Wissenschaftliche Methode

Kriterium

Was eine wissenschaftliche Untersuchungsmethode auszeichnet, ist eine Frage, die als "das Kriterium" bekannt ist. Sie ist eine Antwort auf die Frage: Gibt es eine Möglichkeit zu sagen, ob ein Konzept oder eine Theorie Wissenschaft ist, im Gegensatz zu einer anderen Art von Wissen oder Glauben? Es hat viele Ideen gegeben, wie sie ausgedrückt werden sollte. Logische Positivisten dachten, eine Theorie sei dann wissenschaftlich, wenn sie verifiziert werden könne; Karl Popper hielt dies jedoch für einen Fehler. Er dachte, eine Theorie sei nicht wissenschaftlich, wenn sie nicht auf irgendeine Weise widerlegt werden könne. Paul Feyerabend hingegen meinte, es gebe kein Kriterium. Für ihn gilt "anything goes", oder was auch immer funktioniert, funktioniert.

Wissenschaftler versuchen, die Realität für sich selbst sprechen zu lassen. Sie unterstützen eine Theorie, wenn ihre Vorhersagen bestätigt werden, und stellen sie in Frage, wenn sich ihre Vorhersagen als falsch erweisen. Wissenschaftliche Forscher bieten Hypothesen zur Erklärung von Phänomenen an und entwerfen Experimente, um diese Hypothesen zu testen. Da große Theorien nicht direkt getestet werden können, geschieht dies durch das Testen von Vorhersagen, die aus der Theorie abgeleitet wurden. Diese Schritte müssen wiederholbar sein, um Fehler oder Verwirrung durch einen bestimmten Experimentator zu vermeiden.

Wissenschaftliche Untersuchungen sollen im Allgemeinen so objektiv wie möglich sein. Um voreingenommene Interpretationen von Ergebnissen zu reduzieren, veröffentlichen Wissenschaftler ihre Arbeit und tauschen so Daten und Methoden mit anderen Wissenschaftlern aus.

Etappen

Wissenschaft und Dinge, die keine Wissenschaft sind (wie z.B. Pseudowissenschaft), unterscheiden sich oft dadurch, ob sie die wissenschaftliche Methode anwenden. Einer der ersten, der eine Skizze der Schritte der wissenschaftlichen Methode erstellte, war John Stuart Mill.

Es gibt keine einheitliche wissenschaftliche Methode. Einige Wissenschaftsbereiche basieren auf mathematischen Modellen, wie etwa die Physik und die Klimawissenschaft. Andere Bereiche, wie z.B. viele Bereiche der Sozialwissenschaften, haben grobe Theorien und stützen sich eher auf Muster, die sich aus ihren Daten ergeben. Manchmal konzentrieren sich Wissenschaftler auf das Testen und Bestätigen von Hypothesen, aber auch die ergebnisoffene Erforschung ist wichtig. Einige wissenschaftliche Bereiche verwenden Laborexperimente. Andere sammeln Beobachtungen aus Situationen der realen Welt. Viele Bereiche der Wissenschaft sind quantitativ, wobei der Schwerpunkt auf numerischen Daten und mathematischer Analyse liegt. Aber einige Bereiche, insbesondere in den Sozialwissenschaften, verwenden qualitative Methoden, wie z.B. Interviews oder detaillierte Beobachtungen des Verhaltens von Menschen oder Tieren. Wenn wir uns zu sehr auf eine Art von Methode konzentrieren, kann dies dazu führen, dass wir das mit anderen Methoden erzeugte Wissen ignorieren.

Einige Lehrbücher konzentrieren sich auf eine einzige, standardisierte "wissenschaftliche Methode". Diese Idee einer einzigen wissenschaftlichen Methode beruht weitgehend auf experimentellen, hypothesentestenden, quantitativen Bereichen der Wissenschaft. Sie lässt sich nicht sehr gut auf andere Bereiche der Wissenschaft übertragen. Sie wird oft als eine Anzahl von Schritten geschrieben:

