Thực nghiệm là một phương pháp mà các nhà khoa học kiểm tra các hiện tượng tự nhiên với hy vọng thu được kiến thức mới. Các thử nghiệm tốt tuân theo một thiết kế logic để cô lập và kiểm tra một biến cụ thể được xác định chính xác. Bằng cách học các nguyên tắc cơ bản đằng sau thiết kế thử nghiệm, bạn sẽ có thể áp dụng các nguyên tắc này vào các thử nghiệm của riêng mình. Dù ở phạm vi nào, tất cả các thí nghiệm tốt đều hoạt động theo các nguyên tắc logic và suy diễn của phương pháp khoa học, từ dự án đồng hồ khoai tây lớp năm đến nghiên cứu Higgs Boson tiên tiến.
Bươc chân
Phương pháp 1/2: Thiết kế thí nghiệm khoa học
Bước 1. Chọn một chủ đề cụ thể
Các thí nghiệm có kết quả dẫn đến thay đổi tư duy khoa học là rất, rất hiếm. Hầu hết các thí nghiệm đều trả lời một số câu hỏi nhỏ nhất định. Kiến thức khoa học được xây dựng từ dữ liệu tích lũy của nhiều thí nghiệm. Chọn một chủ đề hoặc câu hỏi chưa trả lời có phạm vi nhỏ và dễ kiểm tra.
- Ví dụ, nếu bạn muốn thử nghiệm với phân bón nông nghiệp, đừng cố gắng trả lời câu hỏi “Loại phân bón nào là tốt nhất cho cây trồng?” Có nhiều loại phân bón khác nhau và nhiều loại cây trồng khác nhau trên thế giới - một thí nghiệm không thể đưa ra kết luận chung cho cả hai. Một câu hỏi tốt hơn để thiết kế thí nghiệm sẽ là "Nồng độ nitơ trong phân bón tạo ra cây ngô lớn nhất?"
- Kiến thức khoa học hiện đại rất, rất rộng. Nếu bạn có ý định nghiên cứu khoa học, hãy nghiên cứu kỹ chủ đề của mình trước khi bắt đầu thiết kế thí nghiệm. Có bất kỳ thí nghiệm nào trước đây trả lời các câu hỏi là chủ đề học tập của thí nghiệm của bạn không? Nếu vậy, có cách nào để điều chỉnh chủ đề của bạn để trả lời các câu hỏi chưa được trả lời bằng các thí nghiệm hiện có không?
Bước 2. Cô lập các biến của bạn
Các thí nghiệm khoa học tốt kiểm tra các thông số cụ thể, có thể đo lường được gọi là Biến đổi.
Nói chung, một nhà khoa học tiến hành một thử nghiệm cho giá trị của biến mà anh ta đang thử nghiệm. Một điều quan trọng khi tiến hành thử nghiệm là điều chỉnh chỉ một biến cụ thể mà bạn đang thử nghiệm (và không có biến nào khác).
Ví dụ, trong ví dụ thí nghiệm phân bón của chúng tôi, nhà khoa học của chúng tôi sẽ trồng một số cây ngô lớn trong đất được bón với các nồng độ nitơ khác nhau. Nó sẽ cung cấp cho mỗi cây một lượng phân bón cần thiết chính xác tương tự. Anh ta sẽ đảm bảo rằng thành phần hóa học của phân bón được sử dụng không khác với nồng độ nitơ - ví dụ: anh ta sẽ không sử dụng phân bón có nồng độ magiê cao hơn cho bất kỳ cây ngô nào của mình. Anh ta cũng sẽ trồng cùng một số lượng và loài cây ngô đồng thời và trên cùng một loại đất trong mỗi bản sao thử nghiệm của mình.
