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1.3: Die wissenschaftliche Methodik
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The Scientific Method
 
PROTOKOLLE

1.3: The Scientific Method

1.3: Die wissenschaftliche Methodik

Overview

The scientific method is a detailed, empirical, problem-solving process leveraged by biologists and scientists of other disciplines. This iterative approach involves formulating a question based on observation, developing a testable potential explanation for the observation (called a hypothesis), making and testing predictions based on the hypothesis, and using the findings to create new hypotheses and predictions.

Generally, predictions are tested using carefully-designed experiments. Based on the outcome of these experiments, the original explanation may need to be refined, and new hypotheses and questions can be generated. Importantly, this illustrates that the scientific method is not a stepwise recipe. Instead, it is a continuous refinement and testing of ideas based on new observations, which is the crux of scientific inquiry.

Science is mutable and continuously changes as we learn more about the world around us. For this reason, scientists avoid claiming to ‘prove’ a specific idea. Instead, they gather evidence that either supports or refutes a given hypothesis.

Making Observations and Formulating Hypotheses

A hypothesis is preceded by an initial observation, during which information is gathered by the senses (e.g., vision, hearing) or using scientific tools and instruments. This observation leads to a question that prompts the formation of an initial hypothesis, a (testable) possible answer to the question. For example, the observation that slugs eat some cabbage plants, but not cabbage plants located near garlic, may prompt the question: why do slugs selectively spare cabbage plants near garlic? One possible hypothesis, or answer to this question, is that slugs have an aversion to garlic. Based on this hypothesis, one might predict that slugs will not eat cabbage plants that are surrounded by a ring of garlic powder.

A hypothesis should be falsifiable, meaning that there are ways to disprove it if it is untrue. In other words, a hypothesis should be testable. Scientists often articulate and explicitly test for the opposite of the hypothesis, which is called the null hypothesis. In this case, the null hypothesis is that slugs do not have an aversion to garlic. The null hypothesis would be supported if, contrary to the prediction, slugs eat cabbage plants that are surrounded by garlic powder.

Testing a Hypothesis

When possible, scientists test hypotheses using controlled experiments that include independent and dependent variables, as well as control and experimental groups.

An independent variable is an item expected to have an effect (e.g., the garlic powder used in the slug and cabbage experiment, or treatment given in a clinical trial). Dependent variables are the measurements used to determine the outcome of an experiment. In the experiment with slugs, cabbages, and garlic, the number of slugs eating cabbages is the dependent variable, as this number is expected to depend on the presence or absence of garlic powder rings around the cabbage plants.

Experiments require experimental and control groups. An experimental group is treated with or exposed to the independent variable (i.e., the manipulation or treatment). For example, in the garlic aversion experiment with slugs, the experimental group is a group of cabbage plants that are surrounded by a garlic powder ring. A control group is subject to the same conditions as the experimental group, with the exception of the independent variable. Control groups in this experiment might include a group of cabbage plants in the same area that is surrounded by a non-garlic powder ring (to control for powder aversion) and a group that is not surrounded by any particular substance (to control for cabbage aversion). It is essential to include a control group because without one it is unclear whether the outcome is the result of the treatment or manipulation.

Refining a Hypothesis

If the results of an experiment support the hypothesis, further experiments may be designed and carried out to provide support for the hypothesis. The hypothesis may also be refined and made more specific. For example, additional experiments could determine whether slugs also have an aversion to other plants of the Allium genus, like onions.

If the results do not support the hypothesis, the hypothesis may need to be adjusted based on the new observations. Problems with the experimental design should also be ruled out. For example, if slugs demonstrate an aversion to both types of powdered substance, the experiment can be carried out again using fresh garlic instead of powdered garlic. If the slugs still exhibit no aversion to garlic, the hypothesis may be adjusted. In this example, the new hypothesis may be that slugs have an aversion to powder.

The results of the experiments should be communicated to other scientists and the public, regardless of whether the data support the original hypothesis. This information can guide the development of new hypotheses and experimental questions.

Überblick

Die wissenschaftliche Methodik ist ein detaillierter, empirischer, problemlösungsorientierter Prozess, der von Biologen und Wissenschaftlern anderer Disziplinen angewandt wird. Dieser iterative Ansatz beinhaltet zuerst das Formulieren einer Frage, die auf einer Beobachtung basiert. Anschließend wird eine überprüfbare potenziellen Erklärung für die Beobachtung gesucht, welche man als Hypothese bezeichnet. Darauf testet man diese Hypothese und nutzt die entstandenen Ergebnisse zur Erstellung von neuen Hypothesen und Vorhersagen.

Im Allgemeinen werden Vorhersagen durch sorgfältig konzipierte Experimente getestet. Basierend auf den Ergebnissen dieser Experimente kann es vorkommen, dass die ursprüngliche Erklärung verfeinert werden muss. Daraus können auch neue Hypothesen und Fragestellungen entstehen. Dies verdeutlicht vor allem, dass die wissenschaftliche Methodik kein Rezept ist, welches man stufenweise umsetzen kann. Es ist vielmehr ein kontinuierliches Verfeinern und Testen von Ideen auf der Grundlage neuer Beobachtungen. Das ist allerdings gleichzeitig auch die Krux der wissenschaftlichen Methodik.

Die Wissenschaft ist also wandelbar und verändert unsere Erkenntnisse über die Welt stetig. Aus diesem Grund vermeiden Wissenschaftler es, eine Idee als absolut korrekt bzw. bewiesen zu bezeichnen. Sie sammeln vielmehr Beweise, die eine gegebene Hypothese entweder weiter unterstützen oder diese widerlegen.

