Experimentieren ist eine Methode, mit der Wissenschaftler Naturphänomene untersuchen, in der Hoffnung, neue Erkenntnisse zu gewinnen. Gute Experimente folgen einem logischen Design, um eine bestimmte, genau definierte Variable zu isolieren und zu testen. Durch das Erlernen der grundlegenden Prinzipien des experimentellen Designs können Sie diese Prinzipien auf Ihre eigenen Experimente anwenden. Unabhängig vom Umfang funktionieren alle guten Experimente nach den logischen und deduktiven Prinzipien der wissenschaftlichen Methode, von Kartoffeluhrenprojekten der fünften Klasse bis hin zur fortgeschrittenen Higgs-Boson-Forschung.
Schritt
Methode 1 von 2: Gestaltung wissenschaftlicher Experimente
Schritt 1. Wählen Sie ein bestimmtes Thema
Experimente, deren Ergebnisse zu einer Änderung der wissenschaftlichen Denkweise führen, sind sehr, sehr selten. Die meisten Experimente beantworten bestimmte kleine Fragen. Wissenschaftliches Wissen wird aus den gesammelten Daten vieler Experimente aufgebaut. Wählen Sie ein Thema oder eine unbeantwortete Frage mit geringem Umfang und leicht zu testendem Thema.
- Wenn Sie beispielsweise mit landwirtschaftlichen Düngemitteln experimentieren möchten, versuchen Sie nicht, die Frage zu beantworten: "Welcher Dünger eignet sich am besten für den Anbau von Pflanzen?" Es gibt viele verschiedene Arten von Düngemitteln und viele verschiedene Pflanzenarten auf der Welt – ein Experiment kann keine universellen Schlussfolgerungen für beide liefern. Eine bessere Frage für die Gestaltung des Experiments wäre "Welche Stickstoffkonzentration im Dünger hat die größte Maisernte produziert?"
- Moderne wissenschaftliche Erkenntnisse sind sehr, sehr breit gefächert. Wenn Sie wissenschaftliche Forschung betreiben möchten, recherchieren Sie Ihr Thema ausführlich, bevor Sie mit der Gestaltung Ihres Experiments beginnen. Wurden in früheren Experimenten Fragen beantwortet, die Gegenstand des Lernens Ihres Experiments waren? Wenn ja, gibt es eine Möglichkeit, Ihr Thema anzupassen, um Fragen zu beantworten, die durch bestehende Experimente nicht beantwortet wurden?
Schritt 2. Isolieren Sie Ihre Variablen
Gute wissenschaftliche Experimente testen spezifische, messbare Parameter namens Variable.
Im Allgemeinen führt ein Wissenschaftler ein Experiment zum Wert der Variablen durch, die er testet. Eine wichtige Sache bei der Durchführung von Experimenten ist die Anpassung nur die spezifische Variable, die Sie testen (und keine anderen Variablen).
In unserem Beispiel eines Düngeversuchs wird unser Wissenschaftler beispielsweise mehrere große Maispflanzen in Erde pflanzen, die mit unterschiedlichen Stickstoffkonzentrationen gedüngt wird. Es gibt jeder Pflanze die erforderliche Menge an Dünger Exakt gleich. Er wird darauf achten, dass sich die chemische Zusammensetzung der eingesetzten Düngemittel außer der Stickstoffkonzentration nicht unterscheidet - er wird beispielsweise für keine seiner Maiskulturen Düngemittel mit höherem Magnesiumgehalt einsetzen. Außerdem wird er in jeder seiner Versuchsnachbildungen die gleiche Anzahl und Art von Maispflanzen zur gleichen Zeit und auf der gleichen Bodenart pflanzen.
