachtungen, die einfach mit den Sinnen gemacht werden können, sei es durch Sehen, Hören, Schmecken, Riechen oder Tasten. Im Gegensatz dazu sind quantitative Beobachtungen solche, bei denen genaue Messungen irgendeiner Art verwendet werden, um die eigene Hypothese zu überprüfen.
Ein Experiment ist ein Verfahren, mit dem festgestellt werden soll, ob Beobachtungen der realen Welt mit den abgeleiteten Vorhersagen in der Hypothese übereinstimmen oder diese widerlegen. Wenn die Beweise aus einem Experiment eine Hypothese stützen, verleiht das der Hypothese mehr Glaubwürdigkeit. Dies bedeutet nicht, dass die Hypothese wahr ist, da zukünftige Experimente neue Informationen über die ursprüngliche Hypothese enthüllen könnten. Die Versuchsplanung ist ein weiterer kritischer Schritt in der wissenschaftlichen Methode und kann einen großen Einfluss auf die Ergebnisse und Schlussfolgerungen haben, die man aus einem Experiment zieht. Sorgfältige Überlegungen und Zeit sollten für die Versuchsplanung und die Minimierung möglicher Fehler aufgewendet werden. Das Experiment sollte so konzipiert sein, dass jede Variable oder jeder Faktor, der das Ergebnis des Experiments beeinflussen könnte, unter der Kontrolle des Forschers steht. Zwei Arten von Variablen werden verwendet, um die Bedingungen in einem Experiment zu beschreiben: die unabhängige und die abhängige Variable oder Antwortvariable. Die unabhängige Variable wird direkt vom Wissenschaftler manipuliert oder gesteuert und ist im Allgemeinen das, was man vorhersagt, um die abhängige Variable zu beeinflussen. Die abhängige Variable oder Antwortvariable hängt also vom Wert der unabhängigen Variablen ab. Experimente sind in der Regel so angelegt, dass ein bestimmter Faktor im Experiment manipuliert wird, um Ursache-Wirkungs-Beziehungen zu beleuchten.
Ein Beispiel aus dem Alltag: Hat das Auto noch alle Teile? Ist das der richtige Schlüssel? Was sagt die Tankanzeige? Hilft eine Starthilfe?
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Versuchsplanung ist die Rolle der Kontrollbehandlung, die eine nicht manipulierte Behandlungsbedingung darstellt. Die Kontrollbehandlung wird unter den gleichen Bedingungen wie die experimentelle Behandlung gehalten, aber die experimentelle Manipulation wird nicht auf die Kontrolle angewendet. Wenn ein Forscher beispielsweise die Auswirkungen des Salzgehalts des Bodens auf das Pflanzenwachstum testen würde, würde der Boden in der Kontrollbehandlung kein zugesetztes Salz enthalten. Die Kontrolle liefert eine Ausgangsbasis für "normale" Bedingungen, mit denen die experimentellen Behandlungen verglichen werden können.
Das Versuchsdesign sollte auch Replikationen jeder Behandlung umfassen. Die Wiederholbarkeit von experimentellen Ergebnissen ist ein wichtiger Teil der wissenschaftlichen Methode, die die Gültigkeit und Genauigkeit der Daten sicherstellt. Es ist ziemlich schwierig, alle Aspekte eines Experiments zu kontrollieren, so dass es inhärente Schwankungen in den Ergebnissen gibt, die selbst bei den sorgfältigsten und kontrolliertesten Experimenten nicht kontrolliert werden können. Replikationen ermöglichen es einem Untersucher, diese inhärente Variation der Ergebnisse abzuschätzen. Die präzise Aufzeichnung und Messung von Daten ist auch von großer Bedeutung, um die Genauigkeit der Ergebnisse und die Schlussfolgerungen, die man aus den Ergebnissen zieht, zu gewährleisten.
