Эксперименты - это метод, с помощью которого ученые исследуют природные явления в надежде получить новые знания. Хорошие эксперименты следуют логическому плану, чтобы изолировать и протестировать конкретную точно определенную переменную. Изучив фундаментальные принципы экспериментального дизайна, вы сможете применять эти принципы в своих собственных экспериментах. Независимо от масштаба, все хорошие эксперименты проводятся в соответствии с логическими и дедуктивными принципами научного метода, от проектов с картофельными часами пятого класса до передовых исследований бозона Хиггса.
Шаг
Метод 1 из 2: разработка научных экспериментов
Шаг 1. Выберите конкретную тему
Эксперименты, результаты которых приводят к изменению научного мышления, очень и очень редки. Большинство экспериментов отвечают на некоторые небольшие вопросы. Научное знание строится на накопленных данных многих экспериментов. Выберите небольшую по объему тему или вопрос без ответа, который легко проверить.
- Например, если вы хотите поэкспериментировать с удобрениями для сельского хозяйства, не пытайтесь ответить на вопрос: «Какие удобрения лучше всего подходят для выращивания сельскохозяйственных культур?». В мире существует много разных видов удобрений и много разных растений - один эксперимент не может дать универсальных выводов для обоих. Для планирования эксперимента лучше задать вопрос: «Какая концентрация азота в удобрении дала самый большой урожай кукурузы?»
- Современные научные знания очень и очень широки. Если вы собираетесь провести научное исследование, тщательно изучите свою тему, прежде чем приступить к разработке эксперимента. Ответили ли какие-либо из предыдущих экспериментов на вопросы, которые были предметом изучения вашего эксперимента? Если да, то есть ли способ адаптировать вашу тему, чтобы отвечать на вопросы, на которые не было дано ответа в ходе существующих экспериментов?
Шаг 2. Изолируйте свои переменные
Хорошие научные эксперименты проверяют конкретные измеримые параметры, называемые Переменная.
В общих чертах, ученый проводит эксперимент для значения переменной, которую он проверяет. Очень важно при проведении экспериментов наладить Только конкретная переменная, которую вы тестируете (и никакие другие переменные).
Например, в нашем примере эксперимента с удобрениями наш ученый посадит несколько больших растений кукурузы в почву, удобренную с разной концентрацией азота. Это даст каждому растению необходимое количество удобрений. точно тем же. Он будет следить за тем, чтобы химический состав используемых удобрений не отличался, кроме концентрации азота - например, он не будет использовать удобрения с более высоким содержанием магния ни для одной из своих культур кукурузы. Он также будет сажать одинаковое количество и виды кукурузы одновременно и на одном и том же типе почвы в каждой из своих экспериментальных копий.
Шаг 3. Создайте гипотезу
Гипотеза - это предсказание экспериментальных результатов. Это должно быть больше, чем просто догадки - хорошая гипотеза подтверждается исследованиями, которые вы провели при выборе темы эксперимента. Основывайте свою гипотезу на результатах аналогичных экспериментов, проведенных другими коллегами в вашей области, если вы решаете проблему, которая не была глубоко изучена, на основе любой комбинации литературных исследований и записанных наблюдений, которые вы можете найти. Помните, что даже если вы проведете наилучшее исследование, ваша гипотеза может оказаться неверной - в этом случае вы все равно расширяете свои знания, доказывая, что ваш прогноз «не» верен.
Обычно гипотезы выражаются в виде количественных повествовательных предложений. Гипотеза также использует способ измерения экспериментальных параметров. Хорошая гипотеза для нашего примера с удобрением: «Кукуруза, получавшая один фунт азота на бушель, даст больший урожай, чем эквивалентная кукуруза, выращенная с другой добавкой азота
Шаг 4. Спланируйте сбор данных
Заранее знайте, «когда» вы будете собирать данные и «какого типа» данные. Измеряйте эти данные в заранее определенное время или, в других случаях, через регулярные промежутки времени. Например, в нашем эксперименте с удобрениями мы будем измерять вес нашего растения кукурузы d (в килограммах) после периода роста. Мы сравним это с содержанием азота в удобрении, внесенном для каждого растения. В других экспериментах (например, в тех, которые будут измерять изменения переменной с течением времени), необходимо регулярно собирать данные.
