3.1: Процес науки
- Page ID
- 30213
Як і геологія, хімія та біологія, екологічна наука - це наука, яка збирає знання про природний world.The методи науки включають ретельне спостереження, ведення обліку, логічні та математичні міркування, експерименти та подання висновків до уваги інших. Наука також вимагає значної фантазії та творчості; добре розроблений експеримент зазвичай описується як елегантний або красивий. Як і політика, наука має значні практичні наслідки, і деякі науки присвячені практичним застосуванням, таким як профілактика захворювань (рисунок нижче). Інша наука протікає багато в чому мотивована цікавістю. Якою б не була її мета, немає сумнівів, що наука трансформувала людське існування і буде продовжувати це робити.
Природа науки
Біологія - це наука, але що ж таке наука? Чим ділиться вивчення біології з іншими науковими дисциплінами? Науку (від латинського scientia, що означає «знання») можна визначити як знання про світ природи.
Наука - це дуже специфічний спосіб пізнання, або знання, про світ. Історія останніх 500 років демонструє, що наука є дуже потужним способом пізнання про світ; вона багато в чому відповідає за технологічні революції, що відбулися за цей час. Однак існують галузі знань та людського досвіду, до яких методи науки не можуть бути застосовані. До них відносяться такі речі, як відповіді на суто моральні питання, естетичні питання або те, що взагалі можна віднести до категорії духовних питань. Наука не може досліджувати ці області, оскільки вони знаходяться поза сферою матеріальних явищ, явищ матерії та енергії, і їх неможливо спостерігати та вимірювати.
Науковий метод - це метод дослідження з визначеними кроками, які включають експерименти і ретельне спостереження. Етапи наукового методу будуть детально розглянуті пізніше, але одним з найважливіших аспектів цього методу є перевірка гіпотез. Гіпотеза - це запропоноване пояснення події, яке можна перевірити. Гіпотези, або попередні пояснення, як правило, виробляються в контексті наукової теорії. Наукова теорія - це загальноприйняте, ретельно перевірене і підтверджене пояснення сукупності спостережень або явищ. Наукова теорія є основою наукового пізнання. Крім того, у багатьох наукових дисциплін (рідше в біології) є наукові закони, часто виражені в математичних формулах, які описують, як будуть вести себе елементи природи при певних конкретних умовах. Не відбувається еволюції гіпотез через теорії до законів так, ніби вони представляли деяке збільшення впевненості у світі. Гіпотези - це щоденний матеріал, з яким працюють вчені, і вони розробляються в контексті теорій. Закони - це стислі описи частин світу, які піддаються формульному або математичному опису.
Природничі науки
Що б ви очікували побачити в музеї природничих наук? Жаби? Рослини? Скелети динозаврів? Експонати про те, як функціонує мозок? Планетарій? Самоцвіти і мінерали? А може, все перераховане вище? Наука включає в себе такі різноманітні галузі, як астрономія, біологія, інформатика, геологія, логіка, фізика, хімія та математика. Однак ті галузі науки, пов'язані з фізичним світом та його явищами та процесами, вважаються природничими науками. Таким чином, музей природничих наук може містити будь-який з перерахованих вище предметів.
Науковий запит
Одне спільне для всіх форм науки: кінцева мета «пізнати». Цікавість і розслідування є рушійними силами розвитку науки. Вчені прагнуть зрозуміти світ і спосіб його функціонування. Використовуються два методи логічного мислення: індуктивне міркування і дедуктивне міркування.
Індуктивні міркування - це форма логічного мислення, яка використовує пов'язані спостереження, щоб прийти до загального висновку. Цей тип міркувань поширений в описовій науці. Вчений з життя, такий як біолог, робить спостереження і записує їх. Ці дані можуть бути якісними (описовими) або кількісними (що складаються з чисел), а необроблені дані можуть бути доповнені кресленнями, картинками, фотографіями або відео. З багатьох спостережень вчений може зробити висновок (індукції) на основі доказів. Індуктивне міркування передбачає формулювання узагальнень, виведених з ретельного спостереження та аналізу великої кількості даних. Дослідження мозку часто працюють таким чином. Багато мізки спостерігаються, поки люди виконують завдання. Потім продемонстрована частина мозку, яка загоряється, вказуючи на активність, є частиною, яка контролює відповідь на це завдання.
