1.2: Наука та експерименти
- Page ID
- 7685
До кінця цього розділу ви зможете:
- Опишіть, чому наука вважається дисципліною філософії.
- Підсумуємо чотири основні типи експериментів.
- Застосовуйте принципи експериментального дизайну в цьому курсі та у своєму повсякденному житті.
Думаючи про науку
Основна мета цього розділу - допомогти вам задуматися про природу науки. Ви можете приймати цей курс, щоб виконати вимогу бакалаврату для курсу біології з лабораторією. Цей курс відповідає цій вимозі, оскільки ми досліджуємо процес використання науки як способу вивчення природного світу навколо нас. Якщо ви починаєте шлях до того, щоб стати вченим рослин, розуміння природи науки буде важливим для вас у вашій кар'єрі
Незалежно від того, чи збираєтеся ви продовжувати кар'єру вченого, зараз хороший час задуматися про природу науки, і зрозуміти, як наукове мислення може стати стратегією вирішення багатьох питань, з якими ви стикаєтеся в повсякденному житті.
Подивіться це відео про з'єднання науки та експериментів з реальним життям:
Науковий запит
Хоча «наука» - це слово, яке зазвичай використовується в нашій культурі, в народному вживанні про нього рідко говорять як про філософію. Визначаючи науку як філософію, ми приймаємо гносеологічний погляд, зосереджуючись на тому, як знання здобуваються.
За своєю суттю наука - це спосіб дослідження: спосіб отримання нових знань про навколишній світ і стратегія розуміння внутрішньої роботи елементів у цьому світі. Вчені вважають, що якщо ми будемо слідувати принципам цієї філософії, ми продовжимо розширювати свої знання про те, як все працює в навколишньому світі. Такий системний підхід називається «науковим методом».
У науковому методі є два ключових етапи:
- Побудова гіпотези через рефлексивне спостереження
- Перевірка гіпотез шляхом експериментів.
«Гіпотеза» - це питання або запропоноване пояснення, зроблене на основі обмежених доказів і використовується в якості відправної точки для експериментів. Експерименти зазвичай прирівнюються до науки - це справедливо, оскільки гіпотези оцінюються на основі доказів, отриманих в результаті експериментів. Експерименти, однак, не вся історія. Наука, включаючи розробку та перевірку нових гіпотез, також є творчим зусиллям.
Дивіться це відео про наукове дослідження:
Наукове дослідження породило величезний масив знань про навколишній світ. Ваші шкільні заняття з науки, можливо, вимагали від вас запам'ятовування фактів і стосунків, а також звертати увагу на деталі. Іноді таке запам'ятовування змушує студентів вважати, що наука - це лише накопичення фактів, а не процес виявлення всієї цієї інформації.
Наукове відкриття спирається на те, що вже відомо. Навіть найдосвідченіші вчені спочатку підходять до проблеми, вивчаючи те, що вже відомо. Озброївшись цією інформацією, вони потім застосовують власну творчість, щоб сформувати нові гіпотези про те, що вони спостерігали, і розробляють експерименти для перевірки цих гіпотез. Вони також публічно повідомляють про свої результати, щоб інші могли скористатися їхньою роботою та мати можливість оскаржити висновки. Таким чином наука будує на собі.
Фундаментальні знання, які ви вивчаєте на заняттях з науки, готує вас до розробки та перевірки гіпотез та до нових власних відкриттів. Хоча хороша пам'ять може допомогти вам пройти заняття з науки, ви будете більш ефективно поглинати тіло знань, коли ви дізнаєтеся, як факти підходять і працюють разом в системах, а не вчитися через грубу силу запам'ятовування.
У цьому розділі ми працюємо з точки зору, що наука є способом здобуття знань - спосіб запитів - і що цей спосіб розслідування слідує процесу, який називається науковим методом. Ті, хто слідує філософії науки:
- Використовуйте його, щоб зрозуміти, як працює світ природи.
- Почніть з вивчення того, що вже відомо.
- Уважно спостерігайте за суб'єктами їх наукового дослідження та шукайте деталі про форму, функцію та взаємодію з навколишнім середовищем.
- Розробити гіпотези про внутрішню роботу ще не зрозумілих природних явищ.
- Перевірте свої гіпотези, роблячи спостереження, проводячи експерименти та збираючи та оцінюючи докази.