- Создание таблицы данных заранее - хорошая идея - вы просто вводите значения данных в таблицу по мере ее записи.
- Знайте разницу между зависимыми и независимыми переменными. Независимая переменная - это переменная, которую вы изменяете, а зависимая переменная - это переменная, на которую влияет независимая переменная. В нашем примере «содержание азота» - это «независимая» переменная, а «урожай (в кг)» - «зависимая» переменная. В базовой таблице будут столбцы для обеих переменных, поскольку они меняются с течением времени.
Шаг 5. Проведите эксперимент методично
Проведите эксперимент, проверьте свои переменные. Это почти всегда требует от вас многократных экспериментов с некоторыми значениями переменных. В нашем примере с удобрениями мы вырастим несколько одинаковых культур кукурузы и внесем удобрение, содержащее разное количество азота. Как правило, чем больше данных вы получите, тем лучше. Запишите как можно больше данных.
- Хороший экспериментальный план включает в себя то, что известно как контроль. Один из ваших экспериментов с репликами вообще не должен включать проверяемую вами переменную. В нашем примере с удобрениями мы включим одно растение кукурузы, которое получает удобрения без азота. Это будет наш контроль - это будет базовый уровень, по которому мы будем измерять рост других культур кукурузы.
- Наблюдайте за всеми без исключения веществами или процессами, связанными с безопасностью, в вашем эксперименте.
Шаг 6. Соберите свои данные
По возможности записывайте данные прямо в таблицу - это избавит вас от необходимости повторно вводить и объединять данные позже. Узнайте, как оценить постороннее в ваших данных.
Всегда полезно изобразить ваши данные как можно более наглядно. Создавайте точки данных на диаграмме и выражайте тенденции с помощью наиболее подходящей линии или кривой. Это поможет вам (и всем, кто просматривает этот график) визуализировать закономерности в данных. Для большинства основных экспериментов независимая переменная откладывается на горизонтальной оси x, а переменная чередуется на вертикальной оси y
Шаг 7. Проанализируйте свои данные и сделайте выводы
Ваша гипотеза верна? Есть ли какие-либо наблюдаемые тенденции в данных? Вы нашли какие-нибудь неожиданные данные? Есть ли у вас вопросы без ответа, которые могут лечь в основу будущих экспериментов? Попробуйте ответить на эти вопросы, пока вы оцениваете результаты. Если ваши данные не подтверждают однозначную гипотезу «да» или «нет», подумайте о проведении дополнительных экспериментальных испытаний и сборе дополнительных данных.
Чтобы поделиться своими результатами, напишите обширную научную статью. Умение писать научные статьи - полезный навык - результаты недавних исследований должны быть написаны и опубликованы в определенном формате
Метод 2 из 2. Проведение примеров экспериментов
Шаг 1. Выберите тему и определите свои переменные
По причине этого примера у нас будет простой и небольшой эксперимент. В нашем эксперименте мы исследуем влияние различных видов аэрозольного топлива на дальность стрельбы картофельного ружья.
- В этом случае тип используемого нами аэрозольного топлива - это «независимая переменная» (переменная, которую мы изменим), а расстояние до пули является «зависимой переменной».
- Что нужно учитывать в этом эксперименте - есть ли способ убедиться, что каждая картофельная пуля весит одинаково? Есть ли способ использовать одинаковое количество топлива для каждого выстрела? Оба эти фактора могут повлиять на дальность стрельбы из оружия. Сначала измерьте вес каждой пули и используйте одинаковое количество аэрозольного баллончика для каждого выстрела.
