Eksperymentowanie to metoda, za pomocą której naukowcy badają zjawiska naturalne w nadziei zdobycia nowej wiedzy. Dobre eksperymenty są zgodne z logicznym projektem, aby wyizolować i przetestować konkretną zmienną, która jest dokładnie zdefiniowana. Poznając podstawowe zasady projektowania eksperymentów, będziesz w stanie zastosować te zasady do własnych eksperymentów. Bez względu na zakres, wszystkie dobre eksperymenty działają zgodnie z logicznymi i dedukcyjnymi zasadami metody naukowej, od projektów zegara ziemniaczanego piątej klasy po zaawansowane badania nad bozonem Higgsa.
Krok
Metoda 1 z 2: Projektowanie eksperymentów naukowych
Krok 1. Wybierz konkretny temat
Eksperymenty, których wyniki prowadzą do zmiany sposobu myślenia naukowego, są bardzo, bardzo rzadkie. Większość eksperymentów odpowiada na pewne małe pytania. Wiedza naukowa jest budowana na podstawie danych zgromadzonych w wielu eksperymentach. Wybierz temat lub pytanie bez odpowiedzi, które ma niewielki zakres i jest łatwe do przetestowania.
- Na przykład, jeśli chcesz poeksperymentować z nawozami rolniczymi, nie próbuj odpowiadać na pytanie „Jaki rodzaj nawozu jest najlepszy do uprawy roślin?” Na świecie istnieje wiele różnych rodzajów nawozów i wiele różnych rodzajów roślin – jeden eksperyment nie może dać uniwersalnych wniosków dla obu. Lepszym pytaniem do zaprojektowania eksperymentu byłoby „Jakie stężenie azotu w nawozie dało największy plon kukurydzy?”
- Współczesna wiedza naukowa jest bardzo, bardzo szeroka. Jeśli zamierzasz prowadzić badania naukowe, dokładnie zbadaj swój temat, zanim zaczniesz projektować eksperyment. Czy w poprzednich eksperymentach udzielono odpowiedzi na pytania, które były przedmiotem nauki w Twoim eksperymencie? Jeśli tak, czy istnieje sposób na dostosowanie tematu, aby odpowiedzieć na pytania, na które nie udzielono odpowiedzi w istniejących eksperymentach?
Krok 2. Wyizoluj zmienne
Dobre eksperymenty naukowe testują określone, mierzalne parametry zwane zmienny.
Ogólnie rzecz biorąc, naukowiec przeprowadza eksperyment dla wartości badanej zmiennej. Jedną istotną rzeczą podczas przeprowadzania eksperymentów jest dostosowanie tylko konkretna zmienna, którą testujesz (i żadnych innych zmiennych).
Na przykład w naszym przykładzie z nawozami nasz naukowiec zasadzi kilka dużych roślin kukurydzy w glebie nawożonej różnymi stężeniami azotu. Zapewni każdej roślinie wymaganą ilość nawozu dokładnie To samo. Dopilnuje, aby skład chemiczny stosowanych nawozów nie różnił się poza stężeniem azotu – np. nie będzie stosował nawozów o wyższym stężeniu magnezu do żadnej ze swoich upraw kukurydzy. W każdej ze swoich replik eksperymentalnych zasadzi również taką samą liczbę i gatunki roślin kukurydzy w tym samym czasie i na tym samym typie gleby.
Krok 3. Stwórz hipotezę
Hipoteza jest przewidywaniem wyników eksperymentalnych. Powinno to być coś więcej niż tylko zgadywanie - dobra hipoteza opiera się na badaniach przeprowadzonych przy wyborze tematu eksperymentu. Oprzyj swoją hipotezę na wynikach podobnych eksperymentów przeprowadzonych przez innych kolegów w twojej dziedzinie, jeśli rozwiązujesz problem, który nie został dogłębnie zbadany, w oparciu o dowolną kombinację badań literackich i zarejestrowanych obserwacji, jakie możesz znaleźć. Pamiętaj, że nawet jeśli przeprowadzisz najlepsze badania, Twoja hipoteza może okazać się błędna – w tym przypadku nadal poszerzasz swoją wiedzę, udowadniając, że Twoje przewidywania „nie” są prawidłowe.
Hipotezy są zazwyczaj wyrażane jako ilościowe zdania deklaratywne. Hipoteza wykorzystuje również sposób pomiaru parametrów eksperymentalnych. Dobra hipoteza dla naszego przykładu nawozu brzmi: „Roślina kukurydzy karmiona jednym funtem azotu na buszel da większą masę plonu niż równoważna uprawa kukurydzy uprawiana z innym dodatkiem azotu
Krok 4. Zaplanuj gromadzenie danych
Wiedz z wyprzedzeniem, „kiedy” będziesz zbierać dane i „jakiego” rodzaju danych będziesz zbierać. Mierz te dane w ustalonym czasie lub w innych przypadkach w regularnych odstępach czasu. Na przykład w naszym eksperymencie nawozowym zmierzymy wagę naszej kukurydzy d (w kilogramach) po okresie wzrostu. Porównamy to z zawartością azotu w nawozie zastosowanym do każdej rośliny. W innych eksperymentach (takich jak te, które mierzą zmiany zmiennej w czasie) konieczne jest zbieranie danych w regularnych odstępach czasu.
- Dobrym pomysłem jest utworzenie tabeli danych z wyprzedzeniem - po prostu wpisujesz swoje wartości danych do tabeli podczas ich rejestrowania.
- Poznaj różnicę między zmiennymi zależnymi i niezależnymi. Zmienna niezależna to zmienna, którą zmieniasz, a zmienna zależna to ta, na którą ma wpływ zmienna niezależna. W naszym przykładzie „zawartość azotu” jest zmienną „niezależną”, a „wydajność (w kg)” jest zmienną „zależną”. Tabela podstawowa będzie zawierała kolumny dla obu zmiennych, ponieważ zmieniają się one w czasie.
Krok 5. Przeprowadź eksperyment metodycznie
Przeprowadź eksperyment, przetestuj zmienne. To prawie zawsze wymaga wielokrotnego eksperymentowania z niektórymi wartościami zmiennych. W naszym przykładzie nawozu wyhodujemy kilka identycznych upraw kukurydzy i zastosujemy nawóz zawierający różne ilości azotu. Ogólnie rzecz biorąc, im więcej danych otrzymasz, tym lepiej. Zapisz jak najwięcej danych.
- Dobry projekt eksperymentalny zawiera to, co jest znane jako kontrola. Jeden z eksperymentów z replikami w ogóle nie powinien zawierać testowanej zmiennej. W naszym przykładzie nawozu uwzględnimy jedną roślinę kukurydzy, która otrzymuje nawóz bez azotu. To będzie nasza kontrola - będzie punktem odniesienia, względem którego będziemy mierzyć wzrost innych upraw kukurydzy.
- Obserwuj w swoim eksperymencie wszelkie substancje lub procesy związane z bezpieczeństwem.
Krok 6. Zbierz swoje dane
Jeśli to możliwe, zapisz dane bezpośrednio w tabeli - dzięki temu nie będziesz musiał później ponownie wprowadzać i scalać danych. Dowiedz się, jak ocenić nieistotność w swoich danych.
Zawsze dobrze jest przedstawić swoje dane tak wizualnie, jak to tylko możliwe. Twórz punkty danych na wykresie i wyrażaj trendy za pomocą najbardziej odpowiedniej linii lub krzywej. Pomoże to Tobie (i każdej innej osobie oglądającej ten wykres) zwizualizować wzorce w danych. W przypadku większości podstawowych eksperymentów zmienna niezależna jest wykreślana na poziomej osi x, a zmienna na przemian na pionowej osi y
Krok 7. Przeanalizuj swoje dane i wyciągnij wnioski
Czy twoja hipoteza jest prawidłowa? Czy w danych można zaobserwować trendy? Czy znalazłeś nieoczekiwane dane? Czy masz pytania bez odpowiedzi, które mogą stanowić podstawę przyszłych eksperymentów? Spróbuj odpowiedzieć na te pytania podczas oceny wyników. Jeśli Twoje dane nie dają jednoznacznej hipotezy „tak” lub „nie”, rozważ przeprowadzenie dodatkowych prób eksperymentalnych i zebranie większej ilości danych.
Aby podzielić się swoimi wynikami, napisz obszerny artykuł naukowy. Umiejętność pisania artykułów naukowych jest przydatną umiejętnością – wyniki najnowszych badań muszą być napisane i opublikowane w określonym formacie
Metoda 2 z 2: Uruchamianie przykładowych eksperymentów
Krok 1. Wybierz temat i zdefiniuj zmienne
W związku z tym przykładem będziemy mieli prosty i mały eksperyment. W naszym eksperymencie zbadamy wpływ różnych paliw w aerozolu na zasięg ognia działa do ziemniaków.
- W tym przypadku rodzaj paliwa aerozolowego, którego używamy, jest „zmienną niezależną” (zmienną, którą zmienimy), gdzie „zmienną zależną” jest odległość pocisku.
- Coś do rozważenia w tym eksperymencie – czy istnieje sposób na upewnienie się, że każdy pocisk ziemniaczany waży tyle samo? Czy istnieje sposób na zużycie takiej samej ilości paliwa przy każdym strzale? Oba te czynniki mogą wpłynąć na zasięg ognia pistoletu. Najpierw zmierz wagę każdego pocisku i użyj tej samej ilości aerozolu do każdego strzału.