- Спілкуйтеся з іншими про свої гіпотези, експерименти та результати своїх досліджень, щоб інші могли повторити, підтвердити та спиратися на свою роботу.
Хоча наука зазвичай використовується для розуміння того, як працює природний світ, вона також регулярно застосовується для розробки нових технологій, які засновані на цих природних явищах, і до вирішення проблем, пов'язаних зі світом природи.
Введення наукового методу в роботу
Як зазначалося, науковий метод спирається на побудову гіпотез, а потім тестування їх шляхом експериментів. У лабораторному розділі цього курсу ви розробите гіпотези про вплив різних методів лікування на успіх поширення, а потім проведіть експерименти для перевірки цих гіпотез. Оскільки експериментування є таким ключовим компонентом наукового методу, ми витратимо час на характеристику та вивчення чотирьох типів експериментів та вивчимо, чи є вони частиною наукового методу. Хоча кожен є цінним при застосуванні в правильних обставин, лише один чітко слідує кожному кроку наукового методу, щоб розкрити нові знання про природний світ.
види експериментів
Типи експериментів, які ми розглянемо, такі:
- Демонстрація
- Оцінка
- Розвідка
- Діскавері
Демонстраційні експерименти
Демонстраційні експерименти - це класичний метод, який використовується в освітніх умовах, щоб допомогти студентам дізнатися і зрозуміти відомі відносини, вже виявлені іншими. Учні, як правило, мали попередній вплив на відносини через попередні спостереження, лекції, читання та обговорення, і матимуть певне відчуття того, що може бути експериментальний результат.
Хороші демонстраційні експерименти активно залучають учня, який маніпулює експериментальними матеріалами, застосовує методи лікування та спостерігає за результатами, потім збирає, аналізує та інтерпретує отримані дані. Погані демонстраційні експерименти, навпаки, роблять учнів лише пасивними свідками чогось, зробленого експертом перед класом.
У лабораторіях розмноження рослин для цього курсу ви будете активно займатися демонстраційними експериментами. Хоча ви не будете створювати нові знання, знання, швидше за все, будуть новими для вас. Практичний досвід проведення експериментів допоможе вам вивчити поняття ефективніше, ніж якби ви читали тільки підручник або слухали лекцію. Методи, які ви вивчаєте та використовуєте в демонстраційних експериментах, часто сприяють досвіду навчання так само, як відносини, виявлені під час висновку експерименту. Використання цих методів допоможе вам отримати розуміння багатьох біологічних функцій, таких як виробництво додаткових коренів і механізмів розгону насіння.
Хоча демонстраційні експерименти цінні для активного вивчення сукупності наукових знань, раніше виявлених та переданих іншими, досвід спеціально організований для викладання та навчання, а не для відкриття нової інформації. Проте, оскільки знання є новим для учня, воно все ще може принести радість особистого відкриття та почуття виконаного.
Підсумовуючи, демонстраційні експерименти:
- Призначені для викладання і навчання.
- Звертайтеся до відносин, які можуть бути новими для вас, але відомі інакше.
- У своїх кращих формах активно залучайте учня.
- Може підкреслити експериментальні методики, крім результатів, як частину навчального досвіду.
- Чи не ті типи експериментів, які лежать в основі практики науки як спосіб розкрити нові знання.
Оціночні експерименти
Оціночні експерименти покликані допомогти нам приймати рішення, і вибирати з ряду варіантів. Наприклад, вони можуть допомогти нам визначити ефективність нового лікування щодо відомого лікування або прийняти рішення про подальші експерименти. Оціночний експеримент виділить з'єднання, техніку, одиницю обладнання або організм, і включатиме контроль та/або інші альтернативи.
Оціночні експерименти поширені в садівничих та агрономічних дослідженнях, де метою експерименту є виявлення, наприклад, найкращого сорту, способу виробництва, боротьби з шкідниками, режиму родючості або інтенсивності світла для вирощування культури. Правильний експериментальний дизайн має вирішальне значення для забезпечення того, щоб висновки з експерименту були значущими та достовірними.
Ці експерименти зазвичай використовуються при розробці нових технологій для визначення найкращого методу для бажаної мети (наприклад, які пестициди ефективні проти цільової комахи, але не шкідливі для нецільових комах). Вони не використовуються для відкриття нових знань про те, як працює світ, оскільки вони, як правило, не просувають наше розуміння природного світу. Однак інформація з оціночного експерименту може вказати шлях до додаткових експериментів, які допомагають нам відкрити нові знання. Це особливо вірно, якщо результат оціночного експерименту несподіваний або новий.
