Как провести научный эксперимент

Проведение эксперимента - это тот самый метод, которым вооружены ученые, собирающиеся исследовать тот или иной феномен в надежде узнать про окружающий нас мир что-нибудь новое. Хорошие эксперименты следуют четкому и логически упорядоченному плану, нацеленному на выделение и проверку четких, конкретно обозначенных переменных. Изучив фундаментальные принципы, лежащие в основе проведения научных экспериментов, вы сможете применить их и в своих собственных экспериментах. Вне зависимости от цели исследования, все хорошие эксперименты проводятся по принципам логики и дедукции, лежащим в основе научного метода познания, и не важно, что именно вы изучаете - что-то на школьном уровне или же бозон Хиггса.

Часть 1 из 2: Подготовка научного эксперимента

  1. Выберите тему исследования. Эксперименты, чьи результаты приводят к полномасштабному пересмотру взглядов научного сообщества на ту ил иную проблему, крайне редки. Большая часть экспериментов ставит перед собой задачу поскромнее - ответить на какой-то конкретный вопрос. Научное знание имеет в своей основе накопление знаний, получаемых в ходе бесчисленных экспериментов. Выберите тему или вопрос, остающийся без ответа, которые можно исследовать, проведя небольшой эксперимент.
    • Например, если вы хотите провести эксперимент с сельскохозяйственным удобрением, то формулируйте вопрос не так - “Какое удобрение самое лучшее?” Почему? В мире полным-полно различных удобрений, в рамках одного эксперимента вы не сможете исследовать все сразу. Лучше будет сделать вопрос конкретнее: “какая концентрация азота в удобрении приводит к самым высоким урожаям кукурузы?”.
    • Современное научное знание - штука очень, очень обширная. Если вы намереваетесь провести серьезное научное исследование, то перед началом эксперимента тщательнейшим образом изучите, как говорится, матчасть. Может, в прошлом уже проводились эксперименты, отвечающие на ваш вопрос? Если да, то скорректируйте тему своего исследования так, чтобы изучить какую-то тему, которая так и осталась неисследованной.
  2. Выделите переменную или переменные. Хороший научный эксперимент занимается тем, что тестирует конкретные, измеряемые параметры, которые называются “переменные”. Если в общих чертах, то ученый проводит эксперимент с некоторым рядом тестируемых переменных. При проведении эксперимента крайне важно изменять только конкретные переменные, исследуемые вами (и только их)!
    • Вернемся к примеру с удобрением. Наш ученый будет выращивать кукурузу на нескольких грядках в почке, удобренной удобрениями с разным содержанием азота. На каждую грядку будет вноситься одинаковое количество удобрений. Более того, ученый даже обязательно убедится в том, что содержание азота - это единственная разница между удобрениями. Кроме того, ученый будет выращивать одно и тоже количество растений кукурузы на каждой грядке, будет выращивать их в одно и то же время и в одном и том же типе почвы.
  3. Выступите с гипотезой. Гипотеза - это мнение о том, какими будут результаты эксперимента. Гипотеза, к слову сказать, это вовсе не слепая догадка, нет! Хорошие гипотезы составляются на базе предварительного исследования темы эксперимента (это проводится в момент выбора темы исследования). Постройте гипотезу на основании данных, полученных в ходе схожих экспериментов, проведенных вашими коллегами или, если изучаемая вами проблема еще не очень хорошо задокументирована, на основании научной литературы и проведенных исследований, данные которых вы сумеете найти. И помните, что гипотеза может оказаться и ошибочной - но даже в таком случае это будет считаться результатом, достижением! Почему? А потому, что вы доказали, что гипотеза, предложенная вами, не верна.
