تحقیقات علمی مانند تحقیق در زمینه زیست شناسی، نجوم و … معمولا با مشاهده شروع می شود. مشاهده یعنی چیزی که توجه یک دانشمند، زیست شناس یا ستاره شناس را جلب می کند.

به عنوان مثال، یک زیست شناس سرطان ممکن است متوجه شود که نوع خاصی از سرطان را نمی توان با شیمی درمانی درمان کرد و با خود فکر کند که چرا اینگونه است.

یک اکولوژیست دریایی مشاهده می کند که رنگ صخره های مرجانی تغییر می کند و به سفیدی می گراید و می خواهد بداند دلیلش چیست.

• اما دانشمندان، زیست شناسان و … چگونه این مشاهدات را دنبال می کنند؟
• شما چگونه می توانید مشاهدات خود از طبیعت دنبال کنید؟

در این مقاله از وب سایت لاولی ساینس به روش علمی را که یک روش حل مسئله مبتنی بر منطق بوده و  توسط زیست شناسان، اکولوژیست ها، ستاره شناس ها و بسیاری از دانشمندان دیگر مورد استفاده قرار می گیرد، مورد بررسی قرار می دهیم.

اهداف یادگیری

• درک مراحل روش علمی به عنوان ضرورتی برای تحقیق و نظریه پردازی

اصطلاحات کلیدی

علوم اجتماعی: علومی که به رفتار اجتماعی افراد و گروه ها (مانند جامعه شناسی، انسان شناسی یا روانشناسی) مربوط  می شود و اغلب فردی در نظر گرفته می شود (به دلیل تمرکز مطالعات بر فرد).

علوم طبیعی: علومی که به پیش بینی و توصیف پدیده های طبیعی (مانند زیست شناسی، فیزیک یا شیمی) با استفاده از جمع آوری داده های سیستماتیک و انجام آزمایش های کنترل شده می پردازد.

تعریف روش علمی

روش علمی یک روش استاندارد است که دانشمندان از آن برای آزمایش فرضیه ها، ایجاد نظریه ها و تئوری های (تئوری ها) و کسب دانش در مورد آنچه که در ذهن دارند، استفاده می کنند.

روش علمی یک فرآیند جمع آوری داده و پردازش اطلاعات است.

تعریف دیگر روش علمی عبارتست از:

روش کشف دانش در مورد دنیای طبیعی (natural world) بر اساس پیش بینی های نقض پذیر (فرضیه ها)، آزمایش های تجربی و توسعه نظریه هایی که داده های شناخته شده را بهتر توضیح می دهند.

تمام رشته ها و زمینه های علمی با استفاده از روش علمی یکپارچه شده اند. روش علمی یک متدولوژی عینی را برای آزمایش های علمی ارائه می دهد که منجر به تفسیر های بی طرفانه از جهان می شود و دانش را تصحیح و آن را به پیش می برد.

روش علمی فرآیندی برای انجام آزمایشاتی است که برای بررسی مشاهدات و پاسخ به سوالات مورد استفاده قرار می گیرد.

اما آیا این بدان معناست که همه دانشمندان دقیقا همین روند را دنبال می کنند؟ مسلما نه.

برخی از زمینه های علمی را راحت تر از بقیه می توان مورد آزمایش قرار داد.

به عنوان مثال، هنگامی که دانشمندان چگونگی تغییر ستاره ها با  افزایش سن یا چگونگی هضم غذا توسط دایناسورها را مورد مطالعه قرار می دهند، آن ها نمی توانند عمر یک ستاره را میلون ها سال به جلو ببرند یا برای آزمایش فرضیه های خود تست های پزشکی را در خصوص تغذیه دایناسورها انجام دهند.

تصحیح و بهبود روش علمی

هنگامی که آزمایش مستقیم امکان پذیر نباشد، دانشمندان روش علمی را تغییر می دهند.

در واقع، احتمالا به اندازه تعداد دانشمندان، نسخه های متفاوتی از روش علمی وجود دارد! اما حتی زمانی که روش علمی اصلاح می شود، هدف دست نخورده باقی می ماند:

رابطه بین علت و معلول با پرسیدن سوال، جمع آوری و بررسی دقیق شواهد و مشاهده و بررسی ترکیب اطلاعات موجود برای حصول یک پاسخ منطقی، کشف می شود.