Підсумовуючи, оціночні експерименти:
- Використовуються для допомоги в прийнятті рішень.
- Допоможіть користувачам вибрати переможця або визначити ефективність щодо інших альтернатив.
- Зазвичай використовуються при оцінці та рекомендації методів садівничого виробництва.
- Може бути корисним при вирішенні завдань і розробці технологій.
- Потрібен належний експериментальний дизайн (наприклад, порівняння з контролем) для достовірності та значущості.
Експерименти розвідки
Деякі вчені спеціалізуються на спостереженні та каталогізації природи, а деякі, як і члени групи, яка відкрила новий вид гомінідів, Homo naledi в південноафриканській печері, агресивно шукають раніше невідомі явища. У ботанічній сфері такі вчені вивчають різноманітність організмів у місцях існування, відкривають нові види або іншими способами дуже вміють «бачити» природу. Дослідники-вчені визнають і цінують деталі і можуть визначити величезну різноманітність серед рослин, порівнюючи характеристики, які можуть бути пропущені іншими. Вони також можуть мати здатність розпізнавати можливі взаємозв'язки між організмами та середовищами існування, що робить їх роботу особливо важливою для науки. Наприклад, вони можуть помітити, що певний вид рослин зазвичай зустрічається у вологих районах, але не в сухих, або що конкретний овоч смакує солодший при вирощуванні на більшій висоті, ніж при вирощуванні ближче до рівня моря. Вони не підтверджують причину цих стосунків, але першими їх помічають.
Спостереження дослідників мають важливе значення для стимулювання розвитку звукових, перевірених гіпотез. Можливі відносини, які вони пропонують, повинні бути перевірені, щоб визначити, чи існують ці відносини насправді, або є артефактами інших ефектів. Дослідники допомагають розробити гіпотези, але робота з розвідки, каталогізації та бачення можливих зв'язків не доводить або спростовує гіпотези або обов'язково генерує нові знання про відносини. Робота, однак, призводить до отримання нової інформації про існування самого об'єкта або явища. Винятком є дослідження, проведене для перевірки гіпотези, наприклад, місії для перевірки гіпотези про те, що певний тип екосистеми необхідний для відтворення певного виду рослин.
Вчені повинні протистояти стрибкам до висновків, заснованих лише на розвідці та спостереженні. Наприклад, якщо ви бачите двох людей разом багато разів, ви можете зробити висновок, що вони романтична пара, коли насправді вони брат і сестра. Відносини, гіпотезовані в результаті дослідження та спостереження, повинні бути експериментально перевірені, перш ніж вони будуть прийняті або відхилені.
Експерименти з розвідки розкривають нові речі, багато з яких можуть бути захоплюючими і врешті-решт змінити наш погляд на світ. Хоча однією з їх найбільших цінностей є те, що вони призводять до розробки нових і сильніших гіпотез про те, як працює світ, вони йдуть так далеко, щоб перевірити ці гіпотези або повністю взяти участь у циклі генерації знань, пов'язаного з науковим методом. Додаткові експерименти, засновані на цій новій інформації, необхідні для того, щоб поставити цю нову інформацію в контекст і просунути наше розуміння того, як працює природний світ.
Підсумовуючи тоді, дослідні експерименти:
- Зосередьтеся на детальному спостереженні за організмами і середовищами проживання.
- Збільшити наші знання про світ природи.
- Визначте потенційні відносини, які потрібно перевірити.
- Є важливими для формування звукових та перевірених гіпотез.
Експерименти відкриття
Експерименти з відкриттям мають центральне значення для використання наукового методу в задачах, починаючи від вирішення проблем і закінчуючи відкриттям нових знань. Вони зосереджуються на розкритті нових стосунків та вирішенні проблем, дотримуються наукового методу, перевіряють гіпотези та їх прогнозовані результати, а також використовують ретельний дизайн, щоб зберегти осмисленість та довіру.
Подібність між науковим методом і циклом експериментального навчання Колба не випадкова. Науковий метод - це практична стратегія, заснована на тому, як ми відчуваємо і відчуваємо навколишній світ і використовується для вирішення проблем, що виникають під час цього досвіду.