Schritt 4: Ergebnisse und Datenanalyse
Der nächste Schritt in der wissenschaftlichen Methode besteht darin, zu bestimmen, was die Ergebnisse des Experiments bedeuten. Wissenschaftler vergleichen die Vorhersagen ihrer Nullhypothese mit denen ihrer alternativen Hypothese, um festzustellen, ob sie in der Lage sind, die Nullhypothese zu verwerfen. Die Ablehnung der Nullhypothese bedeutet, dass es eine signifikante Wahrscheinlichkeit gibt, dass die Werte der abhängigen Variablen in der Kontrolle im Vergleich zu experimentellen Behandlungen nicht gleich sind. Wenn signifikante Unterschiede bestehen, kann man die Nullhypothese verwerfen und die Alternativhypothese akzeptieren. Umgekehrt kann es sein, dass der Prüfer die Nullhypothese nicht ablehnt, was bedeutet, dass die Behandlung keinen Einfluss auf die Ergebnisse hat. Bevor Wissenschaftler auf der Grundlage ihrer experimentellen Daten oder Beobachtungen Aussagen über ihre Nullhypothese aufstellen können, sind statistische Tests erforderlich, um die Gültigkeit der Daten und die weitere Interpretation der Daten sicherzustellen. Statistische Tests ermöglichen es den Forschern festzustellen, ob es echte Unterschiede zwischen der Kontrolle und den experimentellen Behandlungen gibt. Von dort aus können sie Abbildungen und Tabellen erstellen, um ihre Ergebnisse zu veranschaulichen.
Schritt 5: Schlussfolgerungen
Der letzte Teil der wissenschaftlichen Methode besteht darin, die Ergebnisse zu erklären und die Schlussfolgerungen zu ziehen, die logisch aus den Ergebnissen gezogen werden können. Im Allgemeinen erfordert dieser Schritt des wissenschaftlichen Prozesses auch, die wissenschaftliche Literatur erneut zu durchforsten und ihre Ergebnisse mit anderen Experimenten oder Beobachtungen zu verwandten Themen zu vergleichen. Dies ermöglicht es den Forschern, ihr Experiment in einen allgemeineren Kontext zu stellen und die Bedeutung bestimmter Ergebnisse herauszuarbeiten. Darüber hinaus ermöglicht es ihnen zu erklären, wie sich ihre Arbeit in einen größeren Kontext in ihrer Disziplin einfügt.
Der wissenschaftliche Prozess hört hier nicht auf! Der wissenschaftliche Prozess funktioniert durch die Zeit, da sich das Wissen über Themen der Wissenschaft ansammelt und unser Verständnis bestimmter Mechanismen oder Prozesse zur Erklärung natürlicher Phänomene vorantreibt. Wenn wir es nicht schaffen, unsere Nullhypothese zu verwerfen, dann wird es notwendig, die Anfangsstadien der wissenschaftlichen Methode zu überdenken und zu versuchen, unsere Fragen neu zu formulieren und zu verstehen, warum ein erwartetes Ergebnis nicht erreicht wurde.
Anwendung der wissenschaftlichen Methode
Der einzige Unterschied zwischen der Anwendung dieser Methode im Alltag und im Labor besteht darin, dass die Wissenschaftler ihre Arbeit sorgfältig dokumentieren, von der Beobachtung über die Hypothese und das Experiment bis hin zu den Schlussfolgerungen und dem Peer-Review. Darüber hinaus umfasst die wissenschaftliche Methode im Labor im Gegensatz zur Problemlösung außerhalb des Labors kontrollierte Bedingungen und Variablen.
Lassen Sie uns die wissenschaftliche Methode anhand eines Beispiels aus dem Labor untersuchen. Es ist bekannt, dass das Pflanzenwachstum durch Mikroben wie Bakterien und Pilze beeinflusst wird, die in ihrem Boden leben. Es ist möglich, herauszufinden, welche Mikroben welche Auswirkungen haben, indem man die Pflanzen in völlig sterile Erde topft, dann Mikroben nacheinander oder in verschiedenen Kombinationen hinzufügt und das Wachstum der Pflanze misst. Lassen Sie uns dies nun in die Begriffe einpassen, die zur Beschreibung der wissenschaftlichen Methode verwendet werden:
Beobachtung und Frage: Es gibt Mikroben im Boden... beeinflussen diese das Pflanzenwachstum?
Hypothesen:
Experimentell: Eine bestimmte Mikrobe von Interesse bewirkt, dass die Pflanzen langsamer wachsen.
Null: Das Vorhandensein oder Fehlen von Mikroben hat keinen Einfluss auf das Pflanzenwachstum
Experiment: Setze Pflanzengruppen in 1) steriler Erde, 2) Erde mit der Mikrobe und 3) natürlicher Erde auf. Messen Sie das Wachstum der Pflanzen im Laufe der Zeit mit einem Lineal.