Дедуктивні міркування або дедукція - це тип логіки, що використовується в науці, заснованій на гіпотезах. У дедуктивних міркуваннях модель мислення рухається в протилежному напрямку порівняно з індуктивними міркуваннями. Дедуктивні міркування - це форма логічного мислення, яка використовує загальний принцип або закон для прогнозування конкретних результатів. З цих загальних принципів вчений може екстраполювати та передбачити конкретні результати, які будуть дійсними до тих пір, поки загальні принципи дійсні. Наприклад, прогноз буде полягати в тому, що якщо клімат в регіоні стає теплішим, розподіл рослин і тварин повинен змінитися. Були зроблені порівняння між розподілами в минулому і сьогоденні, і багато змін, які були знайдені, узгоджуються з потеплінням клімату. Пошук зміни розподілу є свідченням того, що висновок про зміну клімату є дійсним.
Обидва типи логічного мислення пов'язані з двома основними шляхами наукового вивчення: описовою наукою та наукою, заснованою на гіпотезах. Описова (або відкриття) наука має на меті спостерігати, досліджувати та виявляти, тоді як наука, заснована на гіпотезі, починається з конкретного питання чи проблеми та потенційної відповіді або рішення, яке можна перевірити. Кордон між цими двома формами навчання часто розмивається, оскільки більшість наукових починань поєднують обидва підходи. Спостереження призводять до питань, питання призводять до формування гіпотези як можливої відповіді на ці питання, а потім гіпотеза перевіряється. Таким чином, описова наука та наука, заснована на гіпотезах, знаходяться в безперервному діалозі.
Тестування гіпотез
Біологи вивчають живий світ, ставлячи питання про нього і шукаючи науково обґрунтовані відповіді. Цей підхід є загальним і для інших наук, і його часто називають науковим методом. Науковий метод використовувався ще в давнину, але вперше його задокументував англійський сер Френсіс Бекон (1561—1626), який створив індуктивні методи для наукового дослідження. Науковий метод не використовується виключно біологами, але може бути застосований майже до чого завгодно як логічний метод вирішення проблем.
Науковий процес зазвичай починається з спостереження (часто проблема, яку потрібно вирішити), що призводить до питання. Давайте подумаємо про просту задачу, яка починається з спостереження і застосуємо науковий метод для вирішення проблеми. Одного понеділка вранці студент приходить на заняття і швидко виявляє, що в класі занадто тепло. Це спостереження, яке також описує проблему: клас занадто теплий. Тоді студент задається питанням: «Чому в класі так тепло?»
Нагадаємо, що гіпотеза - це запропоноване пояснення, яке можна перевірити. Для вирішення проблеми може бути запропоновано кілька гіпотез. Наприклад, одна гіпотеза може бути: «Класна кімната тепла, тому що ніхто не вмикав кондиціонер». Але можуть бути й інші відповіді на питання, а тому можуть бути запропоновані інші гіпотези. Друга гіпотеза може бути: «Клас теплий, тому що є відключення електроенергії, і тому кондиціонер не працює».
Після того, як гіпотеза була обрана, може бути зроблено прогноз. Передбачення схоже на гіпотезу, але зазвичай має формат «Якщо. то.». Наприклад, передбачення першої гіпотези може бути таким: «Якщо учень ввімкне кондиціонер, то в класі більше не буде занадто тепло».
Гіпотеза повинна бути перевірена, щоб переконатися, що вона дійсна. Наприклад, гіпотеза, яка залежить від того, що вважає ведмідь, не піддається перевірці, оскільки ніколи не можна дізнатися, що думає ведмідь. Він також повинен бути фальсифікованим, а це означає, що це може бути спростовано експериментальними результатами. Прикладом нефальсифікованої гіпотези є «Народження Венери Боттічеллі прекрасне». Не існує експерименту, який би показував це твердження помилковим. Щоб перевірити гіпотезу, дослідник проведе один або кілька експериментів, покликаних усунути одну або кілька гіпотез. Це важливо. Гіпотезу можна спростувати або усунути, але вона ніколи не може бути доведена. Наука не займається доказами, як математика. Якщо експеримент не спростовує гіпотезу, то ми знаходимо підтримку цьому поясненню, але це не означає, що по дорозі кращого пояснення не буде знайдено, або буде знайдено більш ретельно розроблений експеримент для фальсифікації гіпотези.
