Εισαγωγή στην επιστήμη και την επιστημονική μέθοδο

Transcript

1 Εισαγωγή στην επιστήμη και την επιστημονική μέθοδο I. Τι είναι η επιστήμη; A. Ο στόχος της επιστήμης είναι να διερευνήσει και να κατανοήσει τον φυσικό κόσμο, για να εξηγήσει τα γεγονότα στο φυσικό κόσμο, και να χρησιμοποιήσει αυτές τις εξηγήσεις για να κάνει χρήσιμες προβλέψεις. Β Επιστήμη: 1. Η επιστήμη ασχολείται μόνο με τον φυσικό κόσμο. 2. Οι επιστήμονες συλλέγουν και οργανώνουν πληροφορίες με προσεκτικό και μεθοδικό τρόπο, αναζητώντας επαναλαμβανόμενα μοτίβα και συνδέσεις μεταξύ των γεγονότων. 3. Οι επιστήμονες προτείνουν εξηγήσεις που μπορεί να ελεγχθούν με την εξέταση των αποδεικτικών στοιχείων. 4. Η επιστήμη έχει ένα οργανωμένο τρόπο χρήσης των αποδεικτικών στοιχείων ώστε να μάθει για τον φυσικό κόσμο. Γ Πώς διεξάγεται η επιστήμη; 1. Η επιστήμη αρχίζει με μια παρατήρηση. Αυτή είναι η διαδικασία της συλλογής πληροφοριών σχετικά με τα γεγονότα ή τις διαδικασίες με ένα προσεκτικό και δομημένο τρόπο. 2. Τα δεδομένα είναι οι πληροφορίες που συλλέγονται κατά την παρατήρηση. 3. Υπάρχουν δύο τύποι δεδομένων: α) Ποσοτικά δεδομένα είναι αριθμοί και λαμβάνονται με αρίθμηση ή μέτρηση. β) Τα ποιοτικά στοιχεία είναι περιγραφές και περιλαμβάνουν χαρακτηριστικά που δεν μπορεί να μετρηθούν. 4. Η Υπόθεση α) Μία υπόθεση είναι μία επιστημονική εξήγηση για ένα σύνολο παρατηρήσεων. β) Μια υπόθεση πρέπει να αναφέρεται κατά τρόπο που να τη καθιστά «ελέγξιμη». Η υπόθεση είναι απλώς μια πιθανή απάντηση σε μια ερώτηση, και θα πρέπει να ελεγχθεί διεξοδικά. ΙΙ. Επιστημονικές Μέθοδοι A. Η επιστημονική μέθοδος είναι μια σειρά από βήματα που χρησιμοποιούνται από τους επιστήμονες για να λύσουν ένα πρόβλημα ή να απαντήσουν σε ένα ερώτημα. B. Τα Βήματα της επιστημονικής μέθοδου Βήμα 1: Παρατήρηση / Αναζητώντας λύση σε μια ερώτηση Πρέπει πρώτα να προσδιοριστούν 1. Ένα πρόβλημα ή μια ερώτηση. 2. Παραδείγματα: Πόσο νερό μπορεί μια τρίχα ρίζα απορροφήσει; Γιατί ο μίσχος ενός φυτού στρέφεται προς το φως; Τι επιπτώσεις έχει η θερμοκρασία στο ρυθμό της καρδιάς; Βήμα 2: Αποτύπωση μίας υπόθεσης 1. Υπόθεση: Μια πιθανή εξήγηση για το ζήτημα ή πρόβλημα. Είναι απλά μια πρόβλεψη και δεν έχει ακόμη αποδειχθεί ή να διαψευσθεί. 2. Θα πρέπει να αναφέρεται κατά τρόπο που να είναι ελέγξιμη. Μια δήλωση θεωρείται "ελέγξιμη" εάν υπάρχουν αποδείξεις που είτε την υποστηρίζουν είτε όχι.