Schritt 3. Erstellen Sie eine Hypothese
Die Hypothese ist eine Vorhersage der experimentellen Ergebnisse. Dies sollte mehr sein als nur Vermutungen – eine gute Hypothese basiert auf der Recherche, die Sie bei der Auswahl eines Experimentthemas durchgeführt haben. Stützen Sie Ihre Hypothese auf die Ergebnisse ähnlicher Experimente, die von anderen Kollegen in Ihrem Fachgebiet durchgeführt wurden, wenn Sie ein Problem lösen, das noch nicht gründlich untersucht wurde, basierend auf einer beliebigen Kombination aus Literaturrecherche und aufgezeichneten Beobachtungen, die Sie finden können. Denken Sie daran, dass sich Ihre Hypothese auch bei bester Recherche als falsch erweisen kann – in diesem Fall erweitern Sie Ihr Wissen immer noch, indem Sie beweisen, dass Ihre Vorhersage „nicht“richtig ist.
Typischerweise werden Hypothesen als quantitative Aussagesätze ausgedrückt. Eine Hypothese verwendet auch die Art und Weise, wie experimentelle Parameter gemessen werden. Eine gute Hypothese für unser Düngebeispiel lautet: „Eine Maispflanze, die mit einem Pfund Stickstoff pro Scheffel gefüttert wird, wird eine größere Ertragsmasse produzieren als eine gleichwertige Maispflanze, die mit einem anderen Stickstoffzusatz angebaut wird
Schritt 4. Planen Sie Ihre Datensammlung
Wissen Sie im Voraus, „wann“Sie Daten erheben und „welche Art von“Sie erfassen. Messen Sie diese Daten zu vorgegebenen Zeiten oder in anderen Fällen in regelmäßigen Abständen. In unserem Düngeversuch messen wir beispielsweise das Gewicht unserer Maispflanze d (in Kilogramm) nach einer Wachstumsphase. Wir vergleichen dies mit dem Stickstoffgehalt des Düngers, der auf jede Pflanze aufgetragen wird. Bei anderen Experimenten (z. B. bei denen Veränderungen einer Variablen im Laufe der Zeit gemessen werden) ist es notwendig, in regelmäßigen Abständen Daten zu sammeln.
- Das Erstellen einer Datentabelle im Voraus ist eine gute Idee - Sie geben Ihre Datenwerte einfach während der Aufzeichnung in die Tabelle ein.
- Kennen Sie den Unterschied zwischen abhängigen und unabhängigen Variablen. Die unabhängige Variable ist die Variable, die Sie ändern, und die abhängige Variable ist die Variable, die von der unabhängigen Variablen beeinflusst wird. In unserem Beispiel ist „Stickstoffgehalt“die „unabhängige“Variable und „Ertrag (in kg)“die „abhängige“Variable. Die Basistabelle enthält Spalten für beide Variablen, wenn sie sich im Laufe der Zeit ändern.
Schritt 5. Führen Sie Ihr Experiment methodisch durch
Führen Sie Ihr Experiment durch, testen Sie Ihre Variablen. Dies erfordert fast immer, dass Sie für einige Variablenwerte wiederholt experimentieren. In unserem Düngebeispiel werden wir mehrere identische Maiskulturen anbauen und einen unterschiedlich stickstoffhaltigen Dünger ausbringen. Generell gilt: Je umfangreichere Daten Sie erhalten, desto besser. Zeichnen Sie so viele Daten wie möglich auf.
- Ein gutes experimentelles Design beinhaltet das sogenannte Steuerung. Eines Ihrer Replikatexperimente sollte die Variable, die Sie testen, "nicht" enthalten. In unserem Düngemittelbeispiel nehmen wir eine Maispflanze auf, die Dünger ohne Stickstoff erhält. Dies wird unsere Kontrolle sein - wird die Basis sein, an der wir das Wachstum anderer Maispflanzen messen werden.
- Beobachten Sie alle sicherheitsrelevanten Stoffe oder Prozesse in Ihrem Experiment.
Schritt 6. Sammeln Sie Ihre Daten
Notieren Sie Daten möglichst direkt in der Tabelle - so müssen Sie die Daten später nicht erneut eingeben und zusammenführen. Erfahren Sie, wie Sie das Fremde in Ihren Daten bewerten.
