Научный метод

Научный метод используется для решения проблем и объяснения явлений. Развитие научного метода совпало с изменениями в философии, лежащими в основе научных открытий, коренным образом трансформирующими взгляды общества на природу. В эпоху европейского Возрождения такие люди, как Фрэнсис Бэкон, Галилей и Исаак Ньютон, формализовали концепцию научного метода и применили ее на практике. Несмотря на то, что научный метод был пересмотрен с момента его зарождения, большая часть его структуры и философии остается в практике и сегодня.

Шаг 1: Наблюдение и вопрос

Прежде чем приступить к исследованию, ученый должен определиться с вопросом, который он должен решить. Этот важнейший первый шаг в научном процессе включает в себя наблюдение за некоторыми природными явлениями, представляющими интерес. Это наблюдение должно привести к ряду вопросов об этом феномене. Этот этап часто требует предварительного исследования, необходимого для понимания предмета и прошлой работы над аналогичными идеями. Обзор и оценка предыдущих исследований позволяет ученым уточнить свои вопросы, чтобы более точно восполнить пробелы в научных знаниях. Постановка исследовательского вопроса и понимание соответствующих предыдущих исследований повлияет на то, как будет применяться научный метод, что сделает его важным первым шагом в исследовательском процессе.

Повседневный пример: вы пытаетесь добраться до школы или работы, а ваша машина не заводится. Мыслительный процесс, через который проходит большинство людей в такой ситуации, явно отражает официальный научный метод (после того, как вы закончите расстраиваться). Во-первых, вы делаете замечание: моя машина не заводится! Следующий вопрос: почему это не работает?

Шаг 2: Гипотеза

Следующим шагом является выдвижение гипотезы, основанной на априорных знаниях. Гипотеза — это «неопределенное объяснение» или недоказанная гипотеза, которая стремится объяснить какое-либо явление на основе знаний, полученных при проведении последующих экспериментов или наблюдений. Как правило, ученые разрабатывают несколько гипотез для ответа на свои вопросы и систематически проверяют их.

Все гипотезы должны соответствовать определенным критериям для работы научного процесса. Во-первых, гипотеза должна быть проверяемой и фальсифицируемой. Этот аспект гипотезы имеет решающее значение и имеет гораздо большее значение, чем верность гипотезы. Проверяемая гипотеза — это гипотеза, которая генерирует проверяемые прогнозы, рассматриваемые с помощью наблюдений или экспериментов. Фальсифицируемая гипотеза — это гипотеза, ошибочность которой может быть доказана путем наблюдения за противоречивыми результатами. Это позволяет исследователям со временем обрести больше уверенности, не накапливая доказательства, показывающие, что гипотеза верна, а скорее показывая, что ситуаций, которые могли бы установить ее ложность, не происходит.

Гипотезы бывают двух видов: нулевые гипотезы и альтернативные гипотезы. Нулевая гипотеза проверяется на соответствие альтернативной гипотезе и показывает, что в эксперименте не будет наблюдаемых изменений. Альтернативной гипотезой, как правило, является гипотеза, описанная в предыдущих двух параграфах, также называемая экспериментальной гипотезой. Альтернативной гипотезой является прогнозируемый результат эксперимента. Если нулевая гипотеза отвергается, то это создает доказательства в пользу альтернативной гипотезы.

Повседневный пример: на улице холодно, и поэтому вполне вероятно, что аккумулятор вашего автомобиля разрядился. Возможно, вы знаете, что накануне вечером у вас было мало бензина, и поэтому вполне вероятно, что бак пуст.

Шаг 3: Эксперименты и сбор данных

В любом случае, следующим шагом будет проведение дополнительных наблюдений или экспериментов, ведущих к выводам. Следуя формулировке гипотез, ученые планируют и проводят эксперименты для проверки своих гипотез. Эти эксперименты предоставляют данные, которые либо подтверждают, либо опровергают гипотезу. Данные могут быть собраны на основе количественных или качественных наблюдений. Качественная информация относится к наблюдениям, которые могут быть сделаны просто с помощью органов чувств, будь то зрение, слух, вкус, обоняние или осязание. В отличие от этого, количественные наблюдения — это наблюдения, в которых точные измерения определенного типа используются для проверки гипотезы.