Кожен експеримент матиме одну або кілька змінних і один або кілька елементів управління. Змінна - це будь-яка частина експерименту, яка може змінюватися або змінюватися під час експерименту. Контроль - це частина експерименту, яка не змінюється. Шукайте змінні та елементи керування в наступному прикладі. Як простий приклад, експеримент може бути проведений для перевірки гіпотези про те, що фосфат обмежує ріст водоростей у прісноводних ставках. Серію штучних ставків заповнюють водою, і половину з них обробляють додаванням фосфату щотижня, а іншу половину обробляють додаванням солі, яка, як відомо, не використовується водоростями. Змінною тут є фосфат (або відсутність фосфату), експериментальні або обробні випадки - це ставки з додаванням фосфату, а контрольні ставки - це ті, з чимось інертним додаванням, наприклад, солі. Просто додавання чогось - це також контроль проти можливості того, що додавання додаткової речовини до ставка має ефект. Якщо оброблені водойми показують менший ріст водоростей, то ми знайшли підтримку нашій гіпотезі. Якщо їх немає, то ми відкидаємо нашу гіпотезу. Майте на увазі, що відмова від однієї гіпотези не визначає, чи можуть бути прийняті інші гіпотези; це просто усуває одну гіпотезу, яка не є дійсною (рисунок нижче). Використовуючи науковий метод, відкидаються гіпотези, які суперечать експериментальним даними.
У наведеному нижче прикладі для вирішення повсякденної проблеми використовується науковий метод. Яка частина в наведеному нижче прикладі є гіпотезою? Що таке передбачення? Виходячи з результатів експерименту, чи підтримується гіпотеза? Якщо вона не підтримується, запропонуйте кілька альтернативних гіпотез.
- Мій тостер не тостить мій хліб.
- Чому мій тостер не працює?
- З електричною розеткою щось не так.
- Якщо щось не так з розеткою, моя кавоварка також не працюватиме при підключенні до неї.
- Підключаю кавоварку в розетку.
- Моя кавоварка працює.
На практиці науковий метод не такий жорсткий і структурований, як може здатися спочатку. Іноді експеримент призводить до висновків, які сприяють зміні підходу; часто експеримент приносить абсолютно нові наукові питання в головоломку. Багато разів наука не працює лінійно; натомість вчені постійно роблять висновки і роблять узагальнення, знаходячи закономірності в міру їх дослідження. Наукове міркування є більш складним, ніж підказує сам науковий метод.
Фундаментальні та прикладні науки
Наукове співтовариство останні кілька десятиліть веде дискусії про цінність різних видів науки. Чи цінно займатися наукою заради простого отримання знань, чи наукові знання варті лише в тому випадку, якщо ми можемо застосувати їх для вирішення конкретної проблеми або покращення нашого життя? Це питання зосереджується на відмінностях між двома видами науки: фундаментальною наукою та прикладною наукою.
Фундаментальна наука або «чиста» наука прагне розширити знання незалежно від короткострокового застосування цих знань. Він не орієнтований на розробку продукту чи послуги, що мають безпосередню публічну чи комерційну цінність. Безпосередньою метою фундаментальної науки є знання заради знань, хоча це не означає, що врешті-решт це може не призвести до застосування.
Навпаки, прикладна наука або «технологія» має на меті використовувати науку для вирішення реальних проблем, даючи можливість, наприклад, підвищити врожайність сільськогосподарських культур, знайти ліки від конкретного захворювання або врятувати тварин, яким загрожує стихійне лихо. У прикладній науці проблема зазвичай визначається для дослідника.
