Experimenteren is een methode waarmee wetenschappers natuurlijke fenomenen onderzoeken in de hoop nieuwe kennis op te doen. Goede experimenten volgen een logisch ontwerp om een specifieke, nauwkeurig gedefinieerde variabele te isoleren en te testen. Door de fundamentele principes achter experimenteel ontwerp te leren, kun je deze principes toepassen op je eigen experimenten. Ongeacht de omvang, alle goede experimenten werken volgens de logische en deductieve principes van de wetenschappelijke methode, van aardappelklokprojecten van de vijfde graad tot geavanceerd Higgs Boson-onderzoek.
Stap
Methode 1 van 2: Wetenschappelijke experimenten ontwerpen
Stap 1. Kies een specifiek onderwerp
Experimenten waarvan de resultaten leiden tot een verandering in de wetenschappelijke denkwijze zijn zeer, zeer zeldzaam. De meeste experimenten beantwoorden bepaalde kleine vragen. Wetenschappelijke kennis is opgebouwd uit de verzamelde gegevens van vele experimenten. Kies een onderwerp of onbeantwoorde vraag die klein van opzet is en gemakkelijk te testen is.
- Als u bijvoorbeeld wilt experimenteren met landbouwmeststoffen, probeer dan niet de vraag te beantwoorden: "Wat voor soort meststof is het beste voor het verbouwen van gewassen?" Er zijn veel verschillende soorten meststoffen en veel verschillende soorten planten in de wereld - één experiment kan geen universele conclusies voor beide opleveren. Een betere vraag voor het ontwerpen van het experiment zou zijn: "Welke stikstofconcentratie in de meststof produceerde de grootste maïsoogst?"
- Moderne wetenschappelijke kennis is heel, heel breed. Als je van plan bent om wetenschappelijk onderzoek te doen, onderzoek je onderwerp dan uitgebreid voordat je begint met het ontwerpen van je experiment. Hebben eerdere experimenten vragen beantwoord die het onderwerp waren van het leren van uw experiment? Zo ja, is er een manier om uw onderwerp aan te passen om vragen te beantwoorden die niet zijn beantwoord door bestaande experimenten?
Stap 2. Isoleer uw variabelen
Goede wetenschappelijke experimenten testen specifieke, meetbare parameters genaamd variabel.
In algemene termen voert een wetenschapper een experiment uit voor de waarde van de variabele die hij test. Een essentieel ding bij het uitvoeren van experimenten is aanpassen enkel en alleen de specifieke variabele die u test (en geen andere variabelen).
In ons voorbeeld van een kunstmestexperiment zal onze wetenschapper bijvoorbeeld verschillende grote maïsplanten planten in grond die is bemest met verschillende stikstofconcentraties. Het geeft elke plant de benodigde hoeveelheid kunstmest precies dezelfde. Hij zal ervoor zorgen dat de chemische samenstelling van de gebruikte meststoffen niet anders is dan de stikstofconcentratie. Zo zal hij voor geen van zijn maïsgewassen meststoffen met hogere magnesiumconcentraties gebruiken. Hij zal ook hetzelfde aantal en dezelfde soort maïsplanten op hetzelfde moment en op hetzelfde grondtype planten in elk van zijn experimentele replica's.
Stap 3. Stel een hypothese op
De hypothese is een voorspelling van de experimentele resultaten. Dit zou meer moeten zijn dan alleen giswerk - een goede hypothese wordt gebaseerd op het onderzoek dat u hebt gedaan bij het kiezen van een experimentonderwerp. Baseer je hypothese op de resultaten van soortgelijke experimenten die zijn uitgevoerd door andere collega's in je vakgebied, als je een probleem oplost dat niet diepgaand is bestudeerd, op basis van een combinatie van literair onderzoek en geregistreerde observaties die je kunt vinden. Onthoud dat zelfs als u uw beste onderzoek doet, uw hypothese onjuist kan blijken - in dit geval breidt u nog steeds uw kennis uit door te bewijzen dat uw voorspelling "niet" klopt.
Typisch worden hypothesen uitgedrukt als kwantitatieve declaratieve zinnen. Een hypothese maakt ook gebruik van de manier waarop experimentele parameters worden gemeten. Een goede hypothese voor ons voorbeeld van kunstmest is: "Een maïsplant die één pond stikstof per schepel krijgt, zal een grotere opbrengst opleveren dan een gelijkwaardig maïsgewas dat wordt gekweekt met een ander stikstofsupplement
Stap 4. Plan uw gegevensverzameling
Weet van tevoren "wanneer" u gegevens gaat verzamelen en "wat voor soort" gegevens u gaat verzamelen. Meet deze gegevens op vooraf bepaalde tijdstippen, of in andere gevallen met regelmatige tussenpozen. In ons bemestingsexperiment gaan we bijvoorbeeld het gewicht van onze maïsplant d (in kilogram) meten na een groeiperiode. We zullen dit vergelijken met het stikstofgehalte van de mest die op elke plant wordt toegepast. In andere experimenten (zoals experimenten die veranderingen in een variabele in de tijd zullen meten), is het noodzakelijk om met regelmatige tussenpozen gegevens te verzamelen.