با وجود اینکه ما روش علمی را به عنوان روشی با یک سری از مراحل نشان می دهیم اما به یاد داشته باشید که اطلاعات جدید یا تفکرات نو ممکن است سبب شود که یک دانشمند به عقب بر گردد و مراحل را مجددا از هر نقطه ای در طول فرآیند تکرار کند.

یک فرآیند مانند روش علمی که دارای تناوب و تکرار است، یک فرآیند تکراری (iterative process) نامیده می شود.

چه شما در حال انجام یک پروژه برای یک جشنواره علمی، فعالیت علمی کلاسی (کلاس درس) یا تحقیقات مستقل باشید چه هر گونه تحقیق علمی متفاوت دیگر، درک مراحل روش علمی به شما کمک خواهد کرد که روی پرسش علمی خود تمرکز کنید و از طریق مشاهدات و جمع آوری داده ها تا حد امکان برای پاسخ به سوال تلاش کنید.

روش علمی ابتدا توسط فرانسیس بیکن (1626-1561) عینیت یافت و این امکان را فراهم می کند تا راه حل های عقلانی و منطقی برای بسیاری از زمینه های علمی ارائه گردد.

ویژگی های روش علمی

ویژگی های اصلی روش علمی عبارتند از: تأییدپذیری، پیش بینی پذیری، نقض پذیری (قابلیت ابطال) و منصفانه بودن.

روش علمی مراحلی صریح و کاملا عینی را برای استاندارد سازی اینکه چگونه دانش علمی از طریق یک روش حل مساله عقلانی و منطقی جمع آوری می شود، فراهم می کند. نمودار فوق مراحل روش علمی را که در ادامه مقاله بررسی شده اند، نشان می دهد.

اصول اساسی روش علمی

دو مفهوم کلیدی در روش علمی نظریه و فرضیه هستند. یک نظریه برای ارائه پیش بینی هایی در خصوص مشاهدات آینده مورد استفاده قرار می گیرد. یک فرضیه یک پیش بینی قابل آزمایش است که به شکلی منطقی از یک نظریه مشتق می شود.

انواع مختلفی از مطالعات در روش علمی مورد استفاده قرار می گیرد که عبارتند از: آزمایش ها، مطالعات توصیفی، مطالعات موردی، نظرسنجی ها و مطالعات غیر توصیفی.

در یک آزمایش محقق متغیرهای معینی را بررسی و تأثیر آنها را بر متغیرهای دیگر در یک محیط کنترل شده مورد سنجش قرار می دهد.

مطالعات توصیفی، ماهیت رابطه بین متغیرهای مورد نظر را بدون نگاه کردن به علت یا اثر توصیف می کند. مطالعه های موردی یک نمونه خاص را پوشش می دهد که در آن مساله غیر معمول رخ داده است. این مساله اغلب در نمونه های نادر یا مقیاس بسیار بزرگ و معمولا با یک موضوع واحد انجام می شود.

نظرسنجی ها معمولا برای گروه های بزرگی از افراد که به سوالاتی در خصوص موضوعاتی خاص پاسخ می دهند، استفاده می شود.

مطالعات غیر توصیفی از روش های همبستگی برای پیش بینی رابطه بین دو یا تعداد بیشتری از متغیرها استفاده می کند.

تاییدپذیری به این معنی است که آزمایش باید قابلیت تکرار و تایید توسط محقق یا محققان دیگر را نیز داشته باشد.

برای دستیابی به تأییدپذیری، محققان باید از مستند کردن روش های خود اطمینان حاصل کرده و به وضوح توضیح دهند که آزمایش آنها چگونه ساختار یافته و چرا نتایج خاصی را تولید می کند.

پیش بینی پذیری در یک نظریه علمی بیان می کند که نظریه باید ما را قادر سازد تا در خصوص رویدادهای آینده پیش بینی هایی را ارائه کنیم. دقت این پیش بینی ها مقیاسی برای اندازه گیری قدرت نظریه است.