Bước 3. Tạo giả thuyết
Giả thuyết là một dự đoán về kết quả thực nghiệm. Điều này không chỉ là phỏng đoán - một giả thuyết tốt được cung cấp bởi nghiên cứu bạn đã thực hiện khi chọn một chủ đề thử nghiệm. Dựa trên giả thuyết của bạn dựa trên kết quả của các thí nghiệm tương tự được thực hiện bởi các đồng nghiệp khác trong lĩnh vực của bạn, nếu bạn đang giải quyết một vấn đề chưa được nghiên cứu sâu, dựa trên bất kỳ sự kết hợp nào giữa nghiên cứu văn học và quan sát được ghi lại mà bạn có thể tìm thấy. Hãy nhớ rằng ngay cả khi bạn thực hiện nghiên cứu tốt nhất của mình, giả thuyết của bạn có thể bị chứng minh là sai - trong trường hợp này, bạn vẫn đang mở rộng kiến thức của mình bằng cách chứng minh dự đoán của bạn "không" đúng.
Thông thường, các giả thuyết được thể hiện dưới dạng các câu khai báo định lượng. Một giả thuyết cũng sử dụng cách đo các thông số thực nghiệm. Một giả thuyết tốt cho ví dụ về phân bón của chúng tôi là: "Một cây ngô được cung cấp một pound nitơ trên một giạ sẽ tạo ra năng suất lớn hơn so với một cây ngô tương đương được trồng bằng một loại thực phẩm bổ sung nitơ khác
Bước 4. Lập kế hoạch thu thập dữ liệu của bạn
Biết trước "khi nào" bạn sẽ thu thập dữ liệu và "loại dữ liệu" bạn sẽ thu thập. Đo lường dữ liệu này vào những thời điểm định trước, hoặc trong những trường hợp khác, theo những khoảng thời gian đều đặn. Trong thí nghiệm phân bón của chúng tôi, chẳng hạn, chúng tôi sẽ đo trọng lượng của cây ngô d (tính bằng kilôgam) sau một thời gian phát triển. Chúng tôi sẽ so sánh điều này với hàm lượng nitơ của phân bón được bón cho mỗi cây. Trong các thử nghiệm khác (chẳng hạn như những thử nghiệm sẽ đo lường sự thay đổi của một biến số theo thời gian), cần phải thu thập dữ liệu theo các khoảng thời gian đều đặn.
- Tạo bảng dữ liệu trước thời hạn là một ý tưởng hay - bạn chỉ cần nhập các giá trị dữ liệu của mình vào bảng khi ghi lại.
- Biết sự khác biệt giữa các biến phụ thuộc và độc lập. Biến độc lập là biến mà bạn thay đổi và biến phụ thuộc là biến bị ảnh hưởng bởi biến độc lập. Trong ví dụ của chúng tôi, "hàm lượng nitơ" là biến "độc lập" và "năng suất (tính bằng kg)" là biến "phụ thuộc". Bảng cơ sở sẽ có các cột cho cả hai biến khi chúng thay đổi theo thời gian.
Bước 5. Tiến hành thử nghiệm của bạn một cách có phương pháp
Chạy thử nghiệm của bạn, kiểm tra các biến của bạn. Điều này hầu như luôn đòi hỏi bạn phải thử nghiệm nhiều lần đối với một số giá trị biến. Trong ví dụ về phân bón của chúng tôi, chúng tôi sẽ trồng một số vụ ngô giống nhau và bón một loại phân bón có chứa các lượng nitơ khác nhau. Nói chung, bạn nhận được càng nhiều dữ liệu càng rộng thì càng tốt. Ghi càng nhiều dữ liệu càng tốt.
- Một thiết kế thử nghiệm tốt kết hợp những gì được gọi là điều khiển. Một trong các thử nghiệm bản sao của bạn không được bao gồm biến mà bạn đang thử nghiệm. Trong ví dụ về phân bón của chúng tôi, chúng tôi sẽ bao gồm một cây ngô nhận được phân bón mà không có nitơ trong đó. Đây sẽ là sự kiểm soát của chúng tôi - sẽ là đường cơ sở để chúng tôi đo lường sự phát triển của các cây ngô khác.
- Quan sát bất kỳ và tất cả các chất hoặc quy trình liên quan đến an toàn trong thí nghiệm của bạn.
Bước 6. Thu thập dữ liệu của bạn
Ghi lại dữ liệu trực tiếp trên bảng, nếu có thể - điều này sẽ giúp bạn không phải nhập lại và hợp nhất dữ liệu sau này. Tìm hiểu cách đánh giá phần không liên quan trong dữ liệu của bạn.
