Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.2: Науковий метод

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    3849

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Науковий метод являє собою процес дослідження з визначеними етапами, які включають збір даних і ретельне спостереження.

    Спостереження

    Наукові досягнення починаються зі спостережень. Це передбачає помічення закономірності, прямо чи опосередковано з літератури. Прикладом прямого спостереження можна помітити, що у вашому дворі було багато жаб з тих пір, як ви ввімкнули спринклери, де в якості непрямого спостереження було б читання наукового дослідження, яке повідомляє про високу щільність жаб у міських районах з политими газонами.

    Під час війни у В'єтнамі (рисунок\(\PageIndex{a}\)) повідомлення преси з Північного В'єтнаму задокументували зростання рівня вроджених дефектів. Хоча ця достовірність цієї інформації спочатку була поставлена під сумнів США, вона викликала питання про те, що може спричинити ці вроджені дефекти. Крім того, збільшення частоти деяких видів раку та інших захворювань пізніше з'явилося у ветеранах В'єтнаму, які повернулися до США. Це призводить нас до наступного кроку наукового методу, питання.

    Стара карта показує, що Північний В'єтнам відокремлений від Південного В'єтнаму
    Ілюстрація\(\PageIndex{a}\): Карта В'єтнаму 1954-1975 рр. Зображення з Бюро зв'язків з громадськістю США Урядова поліграфія (суспільне надбання).

    Питання

    Питання крок наукового методу просто задається, чим пояснюється спостережувана закономірність? Кілька питань можуть випливати з одного спостереження. Вчені та громадськість почали запитати, що спричиняє вроджені вади у В'єтнамі та хвороби ветеранів В'єтнаму? Чи може це бути пов'язано з широким військовим використанням гербіциду Agent Orange для очищення лісів (малюнок\(\PageIndex{b-c}\)), що допомогло легше ідентифікувати ворогів?

    Стеки зелених барабанів, кожен з помаранчевою смугою посередині
    Малюнок\(\PageIndex{b}\): Агент Оранжеві барабани у В'єтнамі. Зображення уряду США (суспільне надбання).
    Пташиного польоту здорового лісу, що оточує річку (зверху) і безплідний, коричневий пейзаж після застосування гербіциду.
    Малюнок\(\PageIndex{c}\): Здоровий мангровий ліс (верхівка), і ще один ліс після застосування Agent Orange. Зображення невідомого автора (суспільне надбання).

    Гіпотези і передбачення

    Гіпотеза є очікуваною відповіддю на питання. Найкращі гіпотези констатують запропонований напрямок ефекту (збільшення, зменшення тощо) і пояснюють, чому гіпотеза може бути правдою.

    • Гаразд гіпотеза: Агент Оранж впливає на рівень вроджених вад і захворювань.

    • Краща гіпотеза: Агент Оранж збільшує частоту вроджених вад та захворювань.

    • Найкраща гіпотеза: Агент Оранж збільшує частоту вроджених вад та захворювань, оскільки про ці проблеми зі здоров'ям часто повідомляли особи, які зазнали впливу цього гербіциду.

    Якщо дві або більше гіпотез відповідають цьому стандарту, краща більш проста.

    Пророцтва випливають з гіпотези. Прогнозування пояснює, які результати підтримують гіпотезу. Передбачення є більш конкретним, ніж гіпотеза, оскільки воно посилається на деталі експерименту. Наприклад, «Якщо Agent Orange викликає проблеми зі здоров'ям, то миші експериментально піддаються TCDD, забруднюючої речовини Agent Orange, під час розвитку матимуть більш часті вроджені вади, ніж контрольні миші» (рис.\(\PageIndex{d}\)).

    Структурна формула TCDD, що показує три плавлених кільця
    Малюнок\(\PageIndex{d}\): Хімічна структура TCDD (2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-діоксину), яка утворюється при синтезі хімічних речовин в агенті Orange. Він забруднює агент Orange при низьких, але шкідливих концентраціях. Зображення Емельдіра (суспільне надбання).

    Гіпотези та прогнози повинні бути перевірені, щоб переконатися, що вони дійсні. Наприклад, гіпотеза, яка залежить від того, що думає ведмідь, не піддається перевірці, оскільки ніколи не можна дізнатися, що думає ведмідь. Це також повинно бути фальсифікованим, а це означає, що вони мають здатність бути перевірені і продемонстровані як неправдиві. 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.

    Гіпотези є орієнтовними поясненнями і відрізняються від наукових теорій. Наукова теорія - це широко прийняте, 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, але вони не дають пояснень, чому вони відбуваються.