1. Stellen Sie eine Frage über die Welt. Jede wissenschaftliche Arbeit beginnt damit, dass man eine Frage stellen oder ein Problem lösen muss. ^{I, p9} Manchmal ist es für einen Wissenschaftler am schwierigsten, einfach nur die richtige Frage zu stellen. Die Frage sollte durch ein Experiment beantwortbar sein.
2. Stellen Sie eine Hypothese auf - eine mögliche Antwort auf die Frage. Eine Hypothese in der Wissenschaft ist ein Wort, das "eine fundierte Vermutung darüber, wie etwas funktioniert" bedeutet. Es sollte möglich sein, es als richtig oder falsch zu beweisen. Zum Beispiel ist eine Aussage wie "Blau ist eine bessere Farbe als Grün" keine wissenschaftliche Hypothese. Sie kann nicht als richtig oder falsch bewiesen werden. "Mehr Menschen mögen die Farbe Blau als Grün" könnte jedoch eine wissenschaftliche Hypothese sein, denn man könnte viele Menschen fragen, ob sie Blau mehr mögen als Grün, und auf die eine oder andere Weise eine Antwort geben.
3. Entwerfen Sie ein Experiment. Wenn die Hypothese wirklich wissenschaftlich ist, sollte es möglich sein, ein Experiment zu entwerfen, um sie zu testen. Ein Experiment sollte in der Lage sein, dem Wissenschaftler zu sagen, ob die Hypothese falsch ist; es kann ihm nicht sagen, ob die Hypothese richtig ist. Im obigen Beispiel könnte ein Experiment darin bestehen, viele Menschen zu fragen, was ihre Lieblingsfarben sind. Die Durchführung eines Experiments kann jedoch sehr schwierig sein. Was ist, wenn die Schlüsselfrage, die man den Menschen stellen muss, nicht lautet, welche Farben sie mögen, sondern welche Farben sie hassen? Wie viele Menschen müssen gefragt werden? Gibt es Möglichkeiten, die Frage zu stellen, die das Ergebnis in einer Weise verändern könnte, die nicht erwartet wurde? Dies sind all die Arten von Fragen, die Wissenschaftler stellen müssen, bevor sie ein Experiment machen und es durchführen. Gewöhnlich wollen Wissenschaftler immer nur eine Sache auf einmal testen. Um dies zu tun, versuchen sie, jeden Teil eines Experiments für alles gleich zu machen, mit Ausnahme der Sache, die sie testen wollen.
4. Experimentieren Sie und sammeln Sie die Daten. Hier versucht der Wissenschaftler, das Experiment durchzuführen, das er zuvor entworfen hat. Manchmal bekommt der Wissenschaftler während des Experiments neue Ideen. Manchmal ist es schwierig zu wissen, wann ein Experiment endlich beendet ist. Manchmal wird das Experimentieren sehr schwierig sein. Manche Wissenschaftler verbringen die meiste Zeit ihres Lebens damit, zu lernen, wie man gute Experimente durchführt.
5. Warum-Fragen. Erläuterungen sind Antworten auf Warum-Fragen. ^{II, p3}
6. Ziehen Sie Schlussfolgerungen aus dem Experiment. Manchmal sind die Ergebnisse nicht leicht zu verstehen. Manchmal werfen die Experimente selbst neue Fragen auf. Manchmal können die Ergebnisse eines Experiments viele verschiedene Dinge bedeuten. Über all diese Dinge muss sorgfältig nachgedacht werden.
7. Kommunizieren Sie sie mit anderen. Ein Schlüsselelement der Wissenschaft ist die gemeinsame Nutzung der Ergebnisse von Experimenten, so dass andere Wissenschaftler das Wissen dann selbst nutzen können und die gesamte Wissenschaft davon profitieren kann. Gewöhnlich trauen Wissenschaftler einer neuen Behauptung nur dann, wenn andere Wissenschaftler sie zuerst geprüft haben, um sicherzustellen, dass sie wie echte Wissenschaft klingt. Dies wird Peer-Review genannt ("Peer" bedeutet hier "andere Wissenschaftler"). Arbeiten, die das Peer-Review-Verfahren bestehen, werden in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht.

Obwohl es sich um eine Liste handelt, kann es sein, dass Wissenschaftler mehrere Male zwischen verschiedenen Schritten hin- und hergehen, bevor sie mit der Antwort zufrieden sind.

Nicht alle Wissenschaftler wenden die oben genannte "wissenschaftliche Methode" in ihrer täglichen Arbeit an. Manchmal sieht die tatsächliche Arbeit der Wissenschaft nicht wie oben beschrieben aus.

Beispiel: Auflösen von Zucker in Wasser

Nehmen wir an, wir wollen herausfinden, welchen Einfluss die Temperatur auf die Art und Weise hat, wie sich Zucker in einem Glas Wasser auflöst. Im Folgenden wird eine Möglichkeit aufgezeigt, wie man dies tun kann, indem man der wissenschaftlichen Methode Schritt für Schritt folgt.

Ziel

Löst sich Zucker in heißem oder kaltem Wasser schneller auf? Hat die Temperatur einen Einfluss darauf, wie schnell sich der Zucker auflöst? Dies ist eine Frage, die wir uns vielleicht stellen sollten.

Planung des Experiments

Ein einfaches Experiment bestünde darin, Zucker in Wasser mit verschiedenen Temperaturen aufzulösen und zu verfolgen, wie lange es dauert, bis sich der Zucker auflöst. Dies wäre ein Test der Idee, dass die Auflösungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der kinetischen Energie des Lösungsmittels variiert.

Wir wollen sicherstellen, dass in jedem Versuch genau die gleiche Menge Wasser und genau die gleiche Menge Zucker verwendet wird. Wir tun dies, um sicherzustellen, dass allein die Temperatur den Effekt verursacht. Es könnte zum Beispiel sein, dass das Verhältnis von Zucker zu Wasser auch ein Faktor für die Auflösungsgeschwindigkeit ist. Um besonders vorsichtig zu sein, könnten wir den Versuch auch so durchführen, dass sich die Wassertemperatur während des Versuchs nicht ändert.