    • Как правило, гипотеза имеет вид квантифицирующего декларативного предложения. Гипотеза также учитывает то, как будут изменяться параметры эксперимента. Для нашего эксперимента с удобрениями хорошая гипотеза прозвучит так: “Удобрение кукурузы удобрениями, содержащими 400 г. азота на 36.3 литра, приведет к большей массе урожая, нежели в случае использования удобрений с другим содержанием азота”.
  4. Обдумайте, как вы будете собирать данные. Важно заранее знать две вещи: 1) когда вы будете собирать данные; 2) какие вы будете собирать данные. Измерять эти данные надо в условное время или, если то необходимо, через регулярные интервалы. В нашем случае измеряется вес урожаев кукурузы в килограммах после определенного периода роста. Затем это сравнится с содержанием азота в удобрениях, которые вносили в почку. Впрочем, в других экспериментах вполне уместно будет производить сбор данных интервально.
    • Если организовать данные в таблицу, то работать будет гораздо проще.
    • Знайте разницу между зависимыми и независимыми переменными. Независимые переменные - это то, что меняете вы. Зависимые переменные - то, что меняется с изменением независимой переменной. В нашем примере, соответственно, независимой переменной будет “содержание азота”, а зависимой - масса урожая. Все эти данные хорошо встанут в таблицу в соответствующие колонки.
  5. Методично проведите эксперимент. Начните свой эксперимент и тестируйте переменную. Практически во всех случаях, когда нужно измерить несколько переменных, вам придется провести эксперимент несколько раз. Так, мы будем выращивать идентичные растения кукурузы и удобрять их удобрениями с разным содержанием азота. И чем шире диапазон входящих данных, тем лучше. Записывайте столько данных, сколько это вообще возможно.
    • Неотъемлемой частью любого хорошего эксперимента является т.н. “контрольный образец”. Так, одна из ваших грядок с кукурузой должна быть без исследуемой переменной. Говоря проще, одну грядку нужно удобрять удобрением, в котором нет азота. Это и будет контрольным образцом - своего рода базовой линией, в сравнении с которой будут изучаться прочие грядки.
    • Работая с опасными материалами или выполняя опасные действия, соблюдайте все требования безопасности.
  6. Соберите данные. Вносите получаемые в ходе эксперимента данные в таблицу по мере поступления - так будет проще работать. Не забывайте указывать резко выделяющиеся значения.
    • Очень полезно будет визуально представлять данные, особенно если такая возможность есть. Разместите на графике ключевые точки и обозначьте тренды прямой или курсивной линией. Это поможет вам и всем остальным визуализировать шаблоны из данных. В простейших экспериментах за ось х берут данные по независимым переменным, а осью у служат данные по зависимым переменным.
  7. Проанализируйте данные и сделайте вывод. Была ли гипотеза верна? Какие тренды можно выделить на основе наблюдаемых данных? Столкнулись ли вы с чем-то неожиданным в ходе эксперимента? Остались ли у вас вопросы без ответа, которые могут составить основу для следующего эксперимента? Оценивая результаты, постарайтесь ответить на все эти вопросы. Если же ваши данные не позволяют дать четкого ответа относительно истинности гипотезы, то проведите дополнительные эксперименты и соберите еще больше данных.
    • Если вы хотите поделиться открытиями с научным сообществом, то напишите научную статью. К слову, этому нужно научиться - к тому, как пишутся и публикуются данные о проведенных исследованиях, предъявляются самые разные требования.