Es ist immer eine gute Idee, Ihre Daten so visuell wie möglich darzustellen. Erstellen Sie Datenpunkte auf dem Diagramm und drücken Sie Trends mit der am besten geeigneten Linie oder Kurve aus. Dies wird Ihnen (und allen anderen, die dieses Diagramm anzeigen) helfen, Muster in den Daten zu visualisieren. Für die meisten grundlegenden Experimente wird die unabhängige Variable auf der horizontalen x-Achse und die Variable abwechselnd auf der vertikalen y-Achse aufgetragen
Schritt 7. Analysieren Sie Ihre Daten und ziehen Sie Schlussfolgerungen
Ist Ihre Hypothese richtig? Gibt es beobachtbare Trends in den Daten? Haben Sie unerwartete Daten gefunden? Sie haben offene Fragen, die die Grundlage für zukünftige Experimente bilden könnten? Versuchen Sie, diese Fragen zu beantworten, während Sie die Ergebnisse auswerten. Wenn Ihre Daten keine eindeutige "Ja"- oder "Nein"-Hypothese liefern, ziehen Sie in Erwägung, zusätzliche experimentelle Studien durchzuführen und weitere Daten zu sammeln.
Um Ihre Ergebnisse zu teilen, schreiben Sie eine umfassende wissenschaftliche Arbeit. Zu wissen, wie man wissenschaftliche Arbeiten schreibt, ist eine nützliche Fähigkeit – die Ergebnisse der jüngsten Forschung müssen in einem bestimmten Format geschrieben und veröffentlicht werden
Methode 2 von 2: Ausführen von Beispielexperimenten
Schritt 1. Wählen Sie ein Thema und definieren Sie Ihre Variablen
Für dieses Beispiel haben wir ein einfaches und kleines Experiment. In unserem Experiment untersuchen wir die Wirkung verschiedener Aerosolbrennstoffe auf die Schussreichweite der Kartoffelkanone.
- In diesem Fall ist der von uns verwendete Aerosolkraftstoff die "unabhängige Variable" (die Variable, die wir ändern werden), wobei die Geschossentfernung die "abhängige Variable" ist.
- Was Sie bei diesem Experiment beachten sollten: Gibt es eine Möglichkeit, sicherzustellen, dass jede Kartoffelkugel das gleiche Gewicht hat? Gibt es eine Möglichkeit, für jeden Schuss die gleiche Kraftstoffmenge zu verwenden? Beides kann die Schussreichweite der Waffe beeinträchtigen. Messen Sie zuerst das Gewicht jedes Geschosses und verwenden Sie für jeden Schuss die gleiche Menge Aerosolspray.
Schritt 2. Erstellen Sie eine Hypothese
Wenn wir Haarspray, Kochspray und Sprühfarbe testen, nehmen wir an, Haarspray enthält Aerosoltreibstoff mit einem höheren Butangehalt als andere Sprays. Da wir wissen, dass Butan brennbar ist, können wir vermuten, dass das Haarspray beim Zünden mehr Schub erzeugt und eine Kartoffelkugel weiter weg schießt. Wir schreiben die Hypothese: "Der höhere Butangehalt im Aerosoltreibstoff in Haarspray führt im Durchschnitt zu einer größeren Schussreichweite beim Abfeuern von Kartoffelgeschossen mit einem Gewicht zwischen 250-300 Gramm."
Schritt 3. Richten Sie Ihre vorherige Datensammlung ein
In unserem Experiment werden wir jeden Aerosolkraftstoff 10 mal testen und die durchschnittliche Ausbeute berechnen. Als experimentelle Kontrolle werden wir auch einen Aerosolkraftstoff testen, der kein Butan enthält. Zur Vorbereitung bauen wir unsere Kartoffelkanone zusammen, testen sie auf Funktion, kaufen ein Aerosolspray und schneiden und wiegen dann unser Kartoffelgeschoss.
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Wir werden auch zuerst eine Datentabelle erstellen. Wir haben fünf vertikale Spalten:
- Die Spalte ganz links wird mit "Test #" beschriftet. Die Zellen in dieser Spalte enthalten die Zahlen 1-10, die jeden Schussversuch anzeigen.