2 Βήμα 3: Σχεδιάζοντας ένα ελεγχόμενο πείραμα 1. Οι παράγοντες σε ένα πείραμα που μπορεί να αλλάξουν ονομάζονται μεταβλητές. Μερικά παράδειγμα των μεταβλητών είναι: η μεταβολή της θερμοκρασίας, η ποσότητα του διαθέσιμου φωτός, ο χρόνος, η συγκέντρωση των διαλυμάτων που χρησιμοποιούνται. 2. Ένα ελεγχόμενο πείραμα λειτουργεί με μία μεταβλητή κάθε φορά. Εάν άλλαζαν αρκετές μεταβλητές κατά την ίδια στιγμή, ο επιστήμονας δεν θα γνώριζε ποια μεταβλητή είναι υπεύθυνη για τα παρατηρούμενα αποτελέσματα. 3. Σε ένα "ελεγχόμενο πείραμα" μόνο μία μεταβλητή μεταβάλλεται κάθε φορά. Όλες οι άλλες μεταβλητές πρέπει να είναι αμετάβλητες ή «ελεγχόμενες». 4. Ένα πείραμα βασίζεται στη σύγκριση μεταξύ της "ομάδας ελέγχου" και της "πειραματικής ομάδας». α) Οι δύο αυτές ομάδες είναι ταυτόσημες εκτός από έναν παράγοντα. β) Η ομάδα ελέγχου χρησιμεύει ως σύγκριση. Είναι η ίδια με την ομάδα του πειράματος, εκτός του ότι καμία μεταβλητή δεν δοκιμάζεται ή αλλαζει. γ) Η πειραματική ομάδα δείχνει το αποτέλεσμα της μεταβλητής που δοκιμάζεται. 5. Παράδειγμα: Για να δοκιμαστεί η αποτελεσματικότητα ενός νέου εμβολίου, οι 50 εθελοντές επιλέγονται και χωρίζονται σε δύο ομάδες. Μια ομάδα θα είναι η ομάδα ελέγχου και η άλλη θα είναι η πειραματική ομάδα. Και στις δύο ομάδες θα δοθούν χάπια που θα είναι ταυτόσημα στο μέγεθος, το σχήμα, το χρώμα και την υφή. Περιγράψτε την ομάδα ελέγχου: Ακόμα κι αν δίνονται πανομοιότυπα χάπια, στην πραγματικότητα η ομάδα ελέγχου δεν θα λαμβάνει το εμβόλιο. Περιγράψτε την πειραματική ομάδα: Η ομάδα αυτή θα λάβει το εμβόλιο. Ποιες μεταβλητές διατηρούνται σταθερές; Το μέγεθος, το σχήμα, το χρώμα και την υφή του χαπιού. Ποια μεταβλητή είναι να αλλάξει; Το εάν ή όχι το χάπι περιέχει οποιοδήποτε εμβόλιο. 6. Υπάρχουν δύο μεταβλητές σε ένα πείραμα: α) Η ανεξάρτητη μεταβλητή είναι η μεταβλητή που αλλάζει σκόπιμα από τον επιστήμονα. β) Η εξαρτημένη μεταβλητή είναι η μία που παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια του πειράματος. Η εξαρτημένη μεταβλητή είναι τα δεδομένα που συλλέγουμε κατά τη διάρκεια του πειράματος. Τα δεδομένα αυτά συλλέγονται ως αποτέλεσμα της αλλαγής της ανεξάρτητης μεταβλητής. γ) Στο παραπάνω παράδειγμα, ποια είναι η ανεξάρτητη μεταβλητή; Η προσθήκη του εμβολίου με τα χάπια που δόθηκαν στους εθελοντές. δ) Στο παραπάνω παράδειγμα, ποια είναι η εξαρτημένη μεταβλητή; Η παρατηρούμενη υγεία των ανθρώπων που λαμβάνουν τα χάπια. Βήμα 4: Καταγραφή και ανάλυση των αποτελεσμάτων 1. Τα δεδομένα που έχουν συλλεχθεί πρέπει να οργανωθούν και να αναλυθούν για να διαπιστωθεί αν είναι αξιόπιστα. 2. Τα νέα δεδομένα υποστηρίζουν την υπόθεση ή όχι;