Luôn luôn là một ý tưởng hay để mô tả dữ liệu của bạn một cách trực quan nhất có thể. Tạo các điểm dữ liệu trên biểu đồ và thể hiện xu hướng bằng đường hoặc đường cong thích hợp nhất. Điều này sẽ giúp bạn (và bất kỳ ai khác đang xem biểu đồ này) hình dung các mẫu trong dữ liệu. Đối với hầu hết các thí nghiệm cơ bản, biến số độc lập được vẽ trên trục x nằm ngang và biến số xen kẽ trên trục y thẳng đứng
Bước 7. Phân tích dữ liệu của bạn và đưa ra kết luận
Giả thuyết của bạn có đúng không? Có bất kỳ xu hướng quan sát nào trong dữ liệu không? Bạn có tìm thấy bất kỳ dữ liệu bất ngờ nào không? Bạn có câu hỏi chưa được trả lời có thể tạo cơ sở cho các thử nghiệm trong tương lai không? Hãy thử trả lời những câu hỏi này trong khi bạn đánh giá kết quả. Nếu dữ liệu của bạn không cung cấp giả thuyết "có" hoặc "không" xác định, hãy xem xét tiến hành các thử nghiệm thực nghiệm bổ sung và thu thập thêm dữ liệu.
Để chia sẻ kết quả của bạn, hãy viết một bài báo khoa học toàn diện. Biết cách viết bài báo khoa học là một kỹ năng hữu ích - kết quả của nghiên cứu gần đây phải được viết và xuất bản ở một định dạng nhất định
Phương pháp 2/2: Chạy thử nghiệm mẫu
Bước 1. Chọn một chủ đề và xác định các biến của bạn
Vì lý do của ví dụ này, chúng ta sẽ có một thí nghiệm đơn giản và nhỏ. Trong thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi sẽ xem xét ảnh hưởng của các loại nhiên liệu aerosol khác nhau đến phạm vi bắn của súng bắn khoai tây.
- Trong trường hợp này, loại nhiên liệu khí dung mà chúng ta đang sử dụng là "biến số độc lập" (biến số mà chúng ta sẽ thay đổi), trong đó khoảng cách viên đạn là "biến số phụ thuộc".
- Điều cần xem xét trong thí nghiệm này - có cách nào để đảm bảo mỗi viên đạn khoai tây có trọng lượng như nhau không? Có cách nào để sử dụng cùng một lượng nhiên liệu cho mỗi lần bắn không? Cả hai điều này đều có thể ảnh hưởng đến tầm bắn của súng. Đo trọng lượng của mỗi viên đạn trước và sử dụng cùng một lượng bình xịt cho mỗi lần bắn.
Bước 2. Tạo giả thuyết
Nếu chúng tôi kiểm tra keo xịt tóc, xịt nấu ăn và xịt sơn, giả sử xịt tóc có chứa nhiên liệu dạng xịt với hàm lượng butan lớn hơn các loại xịt khác. Vì chúng ta biết rằng butan là chất dễ cháy, chúng ta có thể đưa ra giả thuyết rằng keo xịt tóc sẽ tạo ra nhiều lực đẩy hơn khi bắt lửa, bắn một viên đạn khoai tây đi xa hơn. Chúng tôi sẽ viết giả thuyết: "Hàm lượng butan cao hơn trong nhiên liệu khí dung trong keo xịt tóc, trung bình sẽ tạo ra tầm bắn xa hơn khi bắn đạn khoai tây nặng từ 250-300 gram."
Bước 3. Thiết lập bộ sưu tập dữ liệu trước đó của bạn
Trong thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi sẽ kiểm tra mỗi loại nhiên liệu aerosol 10 lần và tính năng suất trung bình. Chúng tôi cũng sẽ thử nghiệm một loại nhiên liệu dạng khí dung không chứa butan như một đối chứng thử nghiệm. Để chuẩn bị, chúng tôi sẽ lắp ráp khẩu pháo khoai tây của mình, chạy thử để đảm bảo nó hoạt động, mua bình xịt khí dung và sau đó cắt và cân viên đạn khoai tây của mình.
-
Chúng tôi cũng sẽ tạo một bảng dữ liệu trước. Chúng ta sẽ có năm cột dọc:
- Cột ngoài cùng bên trái sẽ có nhãn "Test #". Các ô trong cột này sẽ chứa các số từ 1-10, cho biết mỗi lần bắn.