نقض پذیری به این موضوع اشاره دارد که یک فرضیه می تواند رد شود.

برای فرضیه ای که نقض پذیر است، باید از لحاظ منطقی امکان مشاهده یا انجام فیزیکی آزمایش وجود داشته باشد که بتوان نشان داد که راهی به تایید فرضیه وجود ندارد. حتی زمانی که نمی توان نشان داد که یک فرضیه باطل است، لزوما به این معنی نیست که فرضیه مذکور اعتبار ندارد.

آزمایش های آینده ممکن است فرضیه را رد کند. اما این هم بدان معنا نیست که تنها به این خاطر که می توان آن را آزمایش کرد باید نشان داده شود که فرضیه نادرست است.

منصافانه بودن به این معنی است که تمام داده ها باید هنگام ارزیابی یک فرضیه مورد توجه قرار گیرند.

محقق نمی تواند دست به انتخاب بزند و بخشی از اطلاعات را نگه دارد یا دور بریزد یا تنها بر بخش خاصی از داده ها که فرضیه را پشتیبانی می کند یا از فرضیه پشتیبانی نمی کند، تمرکز کند. تمام داده ها باید مورد بررسی قرار گیرند حتی اگر آنها سبب عدم اعتبار فرضیه می شوند.

مراحل اساسی روش علمی

مراحل روش علمی عبارتند از:

• یک پدیده طبیعی را مشاهده و یک سوال در خصوص آن مطرح کنید.
• یک فرضیه یا راه حل بالقوه را برای این سوال بسازید.
• فرضیه را آزمایش کنید.
• اگر فرضیه درست بود، شواهد بیشتری پیدا کنید یا به جمع آوری شواهد چندگانه (شواهد مرکب) بپردازید.
• اگر فرضیه نادرست بود، یک فرضیه جدید ایجاد کنید یا دوباره امتحان کنید.
• نتیجه را ترسیم و در صورت لزوم تکرار کنید. روش علمی هرگز پایان نمی یابد و هیچ نتیجه ای هم کامل در نظرگرفته نمی شود.

به منظور پرسیدن یک سوال مهم که ممکن است درک ما از جهان را بهبود بخشد، محقق باید ابتدا پدیده های طبیعی را مشاهده کند. با مشاهده، محقق می تواند یک سوال مفید تعریف کند. پس از پیدا کردن سوال، محقق می تواند در مورد آنچه که فکر می کند پاسخ سوال خواهد بود، پیشگویی کند (یک فرضیه).

این پیش بینی معمولا بیانیه ای در خصوص رابطه بین دو یا چند متغیر است. پس از ایجاد فرضیه، محقق یک آزمایش برای آزمون (تست) فرضیه خود طراحی کرده و داده ها را ارزیابی می کند.

این داده ها یا فرضیه را پشتیبانی خواهند کرد یا رد می کنند. بر اساس نتایجی که از داده ها گرفته شده، پس از آن محقق شواهد بیشتری را برای تایید بیشتر فرضیه پیدا می کند، به دنبال شواهد چندگانه برای تقویت فرضیه می گردد، آزمایشات را تجدید می کند، آزمایش یا آزمایشات جدیدی طراحی می کند یا برای پاسخ به سوال پژوهش به بررسی و آزمایش اطلاعات جمع آوری شده ادامه می دهد.

مثال هایی از روش علمی

برای درک بهتر روند روش علمی، در ادامه به بررسی چند مثال می پردازیم:

مثال اول: روشن نشدن تلویزیون

به توجه به مطالبی که قبلا بیان کردیم برای مثال روشن نشدن تلویزیون مشاهده، سوال و فرضیه به ترتیب زیر مطرح می شود.

مشاهده: تلویزیون من روشن نمی شود.

سوال: آیا وردی برق به خانه من مشکل دارد؟

فرضیه: اگر ورودی مشکل داشته باشد کامپیوتر هم روشن نخواهد شد.

آزمایش: من  کامپیوترم را به برق وصل می کنم.

نتیجه: کامپیوتر من کار می کند!

نتیجه گیری: ورودی برق من کار می کند، اما تلویزیون من هنوز روشن نمی شود.