Beobachtungen machen und Hypothesen formulieren

Einer Hypothese geht immer eine Beobachtung voraus, bei der die Informationen mit den Sinnen (z.B. durch Sehen, Hören) oder mit wissenschaftlichen Mitteln und Instrumenten gesammelt werden. Diese Beobachtung führt zu einer Frage, die zur Bildung einer anfänglichen Hypothese führt, welche eine (überprüfbare) mögliche Antwort auf die Frage darstellen kann. So kann z.B. die Beobachtung, dass Schnecken Kohlpflanzen fressen, nicht aber Kohlpflanzen, welche sich in der Nähe von Knoblauch befinden, zu folgender Frage führen: Warum verschmähen Schnecken gezielt Kohlpflanzen in der Nähe von Knoblauch? Eine mögliche Hypothese oder Antwort auf diese Frage ist, dass die Schnecken eine Abneigung gegen Knoblauch haben. Basierend auf dieser Hypothese könnte man z.B. voraussagen, dass Schnecken keine Kohlpflanzen fressen, die von Knoblauchpulver umgeben sind.

Eine Hypothese sollte ebenfalls falsifizierbar sein. Das bedeutet, dass man sie auch eindeutig widerlegen kann, wenn sie unwahr ist. Sie muss also im Umkehrschluss auch eindeutig überprüfbar bzw. belegbar sein. Wissenschaftler artikulieren und testen oft das Gegenteil einer Hypothese. Man bezeichnet dies dann als Nullhypothese oder Gegenhypothese. In unserem Fall ist die Nullhypothese demnach, dass die Schnecken keine Abneigung gegenüber Knoblauch haben. Die Nullhypothese würde unterstützt werden, wenn die Schnecken entgegen der Vorhersage Kohlpflanzen fressen, die von Knoblauchpulver umgeben sind.

Eine Hypothese testen

< Wissenschaftler testen Hypothesen, wenn möglich, mit kontrollierten Experimenten. Diese sollten gleichzeitig unabhängige und abhängige Variablen sowie Kontroll- und Experimentalgruppen beinhalten.

Eine unabhängige Variable ist ein Element, von dem man eine Wirkung auf den Test erwartet (z.B. das Knoblauchpulver, das im Schnecken-Kohl-Experiment verwendet wird, oder eine Behandlung, die in einer klinischen Studie durchgeführt wird). Unter einer abhängigen Variablen versteht man eine Messung, die zur Bestimmung des Ergebnisses eines Experiments verwendet wird. Im Experiment mit den Schnecken, Kohl und Knoblauch ist die Anzahl der Schnecken, welche Kohl essen, die abhängige Variable. Der Wert dieser Variable hängt vorrausichtlich vom Vorhandensein bzw. der Abwesenheit von Knoblauchpulver ab.

Experimente erfordern auch Experimental -und Kontrollgruppen. Eine Experimentalgruppe wird einer unabhängigen Variablen (d.h. der Manipulation oder Behandlung) ausgesetzt oder mit ihr behandelt. Im Beispielexperiment mit Schnecken ist die Versuchsgruppe beispielsweise eine Anzahl von Kohlpflanzen, die von einem Ring aus Knoblauchpulver umgeben ist. Für eine Kontrollgruppe gelten die gleichen Bedingungen wie für die Versuchsgruppe, mit Ausnahme der unabhängigen Variablen. Kontrollgruppen in diesem Experiment können eine Gruppe von Kohlpflanzen auf derselben Fläche sein, die von einem Ring aus Pulver, das nicht aus Knoblauch besteht, umgeben ist (zur Kontrolle der Abneigung gegenüber Pulver). Eine weitere Gruppe ist von keiner bestimmten Substanz umgeben ist (zur Kontrolle der Abneigung gegen Kohl). Es ist wichtig, eine Kontrollgruppe einzubeziehen, da ohne eine solche unklar ist, ob das Ergebnis auf einer Behandlung oder Manipulation beruht.

Das Verfeinern einer Hypothese

Wenn die Ergebnisse eines Experiments die Hypothese unterstützen, können weitere Experimente zur Untermauerung der Hypothese konzipiert und durchgeführt werden. Die Hypothese kann auch verfeinert und präzisiert werden. Beispielsweise könnte in weiteren Experimenten festgestellt werden, ob die Schnecken auch eine Abneigung gegenüber andere Pflanzen der Gattung Allium wie z. B. Zwiebeln haben.

Wenn die Ergebnisse die Hypothese nicht unterstützen, muss die Hypothese möglicherweise auf der Grundlage der neuen Beobachtungen angepasst werden. Probleme mit dem experimentellen Aufbau sollten ebenfalls ausgeschlossen werden. Wenn Schnecken beispielsweise eine Abneigung gegen beide Arten von pulverförmiger Substanz zeigen, kann das Experiment mit frischem Knoblauch anstelle von pulverförmigem Knoblauch erneut durchgeführt werden. Wenn die Schnecken immer noch keine Abneigung gegenüber dem Knoblauch zeigen, kann die Hypothese auch angepasst werden. In diesem Beispiel könnte die neue Hypothese sein, dass die Schnecken eine Abneigung gegenüber Pulversubstanzen im Allgemeinen haben.

Die Ergebnisse der Experimente sollten auch anderen Wissenschaftlern und der Öffentlichkeit mitgeteilt werden. Dies sollte nicht davon abhängig sein, ob die gesammelten Daten die aufgestellten ursprünglichen Hypothesen unterstützen. Die Informationen können genutzt werden, um neue Hypothesen und experimentelle Fragen zu formulieren.


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