Schlussfolgerung: Wenn die Pflanzen der Gruppe 2 langsamer wachsen als die beiden anderen, wird die Hypothese gestützt. Dies muss durch statistische Analysen vieler Pflanzen untermauert werden, um als signifikant angesehen zu werden. Ein solches Experiment ist mit nur einer Pflanze pro Gruppe nicht legitim.
Gruppe 1 ist eine Kontrolle, die zeigt, dass die Pflanzen in der sterilen Erde wachsen können. Gruppe 3 ist eine Kontrolle, die zeigt, dass die Pflanzen unter normalen Bedingungen wachsen können. Gruppe 2 ist die Versuchsgruppe. Es wäre möglich, verschiedene Mengen der Mikrobe oder verschiedene Mikroben hinzuzufügen, um mehr Variablen einzuführen. Der Hauptpunkt ist, dass der Forscher etwas hat, mit dem er die Versuchsgruppe vergleichen kann - die Kontrollgruppe. Wenn das Experiment nur Gruppe 2 umfasste und der Forscher feststellte, dass die Pflanzen "krank aussahen", wäre das Ansichtssache. Der einzige Weg, diese Beobachtung wissenschaftlich zu machen, besteht darin, gesunde Pflanzen zu messen. Die Art oder Menge der verwendeten Mikrobe ist die unabhängige Variable, da der Forscher die Kontrolle darüber hat. Die Größe der Pflanze am Ende des Experiments ist die abhängige oder Antwortvariable, da sie das Ergebnis ist.
Letztendlich werden solche Arbeiten in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht, damit andere Forscher über die verwendeten Methoden und die daraus gezogenen Schlussfolgerungen lesen können. Veröffentlichungen wie diese unterliegen dem Peer-Review-Verfahren, was bedeutet, dass ein Artikel erst dann in einer Zeitschrift veröffentlicht wird, wenn andere Forscher ihn überprüft haben und sich einig sind, dass er gut gemacht ist. Als Gemeinschaft von Wissenschaftlern werden allgemeine Konzepte entwickelt, die auf beobachteten Mustern in den Experimenten basieren, die einzelne Wissenschaftler durchführen. Daraus ergibt sich die Entwicklung einer wissenschaftlichen Theorie. Dieser Begriff bedeutet, dass es einen Konsens unter den Forschern gibt, dass ein bestimmtes Konzept oder ein bestimmter Prozess existiert. Es ist wichtig zu beachten, dass das Wort Theorie nicht dasselbe bedeutet wie Hypothese. Sobald Wissenschaftler ein Konzept mit diesem Begriff bezeichnen, wird es unter Berücksichtigung aller derzeit verfügbaren Daten als wahr angesehen. Wenn eine große Anzahl von Experimenten gegenteilige Informationen zeigt, können Theorien natürlich modifiziert werden.
Die wissenschaftliche Methode ist ein Gerüst von Techniken und Fragestellungen, mit denen Wissenschaftler Phänomene untersuchen, mit dem Ziel, wissenschaftliche Entdeckungen einfach und reproduzierbar zu machen. Sie wurde von Experimentatoren bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. grob beobachtet, aber die erste richtig formalisierte wissenschaftliche Methode wurde während der europäischen Renaissance geprägt. Hier begannen Personen an der Spitze der Wissenschaft wie Francis Bacon, Galileo und Isaac Newton, die Regeln, die wir heute bei der Durchführung von Experimenten verwenden, in die Routine umzusetzen.
In der Regel besteht der erste Schritt der wissenschaftlichen Methode darin, eine Frage zu formulieren, in der Regel nach der Beobachtung eines Phänomens. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie haben Raupen aufgezogen und festgestellt, dass einige länger brauchen als andere, um sich zu verpuppen. Und du fragst dich, entwickeln sich die Raupen je nach Temperatur unterschiedlich schnell?
