При планировании научных экспериментов используется научный метод для подтверждения или опровержения гипотез. Изучите определение научного метода экспериментирования, элементы управления, используемые при планировании эксперимента, и узнайте о различиях между гипотезами, теориями и законами.
Планирование научных экспериментов
Вы когда-нибудь задумывались о том, что входит в настоящий научный эксперимент? Большинству из нас приходится заниматься научными исследованиями, когда мы молоды. Школьные эксперименты — это легко и весело. Но как насчет настоящих ученых, таких как химики, физики и медицинские исследователи? Какую работу они должны выполнять? Как они планируют свои эксперименты в лаборатории?
Помните, что эксперименты являются одним из ключевых компонентов научного метода , который представляет собой набор процедур, которым ученые следуют, чтобы получить знания о мире. Другими компонентами научного метода являются вопросы, гипотезы, наблюдения, анализы и выводы. Хотя эксперименты являются лишь частью научного исследования, в конечном итоге они связаны с другими элементами. На этом уроке мы увидим, что нужно для проведения ценного эксперимента, и узнаем, как ученые планируют полезные исследования.
Что нужно для эксперимента
Научный эксперимент – это упорядоченное исследование, целью которого является подтверждение или опровержение гипотезы . Таким образом, его основная цель — проверить правильность чьего-либо прогноза. Планируя эксперименты, ученым приходится отвечать на довольно сложные вопросы, например: отвечает ли мой эксперимент на вопрос, который я пытаюсь решить? Адекватно ли он проверяет мою гипотезу? Могу ли я сделать замечания по поводу результатов моего эксперимента и смогу ли я проанализировать эти результаты? Наконец, если я проведу этот тест, позволит ли он мне сделать какой-то вывод?
Научные эксперименты отличаются от других видов тестов, потому что они должны соответствовать научному методу. Еще одним важным фактором является экспертная оценка со стороны научного сообщества. Работа ученого не получает всеобщего признания, если он не следует стандартам, установленным другими учеными по всему миру. Несколько основных правил применимы к планированию хорошего эксперимента. Давайте посмотрим, что нужно для научного эксперимента.
Правило № 1: Эксперимент должен показать, что гипотеза либо подтверждается, либо не подтверждается. В науке мы стараемся избегать использования таких терминов, как «правильно» и «неправильно», и мы не говорим, что гипотеза «доказана» или «опровергнута», пока мы действительно не уверены в этом. Одного эксперимента недостаточно, чтобы доказать что-либо со 100% уверенностью.
Правило № 2: Результаты эксперимента должны быть измеримыми и объективными. Ученые используют стандартные единицы для измерения различных свойств, таких как длина, время, объем, масса и скорость. Иногда нам нужно специальное оборудование, чтобы наблюдать за вещами измеримым образом. Например, мы не можем видеть ультрафиолетовый свет или слышать инфразвуковые звуки. Нам нужны специальные устройства для обнаружения и измерения этих свойств.
Правило № 3 для научных исследований: эксперимент должен быть воспроизведен другими учеными. Рецензенты хотят убедиться, что другие ученые могут провести тот же эксперимент и получить аналогичные результаты. Это одна из причин, по которой мы стандартизируем наши измерительные инструменты и оборудование. Ученые должны иметь возможность читать чужие отчеты, точно так же выполнять шаги и сравнивать свои результаты с первоначальным тестом. В науке новые идеи не воспринимаются всерьез до тех пор, пока многие ученые не протестируют их много-много раз. Поэтому важно, чтобы ученые делились своими методами и подтверждали открытия друг друга.
Теории и законы
Так как же научные идеи становятся частью базы знаний сообщества? Если все всегда перепроверяют работу друг друга, как гипотезы становятся теориями? Ну, во-первых, имейте в виду, что теория в мире науки — это не то же самое, что теория в повседневном языке. У меня может быть «теория», что моя подруга Джеки собирается пригласить своего одноклассника Джимми на свидание, но это не то же самое, что научная теория.
В науке теория — это утверждение, которое обычно принимается как резюме гипотезы или группы гипотез. Вы также можете назвать теорию принятой гипотезой. Когда одна гипотеза была проверена многими разными учеными и большинство из них пришли к одному и тому же основному выводу, тогда мы можем начать называть эту гипотезу теорией. Нет никакого «великого мастера науки», который принимает окончательное решение о теории. Это больше похоже на общее мнение. И теорию все еще можно опровергнуть, если дальнейшие исследования выявят достаточно доказательств, чтобы ее опровергнуть.
