Tieteellinen menetelmä – määritelmä, vaiheet ja käytännön esimerkit

Kriteeri

Tieteellisen tutkimusmenetelmän erottaa toisistaan kysymys, joka tunnetaan nimellä "kriteeri". Se on vastaus kysymykseen: onko olemassa tapa sanoa, onko jokin käsite tai teoria tiedettä, toisin kuin jonkin muunlainen tieto tai uskomus? On esitetty monia ajatuksia siitä, miten se pitäisi ilmaista. Loogiset positivistit pitivät teoriaa tieteellisenä, jos se voidaan todentaa, mutta Karl Popperin mielestä tämä oli virhe. Hänen mielestään teoria ei ole tieteellinen, ellei se ole jollain tavalla kumottavissa. Toisaalta Paul Feyerabend ajatteli, ettei kriteeriä ole olemassa. Hänen mielestään "kaikki käy" tai mikä tahansa toimii, toimii.

Tutkijat yrittävät antaa todellisuuden puhua puolestaan. He tukevat teoriaa, kun sen ennusteet vahvistuvat, ja kyseenalaistavat sen, kun sen ennusteet osoittautuvat vääriksi. Tieteelliset tutkijat esittävät hypoteeseja ilmiöiden selityksiksi ja suunnittelevat kokeita näiden hypoteesien testaamiseksi. Koska suuria teorioita ei voida testata suoraan, se tehdään testaamalla teoriasta johdettuja ennusteita. Nämä vaiheet on voitava toistaa, jotta vältytään yksittäisen kokeen suorittajan tekemiltä virheiltä tai sekaannuksilta.

Tieteellisen tutkimuksen tarkoituksena on yleensä olla mahdollisimman objektiivinen. Tulosten puolueellisten tulkintojen vähentämiseksi tutkijat julkaisevat työnsä ja jakavat näin tietoja ja menetelmiä muiden tutkijoiden kanssa.

Vaiheet

Tiede ja asiat, jotka eivät ole tiedettä (kuten pseudotiede), erotetaan usein toisistaan sen perusteella, käytetäänkö niissä tieteellistä menetelmää. John Stuart Mill oli yksi ensimmäisistä ihmisistä, jotka laativat hahmotelman tieteellisen menetelmän vaiheista.

Ei ole olemassa yhtä tieteellistä menetelmää. Jotkin tieteenalat, kuten fysiikka ja ilmastotiede, perustuvat matemaattisiin malleihin. Toisilla aloilla, kuten monilla yhteiskuntatieteiden aloilla, on karkeat teoriat, ja ne luottavat enemmän aineistosta ilmeneviin malleihin. Joskus tutkijat keskittyvät hypoteesien testaamiseen ja vahvistamiseen, mutta myös avoin tutkimus on tärkeää. Joillakin tieteenaloilla käytetään laboratoriokokeita. Toiset taas keräävät havaintoja reaalimaailman tilanteista. Monet tieteenalat ovat kvantitatiivisia ja painottavat numeerista dataa ja matemaattista analyysia. Joillakin aloilla, erityisesti yhteiskuntatieteissä, käytetään kuitenkin laadullisia menetelmiä, kuten haastatteluja tai yksityiskohtaisia havaintoja ihmisten tai eläinten käyttäytymisestä. Jos keskitytään liikaa vain yhteen menetelmään, voidaan jättää huomiotta muilla menetelmillä tuotettu tieto.

Joissakin oppikirjoissa keskitytään yhteen ainoaan, vakiomuotoiseen "tieteelliseen menetelmään". Tämä ajatus yhdestä ainoasta tieteellisestä menetelmästä perustuu suurelta osin kokeelliseen, hypoteeseja testaavaan, kvantitatiiviseen tieteenalaan. Sitä ei voida soveltaa kovin hyvin muihin tieteenaloihin. Se on usein kirjoitettu useina vaiheina:

1. Esitä kysymys maailmasta. Kaikki tieteellinen työ alkaa kysymyksellä tai ongelmalla, joka on ratkaistava.^{I, p9} Joskus vain oikean kysymyksen keksiminen on tiedemiehelle vaikeinta. Kysymykseen on voitava vastata kokeen avulla.
2. Luo hypoteesi - yksi mahdollinen vastaus kysymykseen. Tieteessä hypoteesi on sana, joka tarkoittaa "valistunutta arvausta siitä, miten jokin asia toimii". Hypoteesi on voitava todistaa oikeaksi tai vääräksi. Esimerkiksi väite "Sininen on parempi väri kuin vihreä" ei ole tieteellinen hypoteesi. Sitä ei voida todistaa oikeaksi tai vääräksi. "Useammat ihmiset pitävät sinisestä väristä kuin vihreästä" voisi kuitenkin olla tieteellinen hypoteesi, koska voitaisiin kysyä monilta ihmisiltä, pitävätkö he sinisestä enemmän kuin vihreästä, ja saada vastaus suuntaan tai toiseen.
3. Suunnittele koe. Jos hypoteesi on todella tieteellinen, sen testaamiseksi pitäisi olla mahdollista suunnitella koe. Kokeen pitäisi pystyä kertomaan tutkijalle, onko hypoteesi väärä; se ei välttämättä kerro, onko hypoteesi oikea. Yllä olevassa esimerkissä kokeessa voitaisiin kysyä monilta ihmisiltä, mitkä ovat heidän lempivärinsä. Kokeen tekeminen voi kuitenkin olla hyvin vaikeaa. Entä jos tärkein kysymys, joka ihmisiltä kannattaa kysyä, ei olekaan se, mistä väreistä he pitävät, vaan se, mitä värejä he vihaavat? Kuinka monelta ihmiseltä on kysyttävä? Onko olemassa tapoja kysyä kysymys, jotka voisivat muuttaa tulosta odottamattomalla tavalla? Tällaisia kysymyksiä tiedemiesten on kysyttävä, ennen kuin he tekevät kokeen ja toteuttavat sen. Yleensä tutkijat haluavat testata vain yhtä asiaa kerrallaan. Tätä varten he pyrkivät tekemään kokeen kaikista osista samanlaisia kaikille muille paitsi sille asialle, jota he haluavat testata.
4. Kokeile ja kerää tietoja. Tässä tutkijat yrittävät suorittaa aiemmin suunnittelemansa kokeen. Joskus tutkija saa uusia ideoita kokeen edetessä. Joskus on vaikea tietää, milloin koe on lopullisesti päättynyt. Joskus kokeiden tekeminen on hyvin vaikeaa. Jotkut tiedemiehet käyttävät suurimman osan elämästään siihen, että opettelevat, miten tehdä hyviä kokeita.
5. Miksi-kysymykset. Selitykset ovat vastauksia miksi-kysymyksiin.^{II, s3.}
6. Tee johtopäätökset kokeesta. Joskus tuloksia ei ole helppo ymmärtää. Joskus kokeet itsessään avaavat uusia kysymyksiä. Joskus kokeen tulokset voivat tarkoittaa monia eri asioita. Kaikkia näitä on mietittävä tarkkaan.
7. Kerro niistä muille. Keskeinen osa tiedettä on kokeiden tulosten jakaminen, jotta muut tutkijat voivat hyödyntää tietoa itse ja koko tiede voi hyötyä siitä. Yleensä tiedemiehet eivät luota uuteen väitteeseen, elleivät muut tiedemiehet ole ensin tarkastaneet sitä varmistaakseen, että se kuulostaa oikealta tieteeltä. Tätä kutsutaan vertaisarvioinniksi ("vertaisarviointi" tarkoittaa tässä yhteydessä "muita tiedemiehiä"). Vertaisarvioinnin läpäissyt työ julkaistaan tieteellisessä lehdessä.

Vaikka se on kirjoitettu luetteloksi, tutkijat saattavat siirtyä eri vaiheiden välillä useita kertoja, ennen kuin he ovat tyytyväisiä vastaukseen.

Kaikki tiedemiehet eivät käytä edellä mainittua "tieteellistä menetelmää" jokapäiväisessä työssään. Joskus varsinainen tieteellinen työ ei muistuta lainkaan edellä esitettyä.

Esimerkki: sokerin liuottaminen veteen

Oletetaan, että aiomme selvittää lämpötilan vaikutusta siihen, miten sokeri liukenee vesilasiin. Alla on yksi tapa tehdä tämä tieteellisen menetelmän mukaisesti vaihe vaiheelta.

Tavoite

Liukeneeko sokeri nopeammin kuumaan vai kylmään veteen? Vaikuttaako lämpötila siihen, kuinka nopeasti sokeri liukenee? Tämä on kysymys, jonka voisimme haluta esittää.

Kokeen suunnittelu

Yksi yksinkertainen koe olisi liuottaa sokeria eri lämpötiloissa olevaan veteen ja seurata, kuinka kauan sokerin liukeneminen kestää. Näin voitaisiin testata ajatusta, jonka mukaan liukenemisnopeus vaihtelee liuottimen liike-energian mukaan.

Haluamme varmistaa, että jokaisessa kokeessa käytetään täsmälleen sama määrä vettä ja täsmälleen sama määrä sokeria. Näin varmistamme, että ainoastaan lämpötila aiheuttaa vaikutuksen. Voi esimerkiksi olla, että myös sokerin ja veden suhde vaikuttaa liukenemisnopeuteen. Ollaksemme erityisen varovaisia, voimme myös suorittaa kokeen niin, että veden lämpötila ei muutu kokeen aikana.

Tätä kutsutaan "muuttujan eristämiseksi". Tämä tarkoittaa sitä, että kokeessa muutetaan vain yhtä niistä tekijöistä, joilla voi olla vaikutusta.

Kokeen suorittaminen

Tehdään koe kolmessa kokeessa, jotka ovat täsmälleen samanlaisia veden lämpötilaa lukuun ottamatta.

