Metodologia PL.pdf

Szkoła Festiwalu Nauki

143

W. Grajkowski, A. Karnkowska, M. Augustyniak, E. Bogusz,

H. Dąbrowska, A. Dmoch-Hołody, B. Woźniak, A. Zdrojewska.

Szkoła Festiwalu Nauki | ul. Ks. Trojdena 4 | 02-109 Warszawa

tel. 22 597 07 68 | faks 22 597 07 15 | sfn@iimcb.gov.pl

Jak prawidłowo przeprowadzić eksperyment naukowy?

czyli codzienne dylematy Karola Dociekliwego

Wstęp

Pojęcia takie jak problem badawczy, hipoteza, kontrola pozytywna i

negatywna mogą wydawać się uczniom trudne do zrozumienia, zatem

warto im pokazać, że każdy z nas, każdego dnia rozwiązuje liczne proble-

my badawcze, tworzy kontrole i testuje postawione hipotezy, chociażby

po to, żeby znaleźć rano skarpetki…

Niniejszy scenariusz ma na celu zapoznanie uczniów z podstawowymi

pojęciami z zakresu metodologii badań naukowych. Myślą przewodnią

jest uświadomienie uczniom, że te trochę abstrakcyjne terminy dotyczą

czynności i procesów myślowych, które każdy z nas wykonuje wielo-

krotnie w ciągu dnia. Punktem wyjścia będzie oczywiście wprowadzenie

tych pojęć i wyjaśnienie ich znaczenia. Jednak najważniejsze jest, aby

uczniowie zrozumieli istotę stawiania problemów badawczych, formuło-

wania hipotez i przeprowadzania eksperymentów, nie tylko naukowych

i niekoniecznie z zakresu biologii. Zatem w pierwszej części lekcji pro-

ponujemy trening tych umiejętności na przykładach „z życia wziętych”.

Podajemy kilkanaście takich przykładów, ale oczywiście można je mnożyć

w nieskończoność. W drugiej części lekcji proponujemy przeprowadzenie

bardzo znanego eksperymentu, w którym przy pomocy jodyny wykrywa-

my skrobię zawartą w różnych produktach spożywczych. Eksperyment

jest prosty i szybki, ale nieco zmodyikowaliśmy jego przebieg dodając

nowe elementy, które mamy nadzieję, udowodnią uczniom jak ważne

są kontrole i uświadomią, że nie zawsze otrzymujemy wynik zgodny z

naszymi oczekiwaniami. Mamy nadzieję, że dzięki temu scenariuszowi

uczniowie lepiej zrozumieją tak ważne w biologii terminy i procesy my-

ślowe i pomoże im to nie tylko w pomyślnym zdaniu matury, gdzie na te

zagadnienia położony jest duży nacisk, ale także w życiu codziennym.

Wprowadzenie do metodologii eksperymentu

biologicznego

Problem badawczy - pytanie, na które odpowiedź

u z y skujemy w w y niku pr zeprow adzoneg o

doświadczenia. Celem doświadczenia jest rozwiązanie

problemu badawczego.

Hipoteza - przypuszczalna, niekoniecznie prawdziwa,

odpowiedź na pytanie stanowiące problem badawczy.

Badacz opierając się na wiedzy teoretycznej stawia

hipotezę przed przystąpieniem do doświadczenia.

Uzyskane wyniki eksperymentu decydują o tym czy

hipoteza okazuje się prawdziwa i należy ją przyjąć za

rozwiązanie problemu badawczego czy też jest

fałszywa i trzeba ją odrzucić.

www.sfn.edu.pl

Szkoła Festiwalu Nauki

Określenie

problemu

badawczego

Do rozwiązania przez uczniów:

Karol musi skontaktować się z dziadkiem. Dziadek, jako człowiek starej daty

nie ma telefonu komórkowego, ale można zadzwonić do niego do domu

lub do pracy. Na pewno jest w tej chwili w jednym z tych dwóch miejsc, ale

Karol nie wie, w którym. Sformułuj problem badawczy i postaw hipotezę,

którą Karol przetestuje.

Komentarz:

Należy zwrócić uwagę na to, że niezależnie od tego, jaką hipotezę posta-

wiono i pod który telefon zadzwoni Karol, to i tak dowie się, gdzie jest

dziadek. Jest to zatem przykład na to, że postawienie nawet fałszywej

hipotezy doprowadza nas do rozwiązania problemu badawczego, chociaż

może to kosztować więcej czasu (sprawdzanie kolejnych szulad) lub

pieniędzy (wykonywanie kolejnych telefonów).