اصلاح فرضیه: تلویزیون من خراب است

از این مرحله، این فرآیند با یک فرضیه دیگر تکرار می شود.

در ادامه یک مثال دیگر برای مراحل روش علمی مطرح می نماییم.

تمرین: همانگونه که اینجا بیان کردیم روش علمی بسیار ساده است و شما می توانید مثال های متعددی در خصوص آن مطرح نمایید.

متغیرهای علمی

گاهی اوقات مسائل به سادگی مساله روشن نشدن تلویزیون نیست و پیچیده تر بوده و نیاز است که یکسری متغیرها نیز در روش علمی مورد بررسی قرار گیرد.

در ریاضیات متغیر نماد یا عاملی است که می تواند هرمقداری از مجموعه ای از مقادیر را اختیار کند.

در روش علمی متغیر عاملی است که می تواند در طول فرآیند آزمایش تغییر کند و یا کنترل شود.

در یک آزمایش علمی هر چیزی را که بتواند ارزش (value) های گوناگون و متفاوت بپذیرید را متغیر می نامیم. به عبارت دیگر متغیر نمادی است که می توان یک عدد یا ارزش را جایگزین آن نمود.

انوا ع متغیرهای علمی

متغیرهای علمی انواع متفاوتی دارند که سه دسته از مهمترین آن ها متغیرهای مستقل، وابسته و کنترل می باشند.

متغیر وابسته متغیری است که مشاهده یا اندازه گیری می شود. متغیر وابسته در اختیار محقق نیست و هیچگونه کنترل یا دخالتی نمی تواند در آن داشته باشد.

متغیر مستقل متغیری است که انتخاب می شود که تاثیر آن بر روی متغیر وابسته بررسی شود یا عمدا دستکاری و تغییر داده می شود تا تاثیر آن بر متغیر مستقل آشکار شود.

متغیر کنترل، متغیری است که در طول آزمایش به نحوی اثر آن ثابت نگهداشته می شود و یا اثر آن خنثی می شود. به عبارت دیگر از آنجا که در آزمایش ها ممکن است تعداد متغیرها زیاد باشد و نتوان تاثیر همه آن ها را به صورت همزمان مورد بررسی قرار داد باید اثر برخی از آن ها را حذف یا خنثی کرد.

دلیل آنکه که این متغیرها در طول آزمایش ثابت نگه داشته می شوند یا خنثی می شوند این است که ثابت بودن آن ها در طول آزمایش سبب می شود که رابطه بین متغیر مستقل و وابسته بهتر درک شود.

عدم آگاهی از متغیرهای کنترل می تواند منجر به نتایج معیوب یا آنچه که “متغیرهای مخفی” نامیده می شود باشد.

به عنوان مثال در بسیار از آزمایشات دما یک متغیر کنترل است و در طول آزمایش ثابت نگه داشته می شود.

مثال: تاثیر کود بر رشد گیاه

در این فرآیند متغیر مستقل کود بوده و متغیر وابسته نرخ رشد یا ارتفاع گیاه است. برای بررسی تاثیر کود بر ارتفاع گیاه باید متغیر نور را ثابت نگهداشت زیرا اگر نور ثابت نباشد ممکن است نتایج آزمایش را تغییر دهد و نمی توان تاثیر کود بر رشد گیاه را درست سنجید. پس نور یک متغیر کنترل است.

مثال: تاثیر طبقه اجتماعی بر پیشرفت تحصیلی دانش آموزان

در این مثال طبقه اجتماعی متغیر مستقل و پیشرفت تحصیلی متغیر وابسته است. برای بررسی این موضوع جنسیت یک متغیر کنترلی است. برای اینکه جنسیت تاثیری بر رابطه بین دو متغیر نگذارد می توان همه افراد شرکت کننده در آزمایش را از دانش آموزان دختر انتخاب کرد.

در این آزمایش متغیرهای  هوش، سن (پایه تحصیلی) و … هم می توانند متغیر کنترل باشند.

نکته مهم: در سیستم های پیچیده که تعداد زیادی متغیر وجود دارند همه متغیرها غیر از متغیرهای مستقل و وابسته (که هر دو می توانند بیش از یک متغیر باشند) می توانند به نوعی متغیر کنترل در نظر گرفته شوند.