Dies wird als "Isolierung einer Variablen" bezeichnet. Das bedeutet, dass von den Faktoren, die eine Wirkung haben könnten, nur einer im Experiment verändert wird.

Durchführen des Experiments

Wir werden das Experiment in drei Versuchen durchführen, die bis auf die Temperatur des Wassers genau gleich sind.

1. Wir geben genau 25 Gramm Zucker in genau 1 Liter Wasser, fast so kalt wie Eis. Wir rühren nicht um. Wir stellen fest, dass es 30 Minuten dauert, bis sich der gesamte Zucker aufgelöst hat.
2. Wir geben genau 25 Gramm Zucker in genau 1 Liter Wasser mit Raumtemperatur (20 °C). Wir rühren nicht um. Wir stellen fest, dass es 15 Minuten dauert, bis sich der gesamte Zucker aufgelöst hat.
3. Wir geben genau 25 Gramm Zucker in genau 1 Liter warmes Wasser (50 °C). Wir rühren nicht um. Wir stellen fest, dass es 4 Minuten dauert, bis sich der gesamte Zucker aufgelöst hat.

Schlussfolgerungen ziehen

Eine Möglichkeit, die es einfach macht, die Ergebnisse zu sehen, besteht darin, eine Tabelle davon zu erstellen, in der alle Dinge aufgeführt sind, die sich bei jedem Versuch geändert haben. Unsere könnten so aussehen:

Wenn jeder andere Teil des Versuchs gleich wäre (wir haben nicht mehr Zucker als das andere Mal verwendet, wir haben weder das eine noch das andere Mal gerührt, usw.), dann wäre dies ein sehr guter Beweis dafür, dass Wärme beeinflusst, wie schnell Zucker aufgelöst wird.

Wir können jedoch nicht mit Sicherheit wissen, dass es nicht noch etwas anderes gibt, das sie beeinflusst. Ein Beispiel für eine versteckte Ursache könnte sein, dass sich Zucker jedes Mal schneller auflöst, wenn mehr Zucker im selben Topf aufgelöst wird. Das ist wahrscheinlich nicht wahr, aber wenn es so wäre, könnten die Ergebnisse genau gleich sein: drei Versuche, und der letzte wäre der schnellste. Wir haben keinen Grund zu der Annahme, dass dies zum jetzigen Zeitpunkt wahr ist, aber wir sollten es vielleicht als eine andere mögliche Antwort vermerken.

Replikationskrise

Die Replikationskrise (oder Reproduzierbarkeitskrise) bezieht sich auf eine Krise in der Wissenschaft. Sehr oft ist es schwierig oder unmöglich, das Ergebnis eines wissenschaftlichen Experiments später zu replizieren, entweder durch unabhängige Forscher oder durch die ursprünglichen Forscher selbst. Obwohl die Krise langjährige Wurzeln hat, wurde der Ausdruck Anfang 2010 als Teil eines wachsenden Problembewusstseins geprägt.

Da die Reproduzierbarkeit von Experimenten ein wesentlicher Bestandteil der wissenschaftlichen Methode ist, hat die Unfähigkeit, Studien zu replizieren, potenziell schwerwiegende Folgen.

Die Replikationskrise wurde besonders in der Psychologie (und insbesondere in der Sozialpsychologie) und in der Medizin breit diskutiert, wo eine Reihe von Bemühungen unternommen wurden, die klassischen Ergebnisse neu zu untersuchen und zu versuchen, sowohl die Gültigkeit der Ergebnisse als auch, falls sie ungültig sind, die Gründe für das Scheitern der Replikation zu ermitteln.

Jüngste Diskussionen haben dieses Problem besser bekannt gemacht.

Historische Aspekte

Elemente der wissenschaftlichen Methode wurden von einigen frühen Naturstudenten ausgearbeitet.

• "Wir halten es für ein gutes Prinzip, die Phänomene durch eine möglichst einfache Hypothese zu erklären". Ptolemäus (85-165 n. Chr.). Dies ist ein frühes Beispiel für das, was wir Ockhams Rasiermesser nennen.
• Ibn al-Haytham (Alhazen) (965-1039), Robert Grosseteste (1175-1253) und Roger Bacon (1214-1294) machten alle einige Fortschritte bei der Entwicklung wissenschaftlicher Methoden.
• Wissenschaftler im 17. Jahrhundert waren sich einig, dass die experimentelle Methode der wichtigste Weg zur Wahrheitsfindung ist. Dies wurde in Westeuropa von Männern wie Galileo, Kepler, Hooke, Boyle, Halley und Newton getan. Zur gleichen Zeit wurden das Mikroskop und das Teleskop erfunden (in Holland), und die Royal Society wurde gegründet. Instrumente, Gesellschaften und Veröffentlichungen haben der Wissenschaft sehr geholfen.

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