Законы - это общие утверждения, принимаемые как факт
Закон отличается от теории тем, что он рассматривается как универсальный факт Научный закон – это общее утверждение о группе наблюдений, не имеющее исключений из правила. Большинство законов можно сформулировать в виде математических уравнений, таких как закон Бойля и закон Паскаля. Законы в биологии — это утверждения о том, как работают живые существа, например, законы Менделя. Чтобы объяснить результаты своих экспериментов с горохом, Грегор Мендель разработал закон сегрегации и закон независимой сортировки. Ни один генетический эксперимент не опроверг законы Менделя, поэтому его утверждения и сегодня считаются законами.
Элементы управления в экспериментальном дизайне
Но даже Грегору Менделю пришлось провести достоверный эксперимент, чтобы получить признание за проделанную им работу. Использование элемента управления — это один из элементов, который действительно делает эксперимент научным. Когда ученые пытаются проверить один фактор, они должны убедиться, что нет никаких переменных, которые могут исказить их.
Например, предположим, вы хотели посмотреть, что из семян быстрее вырастет подсолнух или ромашка. Вы бы посадили семя подсолнуха в один горшок, семя маргаритки в другой, а затем поставили бы горшки на окно и поливали их каждый день. Но что, если поставить горшок с подсолнухом на солнечное окно, а горшок с ромашкой — на затененное окно? Ваши выводы будут искажены, верно? Вы не знаете наверняка, всегда ли подсолнухи растут быстрее, чем маргаритки, или это просто ваш подсолнух растет быстрее, потому что он получает больше солнца.
В науке контроль — это средство обеспечения того, чтобы одновременно тестировался только один фактор. Чтобы провести контролируемый эксперимент, вам нужно поставить оба цветочных горшка на одно и то же окно. Вы также должны дать каждому растению одинаковое количество воды, убедиться, что семена посажены в один и тот же тип почвы, и посадить оба семена одновременно. Чем больше вы контролировали переменные факторы в своем эксперименте, тем больше у вас было уверенности в том, что результаты точно ответят на ваш экспериментальный вопрос.
Пока мы обсуждаем эту тему, давайте проверим этот цветочный эксперимент, чтобы убедиться, что он соответствует другим правилам. Помните, наши коллеги в научном сообществе тщательно следят за каждым нашим шагом! Итак, прежде всего, спланирован ли наш эксперимент так, чтобы он либо подтверждал, либо опровергал нашу гипотезу? Что ж, нам нужна гипотеза. Допустим, наша гипотеза такова: «Подсолнухи будут расти быстрее, чем маргаритки, если их выращивать в одинаковых условиях». Наш эксперимент предназначен для проверки и сравнения двух скоростей роста, поэтому мы выполнили это правило.
Далее, есть ли у нас средства для получения измеримых объективных результатов? Наши результаты связаны с изменением высоты растений во времени, поэтому нам необходимо измерить высоту растений в миллиметрах, а время — в днях и часах. Возможно, мы составим диаграмму, показывающую, насколько выросло каждое растение за определенный период времени.
Наконец, могут ли другие ученые повторить наш эксперимент таким же образом, как мы его разработали? Ну, очевидно, что каждый может выращивать растения на своем окне. Но как ученые мы должны указать каждую деталь нашего эксперимента. Сколько земли мы насыпаем в горшки? Какая будет средняя температура? Сколько часов света получит каждое растение? Сколько именно воды мы дадим растениям? Какую почву для горшков мы будем использовать? Как часто мы будем измерять высоту растений? Как долго мы будем продолжать наш эксперимент? Я знаю, что это может показаться множеством вопросов, но это строгие требования, с которыми ученые сталкиваются в своей работе. Если они не защищают свои эксперименты подробной информацией, их работа не признается экспертами.
Резюме урока
Как видите, научные эксперименты — это не прогулка в парке. Чтобы получить признание за свою работу, ученые должны разрабатывать и проводить эксперименты с большой сложностью и точностью. Фактически, некоторые ученые публикуют сотни страниц работы для каждого исследования, которое они проводят! Это может показаться излишним, но проблемы научного сообщества помогают гарантировать, что только действительная, надежная наука будет полностью признана и использована. Чтобы спланировать хороший эксперимент, нужно много работать. Чтобы соответствовать научному методу, эксперименты должны быть связаны с вопросами, гипотезами, наблюдениями, анализом и выводами исследования. Эксперименты разрабатываются таким образом, чтобы они подтверждали или опровергали гипотезу и давали результаты в виде измеримых объективных данных. Эксперимент должен быть воспроизведен другими учеными, чтобы он выдержал экспертную оценку.