Часть 2 из 2: Проведение эксперимента

  1. Выберите тему и обозначьте переменные. В качестве примера возьмем небольшой и простой эксперимент. Скажем, мы исследуем то, как влияет использование разных аэрозолей на расстояние полета снаряда в картофелестрелах!
    • Итак, тип используемого аэрозоля - это независимая переменная, а вот длина полета снаряда - зависимая.
    • Кое о чем все же следует задуматься. Так, вы должны убедиться, что снаряды одного и того же веса, а также вы должны быть уверены в том, что каждый выстрел потребляет одинаковое количество аэрозоля. Почему? Оба этих параметра могут повлиять на дистанцию полета снаряда. Поэтому взвесьте все снаряды и старайтесь, чтобы выстрелы потребляли одинаковое количество аэрозоля.
  2. Выдвигайте гипотезу. Итак, мы взяли несколько видов аэрозолей (спрей для волос, кулинарный спрей и спрей-краску). Допустим, в спрее для волос бутана больше, чем в остальных спреях. Так как мы знаем, что бутан - газ воспламеняющийся, то мы можем выдвинуть гипотезу о том, что именно спрей для волос вытолкнет снаряд дальше всего. Итак, гипотеза: “Более высокая концентрация бутана в аэрозоле (спрее для волос) приведет к тому, что среднестатическая дистанция, преодолеваемая снарядом весом 250-300 г. после выстрела, будет превышать аналогичные дистанции при стрельбе с использованием прочих аэрозолей.”
  3. Заранее организуйте процесс сбора данных. В нашем эксперименте мы будет тестировать все аэрозоли по 10 раз, после чего выведем средний результат. В качестве контрольного образца, в свою очередь, будет использован аэрозоль, не содержащий бутан. В качестве подготовки к проведению эксперимента вы соберем картофелестрел, убедимся в том, что он работает, закупим спреи и взвесим картошку… то есть снаряды.
    • И вот как будет выглядеть таблица для записи данных, в которой будет 5 колонок:
      • Первая колонка - номер испытания. Клетки этой колонки будут содержать порядковый номер испытания, от 1 до 10.
      • Следующие четыре колонки будут подписаны названиями используемых аэрозолей. В клетках каждой из колонок будет записано расстояние, которое пролетит снаряд после выстрела.
      • Под каждой из этих четырех колонок нужно оставить оставить место для записи среднего значения.
  4. Проведите эксперимент. Итак, сделайте по 10 выстрелов с каждым из аэрозолей, используя одно и то же количество аэрозоля на каждый выстрел. После каждого выстрела, соответственно, измеряйте дистанцию, которую пролетит снаряд и записывайте полученные данные в таблицу.
    • Этот эксперимент, как и многие другие, требует соблюдения правил безопасности. Используемые аэрозоли воспламеняются легко и просто - поэтому картофелестрел должен быть собран как надо, а вы сами должны надеть плотные рукавицы, когда будете поджигать топливо. Кроме того, никто не должен находиться на линии огня - ни спереди картофелестрела, ни сзади.
  5. Проанализируйте полученные данные. Допустим, выяснилось, что на спрее для волос картошка улетает дальше всего, но на кулинарном спрее разброс расстояния меньше. Эти данные можно представит графически - гистограммой для средней длины полета снаряда и диаграммой разброса для отображения разброса расстояния.
  6. Сделайте выводы. После того, как результаты будут проанализированы, вы сможете смело сказать, что выдвинутая вами гипотеза была верна. К тому же, вы также сможете сказать, что открыли нечто неожиданное - что кулинарный спрей дает самые постоянные результаты. Кроме того, можно сообщить о проблемах, с которыми вы столкнулись в ходе эксперимента - например, что краска их краски-спрея покрывает дуло картофелестрела, что затрудняет каждый последующий выстрел. А напоследок вы можете дать рекомендации о том, какие вопросы заслуживают дальнейшего изучения - возможно, что больший объем используемого топлива даст и больший результат.
    • Поделитесь своими открытиями с миром! Найдите издание или формат, в котором будет уместнее всего явить восхищенному миру результаты ваших изысканий - и вперед!

Советы

  • Веселитесь, но и про технику безопасности не забывайте.
  • Наука - это игра в “задай сложный вопрос”. Не бойтесь задавать сложные вопросы касательно неисследованных тем.

Предупреждения

  • Берегите глаза.
  • Если что-то попадет в глаза, то промывайте их водой минут 5, не меньше.
  • Не храните еду и напитки рядом с вашим рабочим местом.
  • Мой руки до и после эксперимента.
  • Работаете с острыми ножами/опасными химикатами/открытым огнем? За вами должен приглядывать взрослый.
  • Надевайте резиновые перчатки при работе с химическими веществами.
  • Волосы зачешите назад.
Информация
Посетители, находящиеся в группе Guests, не могут оставлять комментарии к данной публикации.