مثال: در معادله گازها که به صورت مقابل نشان داده می شود و در آن P فشار، V حجم، T دما و K یک ثابت است.

که نشان می دهد که نسبت بین حاصلضرب فشار و حجم و دمای یک سیستم ثابت باقی می ماند.

در بررسی تجربی بخش های قانون گازها (P * v = t)، که در آن هر سه فشار، دما و حجم متغیر هستند، برای آزمایش اثر ناشی از تغییر هر یک از این متغیرها نیاز است که حداقل یکی از آن ها را ثابت نگه داریم. دلیل این امر (ثابت نگه داشتن) مشاهده نتایج تجربی و در عین حال قابل مقایسه در دو متغیر باقیمانده است.

اگر درجه حرارت به عنوان متغیر کنترل در نظر گرفته شود و مجاز به تغییر آن در طول دوره آزمایش نباشیم، رابطه بین متغیرهای فشار و حجم می تواند به سرعت با تغییر ارزش یکی از آن ها برقرار شود که به قانون بویل معروف است. به عنوان مثال، اگر فشار افزایش یابد، حجم باید کاهش یابد.

اگر حجم متغیر کنترل در نظر گرفته شود و مجاز به تغییر آن در طول دوره آزمایش نباشیم، رابطه بین متغیرهای فشار و دما، می تواند می تواند به سرعت با تغییر ارزش یکی از آن ها برقرار شود که به قانون گیلوساک ( Gay-(Lussac معروف است. به عنوان مثال، اگر فشار افزایش یابد، دما نیز باید افزایش یابد.

مثالی دیگر از روش علمی

حال که متغیرهای علمی را مورد بررسی قرار دادیم بیایید تا به کمک تعاریف و دانش حاصل از آن به بررسی یک مثال دیگر از روش علمی بپردازیم:

گام اول: مشاهده و تبیین فرضیه

– شما چیزی را می بینید و به آنچه که مشاهده کرده اید، فکر می کنید که چطور یا چگونه اتفاق می افتد. سوالی بپرسید یا جمله ای را مطرح کنید که می توانید آن را با یک آزمایش مورد بررسی قرار دهید.

این جمله، فرضیه نامیده می شود. فرضیه هدف آزمایش شما را تعیین می کند.

مشاهده: بچه گربه من با توپ زرد بیشتر از اسباب بازس پردار سیاه بازی می کند.

فرضیه: بچه گربه ها به اشیاء روشن نسبت به اشیاء تیره تر بیشتر جذب می شوند.

گام دوم: تعریف متغیرها

– بخش هایی از آزمایش تان که تغییر خواهد کرد را تعریف کنید. این ها همان متغیرها هستند.

متغیر 1: رنگ شی (زرد یا سیاه).

متغیر 2: نوع شی (توپ یا اسباب بازی پردار).

– بخش هایی از آزمایش تان را نیز که تغییر نخواهد کرد تعریف کنید. این ها همان کنترل ها هستند.

کنترل 1: بچه گربه ها به عنوان نمونه های آزمایش مورد استفاده قرار می گیرند.

کنترل 2: مدت زمان هر آزمون.

گام سوم: جمع آوری اطلاعات

آنچه که قبلا سایر افراد یا محققان دیگر در خصوص موضوع گفته اند یا نوشته اند زا جستجو و بررسی کنید. آیا فرد دیگری آزمایشی انجام داده است که ببینید گربه ها چه رنگی را بیشتر دوست دارند؟ حتی شما هم می توانید آزمایش آن ها را تکرار کنید و یا آزمایش خود را انجام دهید تا بفهمید آیا شما هم همان نتیجه خواهید رسید.

گام چهارم: طراحی آزمایش

به آزمایشی فکر کنید که می تواند شما را در آزمون فرضیه یاری کند.

بچه گربه ها را در نظر بگیرید و ببینید چه اسباب بازی را ترجیح می دهند، زرد یا سیاه. ببینید بچه گربه ها توپ را ترجیح می دهند یا پر را.