Деякі люди можуть сприймати прикладну науку як «корисну», а фундаментальну науку як «марну». Питання, яке ці люди можуть поставити вченому, який виступає за придбання знань, буде: «Навіщо?» Однак уважний погляд на історію науки показує, що базові знання призвели до багатьох чудових застосувань, що мають велику цінність. Багато вчених вважають, що перед розробкою програми необхідне базове розуміння науки; тому прикладна наука спирається на результати, отримані за допомогою фундаментальної науки. Інші вчені вважають, що настав час перейти від фундаментальної науки і замість цього знайти рішення актуальних проблем. Обидва підходи дійсні. Це правда, що є проблеми, які вимагають негайної уваги; однак мало рішень було б знайдено без допомоги знань, отриманих за допомогою фундаментальної науки.
Один із прикладів того, як фундаментальна та прикладна наука може працювати разом для вирішення практичних проблем, стався після відкриття структури ДНК, призвів до розуміння молекулярних механізмів, що регулюють реплікацію ДНК. Нитки ДНК, унікальні у кожної людини, знаходяться в наших клітині, де вони дають необхідні для життя інструкції. Під час реплікації ДНК створюються нові копії ДНК, незадовго до того, як клітина ділиться з утворенням нових клітин. Розуміння механізмів реплікації ДНК дозволило вченим розробити лабораторні методи, які зараз використовуються для виявлення генетичних захворювань, визначення осіб, які перебували на місці злочину, та визначення батьківства. Без фундаментальної науки навряд чи існувала б прикладна наука.
Іншим прикладом зв'язку між фундаментальними та прикладними дослідженнями є проект «Геном людини», дослідження, в якому кожна людська хромосома була проаналізована та відображена для визначення точної послідовності субодиниць ДНК та точного розташування кожного гена. (Ген є основною одиницею спадковості; повна колекція генів людини - це його геном.) Інші організми також були вивчені в рамках цього проекту, щоб краще зрозуміти хромосом людини. Проект «Геном людини» (Малюнок нижче) спирався на фундаментальні дослідження, проведені з організмами, що не є людьми, а пізніше - з геномом людини. Важливою кінцевою метою врешті-решт стало використання даних для прикладних досліджень, які шукають ліки від генетично пов'язаних захворювань.
Звітна наукова робота
Незалежно від того, чи є наукові дослідження фундаментальною наукою чи прикладною наукою, вчені повинні поділитися своїми висновками для інших дослідників, щоб розширити та розвивати свої відкриття. Комунікація та співпраця всередині та між піддисциплінами науки є ключовими для просування знань у науці. З цієї причини важливим аспектом роботи вченого є поширення результатів і спілкування з однолітками. Вчені можуть ділитися результатами, представивши їх на науковій зустрічі або конференції, але такий підхід може охопити лише обмеженого числа присутніх. Натомість більшість вчених представляють свої результати в рецензованих статтях, які публікуються в наукових журналах. Рецензовані статті - це наукові статті, які рецензуються, як правило, анонімно колегами вченого або колегами. Ці колеги - кваліфіковані особи, часто фахівці в одній і тій же області досліджень, які судять про те, чи підходить робота вченого для публікації. Процес рецензування допомагає гарантувати, що дослідження, описані в науковій роботі або грантовій пропозиції, є оригінальними, значущими, логічними та ґрунтовними. Грантові пропозиції, які є запитами на фінансування досліджень, також підлягають експертній оцінці. Вчені публікують свою роботу, щоб інші вчені могли відтворювати свої експерименти в подібних або різних умовах, щоб розширити результати. Експериментальні результати повинні відповідати висновкам інших вчених.
Є багато журналів і популярної преси, які не використовують систему рецензування. Зараз доступна велика кількість онлайн-журналів з відкритим доступом, журналів зі статтями, доступними без витрат, багато з яких використовують суворі системи рецензування, але деякі з яких цього не роблять. Результати будь-яких досліджень, опублікованих на цих форумах без рецензування, не є достовірними і не повинні лягати в основу іншої наукової роботи. За одним винятком журнали можуть дозволити досліднику цитувати особисте повідомлення іншого дослідника про неопубліковані результати з дозволу цитованого автора.