- Bốn cột tiếp theo sẽ được dán nhãn với tên của bình phun aerosol mà chúng tôi đã sử dụng trong thí nghiệm. Mười ô dưới mỗi tiêu đề cột sẽ chứa khoảng cách (tính bằng mét) của mỗi lần bắn.
- Dưới mỗi cột trong số bốn cột cho nhiên liệu, hãy để trống để ghi giá trị trung bình cho mỗi khoảng cách.
Bước 4. Làm thí nghiệm
Chúng tôi sẽ sử dụng mỗi bình xịt để bắn mười viên đạn, sử dụng cùng một lượng bình xịt để bắn mỗi viên đạn. Sau mỗi lần bắn, chúng ta sẽ dùng thước dây để đo khoảng cách giữa mỗi viên đạn. Ghi lại dữ liệu này trong một bảng dữ liệu.
Giống như nhiều thử nghiệm khác, thử nghiệm của chúng tôi có một số vấn đề an toàn mà chúng tôi phải quan sát. Nhiên liệu dạng xịt mà chúng ta sử dụng rất dễ bắt lửa - chúng ta phải đóng thật kỹ nắp của súng bắn khoai tây và đeo găng tay dày khi đốt nhiên liệu. Để tránh bị thương do đạn vô tình, chúng tôi cũng phải đảm bảo rằng chúng tôi (hoặc những người ngoài cuộc) đứng bên súng khi bắn - không phải phía trước hoặc phía sau nó
Bước 5. Phân tích dữ liệu
Giả sử, chúng tôi thấy rằng, trung bình, keo xịt tóc bắn khoai tây xa nhất, nhưng xịt nấu ăn thì nhất quán hơn. Chúng ta có thể hình dung dữ liệu này. Một cách tốt để minh họa khoảng cách trung bình cho mỗi lần phun là biểu đồ thanh, trong đó biểu đồ phân tán là một cách tuyệt vời để hiển thị các biến thể trong khoảng cách bắn của mỗi nhiên liệu.
Bước 6. Rút ra kết luận của bạn
Xem kết quả thí nghiệm của bạn. Dựa trên dữ liệu của chúng tôi, chúng tôi có thể tự tin nói rằng giả thuyết của chúng tôi là đúng. Chúng tôi cũng có thể nói rằng chúng tôi đã tìm thấy điều mà chúng tôi không dự đoán được - đó là dung dịch xịt nấu ăn tạo ra kết quả phù hợp nhất. Chúng tôi có thể báo cáo bất kỳ vấn đề hoặc sự cố nào mà chúng tôi tìm thấy - giả sử sơn từ sơn phun tích tụ trong buồng bắn của một khẩu pháo khoai tây, khiến việc bắn lặp lại trở nên khó khăn. Cuối cùng, chúng tôi có thể đề xuất các khu vực để nghiên cứu thêm - ví dụ, có thể với nhiều nhiên liệu hơn, chúng tôi có thể đi được một khoảng cách xa hơn.
Chúng tôi thậm chí có thể chia sẻ kết quả của mình với thế giới dưới dạng các bài báo khoa học - vì đối tượng của các thí nghiệm của chúng tôi, có thể thích hợp hơn nếu trình bày thông tin này dưới dạng một bộ ba triển lãm khoa học
Lời khuyên
- Hãy vui vẻ và an toàn.
- Khoa học là đặt ra những câu hỏi lớn. Đừng ngại chọn một chủ đề mà bạn chưa từng xem trước đây.
Cảnh báo
- Đeo kính bảo vệ mắt.
- Nếu có bất cứ thứ gì dính vào mắt, hãy rửa kỹ trong ít nhất 5 phút.
- Không đặt thức ăn hoặc đồ uống gần nơi làm việc của bạn.
- Rửa tay trước và sau khi thí nghiệm.
- Khi sử dụng dao sắc, hóa chất nguy hiểm hoặc lửa nóng, hãy đảm bảo có người lớn quan sát bạn.
- Mang găng tay cao su khi tiếp xúc với hóa chất.
- Buộc tóc lại.