Эксперимент — это процедура, предназначенная для определения того, согласуются ли наблюдения за реальным миром с выводными предсказаниями гипотезы или опровергают их. Если данные эксперимента подтверждают гипотезу, это придает гипотезе больше достоверности. Это не говорит о том, что гипотеза верна, так как будущие эксперименты могут раскрыть новую информацию о исходной гипотезе. Планирование эксперимента является еще одним важным шагом в научном методе и может оказать большое влияние на результаты и выводы, которые мы делаем в результате эксперимента. Тщательное обдумывание и время должны быть посвящены планированию эксперимента и минимизации возможных ошибок. Эксперимент должен быть спланирован таким образом, чтобы каждая переменная или фактор, которые могут повлиять на результат эксперимента, находились под контролем исследователя. Для описания условий в эксперименте используются два типа переменных: независимая и зависимая переменная. Независимая переменная напрямую управляется или контролируется ученым и, как правило, это то, что, по прогнозам человека, повлияет на зависимую переменную. Таким образом, зависимая переменная, или ответная, зависит от значения независимой переменной. Эксперименты обычно разрабатываются таким образом, что в эксперименте манипулируется одним конкретным фактором, чтобы пролить свет на причинно-следственные связи.

Повседневный пример: у автомобиля остались все детали? Это правильный ключ? Что говорит газовый манометр? Помогает ли быстрый старт?

Еще одним важным аспектом в планировании эксперимента является роль контрольного лечения, которое представляет собой неманипулируемое состояние лечения. Контрольное лечение содержится в тех же условиях, что и экспериментальное лечение, но экспериментальная манипуляция не применяется к контролю. Например, если бы исследователь проверял влияние засоленности почвы на рост растений, почва при контрольной обработке не содержала бы добавленной соли. Контроль обеспечивает исходный уровень «нормальных» условий, с которыми можно сравнить экспериментальные методы лечения.

Экспериментальный дизайн также должен включать в себя повторы каждого лечения. Повторяемость экспериментальных результатов является важной частью научного метода, обеспечивающего достоверность и точность данных. Довольно трудно контролировать все аспекты эксперимента, поэтому существуют врожденные вариации в результатах, которые невозможно контролировать даже в рамках самых тщательно спланированных и контролируемых экспериментов. Наличие реплик позволяет исследователю оценить эту внутреннюю вариацию результатов. Точная регистрация и измерение данных также имеют большое значение для обеспечения точности результатов и выводов, которые делаются на их основе.

Шаг 4: Анализ результатов и данных

Следующий шаг в научном методе включает в себя определение того, что означают результаты эксперимента. Ученые сравнивают предсказания своей нулевой гипотезы с предсказаниями альтернативной гипотезы, чтобы определить, способны ли они отвергнуть нулевую гипотезу. Отказ от нулевой гипотезы означает, что существует значительная вероятность того, что значения зависимой переменной в контрольной и экспериментальной процедурах не равны друг другу. Если существуют существенные различия, то можно отвергнуть нулевую гипотезу и принять альтернативную гипотезу. И наоборот, исследователь может не отвергнуть нулевую гипотезу, что означает, что лечение не повлияет на результаты. Прежде чем ученые смогут сделать какие-либо заявления о своей нулевой гипотезе на основе экспериментальных данных или наблюдений, необходимы статистические тесты, чтобы убедиться в достоверности данных и дальнейшей интерпретации данных. Статистические тесты позволяют исследователям определить, существуют ли реальные различия между контрольным и экспериментальным методами лечения. Оттуда они могут создавать рисунки и таблицы, чтобы проиллюстрировать свои выводы.