- Die nächsten vier Spalten werden mit dem Namen des Aerosolsprays beschriftet, das wir im Experiment verwendet haben. Zehn Zellen unter jeder Spaltenüberschrift, die die Entfernung (in Metern) jedes Schussversuchs enthalten.
- Lassen Sie unter jeder der vier Spalten für Kraftstoff Platz, um den Durchschnittswert für jede Entfernung zu schreiben.
Schritt 4. Machen Sie das Experiment
Wir werden jedes Aerosolspray verwenden, um zehn Kugeln abzufeuern, wobei wir die gleiche Menge Aerosol verwenden, um jede Kugel abzufeuern. Nach jedem Schuss verwenden wir ein Maßband, um den Abstand zwischen den einzelnen Kugeln zu messen. Notieren Sie diese Daten in einer Datentabelle.
Wie viele Experimente hat auch unser Experiment einige Sicherheitsprobleme, die wir beachten müssen. Der von uns verwendete Aerosolbrennstoff ist brennbar - wir müssen die Abdeckung des Kartoffelkanonenschützen gut schließen und beim Anzünden des Brennstoffs dicke Handschuhe tragen. Um versehentliche Verletzungen durch Kugeln zu vermeiden, müssen wir außerdem sicherstellen, dass wir (oder andere Umstehende) beim Schießen neben der Waffe stehen – nicht davor oder dahinter
Schritt 5. Analysieren Sie die Daten
Sagen wir, wir stellen fest, dass Haarspray Kartoffeln im Durchschnitt am weitesten schießt, aber Kochspray ist konstanter. Wir können diese Daten visualisieren. Eine gute Möglichkeit, die durchschnittliche Entfernung pro Sprühstoß zu veranschaulichen, ist ein Balkendiagramm, bei dem ein Streudiagramm eine gute Möglichkeit ist, die Variationen der Zündentfernung jedes Kraftstoffs anzuzeigen.
Schritt 6. Ziehen Sie Ihre Schlussfolgerungen
Sehen Sie sich die Ergebnisse Ihrer Experimente an. Basierend auf unseren Daten können wir mit Sicherheit sagen, dass unsere Hypothese richtig ist. Wir können auch sagen, dass wir etwas gefunden haben, was wir nicht vorhergesehen haben - dass Kochspray die beständigsten Ergebnisse lieferte. Wir können alle Probleme oder Verschmutzungen melden, die wir finden - sagen wir, Farbe aus Sprühfarbe sammelt sich in der Brennkammer einer Kartoffelkanone an, die ein wiederholtes Schießen erschwert. Schließlich können wir Bereiche für weitere Forschungen vorschlagen – zum Beispiel können wir mit mehr Kraftstoff vielleicht eine größere Entfernung erreichen.
Wir könnten unsere Ergebnisse sogar in Form von wissenschaftlichen Papieren mit der Welt teilen – da es sich um unsere Experimente handelt, ist es möglicherweise angemessener, diese Informationen in Form einer dreifachen wissenschaftlichen Ausstellung zu präsentieren
Tipps
- Viel Spaß und bleib gesund.
- In der Wissenschaft geht es darum, große Fragen zu stellen. Scheuen Sie sich nicht, ein Thema auszuwählen, das Sie noch nie gesehen haben.
Warnung
- Augenschutz tragen.
- Wenn etwas in Ihre Augen gelangt, spülen Sie es mindestens 5 Minuten lang gründlich aus.
- Stellen Sie keine Lebensmittel oder Getränke in die Nähe Ihres Arbeitsplatzes.
- Vor und nach dem Experiment Hände waschen.
- Achten Sie bei der Verwendung von scharfen Messern, gefährlichen Chemikalien oder heißem Feuer darauf, dass Sie ein Erwachsener beobachtet.
- Tragen Sie beim Umgang mit Chemikalien Gummihandschuhe.
- Haare zurückbinden.