Hier kommt der zweite Teil der wissenschaftlichen Methode ins Spiel, die Hypothese. Eine Hypothese ist eine unsichere Erklärung dafür, warum wir beobachten, was wir beobachten, und es gibt zwei Haupttypen. Die erste ist die experimentelle oder alternative Hypothese, die impliziert, dass es einen Zusammenhang zwischen den untersuchten Variablen, in diesem Fall der Temperatur und der Entwicklung der Raupe, geben wird. Unsere experimentelle Hypothese könnte also sein, dass die Raupen länger brauchen, um vom Ei zur Verpuppung zu gelangen, wenn sie bei kälteren Temperaturen aufgezogen werden. Entscheidend ist, dass eine gute Hypothese überprüfbar ist. Für unsere Raupen können wir die Temperatur ändern und die Zeit aufzeichnen, die sie brauchen, um vom Ei zur Puppe zu gelangen, und verfälschbar. Wenn es also ungefähr die gleiche Zeit dauert, bis sich die Raupen entwickeln, egal wie hoch die Temperatur ist, dann können wir akzeptieren, dass die Hypothese wahrscheinlich falsch war. Die zweite Art von Hypothese ist die Nullhypothese. Dies deutet in der Regel darauf hin, dass während des Experiments keine signifikanten Veränderungen oder Unterschiede beobachtet werden. In unserem Raupenbeispiel würden wir sagen, dass sich die Raupen unter jeder Temperaturbedingung mit der gleichen Geschwindigkeit entwickeln.
Sobald wir unsere Hypothesen haben, umfasst der dritte Schritt der wissenschaftlichen Methode das Experimentieren und die Datenerhebung. In einem typischen Experiment gibt es zwei Arten von Variablen. Die unabhängige Variable ist etwas, das direkt vom Experimentator manipuliert wird. Bei unseren Raupen ändern wir also die unabhängige Variable, wenn wir die Temperatur ändern. Die abhängige Variable, die auch als Antwortvariable bezeichnet wird, sollte vom Zustand der unabhängigen Variablen beeinflusst werden. Wenn wir also unsere Raupen unterschiedlichen Temperaturen aussetzen, dann ist die Reaktion, die abhängige Variable, die Geschwindigkeit, mit der sie sich entwickeln.
Es gibt auch zwei Haupttypen von Daten, die gesammelt werden könnten, um die Hypothesen zu stützen oder zu falsifizieren. Die erste sind qualitative Daten, die sich in der Regel auf deskriptive Beobachtungen beziehen, die mit den Sinnen gemacht werden, nämlich Sehen, Tasten, Hören, Riechen oder sogar Schmecken. In unserem Experiment könnten wir feststellen, dass sich die Raupen unter normalen Temperaturbedingungen im Vergleich zu den kühleren Bedingungen zu bewegen und viel zu fressen scheinen. Im Gegensatz zu qualitativen Daten können quantitative Daten gemessen und in Zahlen niedergeschrieben werden. Wenn wir also die Anzahl der Stunden zählen, die die Raupe vom Schlüpfen bis zur endgültigen Verpuppung benötigt, ergibt sich eine eindeutige Zahl. Wo immer möglich, ist es fast wichtig, in jedem Experiment, in dem wir die unabhängigen Variablen manipulieren, eine Kontrollbedingung zu haben. In unserem Raupenexperiment können wir die Raupen bei einer eingestellten Standardraumtemperatur von 21 Grad als Kontrolle züchten, denn dies zeigt, was passiert, wenn sich die Raupen unter normalen Bedingungen im Vergleich zu Versuchsanordnungen entwickeln.
In Beobachtungsexperimenten ist eine Kontrolle möglicherweise nicht erforderlich oder sogar möglich. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, unsere Raupen sind jetzt erwachsene Schmetterlinge, die sich in einem Blumengarten von Nektar ernähren. In unserer experimentellen Hypothese gehen wir davon aus, dass sie sich bevorzugt von den großen rosa Blüten ernähren, während unsere Nullhypothese darauf hindeutet, dass sie keine Präferenz haben und die Blüten nach dem Zufallsprinzip besuchen. In diesem Fall liefert die einfache Beobachtung und Aufzeichnung der Häufigkeit, mit der die Schmetterlinge jede Blütenart besuchen, genügend Daten, um unsere Hypothesen zu bestätigen oder zu verwerfen, ohne dass irgendwelche Variablen manipuliert werden müssen oder eine Kontrolle erforderlich ist.