3 Βήμα 5: Σχέδιο συμπερασμάτων 1. Τα στοιχεία από το πείραμα χρησιμοποιούνται για να καθοριστεί εάν η υπόθεση έχει αποδειχθεί ή έχει διαψευσθεί. 2. Τα πειράματα πρέπει να επαναλαμβάνονται ξανά και ξανά. Όταν επαναλαμβάνονται, τα αποτελέσματα πρέπει πάντα να είναι τα ίδια ώστε να μπορούμε να βγάλουμε ένα έγκυρο συμπέρασμα. ΙΙΙ. Η Θεωρία πίσω από το πείραμα A. Μια θεωρία μπορεί να σχηματίζεται μετά που η υπόθεση έχει δοκιμαστεί πολλές φορές και υποστηρίζεται από πολλά στοιχεία. Β Θεωρία: Μια ευρεία και περιεκτική δήλωση του τι θεωρείται ότι είναι αληθινό. Γ Μια θεωρία υποστηρίζεται από σημαντικά στοιχεία. IV. Πρακτική Εξάσκηση Θέλετε να προσδιοριστούν τα αποτελέσματα συγκεκριμένου λιπάσματος για την ανάπτυξη των ορχιδέων που καλλιεργούνται σε θερμοκήπιο. Τα υλικά που είναι στη διάθεσή σας περιλαμβάνουν: θερμοκήπιο, 100 φυτά ορχιδέας, νερό, λίπασμα, και το έδαφος. Θα ήθελα να ξέρω αν οι ορχιδέες θα αναπτυχθούν καλύτερα σε έδαφος με λίπασμα χαμηλής περιεκτικότητας, με λίπασμα μέσης συγκέντρωσης, ή σε λίπασμα υψηλής συγκέντρωσης. Πώς θα σχεδιάσουμε ένα πείραμα για να δοκιμάσουμε τις διαφορετικές συγκεντρώσεις αυτού του λιπάσματος; Α. Κάντε μία Υπόθεση: (Πιθανή απάντηση: Προβλέπω ότι οι ορχιδέες θα αναπτύσσονται καλύτερα σε ένα μέσο ποσό συγκέντρωσης των λιπασμάτων) B. Πώς θα στήσεται ένα ελεγχόμενο πείραμα; 1. Οι 100 μονάδες θα χωριστούν σε 4 ομάδες ως εξής: Ομάδα 1: 25 μονάδες θα λάβουν το απλό νερό Ομάδα 2: 25 μονάδες θα λάβουν ένα αδύναμο σε συγκέντρωση λίπασμα Ομάδα 3: 25 φυτά θα λάβουν ένα μέσης συγκέντρωσης λίπασμα Ομάδα 4: 25 φυτά θα λάβουν λίπασμα υψηλής συγκέντρωσης 2. Τα φυτά θα πρέπει να ποτίζονται καθημερινά. Πάνω από ένα χρονικό διάστημα ενός μήνα, τα φυτά θα πρέπει να μετρηθούν για να διαπιστωθεί ποια από αυτά μεγάλωσε περισσότερο (π.χ. ύψος). C. Ποια είναι η ομάδα ελέγχου σε αυτό το πείραμα; (Η ομάδα ελέγχου αποτελείται από τα 25 φυτά που λαμβάνουν σκέτο νερό.) Δ Τι είναι η πειραματική ομάδα σε αυτό το πείραμα; (Η πειραματική ομάδα αποτελείται από τα 75 φυτά που λαμβάνουν διάφορες συγκεντρώσεις του λιπάσματος.) Ε Τι μεταβλητές πρέπει να διατηρείται σταθερή σε αυτό το πείραμα; (Όλα τα φυτά λαμβάνουν την ίδια ποσότητα υγρού κάθε ημέρα. Όλα τα φυτά που

4 καλλιεργούνται σε γλάστρες ίσου μεγέθους. Όλα τα φυτά που καλλιεργούνται στην ίδια θερμοκρασία. Όλα τα φυτά λαμβάνουν την ίδια ποσότητα του ηλιακού φωτός). ΣΤ Ποια μεταβλητή αλλάζει σε αυτό το πείραμα; (Η μεταβλητή να αλλάξει είναι η ποσότητα του λιπάσματος). G. Μετά από ένα μήνα από τη μέτρηση των ορχιδέες, τα ακόλουθα δεδομένα ελήφθησαν: Ομάδα 1 (ομάδα ελέγχου): Μεγάλωσε σε ένα μέσο ύψος 15 cm. Ομάδα 2 (Ασθενής συγκέντρωση): Μεγάλωσε σε ένα μέσο ύψος 35 cm. Ομάδα 3 (Μέση συγκέντρωση): Μεγάλωσε σε ένα μέσο ύψος 28 cm. Ομάδα 4 (υψηλή