    Розробка експерименту

    Далі планується наукове дослідження (експеримент), щоб перевірити гіпотезу і визначити, чи відповідають результати прогнозам. Кожен експеримент матиме одну або кілька змінних. Незалежна змінна - це те, що вчені припускають, може викликати щось інше. У маніпулятивному експерименті (див. Нижче) незалежною змінною маніпулює вчений. D залежна змінна - це відповідь, змінна в кінцевому підсумку вимірюється в дослідженні. Контрольовані змінні (заплутані фактори) можуть впливати на залежну змінну, але вони не є предметом дослідження. Вчений намагається стандартизувати контрольовані змінні, щоб вони не впливали на результати. У нашому попередньому прикладі вплив Agent Orange є незалежною змінною. Викладається гіпотеза викликати зміну стану здоров'я (ймовірність народження дітей з вродженими вадами або розвитку захворювання) залежної змінної. Багато інших речей може вплинути на здоров'я, включаючи дієту, фізичні вправи та сімейний анамнез. Це керовані змінні.

    Існує два основних типи наукових досліджень: експериментальні дослідження (маніпулятивні експерименти) і спостережні дослідження.

    У маніпулятивному експерименті незалежна змінна змінюється вченими, які потім спостерігають за відповіддю. Іншими словами, вчені застосовують лікування. Прикладом може бути піддаючи розвиваючих мишей TCDD та порівняння швидкості вроджених дефектів з контрольною групою. Контрольна група - це група випробуваних, які максимально схожі на всіх інших випробуваних, за винятком того, що вони не отримують експериментального лікування (ті, які отримують його, відомі як експериментальна, лікувальна або тестова група). Мета контрольної групи - встановити, якою буде залежна змінна в нормальних умовах, за відсутності експериментального лікування. Він служить базовою лінією, з якою можна порівняти досліджувану групу. У цьому прикладі контрольна група міститиме мишей, які не піддавалися дії TCDD, але в іншому випадку оброблялися так само, як і інші миші (малюнок\(\PageIndex{e}\))

    П'ять білих мишей в клітці з червоними очима
    Малюнок\(\PageIndex{e}\): Лабораторні миші. У належному науковому дослідженні лікування застосовуватиметься до декількох мишей. Інша група мишей не отримає лікування (контрольна група). Зображення Аарона Логана (CC-BY).

    У спостережному дослідженні вчені досліджують кілька зразків з передбачуваною причиною та без неї. Прикладом може бути моніторинг здоров'я ветеранів, які мали різний рівень впливу Agent Orange.

    Наукові дослідження містять багато реплікацій. Кілька зразків гарантують, що будь-яка спостережувана картина обумовлена лікуванням, а не природними відмінностями між особами. Наукове дослідження також повинно бути повторюваним, а це означає, що якщо воно проводиться знову, дотримуючись тієї ж процедури, воно повинно відтворювати ті ж загальні результати. Крім того, кілька досліджень в кінцевому підсумку перевірять ту саму гіпотезу.

    Результати

    Нарешті, дані збираються та аналізуються результати. Як описано в розділі Math Blast, статистичні дані можна використовувати для опису даних та узагальнення даних. Вони також забезпечують критерій для прийняття рішення про те, чи є закономірність у даних достатньо сильною, щоб підтримати гіпотезу.

    Маніпулятивний експеримент у нашому прикладі виявив, що миші, які піддавалися високому рівню 2,4,5-T (компонент Agent Orange) або TCDD (забруднювач, знайдений в Agent Orange) під час розвитку мали вроджений дефект розщеплення піднебіння частіше, ніж контрольні миші (малюнок\(\PageIndex{f}\)). Ембріони мишей також частіше гинуть при впливі TCDD порівняно з контролем.

    Дитина з проміжком у верхній губі
    Малюнок\(\PageIndex{f}\): Ущелина губи і піднебіння, вроджений дефект, при якому ці структури розщеплюються. Зображення Джеймса Хейлмана, доктора медичних наук (CC-BY-SA).

    Спостережне дослідження показало, що самостійне вплив агента Оранж позитивно корелював із захворюваністю численних захворювань у корейських ветеранів війни у В'єтнамі, включаючи різні види раку, захворювання серцево-судинної та нервової систем, шкірні захворювання та психологічні розлади. Зверніть увагу, що позитивна кореляція просто означає, що незалежні та залежні змінні збільшуються або зменшуються разом, але подальші дані, такі як докази, надані маніпулятивними експериментами, необхідні для документування причинно-наслідкового зв'язку. (Негативна кореляція виникає, коли одна змінна збільшується, а інша зменшується.)