می توانید از چند اسباب بازی پردار استفاده کنید. سعی کنید بفهمید، رنگ اسباب بازی است که بچه گربه ها را جذب می کند یا نوع آن؟ یا فقط دوست دارند با چیزی بازی کنند و اهمیتی نمی دهند که چه باشد؟

یک لیست گام به گام از آنچه که می خواهید انجام دهید، تهیه کنید. به عنوان مثال، ممکن است بنویسید:

1. یک توپ زرد را در وسط خانه  قرار دهید و یک اسباب بازی پردار سیاه را در ارتفاعی بین کف و سقف قرار دهید (بطوریکه بچه گربه بتواند به آن برسد).
2. بچه گربه را در اتاق با اسباب بازی ها 15 دقیقه قرار دهید.
3. ببینید بچه گربه با کدام اسباب بازی بیشتر بازی می کند.
4. زمان صرف شده با هر اسباب بازی را ثبت کنید.
5. آزمایش را با سایر بچه گربه ها تکرار کنید.
6. تمام مراحل را با یک توپ سیاه و یک پر زرد تکرار کنید.

گام پنجم: انجام آزمایش

آزمایش را انجام دهید و داده ها را به دقت ثبت کنید.

گام ششم: تحلیل داده ها

داده ها چه معنایی دارند؟ هر گونه محاسبه ای که نیاز است، انجام دهید یا برای درک بهتر داده نمودارهای مورد نیاز را رسم کنید.

آیا داده ها نشان دهنده آن هستند که بچه گربه ها یک رنگ را بر دیگری یا یک اسباب بازی را بر دیگری ترجیح می دهند؟

ممکن است بفهمید که بچه گربه ها توپ زرد و پرهای رنگ زرد را بیشتر دوست دارند. یا پرهای سیاه و پرهای زرد. یا توپ زرد و توپ سیاه. یا ممکن است هیچ الگوی خاصی را مشاهده نکنید، و این اشکالی ندارد!

گام هفتم: نتیجه گیری

نتیجه گیری کنید و یک گزارش بنویسد.

• آیا داده هایی که جمع آوری کردید، فرضیه تان را تایید می کند یا نه؟
• آیا دلیلی وجود دارد که فکر کنید ممکن است اشتباهاتی در نتایج شما وجود داشته باشد؟

اگر داده ها فرضیه شما را تایید نمی کنند، فرضیه های دیگری که ممکن است مشاهدات اولیه شما را توضیح دهند، چیستند؟ چه تحقیق دیگری می توانید انجام دهید (شما یا فردی دیگر) که نتایج تان را تأیید کند؟ (برای این مثال از وب سایت ناسا استفاده کرده ایم)

سوالات متداول

جمع بندی

• روش علمی ابتدا توسط فرانسیس بیکن (1561-1626) ارائه شد تا راه حل های عقلانی و منطقی برای مسائل علمی ارائه دهد.
• مراحل پایه ای از روش علمی عبارتند از: 1) مشاهده: یک مشکل یا مساله را مشاهده کنید. 2) یک فرضیه ایجاد کنید. 3) فرضیه را آزمایش کنید. 4) نتیجه گیری کنید و در صورت نیاز فرضیه را اصلاح کنید.
• ویژگی های اصلی روش علمی که توسط همه دانشمندانی در تمامی رشته ها و زمینه های علمی مورد استفاده قرار می گیرد عبارتند از: تأییدپذیری، پیش بینی پذیری، نقص پذیری و منصفانه بودن.
• کاربرد تئوری های علمی در علوم اجتماعی، کاستن از آشفتگی های فلسفی شان و نظم دادن به آن ها به شکلی علمی است.
• تفکر انتقادی جزء کلیدی روش علمی است. بدون آن، نمی توان از منطق برای رسیدن به نتیجه استفاده کرد.

تمرین:

آیا تاکنون برای شما پیش آمده است که برای انجام کاری یا فهم چیزی از روش علمی استفاده کنید؟

اگر بخواهیم تاثیر سواد والدین را بر پیشرفت تحصیلی دانش آموزان مورد بررسی قرار دهیم متغیرهای مستقل، وابسته و کنترل را مشخص کنید.