συγκέντρωση): Μεγάλωσε σε ένα μέσο ύψος 10 cm. Είναι υπόθεση σας υποστηρίζεται ή διαψεύδεται από τα αποτελέσματα αυτά; (Υποθέσαμε ότι οι ορχιδέες θα αναπτύσσονται καλύτερα με ένα μέσο συγκέντρωσης των λιπασμάτων. Τα αποτελέσματα δεν το υποστηρίζουν αυτό. Τα αποτελέσματα διαψεύσαν την υπόθεσή μας. Ποιο είναι το συμπέρασμά σας με βάση αυτά τα αποτελέσματα; (Οι ορχιδέες μεγαλώνουν καλύτερα με ένα λίπασμα χαμηλής συγκέντρωσης. Στις μεσαίες και στις υψηλές συγκεντρώσεις, η ανάπτυξη των φυτών αναστέλλεται.) V. Ανάλυση ερωτήσεων: A. Γιατί είναι σημαντικό να έχουμε ένα μεγάλο μέγεθος δείγματος σε κάθε πείραμα; Είναι σημαντικό να δοκιμάσουμε ένα μεγάλο δείγμα για να πάρουμε μια πραγματική εικόνα των αποτελεσμάτων του πειράματος. Εάν το μέγεθος του δείγματος είναι πολύ μικρό, μπορεί να βγάλουμε ανακριβές συμπέρασμα. Τα αποτελέσματα που λαμβάνονται με τη δοκιμή ενός μεγάλου αριθμού ατόμων/δειγμάτων θα είναι πολύ πιο ακριβή από ό, τι έχει δοκιμαστεί σε μόνο λίγα άτομα/δείγματα. B. Γιατί είναι σημαντικό να επαναλάβουμε το πείραμα πολλές φορές; Τα πειράματα θα πρέπει να επαναληφθούν για να δούμε αν τα αποτελέσματα είναι ίδια κάθε φορά. Αυτό καθορίζει και την εγκυρότητα των αποτελεσμάτων των δοκιμών. Γ. Ποια είναι η σημασία του ελέγχου; Ο έλεγχος δείχνει τι θα συμβεί όταν ο πειραματικός παράγοντας παραλείπεται. Χωρίς τον έλεγχο, δεν θα υπάρχει βάση σύγκρισης και δεν θα ξέρουμε πώς επηρέασε ο πειραματικός παράγοντας τα αποτελέσματα. Δ Πόσο διαφορετική είναι μια θεωρία από μια υπόθεση; Μια υπόθεση είναι μια «εκπαιδευμένη εικασία" που είναι ελέγξιμη μέσω παρατηρήσεων και πειραμάτων. Μια θεωρία είναι μια ευρεία δήλωση του τι

5 πιστεύεται ότι είναι αλήθεια και βασίζεται σε πολλά πειράματα και σημαντικές ποσότητες δεδομένων. Ε Γιατί είναι τόσο σημαντικό το γεγονός ότι ένας επιστήμονας περιγράφει με ακρίβεια τη διαδικασία που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα; Γιατί έτσι επιτρέπει στους άλλους επιστήμονες να επαναλάβουν το πείραμα και να επαληθεύσουν τα αποτελέσματα. ΣΤ Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της ανεξάρτητης και της εξαρτημένης μεταβλητης σε ένα πείραμα; Η ανεξάρτητη μεταβλητή είναι η μεταβλητή που αλλάζει σκόπιμα από τον επιστήμονα. Η εξαρτημένη μεταβλητή είναι αυτό που παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια του πειράματος. Η εξαρτημένη μεταβλητή είναι τα δεδομένα που συλλέγουμε κατά τη διάρκεια του πειράματος. G. Σε ένα "ελεγχόμενο πείραμα", γιατί πρέπει όλες οι μεταβλητές, εκτός από μία, να διατηρείται σταθερή καθ 'όλο τη πείραμα; Εάν αρκετές μεταβλητές άλλαζαν την ίδια στιγμή, ο επιστήμονας δεν θα γνωρίζει ποια μεταβλητή είναι υπεύθυνη για τα παρατηρούμενα αποτελέσματα.