    Висновок

    Нарешті, вчені роблять висновок щодо того, чи підтримують дані гіпотезу. У випадку з Agent Orange дані про те, що миші, які піддаються дії TCDD і 2,4,5-T, мали більш високі частоти розщеплення піднебіння, відповідають прогнозу. Крім того, ветерани, які піддаються впливу агента Оранжа, мали більш високі показники певних захворювань, що ще більше підтримувало гіпотезу. Таким чином, ми можемо прийняти гіпотезу про те, що агент Оранж збільшує частоту вроджених дефектів та захворювань.

    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 (малюнок\(\PageIndex{g}\)). Навіть якщо гіпотеза була підтримана, вчені все одно можуть продовжувати тестувати її по-різному. Наприклад, вчені досліджують вплив Agent Orange, вивчаючи довгострокові наслідки для здоров'я у віці ветеранів В'єтнаму.

    Блок-схема наукового методу, що показує стрілки, що ведуть від пізніших кроків до попередніх кроків
    Малюнок\(\PageIndex{g}\): Науковий метод являє собою низку визначених кроків, які включають експерименти та ретельне спостереження. Кроки такі: зробити спостереження; поставити питання; сформувати гіпотезу, яка відповідає на питання; зробити прогноз на основі гіпотези; провести експеримент для перевірки прогнозу; проаналізувати результати; і повідомити про результати. Чи підтримується гіпотеза чи не підтримується, результати все ще повідомляються. Якщо гіпотеза не підкріплена даними, може бути запропонована нова гіпотеза.

    Наукові висновки можуть впливати на прийняття рішень. У відповідь на докази щодо впливу Agent Orange на здоров'я людини тепер доступна компенсація ветеранам В'єтнаму, які зазнали впливу Agent Orange та розвинули певні захворювання. Використання Agent Orange також заборонено в США Нарешті, США почали очищення об'єктів у В'єтнамі, які все ще забруднені TCDD.

    Спираючись на роботу інших

    Лише рідко наукове відкриття весняне повномасштабне на сцені. Коли це станеться, це, швидше за все, створить революцію в тому, як вчені сприймають навколишній світ і відкриє нові напрямки наукових досліджень. Теорія еволюції Дарвіна і правила спадкування Менделя є прикладами таких революційних розробок. Більшість науки, однак, полягає в додаванні ще однієї цегли до будівлі, яка була повільно і ретельно побудована попередньою роботою.

    Розвиток нової методики часто закладає основу для швидкого прогресу по багатьох різних наукових напрямках. Просто врахуйте досягнення в біології, що відкриття світлового мікроскопа, а пізніше електронного мікроскопа стало можливим. На цих сторінках є багато прикладів експериментальних процедур. Кожна розроблялася для вирішення тієї чи іншої проблеми. Однак кожен був тоді взятий працівниками інших лабораторій і застосовувався до своїх проблем.

    Подібним чином створення нового пояснення (гіпотези) у науковій галузі часто стимулює працівників у суміжних галузях переглянути власну сферу у світлі нових ідей. Наприклад, теорія еволюції Дарвіна мала величезний вплив практично на кожну підспеціальність біології, а також екологічної науки. До цього дня вчені за такими різними спеціальностями, як біохімія і біологія збереження керуються в своїй роботі еволюційною теорією (малюнком\(\PageIndex{g}\)).

    Коричнево-жовта жаба сидить на скелі.
    Малюнок\(\PageIndex{h}\): Розуміння зникаючої гірської жовтоногою жаби через об'єктив еволюції та генетики допомогло її збереженню. Зображення Ісаака Челмана/NPS (CC-BY).

    Посилання

    Інститут медицини (США) Комітет з огляду впливу на здоров'я ветеранів В'єтнаму впливу гербіцидів. Ветерани та агент Помаранчевий: вплив гербіцидів на здоров'я, що використовуються у В'єтнамі. Вашингтон (округ Колумбія): Національна академія преси (США); 1994. 2, Історія суперечок щодо використання гербіцидів.

    Neubert, D., Dillmann, I. ембріотоксичні ефекти у мишей, оброблених 2,4,5-трихлорфеноксіоцтової кислотою і 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-діоксином. Арка Науніна-Шмідеберга. Фармакол. 272, 243—264 (1972).

    Стеллман, Дж. М., & Стеллман С.Д. (2018). Агент Оранж під час війни у В'єтнамі: Тривале питання його цивільного та військового впливу на здоров'я. Американський журнал громадського здоров'я, 108 (6), 726—728.

    І, С., Ор, Х., Хонг, Дж., І І, Дж. Агент Помаранчевий вплив і поширеність самоповідомлених захворювань у ветеранів Кореї В'єтнаму. Журнал профілактичної медицини та громадського здоров'я = Yebang Uihakhoe chi, 46 (5), 213—225.

    Атрибуції

    Модифікований Мелісою Ха з наступних джерел: