שיטה מדעית

השיטה המדעית משמשת לפתרון בעיות ולהסבר תופעות. התפתחות השיטה המדעית התרחשה בד בבד עם שינויים בפילוסופיה העומדת בבסיס התגליות המדעיות, ששינו באופן קיצוני את השקפות החברה על הטבע. במהלך הרנסאנס האירופי, אנשים כמו פרנסיס בייקון, גלילאו ואייזק ניוטון ניסחו את מושג השיטה המדעית ויישמו אותו הלכה למעשה. למרות שהשיטה המדעית עודכנה מאז תפיסותיה המוקדמות, חלק גדול מהמסגרת והפילוסופיה נשאר בפועל כיום.

שלב 1: ההתבוננות והשאלה

לפני החקירה, מדען חייב להגדיר את השאלה שיש להתייחס אליה. צעד ראשון ומכריע זה בתהליך המדעי כרוך בהתבוננות בכמה תופעות טבע מעניינות. התבוננות זו אמורה להוביל למספר שאלות על התופעה. שלב זה דורש לעתים קרובות מחקר רקע הדרוש כדי להבין את הנושא ועבודה בעבר על רעיונות דומים. סקירה והערכה של מחקרים קודמים מאפשרת למדענים לחדד את שאלותיהם כדי להתמודד בצורה מדויקת יותר עם פערים בידע מדעי. הגדרת שאלת מחקר והבנת מחקרים קודמים רלוונטיים ישפיעו על אופן יישום השיטה המדעית, ויהפכו אותה לצעד ראשון חשוב בתהליך המחקר.

דוגמה יומיומית: אתה מנסה להגיע לבית הספר או לעבודה והמכונית שלך לא מתניעה. תהליך החשיבה שרוב האנשים עוברים במצב זה משקף בבירור את השיטה המדעית הרשמית (לאחר שסיימת להתעצבן). ראשית, אתה עושה תצפית: המכונית שלי לא מתניעה! השאלה הבאה: למה זה לא עובד?

שלב 2: ההשערה

השלב הבא הוא יצירת השערה, המבוססת על ידע מוקדם. השערה היא "הסבר לא ודאי" או השערה לא מוכחת המבקשת להסביר תופעה כלשהי בהתבסס על ידע שהושג בעת ביצוע ניסויים או תצפיות עוקבים. באופן כללי, מדענים מפתחים השערות מרובות כדי לענות על שאלותיהם ולבחון אותן באופן שיטתי.

כל ההשערות חייבות לעמוד בקריטריונים מסוימים כדי שהתהליך המדעי יעבוד. ראשית, השערה חייבת להיות ניתנת לבדיקה ולהפרכה. היבט זה של ההשערה הוא קריטי ובעל חשיבות גדולה הרבה יותר מאשר נכונות ההשערה. השערה הניתנת לבדיקה היא השערה המייצרת תחזיות הניתנות לבדיקה, המטופלות באמצעות תצפיות או ניסויים. השערה ניתנת להפרכה היא השערה שבאמצעות התבוננות בתוצאות סותרות ניתן להוכיח אותה כשגויה. זה מאפשר לחוקרים לצבור יותר ביטחון לאורך זמן, לא על ידי צבירת ראיות המוכיחות כי השערה נכונה, אלא על ידי הצגת מצבים שיכולים לבסס את זיופיה אינם מתרחשים.

השערות מגיעות בשתי צורות: השערות אפס והשערות חלופיות. השערת האפס נבחנת מול ההשערה החלופית ומשקפת שלא ייצפה שינוי בניסוי. ההשערה החלופית היא בדרך כלל זו שתוארה בשתי הפסקאות הקודמות, המכונה גם השערת הניסוי. ההשערה החלופית היא התוצאה הצפויה של הניסוי. אם השערת האפס נדחית, אז זה בונה ראיות להשערה החלופית.

דוגמה יומיומית: אולי הוא קופא בחוץ ולכן סביר למדי שמצבר הרכב שלכם מת. אולי אתה יודע שהיית נמוך בדלק בלילה הקודם ולכן סביר להניח כי המיכל ריק.

שלב 3: ניסויים ואיסוף נתונים

כך או כך, השלב הבא הוא לבצע תצפיות נוספות או לערוך ניסויים שיובילו למסקנות. לאחר ניסוח ההשערות, מדענים מתכננים ועורכים ניסויים כדי לבחון את השערותיהם. ניסויים אלה מספקים נתונים שיתמכו או יפריכו את ההשערה. ניתן לאסוף נתונים מתצפיות כמותיות או איכותיות. מידע איכותי מתייחס לתצפיות שניתן לבצע פשוט באמצעות החושים, בין אם באמצעות ראייה, צליל, טעם, ריח או מגע. לעומת זאת, תצפיות כמותיות הן כאלה שבהן נעשה שימוש במדידות מדויקות מסוג כלשהו כדי לחקור את ההשערה.