Krok 2. Stwórz hipotezę
Jeśli testujemy lakier do włosów, spray do gotowania i farbę w sprayu, powiedzmy, że lakier do włosów zawiera paliwo w aerozolu o zawartości butanu większej niż inne spraye. Ponieważ wiemy, że butan jest łatwopalny, możemy postawić hipotezę, że po zapaleniu lakier do włosów wytworzy większy ciąg, wystrzeliwując ziemniaczaną kulę dalej. Napiszemy hipotezę: „Wyższa zawartość butanu w paliwie aerozolowym w lakierze do włosów spowoduje średnio większy zasięg strzału przy strzelaniu kulami ziemniaczanymi ważącymi między 250-300 gramami”.
Krok 3. Skonfiguruj poprzednią kolekcję danych
W naszym eksperymencie przetestujemy każde paliwo w aerozolu 10 razy i obliczymy średnią wydajność. Przetestujemy również paliwo w aerozolu niezawierające butanu jako kontrolę eksperymentalną. Aby się przygotować, zmontujemy naszą armatę ziemniaczaną, przetestujemy ją, aby upewnić się, że działa, kupimy spray w aerozolu, a następnie pokroimy i zważymy naszą kulę ziemniaczaną.
-
Najpierw stworzymy również tabelę danych. Będziemy mieć pięć pionowych kolumn:
- Kolumna po lewej stronie będzie oznaczona etykietą „Test #”. Komórki w tej kolumnie będą zawierały liczby 1-10, wskazujące każdą próbę odpalenia.
- Kolejne cztery kolumny będą oznaczone nazwą aerozolu, którego użyliśmy w eksperymencie. Dziesięć komórek pod każdym nagłówkiem kolumny, które będą zawierać odległość (w metrach) każdej próby strzału.
- Pod każdą z czterech kolumn dotyczących paliwa pozostaw miejsce na wpisanie średniej wartości dla każdej odległości.
Krok 4. Przeprowadź eksperyment
Użyjemy każdego aerozolu do wystrzelenia dziesięciu pocisków, używając tej samej ilości aerozolu do wystrzelenia każdego pocisku. Po każdym strzale użyjemy taśmy mierniczej, aby zmierzyć odległość między każdym pociskiem. Zapisz te dane w tabeli danych.
Podobnie jak wiele eksperymentów, nasz eksperyment ma pewne problemy z bezpieczeństwem, które musimy obserwować. Stosowane przez nas paliwo w aerozolu jest łatwopalne - musimy dobrze zamknąć osłonę strzelca do ziemniaków i nosić grube rękawice podczas rozpalania paliwa. Aby uniknąć przypadkowego zranienia pociskami, musimy również upewnić się, że my (lub inne osoby postronne) podczas strzelania stoimy przy broni – a nie przed nią ani za nią
Krok 5. Przeanalizuj dane
Powiedzmy, że przeciętnie lakier do włosów strzela najdalej do ziemniaków, ale spray do gotowania jest bardziej spójny. Możemy wizualizować te dane. Dobrym sposobem na zilustrowanie średniej odległości na rozpylenie jest wykres słupkowy, na którym wykres punktowy jest świetnym sposobem na pokazanie różnic w odległości strzelania każdego paliwa.
Krok 6. Wyciągnij wnioski
Zobacz wyniki swoich eksperymentów. Na podstawie naszych danych możemy z całą pewnością stwierdzić, że nasza hipoteza jest poprawna. Możemy również powiedzieć, że znaleźliśmy coś, czego nie przewidzieliśmy – że spray do gotowania dawał najbardziej spójne wyniki. Możemy zgłosić wszelkie napotkane problemy lub bałagan - powiedzmy, że farba z farby w sprayu gromadzi się w komorze strzelania armaty ziemniaczanej, co utrudnia powtórne odpalenie. Na koniec możemy zasugerować obszary do dalszych badań - na przykład może przy większej ilości paliwa możemy przebyć większy dystans.
Moglibyśmy nawet podzielić się naszymi wynikami ze światem w formie artykułów naukowych - skoro jest to temat naszych eksperymentów, bardziej stosowne może być przedstawienie tych informacji w formie potrójnej ekspozycji naukowej
Porady
- Baw się i bądź bezpieczny.
- Nauka polega na zadawaniu wielkich pytań. Nie bój się wybrać tematu, którego wcześniej nie widziałeś.
Ostrzeżenie
- Nosić okulary ochronne.
- Jeśli coś dostanie się do oczu, spłucz je dokładnie przez co najmniej 5 minut.
- Nie umieszczaj jedzenia ani napojów w pobliżu miejsca pracy.
- Umyj ręce przed i po eksperymencie.
- Używając ostrych noży, niebezpiecznych chemikaliów lub gorącego ognia, upewnij się, że obserwuje Cię osoba dorosła.
- Podczas pracy z chemikaliami należy nosić gumowe rękawice.
- Zwiąż włosy.