Postawienie

hipotezy

Odrzucenie

hipotezy

Wybór metody

badawczej

Do rozwiązania przez uczniów:

Karol znalazł na strychu starą lampę bez żarówki. Chce sprawdzić, czy lampa

jest sprawna. Sformułuj problem badawczy, postaw hipotezę, zaproponuj,

jak można ją przetestować.

Komentarz:

Oczywiście testowanie hipotezy polegać będzie na wkręceniu żarówki

i podłączeniu lampy do prądu. Przyjmijmy, że po włączeniu lampa nie

świeci. Czy na tej podstawie możemy uznać, że lampa jest zepsuta? A

jeśli to żarówka jest przepalona? Albo może gniazdko, do którego pod-

łączyliśmy lampę jest uszkodzone? Należy zatem sprawdzić czy żarówka

i gniazdko są sprawne, najprościej poprzez wkręcenie żarówki do lampy,

o której wiemy na pewno, że działa, a następnie podłączenie jej do

naszego gniazdka. W ten sposób doświadczenie zostaje wzbogacone

o kontrolę pozytywną .

Kontrola pozytywna – doświadczenie pomocnicze,

które przeprowadza się w identyczny sposób jak

doświadczenie właściwe, ale na obiekcie kontrolnym

– takim, o którym wiemy, że pozwoli nam zaobserwować

określony efekt, będący przedmiotem badania.

W opisanym powyżej doświadczeniu obiektem kontrolnym jest lam-

pa, co do której Karol ma pewność, że jest sprawna i powinien móc

zaobserwować „efekt będący przedmiotem badania” czyli świecenie.

Zastosowanie kontroli pozytywnej pozwala wykryć ewentualne błędy

w procedurze doświadczalnej (przepalona żarówka, zepsute gniazdko),

które mogłyby wprowadzić badacza w błąd co do prawdziwości po-

stawionej hipotezy (Karol mógłby niesłusznie uznać, że znaleziona na

strychu lampa jest zepsuta).

Przeprowadzenie

doświadczenia

Wynik przeczy

hipotezie

Wynik

potwierdza

hipotezę

Rozwiązanie

problemu

badawczego

Kolejne etapy eksperymentu naukowego:

Schemat ten dotyczy przeprowadzania praktycznie

wszystkich eksperymentów naukowych, ale

również każdy z nas nieświadomie stosuje te same

zasady w codziennym życiu.

Przykład:

Karol nie może znaleźć swoich skarpetek. Wie,

że są w jednej z 6 szuf lad, ale nie pamięta,

w której.

Problem badawczy: w której szuladzie są skarpetki?

Hipoteza: w drugiej od góry (Karolowi wydaje się, że

tam mogą być)

Eksperyment: Karol otwiera szuladę i sprawdza czy

są tam skarpetki

Wynik: skarpetek nie ma

Wniosek: hipoteza okazała się fałszywa (Karol ją

obalił)

Następna hipoteza: skarpetki są w trzeciej szuladzie

od góry

Tym razem okazuje się, że rzeczywiście tam są, hi-

poteza zostaje potwierdzona, a problem badawczy

rozwiązany.

Do rozwiązania przez uczniów:

Karol będzie wiercił otwór w ścianie, żeby powiesić obraz. Najpierw jednak

chce się przekonać czy w tym miejscu nie biegną żadne przewody ani rury.

W tym celu pożyczył od kolegi wykrywacz metali. Jak powinno wyglądać

doświadczenie przeprowadzone przez Karola?

Komentarz:

Żeby obalić lub potwierdzić postawioną hipotezę („w tym miejscu w

ścianie nie ma przewodów ani rur”) Karol musi sprawdzić to miejsce

wykrywaczem metali. Nie ma jednak oczywiście gwarancji, że wykrywacz

jest na tyle czuły, że zasygnalizuje obecność cienkiego przewodu lub rury

ukrytej głębiej w murze. W związku z tym Karol musi przeprowadzić

kontrolę pozytywną, czyli sprawdzić wykrywaczem te miejsca w ścianie,

gdzie na pewno znajdują się przewody lub rury np. w pobliżu gniazdek

elektrycznych czy kranów.

www.sfn.edu.pl

Metodologia eksperymentu naukowego

Do rozwiązania przez uczniów:

Przykłady dodatkowe (do wykorzystania na

lekcji lub jako praca domowa):

Przykład .

Karol kupił pojemnik do próżniowego przechowywania

żywności, który według sprzedawcy pozwala przedłużyć

okres przydatności do spożycia znajdujących się w nim

produktów. Karol postanowił sprawdzić czy to prawda,

innymi słowy: chciał przetestować hipotezę postawioną

przez sprzedawcę. W tym celu zamknął w pojemniku

różne produkty spożywcze, a kiedy otworzył go po

pięciu dniach, okazało się, że wszystko nadal nadaje

się do jedzenia. Uznał zatem, że hipoteza okazała się

prawdziwa. Czy postąpił słusznie?