ניסוי הוא הליך שנועד לקבוע אם תצפיות בעולם האמיתי מסכימות או מפריכות את התחזיות הנגזרות בהשערה. אם ראיות מניסוי תומכות בהשערה, זה נותן להשערה אמינות רבה יותר. זה לא מצביע על כך שההשערה נכונה, שכן ניסויים עתידיים עשויים לחשוף מידע חדש על ההשערה המקורית. תכנון ניסוי הוא צעד קריטי נוסף בשיטה המדעית ויכול להשפיע רבות על התוצאות והמסקנות שאדם מסיק מניסוי. יש להקדיש מחשבה וזמן קפדניים לתכנון ניסויי ולמזעור טעויות אפשריות. יש לתכנן את הניסוי כך שכל משתנה או גורם שיכול להשפיע על תוצאת הניסוי יהיה בשליטת החוקר. שני סוגים של משתנים משמשים לתיאור התנאים בניסוי: המשתנה הבלתי תלוי והמשתנה התלוי, או התגובה. המשתנה הבלתי תלוי מופעל ישירות או נשלט על ידי המדען והוא בדרך כלל מה שחוזים שישפיע על המשתנה התלוי. המשתנה התלוי, או התגובה, תלוי אפוא בערך המשתנה הבלתי תלוי. ניסויים מתוכננים בדרך כלל כך שגורם ספציפי אחד עובר מניפולציה בניסוי על מנת להאיר יחסי סיבה ותוצאה.

דוגמה יומיומית: האם המכונית עדיין מכילה את כל חלקיה? האם זה המפתח הנכון? מה אומר מד הגז? האם זינוק עוזר?

היבט חשוב נוסף בתכנון הניסוי הוא תפקידו של טיפול הבקרה, המייצג מצב טיפול ללא מניפולציה. טיפול הבקרה נשמר באותם תנאים כמו הטיפול הניסיוני, אך המניפולציה הניסיונית אינה מיושמת על הבקרה. לדוגמה, אם חוקר היה בודק את ההשפעות של מליחות הקרקע על צמיחת צמחים, הקרקע בטיפול הבקרה לא הייתה תוספת מלח. הבקרה מספקת בסיס של תנאים "נורמליים" איתם ניתן להשוות את הטיפולים הניסיוניים.

תכנון ניסויי צריך לכלול גם העתקים של כל טיפול. חזרתיות של תוצאות ניסוי היא חלק חשוב של השיטה המדעית המבטיחה את תוקפם ודיוקם של נתונים. זה די קשה לשלוט בכל ההיבטים של ניסוי ולכן יש שונות מובנית בתוצאות שלא ניתן לשלוט בה אפילו תחת הניסויים המתוכננים והמבוקרים ביותר. לאחר שכפולים מאפשר לחוקר להעריך את השונות האינהרנטית הזו בתוצאות. לרישום ומדידה מדויקים של הנתונים יש גם חשיבות רבה להבטחת דיוק התוצאות והמסקנות המתקבלות מהתוצאות.

שלב 4: תוצאות וניתוח נתונים

השלב הבא בשיטה המדעית כרוך בקביעת המשמעות של תוצאות הניסוי. מדענים משווים את התחזיות של השערת האפס שלהם לזו של השערת האפס שלהם כדי לקבוע אם הם מסוגלים לדחות את השערת האפס. דחיית השערת האפס פירושה שקיימת הסתברות משמעותית שערכי המשתנה התלוי בבקרה לעומת טיפולים ניסיוניים אינם שווים זה לזה. אם קיימים הבדלים משמעותיים, ניתן לדחות את השערת האפס ולקבל את ההשערה החלופית. לעומת זאת, החוקר עלול שלא לדחות את השערת האפס, כלומר לטיפול אין השפעה על התוצאות. לפני שמדענים יכולים לטעון טענות כלשהן לגבי השערת האפס שלהם מנתוני הניסוי או התצפיות שלהם, נדרשים מבחנים סטטיסטיים כדי להבטיח את תקפות הנתונים ופרשנות נוספת של הנתונים. בדיקות סטטיסטיות מאפשרות לחוקרים לקבוע אם יש הבדלים אמיתיים בין טיפול הבקרה לבין טיפולים ניסיוניים. משם, הם יכולים ליצור דמויות וטבלאות כדי להמחיש את ממצאיהם.

שלב 5: מסקנות

החלק האחרון של השיטה המדעית כרוך במתן הסברים לתוצאות ולמסקנות שניתן להסיק באופן הגיוני מהתוצאות. בדרך כלל, שלב זה של התהליך המדעי דורש גם לחזור לספרות המדעית ולהשוות את תוצאותיה עם ניסויים או תצפיות אחרות בנושאים קשורים. זה מאפשר לחוקרים לשים את הניסוי שלהם בהקשר כללי יותר ולפרט את המשמעות של תוצאות מסוימות. בנוסף, זה מאפשר להם להסביר כיצד עבודתם משתלבת בהקשר רחב יותר בדיסציפלינה שלהם.