- Het is een goed idee om van tevoren een gegevenstabel te maken - u voert eenvoudig uw gegevenswaarden in de tabel in terwijl u deze vastlegt.
- Ken het verschil tussen afhankelijke en onafhankelijke variabelen. De onafhankelijke variabele is de variabele die u wijzigt en de afhankelijke variabele is degene die wordt beïnvloed door de onafhankelijke variabele. In ons voorbeeld is "stikstofgehalte" de "onafhankelijke" variabele en "opbrengst (in kg)" is de "afhankelijke" variabele. De basistabel heeft kolommen voor beide variabelen als ze in de loop van de tijd veranderen.
Stap 5. Voer je experiment methodisch uit
Voer uw experiment uit, test op uw variabelen. Dit vereist bijna altijd dat u herhaaldelijk moet experimenteren voor sommige variabelewaarden. In ons voorbeeld van bemesting zullen we verschillende identieke maïsgewassen telen en een meststof toepassen die verschillende hoeveelheden stikstof bevat. Over het algemeen geldt: hoe uitgebreidere gegevens u krijgt, hoe beter. Noteer zoveel mogelijk gegevens.
- Een goed experimenteel ontwerp omvat wat bekend staat als controle. Een van uw replica-experimenten mag de variabele die u aan het testen bent 'niet' bevatten. In ons voorbeeld van bemesting nemen we één maïsplant op die kunstmest krijgt zonder stikstof erin. Dit zal onze controle zijn - zal de basislijn zijn waartegen we de groei van andere maïsgewassen zullen meten.
- Observeer alle veiligheidsgerelateerde stoffen of processen in uw experiment.
Stap 6. Verzamel uw gegevens
Leg gegevens indien mogelijk direct op de tafel vast - dit voorkomt dat u later gegevens opnieuw moet invoeren en samenvoegen. Leer hoe u het vreemde in uw gegevens kunt beoordelen.
Het is altijd een goed idee om uw gegevens zo visueel mogelijk weer te geven. Maak gegevenspunten op de grafiek en druk trends uit met de meest geschikte lijn of curve. Dit zal u (en iedereen die deze grafiek bekijkt) helpen om patronen in de gegevens te visualiseren. Voor de meeste basisexperimenten wordt de onafhankelijke variabele uitgezet op de horizontale x-as en de variabele afwisselend op de verticale y-as
Stap 7. Analyseer uw gegevens en trek conclusies
Klopt je hypothese? Zijn er trends waarneembaar in de data? Heeft u onverwachte gegevens gevonden? Heeft u onbeantwoorde vragen die de basis kunnen vormen voor toekomstige experimenten? Probeer deze vragen te beantwoorden terwijl u de resultaten beoordeelt. Als uw gegevens geen duidelijke 'ja'- of 'nee'-hypothese bieden, kunt u overwegen aanvullende experimentele onderzoeken uit te voeren en meer gegevens te verzamelen.
Schrijf een uitgebreid wetenschappelijk artikel om uw resultaten te delen. Weten hoe je wetenschappelijke artikelen moet schrijven is een nuttige vaardigheid - de resultaten van recent onderzoek moeten in een bepaald formaat worden geschreven en gepubliceerd
Methode 2 van 2: Voorbeeldexperimenten uitvoeren
Stap 1. Kies een onderwerp en definieer je variabelen
Om de reden van dit voorbeeld zullen we een eenvoudig en klein experiment hebben. In ons experiment zullen we het effect van verschillende aerosolbrandstoffen op het schietbereik van het aardappelgeweer onderzoeken.
- In dit geval is het type aërosolbrandstof dat we gebruiken de "onafhankelijke variabele" (de variabele die we zullen veranderen), waarbij de kogelafstand de "afhankelijke variabele" is.
- Iets om te overwegen in dit experiment - is er een manier om ervoor te zorgen dat elke aardappelkogel hetzelfde weegt? Is er een manier om voor elke opname dezelfde hoeveelheid brandstof te gebruiken? Beide kunnen het schietbereik van het pistool beïnvloeden. Meet eerst het gewicht van elke kogel en gebruik voor elk schot dezelfde hoeveelheid spuitbus.