Шаг 5: Выводы

Последняя часть научного метода включает в себя объяснение результатов и выводы, которые могут быть логически сделаны из этих результатов. Как правило, этот этап научного процесса также требует пересмотра научной литературы и сравнения ее результатов с другими экспериментами или наблюдениями по смежным темам. Это позволяет исследователям поместить свой эксперимент в более общий контекст и уточнить значимость конкретных результатов. Кроме того, это позволяет им объяснить, как их работа вписывается в более широкий контекст в их дисциплине.

Научный процесс на этом не останавливается! Научный процесс развивается во времени по мере накопления знаний по научным темам и углубления нашего понимания конкретных механизмов или процессов, объясняющих природные явления. Если мы не можем отвергнуть нашу нулевую гипотезу, то возникает необходимость вернуться к начальным стадиям научного метода и попытаться переформулировать наши вопросы и понять, почему ожидаемый результат не был достигнут.

Применение научного метода

Единственное различие между использованием этого метода в повседневной жизни и в лаборатории заключается в том, что ученые тщательно документируют свою работу, начиная от наблюдений и заканчивая гипотезами, экспериментами и, наконец, выводами и экспертной оценкой. Кроме того, в отличие от решения задач за пределами лаборатории, научный метод в лаборатории включает в себя контролируемые условия и переменные.

Давайте исследуем научный метод на примере из лаборатории. Известно, что на рост растений влияют микробы, такие как бактерии и грибки, живущие в их почве. Можно выяснить, какие микробы и какие эффекты воздействуют, посадив растения в горшки с полностью стерильной почвой, а затем добавив микробы по одному или в разных комбинациях и измерив рост растения. Теперь давайте впишем это в термины, используемые для описания научного метода:

Наблюдение и вопрос: Есть ли в почве микробы... влияют ли они на рост растений?

Гипотез:

Экспериментальный: Один конкретный микроб, представляющий интерес, заставит растения расти медленнее.

Null: Наличие или отсутствие микробов не повлияет на рост растений

Эксперимент: посадите группы растений в 1) стерильную почву, 2) почву с добавлением микроба и 3) естественную почву. Измерьте рост растений с течением времени, используя линейку.

Вывод: если растения группы 2 растут медленнее, чем две другие, гипотеза подтверждается. Это должно быть подкреплено статистическим анализом многих растений, чтобы считаться значимым. Такой эксперимент незаконен с одним растением в группе.

Группа 1 – это контроль, который показывает, что растения могут расти в стерильной почве. Группа 3 — это контроль, который показывает, что растения могут расти в нормальных условиях. Группа 2 – экспериментальная. Можно было бы добавить разное количество микроба или разных микробов, чтобы ввести больше переменных. Главное в том, что исследователю есть с чем сравнивать экспериментальную группу – контрольную группу. Если бы эксперимент включал только группу 2 и исследователь определил, что растения «выглядят больными», это было бы вопросом мнения. Единственный способ сделать это наблюдение научным — иметь здоровые растения для измерения. Тип или количество используемого микроба является независимой переменной, потому что исследователь имеет над ним контроль. Размер растения в конце эксперимента является зависимой переменной или переменной отклика, потому что он является результатом.

В конечном счете, подобные работы публикуются в научных журналах, чтобы другие исследователи могли прочитать об использованных методах и сделанных выводах. Такие публикации подлежат рецензированию, что означает, что статья не будет опубликована в журнале до тех пор, пока другие исследователи не проверят ее и не согласятся с тем, что она хорошо сделана. Как сообщество ученых, общие концепции разрабатываются на основе наблюдаемых закономерностей в экспериментах, которые проводят отдельные ученые. Это приводит к развитию научной теории. Этот термин означает, что среди исследователей существует консенсус в отношении того, что существует определенная концепция или процесс. Важно отметить, что слово «теория» не означает то же самое, что гипотеза. Как только ученые обозначают концепцию этим термином, она считается верной, учитывая все имеющиеся на данный момент данные. Конечно, если большой объем экспериментов демонстрирует информацию об обратном, теории могут быть изменены.