1. Laitamme tasan 25 grammaa sokeria tasan 1 litraan vettä, joka on lähes jääkylmää. Emme sekoita. Huomaamme, että kestää 30 minuuttia ennen kuin kaikki sokeri on liuennut.
2. Laitetaan tasan 25 grammaa sokeria tasan 1 litraan huoneenlämpöistä vettä (20 °C). Emme sekoita. Huomaamme, että kestää 15 minuuttia ennen kuin kaikki sokeri on liuennut.
3. Laitetaan tasan 25 grammaa sokeria tasan 1 litraan lämmintä vettä (50 °C). Emme sekoita. Huomaamme, että kestää 4 minuuttia ennen kuin kaikki sokeri on liuennut.

Johtopäätösten tekeminen

Yksi tapa, jolla tuloksia on helppo tarkastella, on laatia niistä taulukko, jossa luetellaan kaikki asiat, jotka muuttuivat joka kerta, kun kokeilu suoritetaan. Meidän taulukkomme voisi näyttää tältä:

Jos kaikki muut kokeen osat olisivat samat (emme käyttäneet kerralla enemmän sokeria kuin toisella, emme sekoittaneet kertaakaan jne.), tämä olisi erittäin hyvä todiste siitä, että lämpö vaikuttaa sokerin liukenemisnopeuteen.

Emme kuitenkaan voi olla varmoja siitä, ettei siihen vaikuta jokin muu tekijä. Esimerkki piilosyystä voisi olla se, että sokeri liukenee nopeammin aina kun samaan kattilaan liuotetaan lisää sokeria. Tämä ei luultavasti pidä paikkaansa, mutta jos näin olisi, tulokset olisivat täsmälleen samat: kolme kokeilua, ja viimeinen olisi nopein. Meillä ei ole tällä hetkellä mitään syytä uskoa, että tämä on totta, mutta haluamme ehkä huomioida sen toisena mahdollisena vastauksena.

C.U.R.R.

Yksi tapa osoittaa tuloksesi sanoin on käyttää C.U.R.R.-menetelmää (Claim, evidence, reasoning, revise), jota monet oppilaat käyttävät. Vaiheen lauseenalkuja ovat muun muassa seuraavat:

Väite: Vastaus kysymykseeni on/ovat...

Todisteet: Tiedot osoittavat...

Perustelut: Voin selittää tämän...

Tarkista: Voin parantaa tätä...

Replikointikriisi

Replikointikriisi (tai toistettavuuskriisi) tarkoittaa tieteen kriisiä. Hyvin usein tieteellisen kokeen tulosta on vaikea tai mahdoton toistaa myöhemmin joko riippumattomien tutkijoiden tai alkuperäisten tutkijoiden itsensä toimesta. Vaikka kriisillä on pitkät juuret, ilmaisu keksittiin 2010-luvun alussa osana ongelman kasvavaa tiedostamista.

Koska kokeiden toistettavuus on olennainen osa tieteellistä menetelmää, kyvyttömyydellä toistaa tutkimuksia voi olla vakavia seurauksia.

Toistettavuuskriisistä on keskusteltu erityisen laajasti psykologian (ja erityisesti sosiaalipsykologian) ja lääketieteen alalla, jossa on pyritty tutkimaan klassisia tuloksia uudelleen ja määrittämään sekä tulosten pätevyys että, jos ne ovat virheellisiä, toistettavuuden epäonnistumisen syyt.

Viimeaikaiset keskustelut ovat lisänneet ongelman tunnettuutta.

Historialliset näkökohdat

Jotkut varhaiset luonnontieteen opiskelijat kehittivät tieteellisen menetelmän elementtejä.

• "Pidämme hyvänä periaatteena, että ilmiöt selitetään mahdollisimman yksinkertaisella hypoteesilla." Ptolemaios (85-165 jKr.). Tämä on varhainen esimerkki siitä, mitä kutsumme Occamin partaveitseksi.
• Ibn al-Haytham (Alhazen) (965-1039), Robert Grosseteste (1175-1253) ja Roger Bacon (1214-1294) edistyivät kaikki jonkin verran tieteellisen menetelmän kehittämisessä.
• Tutkijat alkoivat 1600-luvulla olla yhtä mieltä siitä, että kokeellinen menetelmä on tärkein tapa löytää totuus. Näin tekivät Länsi-Euroopassa sellaiset miehet kuin Galileo, Kepler, Hooke, Boyle, Halley ja Newton. Samaan aikaan keksittiin mikroskooppi ja kaukoputki (Hollannissa) ja perustettiin Royal Society. Välineet, seurat ja julkaisutoiminta auttoivat tiedettä suuresti.

Aiheeseen liittyvät sivut

• Falsifioitavuus
• Historiallinen menetelmä
• Tieteen historia
• Tieteenfilosofia
• Metafilosofia
• Sokea koe
• Pseudotiede