התהליך המדעי לא נעצר כאן! התהליך המדעי פועל לאורך זמן כאשר הידע בנושאים במדע מצטבר ומניע את הבנתנו של מנגנונים או תהליכים מסוימים המסבירים תופעות טבע. אם לא נדחה את השערת האפס שלנו, יהיה צורך לחזור לשלבים הראשונים של השיטה המדעית ולנסות לנסח מחדש את שאלותינו ולהבין מדוע לא הושגה תוצאה צפויה.

יישום השיטה המדעית

ההבדל היחיד בין השימוש בשיטה זו בחיי היומיום ובמעבדה הוא שמדענים מתעדים בקפידה את עבודתם, מתצפית להשערה לניסוי, ולבסוף מסקנות וביקורת עמיתים. בנוסף, בניגוד לפתרון בעיות מחוץ למעבדה, השיטה המדעית במעבדה כוללת תנאים ומשתנים מבוקרים.

בואו נחקור את השיטה המדעית באמצעות דוגמה מהמעבדה. ידוע כי צמיחת צמחים מושפעת מחיידקים, כגון חיידקים ופטריות, החיים באדמתם. אפשר להבין אילו מיקרובים משפיעים על ידי שתילת צמחים באדמה סטרילית לחלוטין, ואז הוספת מיקרובים אחד בכל פעם, או בשילובים שונים ומדידת הצמיחה של הצמח. עכשיו בואו נתאים את זה למונחים המשמשים לתיאור השיטה המדעית:

התבוננות ושאלה: ישנם מיקרובים באדמה... האם הם משפיעים על גדילת הצמחים?

השערות:

ניסיוני: חיידק אחד מסוים שמעניין יגרום לצמחים לגדול לאט יותר.

Null: לנוכחות או היעדר מיקרובים לא תהיה השפעה על גדילת צמחים

ניסוי: הקימו קבוצות צמחים ב-1) אדמה סטרילית, 2) אדמה עם תוספת מיקרואורגניזם, ו-3) אדמה טבעית. למדוד את הצמיחה של הצמחים לאורך זמן, באמצעות סרגל.

מסקנה: אם הצמחים בקבוצה 2 גדלים לאט יותר מהשניים האחרים, ההשערה נתמכת. זה צריך להיות מגובה בניתוח סטטיסטי של צמחים רבים כדי להיחשב משמעותי. ניסוי כזה אינו לגיטימי עם צמח אחד בלבד בכל קבוצה.

קבוצה 1 היא בקרה שמראה שהצמחים יכולים לגדול באדמה סטרילית. קבוצה 3 היא בקרה שמראה שהצמחים יכולים לגדול בתנאים רגילים. קבוצה 2 היא קבוצת הניסוי. אפשר יהיה להוסיף כמויות שונות של מיקרואורגניזם, או מיקרובים שונים, כדי להכניס משתנים נוספים. הנקודה העיקרית היא שלחוקר יש מה להשוות בין קבוצת הניסוי - קבוצת הביקורת. אם הניסוי כלל רק קבוצה 2 והחוקר היה קובע שהצמחים "נראו חולים", זה היה עניין של דעה. הדרך היחידה להפוך את התצפית הזו למדעית היא שיהיו צמחים בריאים למדידה. סוג או כמות המיקרובים שבהם נעשה שימוש הוא המשתנה הבלתי תלוי, מאחר שלחוקר יש שליטה עליו. גודל הצמח בסוף הניסוי הוא משתנה התלות או התגובה מכיוון שהוא התוצאה.

בסופו של דבר, עבודה כזו מתפרסמת בכתבי עת מדעיים כדי שחוקרים אחרים יוכלו לקרוא על השיטות שבהן נעשה שימוש ועל המסקנות שהוסקו. פרסומים כאלה כפופים לביקורת עמיתים, מה שאומר שמאמר לא יפורסם בכתב עת עד שחוקרים אחרים יבדקו אותו ויסכימו שהוא עשוי היטב. כקהילה של מדענים, מושגים כלליים מפותחים בהתבסס על דפוסים נצפים בניסויים שמדענים בודדים מבצעים. התוצאה היא פיתוח תיאוריה מדעית. מונח זה פירושו שיש קונצנזוס בקרב החוקרים כי מושג או תהליך מסוים קיים. חשוב לציין כי המילה תיאוריה אינה אומרת את אותו הדבר כמו השערה. ברגע שמדענים מתייגים מושג עם מונח זה, הוא נחשב נכון, בהתחשב בכל הנתונים הזמינים כיום. כמובן, אם גוף גדול של ניסויים מדגים מידע להיפך, תיאוריות ניתן לשנות.