Sobald die Daten gesammelt sind, besteht der nächste Schritt darin, herauszufinden, was das alles bedeutet. Wissenschaftler vergleichen die Vorhersagen ihrer beiden Hypothesen, um herauszufinden, ob sie die Nullhypothese ablehnen können. Dies kann durch den Vergleich der Werte der abhängigen Variablen in der Kontrolle mit den experimentellen Bedingungen erfolgen. Wenn sie nicht gleich sind, kann die Nullhypothese verworfen werden. Wenn die gesammelten Daten eine Hypothese stützen, wie z.B. dass die Raupen deutlich mehr Stunden brauchten, um vom Ei zur Puppe zu gelangen, wenn sie in einem kühleren Klima gehalten wurden, dann gibt dies der experimentellen Hypothese mehr Glaubwürdigkeit, aber entscheidend ist nicht, dass die Hypothese definitiv wahr ist, da zukünftige Experimente neue Informationen enthüllen könnten.
Der letzte Teil der wissenschaftlichen Methode besteht darin, dass wir Schlussfolgerungen ziehen und diskutieren, was unsere Ergebnisse bedeuten könnten. Hier könnten sich Wissenschaftler auf andere Experimente oder andere Literatur beziehen, um ihre Ergebnisse in einen Kontext zu setzen und Erklärungen dafür zu finden, warum die Ergebnisse zeigten, was sie taten. Die Schlussfolgerung könnte zum Beispiel lauten, dass die Raupen gerne bei Temperaturen wachsen, die ihrem natürlichen Lebensraum am nächsten kommen. Dies kann wiederum neue Fragen aufwerfen, z. B. verpuppen sich auch andere Arten bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich schnell? Dies kann zu neuen Experimenten inspirieren, die wir mit der wissenschaftlichen Methode testen können.
Die wissenschaftliche Methode ist ein Gerüst von Techniken und Fragestellungen, mit denen Wissenschaftler Phänomene untersuchen, mit dem Ziel, wissenschaftliche Entdeckungen einfach und reproduzierbar zu machen. Sie wurde von Experimentatoren bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. grob beobachtet, aber die erste richtig formalisierte wissenschaftliche Methode wurde während der europäischen Renaissance geprägt. Hier begannen Personen an der Spitze der Wissenschaft wie Francis Bacon, Galileo und Isaac Newton, die Regeln, die wir heute bei der Durchführung von Experimenten verwenden, in die Routine umzusetzen.
In der Regel besteht der erste Schritt der wissenschaftlichen Methode darin, eine Frage zu formulieren, in der Regel nach der Beobachtung eines Phänomens. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie haben Raupen aufgezogen und festgestellt, dass einige länger brauchen als andere, um sich zu verpuppen. Und du fragst dich, entwickeln sich die Raupen je nach Temperatur unterschiedlich schnell?
Hier kommt der zweite Teil der wissenschaftlichen Methode ins Spiel, die Hypothese. Eine Hypothese ist eine unsichere Erklärung dafür, warum wir beobachten, was wir beobachten, und es gibt zwei Haupttypen. Die erste ist die experimentelle oder alternative Hypothese, die impliziert, dass es einen Zusammenhang zwischen den untersuchten Variablen, in diesem Fall der Temperatur und der Entwicklung der Raupe, geben wird. Unsere experimentelle Hypothese könnte also sein, dass die Raupen länger brauchen, um vom Ei zur Verpuppung zu gelangen, wenn sie bei kälteren Temperaturen aufgezogen werden. Entscheidend ist, dass eine gute Hypothese überprüfbar ist. Für unsere Raupen können wir die Temperatur ändern und die Zeit aufzeichnen, die sie brauchen, um vom Ei zur Puppe zu gelangen, und verfälschbar. Wenn es also ungefähr die gleiche Zeit dauert, bis sich die Raupen entwickeln, egal wie hoch die Temperatur ist, dann können wir akzeptieren, dass die Hypothese wahrscheinlich falsch war. Die zweite Art von Hypothese ist die Nullhypothese. Dies deutet in der Regel darauf hin, dass während des Experiments keine signifikanten Veränderungen oder Unterschiede beobachtet werden. In unserem Raupenbeispiel würden wir sagen, dass sich die Raupen unter jeder Temperaturbedingung mit der gleichen Geschwindigkeit entwickeln.
Sobald wir unsere Hypothesen haben, umfasst der dritte Schritt der wissenschaftlichen Methode das Experimentieren und die Datenerhebung. In einem typischen Experiment gibt es zwei Arten von Variablen. Die unabhängige Variable ist etwas, das direkt vom Experimentator manipuliert wird. Bei unseren Raupen ändern wir also die unabhängige Variable, wenn wir die Temperatur ändern. Die abhängige Variable, die auch als Antwortvariable bezeichnet wird, sollte vom Zustand der unabhängigen Variablen beeinflusst werden. Wenn wir also unsere Raupen unterschiedlichen Temperaturen aussetzen, dann ist die Reaktion, die abhängige Variable, die Geschwindigkeit, mit der sie sich entwickeln.