Komentarz:

Karol powinien dokładnie takie same produkty

spożywcze umieścić również w jakimś zwyczajnym

pojemniku. Być może wybrana przez niego żywność

nadaje się do jedzenia po pięciu dniach, nawet jeśli

jest przechowywana w tradycyjny sposób. Innymi

słowy: Karol powinien wprowadzić kontrolę nega-

tywną .

Kontrola negatywna – doświadczenie

pomocnic ze, pr zeprowadzone w

identyczny sposób jak doświadczenie

właściwe, ale pozbawione tego czynnika,

który naszym zdaniem wpływa na

badany efekt.

W opisanym powyżej przykładzie Karol bada wpływ

opakowania próżniowego na świeżość żywności,

zatem to opakowanie jest jedynym elementem, któ-

rym doświadczenie kontrolne może różnić się od do-

świadczenia właściwego. Oznacza to m.in., że w obu

pojemnikach muszą być przechowywane takie same

produkty spożywcze i oba muszą na równie długi czas

zostać umieszczone w takiej samej temperaturze.

Prawidłowo przeprowadzona kontrola negatywna

pozwala na zaobserwowanie wpływu tylko jednego,

badanego czynnika, z pominięciem wszystkich innych

(np. temperatura, rodzaj żywności).

Każdej zimy Karol wykłada do karmnika przed domem

słoninę dla sikorek. W tym roku chce jednak sprawdzić

czy sikorki nadal będą przylatywać, jeśli zamiast tego

wyłoży siemię lniane. Zaprojektuj doświadczenie, jakie

powinien przeprowadzić Karol, aby się o tym przekonać.

Jedyny efekt, który Karol może obserwować to obecność

bądź brak sikorek, nie jest natomiast w stanie oceniać

ile pokarmu zjadły, ponieważ do karmnika przylatują

również inne głodne ptaki.

Komentarz:

W tym wypadku Karol musi zastosować zarówno

kontrolę pozytywną jak i negatywną. Pierwszego dnia

powinien wyłożyć do karmnika słoninę, aby przekonać

się czy sikorki w ogóle są w okolicy (kontrola pozy-

tywna). Drugiego dnia powinien pozostawić karmnik

pusty, aby wykluczyć możliwość, że ptaki przylatują

do niego z przyzwyczajenia, niezależnie od tego czy

danego dnia znajduje się tam pokarm czy nie (kon-

trola negatywna). Wreszcie trzeciego dnia powinien

wyłożyć siemię lniane, aby potwierdzić lub obalić

postawioną hipotezę.

Przykład .

Firma farmaceutyczna testuje nowy środek łagodzący

objawy uczulenia na kocią sierść. Na badania zgło-

siło się 38 ochotników, twierdzących, że cierpi na tę

przypadłość. Jak powinien zostać przeprowadzony

eksperyment?

Komentarz:

Najpierw należy przeprowadzić kontrolę pozytywną,

aby przekonać się czy wszyscy ochotnicy rzeczywiście

mają alergię na kocią sierść. Zwykle robi się to po-

przez zastrzyk z preparatu zawierającego określone

alergeny, można jednak przyjąć metodę polegającą

na zamknięciu ochotników na kilka godzin w jed-

nym pomieszczeniu z kotami. Aby uzyskać kontrolę

negatywną, trzeba podzielić ochotników na dwie

równoliczne grupy i jednej podać testowany środek

a drugiej tzw. placebo, czyli substancję obojętną dla

organizmu. Zastosowanie placebo jest niezbędne,

ponieważ ludzie niejednokrotnie po podaniu leku

ulegają sugestii do tego stopnia, że odczuwają

osłabienie objawów chorobowych. Oczywiście obie

grupy muszą zostać poddane działaniu alergenu w

identycznych okolicznościach (np. dwa identyczne

pokoje z równą liczbą kotów). Porównanie objawów

uczulenia u osób poddanych działaniu preparatu i

osób z grupy kontrolnej powinno pozwolić na ocenę

skuteczności leku.

Do rozwiązania przez uczniów:

Karol kupił środek odstraszający komary i postanowił

go wypróbować. Okazja nadarzyła się kilka dni później,

kiedy razem z piątką przyjaciół biwakował nad jeziorem.

Jaki eksperyment powinien przeprowadzić Karol?