Шаг 2. Создайте гипотезу
Если мы протестируем лак для волос, кулинарный спрей и аэрозольную краску, предположим, что лак для волос содержит аэрозольное топливо с содержанием бутана больше, чем в других спреях. Поскольку мы знаем, что бутан легковоспламеняющийся, мы можем предположить, что лак для волос будет производить большую тягу при воспламенении, стреляя картофельной пулей дальше. Мы напишем гипотезу: «Более высокое содержание бутана в аэрозольном топливе в лаке для волос в среднем обеспечивает большую дальность стрельбы при стрельбе картофельными пулями весом от 250 до 300 граммов».
Шаг 3. Настройте предыдущий сбор данных
В нашем эксперименте мы протестируем каждое аэрозольное топливо по 10 раз и рассчитаем средний выход. Мы также протестируем аэрозольное топливо, не содержащее бутана, в качестве экспериментального контроля. Чтобы подготовиться, мы соберем нашу картофельную пушку, проверим ее, чтобы убедиться, что она работает, купим аэрозольный баллончик, а затем разрежем и взвесим нашу картофельную пулю.
-
Мы также сначала создадим таблицу данных. У нас будет пять вертикальных столбцов:
- Крайний левый столбец будет обозначен как «Тест №». Ячейки в этом столбце будут содержать числа от 1 до 10, обозначающие каждую попытку стрельбы.
- Следующие четыре столбца будут отмечены названием аэрозольного баллончика, который мы использовали в эксперименте. Десять ячеек под заголовком каждого столбца, которые будут содержать расстояние (в метрах) каждой попытки стрельбы.
- Под каждым из четырех столбцов для топлива оставьте место для записи среднего значения для каждого расстояния.
Шаг 4. Проведите эксперимент
Мы будем использовать каждый аэрозольный баллончик для выпуска десяти пуль, используя одинаковое количество аэрозоля для выпуска каждой пули. После каждого выстрела мы будем измерять расстояние между пулями рулеткой. Запишите эти данные в таблицу данных.
Как и во многих других экспериментах, в нашем эксперименте есть некоторые проблемы безопасности, которые мы должны соблюдать. Используемое нами аэрозольное топливо легко воспламеняется - мы должны хорошо закрыть крышку картофельного пистолета-стрелка и надеть толстые перчатки при воспламенении топлива. Чтобы избежать случайных травм от пуль, мы также должны следить за тем, чтобы мы (или другие посторонние лица) стояли рядом с оружием во время стрельбы, а не перед ним или позади него
Шаг 5. Проанализируйте данные
Скажем, мы обнаруживаем, что в среднем лак для волос стреляет больше всего от картофеля, но кулинарный спрей более устойчивый. Мы можем визуализировать эти данные. Хороший способ проиллюстрировать среднее расстояние на один распылитель - это гистограмма, где диаграмма рассеяния - отличный способ показать вариации дальности срабатывания каждого топлива.
Шаг 6. Делайте выводы
Просмотрите результаты своих экспериментов. Основываясь на наших данных, мы можем с уверенностью сказать, что наша гипотеза верна. Мы также можем сказать, что обнаружили то, чего не предсказывали - что кулинарный спрей дал наиболее стабильные результаты. Мы можем сообщить о любых обнаруженных проблемах или беспорядках - скажем, краска от аэрозольной краски накапливается в камере выстрела картофельной пушки, что затрудняет повторную стрельбу. Наконец, мы можем предложить области для дальнейших исследований - например, может быть, с большим количеством топлива мы сможем преодолеть большее расстояние.
Мы могли бы даже поделиться своими результатами со всем миром в виде научных статей - поскольку это предмет наших экспериментов, может быть более уместно представить эту информацию в виде нескольких научных выставок
подсказки
- Получайте удовольствие и оставайтесь в безопасности.
- Наука задает серьезные вопросы. Не бойтесь выбирать тему, которую вы раньше не видели.
Предупреждение
- Надевайте защитные очки.
- Если что-то попадет в глаза, тщательно промойте их не менее 5 минут.
- Не ставьте еду и напитки рядом с рабочим местом.
- Мыть руки до и после эксперимента.
- При использовании острых ножей, опасных химикатов или горячего огня убедитесь, что за вами наблюдает взрослый.
- При работе с химическими веществами надевайте резиновые перчатки.
- Соберите волосы назад.