Наведена вище діаграма ілюструє поєднання наукового методу та чотириступеневого експериментального навчання Колба, що описує циклічний процес вирішення проблем, які можуть бути застосовані до дисциплін, таких як молекулярна біологія, глобальне потепління і навіть ремонт приладів. Хоча спочатку ви можете подумати, що ремонт приладів не належить до цього списку, різниця полягає в застосуванні, а не методі. Хоча далеко віддалені від езотеричних наукових відкриттів, які ми пов'язуємо з науковим методом, ремонт приладів відбувається за тими ж кроками. Побутова техніка - це часто, і в буквальному сенсі, коробки, де ви не знаєте, що відбувається всередині. Але те, що відбувається всередині, пізнається, і завдяки цим знанням приходить ремонт.
Навчання/вирішення проблем/науковий процес теоретично може початися в будь-якому місці циклу Колба. Але це, швидше за все, почнеться з проблеми, яку потрібно вирішити, те, що ви не розумієте, але хотіли б дізнатися більше про. Ви усвідомлюєте, що є проблема або що вам не вистачає розуміння, тому що у вас є досвід, коли ви щось спостерігаєте, а потім відступаєте назад і сказали: «Цікаво, як це працює», або, можливо, «чому це зламано?» Завдяки спостереженню ви розробляєте достатньо адекватний опис проблеми, щоб почати робити деякі дослідження того, що вже відомо.
Маючи хороший опис проблеми в руках, ви можете почати переглядати те, що відомо через роботу інших, і подумати про те, що може відбуватися у вашій ситуації і як ваше нове розуміння може бути застосовано до проблеми. Це «рефлексивне спостереження». Це не просто сидіти і думати у вакуумі. Вам потрібна сировина, щоб ваш розум працював над, і це лише через важке завдання збору та взаємодії з довідковою інформацією. Існує дуже важлива тиха фаза в цьому процесі, коли ви дозволяєте своєму розуму збирати та сортувати ідеї, поки не почнуть з'являтися альтернативи, які можуть призвести до рішення. Розмова з іншими та обмін ідеями є важливою частиною цієї тихої фази.
Іноді альтернативою є ні- brainers (перегорів запобіжник?) , а іноді вони більш творчі (залишок від неправильного миючого засобу, що піднімає датчик рівня води?). Незалежно від їх простоти чи складності, вони стають гіпотезами, які потрібно перевірити. Етап побудови гіпотези включає як твердження про те, як щось працює або чому це не працює, так і прогнози про те, що може статися, якщо гіпотеза вірна. Наприклад, при ремонті побутової техніки передбачається, що прилад буде нормально функціонувати. У садівничій молекулярній біології, можливо, ви побачите накопичення певного типу жирної кислоти в сім'ядолі.
Ви ставите гіпотезу на перевірку, розробивши експеримент, який оцінює, чи були ваші прогнози правильними. Якщо результат не відповідає вашому прогнозу, ви відхиляєте гіпотезу (запобіжник був нормальним, так що це не було проблемою). Якщо результат відповідає вашому прогнозу, ви орієнтовно приймаєте гіпотезу, очікуючи подальшого спостереження (коли запобіжник був замінений пральна машина знову працювала, тому це міг бути перегораний запобіжник, але з іншого боку, можливо, це було тільки тому, що двигун встиг охолонути). Як і в експериментах з оцінкою, експериментальний дизайн важливий для забезпечення того, щоб висновки експерименту були значущими та достовірними.
Експериментування призводить до нових переживань і поступового збільшення знань, а потім цикл починається знову.
Підсумовуючи, експерименти з відкриття:
- Зосередьтеся на розкритті нових відносин і вирішенні проблем.
- Дотримуйтесь наукового методу.
- Перевірте гіпотези та їх прогнозовані результати.
- Використовуйте ретельний дизайн для того, щоб зберегти осмисленість і довіру.
Резюме
З чотирьох типів експериментів тільки досліди відкриття є основою процесу науки у вузькому сенсі бути способом отримання нових знань. Інші три типи експериментів все ще важливі; демонстраційні та оціночні експерименти цінні для навчання та прийняття рішень, а також для розробки технологій, а експерименти з розвідки мають важливе значення для розробки тестованих гіпотез. Але експерименти з відкриттями є основою науки.
Пам'ятайте: методика ефективного ремонту пральної машини, при застосуванні до того, що невідомо про фізичний світ, є методологією науки. Це не езотерика, це хороший ремонт побутової техніки.