Stap 2. Stel een hypothese op
Als we haarlak, kookspray en spuitverf testen, laten we zeggen dat haarspray aerosolbrandstof bevat met een hoger butaangehalte dan andere sprays. Omdat we weten dat butaan ontvlambaar is, kunnen we veronderstellen dat de haarlak meer stuwkracht zal produceren wanneer deze wordt ontstoken, waardoor een aardappelkogel verder weg schiet. We zullen de hypothese schrijven: "Het hogere butaangehalte in de aerosolbrandstof in haarlak zal gemiddeld een groter schietbereik opleveren bij het afvuren van aardappelkogels met een gewicht tussen 250-300 gram."
Stap 3. Stel uw eerdere gegevensverzameling in
In ons experiment zullen we elke aërosolbrandstof 10 keer testen en de gemiddelde opbrengst berekenen. We zullen ook een aërosolbrandstof testen die geen butaan bevat als experimentele controle. Ter voorbereiding zullen we ons aardappelkanon in elkaar zetten, testen of het werkt, een spuitbus kopen en vervolgens onze aardappelkogel snijden en wegen.
-
We zullen ook eerst een gegevenstabel maken. We hebben vijf verticale kolommen:
- De meest linkse kolom heeft het label "Test #". Cellen in deze kolom bevatten de nummers 1-10, die elke schietpoging aangeven.
- De volgende vier kolommen zullen worden gelabeld met de naam van de spuitbus die we in het experiment hebben gebruikt. Tien cellen onder elke kolomkop die de afstand (in meters) van elke schietpoging bevatten.
- Laat onder elk van de vier kolommen voor brandstof ruimte om de gemiddelde waarde voor elke afstand te noteren.
Stap 4. Doe het experiment
We zullen elke spuitbus gebruiken om tien kogels af te vuren, met dezelfde hoeveelheid spuitbus om elke kogel af te vuren. Na elk schot gebruiken we een meetlint om de afstand tussen elke kogel te meten. Noteer deze gegevens in een gegevenstabel.
Zoals veel experimenten, heeft ons experiment enkele veiligheidsproblemen die we in acht moeten nemen. De aërosolbrandstof die we gebruiken is ontvlambaar - we moeten het deksel van de aardappelgeweerschieter goed sluiten en dikke handschoenen dragen bij het aansteken van de brandstof. Om onopzettelijk letsel door kogels te voorkomen, moeten we er ook voor zorgen dat wij (of andere omstanders) bij het schieten staan - niet ervoor of erachter
Stap 5. Analyseer de gegevens
Stel, we vinden dat haarspray gemiddeld het verst op aardappelen schiet, maar kookspray is consistenter. We kunnen deze gegevens visualiseren. Een goede manier om de gemiddelde afstand per verstuiving te illustreren is een staafdiagram, waarbij een scatterplot een goede manier is om variaties in de schietafstand van elke brandstof weer te geven.
Stap 6. Trek je conclusies
Bekijk de resultaten van uw experimenten. Op basis van onze gegevens kunnen we met vertrouwen zeggen dat onze hypothese juist is. We kunnen ook zeggen dat we iets hebben gevonden dat we niet hadden voorspeld - dat kookspray de meest consistente resultaten opleverde. We kunnen alle problemen of rommel die we vinden melden - laten we zeggen dat verf van spuitverf zich ophoopt in de vuurkamer van een aardappelkanon, waardoor herhaaldelijk schieten moeilijk wordt. Ten slotte kunnen we gebieden voorstellen voor verder onderzoek - misschien kunnen we met meer brandstof een grotere afstand afleggen.
We zouden onze resultaten zelfs met de wereld kunnen delen in de vorm van wetenschappelijke artikelen - aangezien het onderwerp van onze experimenten is, is het misschien beter om deze informatie te presenteren in de vorm van een driebladige wetenschappelijke tentoonstellingen
Tips
- Veel plezier en blijf veilig.
- Wetenschap gaat over het stellen van grote vragen. Wees niet bang om een onderwerp te kiezen dat je nog niet eerder hebt gezien.
Waarschuwing
- Draag oogbescherming.
- Als er iets in uw ogen komt, spoel dan grondig gedurende minimaal 5 minuten.
- Plaats geen eten of drinken in de buurt van uw werkplek.
- Was de handen voor en na het experiment.
- Zorg ervoor dat een volwassene u in de gaten houdt wanneer u scherpe messen, gevaarlijke chemicaliën of hete vuren gebruikt.
- Draag rubberen handschoenen bij het omgaan met chemicaliën.
- Bind het haar naar achteren.