Es gibt auch zwei Haupttypen von Daten, die gesammelt werden könnten, um die Hypothesen zu stützen oder zu falsifizieren. Die erste sind qualitative Daten, die sich in der Regel auf deskriptive Beobachtungen beziehen, die mit den Sinnen gemacht werden, nämlich Sehen, Tasten, Hören, Riechen oder sogar Schmecken. In unserem Experiment könnten wir feststellen, dass sich die Raupen unter normalen Temperaturbedingungen im Vergleich zu den kühleren Bedingungen zu bewegen und viel zu fressen scheinen. Im Gegensatz zu qualitativen Daten können quantitative Daten gemessen und in Zahlen niedergeschrieben werden. Wenn wir also die Anzahl der Stunden zählen, die die Raupe vom Schlüpfen bis zur endgültigen Verpuppung benötigt, ergibt sich eine eindeutige Zahl. Wo immer möglich, ist es fast wichtig, in jedem Experiment, in dem wir die unabhängigen Variablen manipulieren, eine Kontrollbedingung zu haben. In unserem Raupenexperiment können wir die Raupen bei einer eingestellten Standardraumtemperatur von 21 Grad als Kontrolle züchten, denn dies zeigt, was passiert, wenn sich die Raupen unter normalen Bedingungen im Vergleich zu Versuchsanordnungen entwickeln.
In Beobachtungsexperimenten ist eine Kontrolle möglicherweise nicht erforderlich oder sogar möglich. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, unsere Raupen sind jetzt erwachsene Schmetterlinge, die sich in einem Blumengarten von Nektar ernähren. In unserer experimentellen Hypothese gehen wir davon aus, dass sie sich bevorzugt von den großen rosa Blüten ernähren, während unsere Nullhypothese darauf hindeutet, dass sie keine Präferenz haben und die Blüten nach dem Zufallsprinzip besuchen. In diesem Fall liefert die einfache Beobachtung und Aufzeichnung der Häufigkeit, mit der die Schmetterlinge jede Blütenart besuchen, genügend Daten, um unsere Hypothesen zu bestätigen oder zu verwerfen, ohne dass irgendwelche Variablen manipuliert werden müssen oder eine Kontrolle erforderlich ist.
Sobald die Daten gesammelt sind, besteht der nächste Schritt darin, herauszufinden, was das alles bedeutet. Wissenschaftler vergleichen die Vorhersagen ihrer beiden Hypothesen, um herauszufinden, ob sie die Nullhypothese ablehnen können. Dies kann durch den Vergleich der Werte der abhängigen Variablen in der Kontrolle mit den experimentellen Bedingungen erfolgen. Wenn sie nicht gleich sind, kann die Nullhypothese verworfen werden. Wenn die gesammelten Daten eine Hypothese stützen, wie z.B. dass die Raupen deutlich mehr Stunden brauchten, um vom Ei zur Puppe zu gelangen, wenn sie in einem kühleren Klima gehalten wurden, dann gibt dies der experimentellen Hypothese mehr Glaubwürdigkeit, aber entscheidend ist nicht, dass die Hypothese definitiv wahr ist, da zukünftige Experimente neue Informationen enthüllen könnten.
Der letzte Teil der wissenschaftlichen Methode besteht darin, dass wir Schlussfolgerungen ziehen und diskutieren, was unsere Ergebnisse bedeuten könnten. Hier könnten sich Wissenschaftler auf andere Experimente oder andere Literatur beziehen, um ihre Ergebnisse in einen Kontext zu setzen und Erklärungen dafür zu finden, warum die Ergebnisse zeigten, was sie taten. Die Schlussfolgerung könnte zum Beispiel lauten, dass die Raupen gerne bei Temperaturen wachsen, die ihrem natürlichen Lebensraum am nächsten kommen. Dies kann wiederum neue Fragen aufwerfen, z. B. verpuppen sich auch andere Arten bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich schnell? Dies kann zu neuen Experimenten inspirieren, die wir mit der wissenschaftlichen Methode testen können.
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