Ви можете стверджувати, що при застосуванні до зламаної пральної машини експеримент відкриття призводить до знань, які, ймовірно, вже відомі досвідченим у ремонті приладів, тому це насправді не нові знання про те, як працює світ. Це справедлива критика. Використання наукового методу може призвести до нових знань про те, як працює світ, але чи розкриває він нові знання, залежить від об'єкта експериментів.
Інтерактивний елемент H5P був виключений з цієї версії тексту. Ви можете переглянути його онлайн тут:
https://open.lib.umn.edu/horticulture/?p=94#h5p-3
Експериментальний дизайн
Методи проектування експериментів ретельно вивчені і часто дисципліноспецифічні. Наприклад, методи, що використовуються в молекулярній біології, будуть дещо відрізнятися від методів, що використовуються в хімії або в польових оцінках садівничих рослин. Однак є деякі узагальнення, які ми можемо зробити про хороші експериментальні конструкції.
Підкресліть порівняння
Експерименти включають не тільки одне лікування. «Лікування» означає фактор, який ви змінюєте в своєму експерименті - наприклад, різні сорти томатів, різні добрива або різну кількість світла. Експериментальні конструкції включають порівняння методів лікування. Зазвичай ви порівнюєте лікування один з одним і часто з контролем, який є або застосуванням ніякого лікування, або застосування звичного або стандартного рівня лікування.
Якщо ви вирощуєте певний тип помідорів у своєму саду і виявите, що він дає смачні плоди, ви б оголосили його найкращим сортом томатів, який ви могли б виростити? Звичайно, ні. Ви навіть не могли з упевненістю сказати, що це був найкращий сорт томатів, який ви коли-небудь вирощували (якщо тільки він не єдиний, який ви вирощували). Однак наступного року ви можете виростити цей помідор як ваш контроль, і виростити два інших сорти, які подобаються вашим сусідам, і порівняти якість плодів (зовнішній вигляд, смак, врожайність, вміст цукру). Тоді ви могли б сказати щось остаточне про три сорти томатів, тому що ви порівняли їх один з одним після вирощування їх поруч один з одним в тому ж році та навколишньому середовищі.
Реплікація лікування
Таке ж лікування застосовується до більш ніж однієї «експериментальної одиниці» - об'єкту, який отримує лікування. У наведеному вище прикладі рослина томатів є експериментальною одиницею, і ви, можливо, посадили два-три саджанці кожного сорту томатів, а не лише один. Подумайте про обробку як щось на зразок добрива, розкинутого на ділянці землі. Кладка землі є експериментальною одиницею, тоді як добриво - обробка.
Застосовуючи лікування до більш ніж однієї експериментальної одиниці, ви можете оцінити варіацію, яку ви отримуєте, коли дві експериментальні одиниці обробляються однаково, і порівняти це з варіацією, коли експериментальні одиниці дають різні методи лікування. Якщо методи лікування насправді відрізняються за своєю ефективністю, ви очікуєте, що різниця між експериментальними одиницями, що даються різні методи лікування, буде набагато більшою, ніж варіація між тими, які отримують однакове лікування. Це один із фундаментальних способів статистичного аналізу експериментів, а методи лікування оголошені значно різними чи ні.
Рандомізувати лікування
Як тільки ви знаєте, скільки процедур ви збираєтеся застосувати, і скільки реплікацій ви хочете, продукт цих двох величин (# лікування × # реплікації) дорівнює кількості експериментальних одиниць, які вам потрібні. Наприклад, якщо у вас є три добрива, які ви хочете перевірити, плюс контроль, у вас є чотири обробки. Якщо ви хочете три реплікації кожної обробки, то вам 4 обробки х 3 реплікації = 12 експериментальних одиниць або ділянок землі, де ви будете застосовувати добрива. Обробки будуть випадковим чином призначені для кожної експериментальної одиниці (ділянка землі). Це робиться за допомогою таблиці випадкових чисел і не просто випадковий вибір. Рандомізація допомагає мінімізувати будь-які упередження, які ви не визнали заздалегідь і контролювали іншими способами.
- Які два типи контрольних методів лікування?
- Збільшення кількості реплікацій збільшує кількість обробок або кількість експериментальних одиниць?
- Чи можете ви придумати приклад того, як рандомізація може захистити від упередженості?