Komentarz:

Karol musi podzielić przyjaciół na dwie trzyosobowe

grupy: badaną, czyli tę, która użyje środka odstra-

szającego komary oraz grupę kontrolną, która go nie

zastosuje. Następnie należy porównać liczbę ukąszeń

przez komary w obu grupach. Gdyby wszyscy obecni

użyli preparatu, zabrakłoby kontroli negatywnej i

uzyskane wyniki niczego nie powiedziałyby o skutecz-

ności środka (nie można wykluczyć też ewentualności,

że nad jeziorem w ogóle nie ma komarów).

Szkoła Festiwalu Nauki

Doświadczenie do przeprowadzenia

na lekcji

Cel: Wykrywanie skrobi w produktach

spożywczych przy pomocy jodyny.

Materiały:

•

7 zakraplaczy lub łyżeczek

21 małych plastikowych kubeczków

kserokopia karty pracy

Przebieg doświadczenia:

Klasę należy podzielić na grupy, maksymalnie czteroo-

sobowe, wtedy każda osoba w zespole ma konkretne

zadania do wykonania. Podajemy propozycję podziału

na 7 grup (Tabela 1.). Jako kontrolę pozytywną stosujemy

barwienie zawiesiny skrobi, a jako negatywną – wody.

•

zawiesina skrobi (nasyp 3 łyżki mąki ziemniaczanej

do szklanki zimnej wody) i rozlej niewielką objętość

do kubeczków dla każdej grupy

jodyna

śmietana

jabłko

ziemniak

lekko niedojrzały banan

białe pieczywo

woda

„fałszy wa śmietana” (dodaj do normalnej

śmietany odrobinę mąki ziemniaczanej i dokładnie

wymieszaj)

„fałszywa jodyna” (np. odgazowana cola lub

dowolny inny produkt o podobnym do jodyny

kolorze i niezbyt mocnym zapachu)

•

Każda grupa uczniów otrzymuje zestaw trzech naczynek

zwierających kolejno próbki: 1. czystą wodę; 2. zawiesinę

skrobi; 3. jedną z próbek oznaczonych A-G.

Uczniowie wkrapiaja kilka kropel jodyny do każdego z

trzech naczynek i po upływie 1 min obserwują barwę

próbki, notując zauważone zmiany.

•

Po przeprowadzeniu przez uczniów eksperymentu, na

tablicy powinna powstać tabela zbiorcza (tabela 2.), w

której znajdą się wszystkie wyniki.

Tabela 1. Podział klasy na grupy

Grupa

Próba badana

Odczynnik do wykrywania

skrobi

Cel

ziemniak

jodyna

uzyskanie spodziewanego wyniku pozytywnego

ziemniak

fałszywy odczynnik do

wykrywania skrobi

uzyskanie niespodziewanego wyniku negatywnego - udo-

wodnienie roli kontroli

kawałek jabłka

jodyna

uzyskanie spodziewanego wyniku negatywnego

lekko niedojrzały banan jodyna

uzyskanie niespodziewanego, lub spodziewanego wyniku

pozytywnego, być może obalenie hipotezy

śmietana

jodyna

uzyskanie spodziewanego wyniku negatywnego

śmietana z dodatkiem

mąki ziemniaczanej

jodyna

uzyskanie niespodziewanego wyniku pozytywnego, hipo-

teza nie zawsze musi być prawdziwa

białe pieczywo

jodyna

uzyskanie spodziewanego wyniku pozytywnego

Omówienie wyników

Podczas omawiania wyników przedstawiciele

wszystkich grup prezentują sformułowane przez

siebie problemy badawcze i postawione hipotezy

oraz interpretują wyniki eksperymentu, potwier-

dzając bądź obalając hipotezę. Należy raz jeszcze

podkreślić, że bez względu na to, czy postawiona

hipoteza była prawdziwa czy fałszywa, prawidłowo

przeprowadzony eksperyment pozwala znaleźć roz-

wiązanie problemu badawczego. Trzeba mieć jednak

świadomość, co tak naprawdę jest przedmiotem

badania, np. grupa wykrywająca skrobię w śmietanie

zafałszowanej mąką nie powinna wyciągać wniosku

„śmietana zawiera skrobię”, lecz „badana próbka

zawiera skrobię”. Szczególną uwagę należy zwrócić

na wyniki doświadczenia przeprowadzonego przez

grupę używającą wygazowanej coli zamiast jodyny,

ponieważ przykład ten w prosty sposób ilustruje

ważną rolę doświadczeń kontrolnych.

Na zakończenie lekcji uczniowie odpowiadają

na pytania zamieszczone w KARTACH PRACY.

www.sfn.edu.pl

Metodologia eksperymentu naukowego

Tabela 2. Tabela zbiorcza z wynikami z wszystkich grup

Grupa

Próba badana

Postawiona hipoteza

Wynik bada-

nej próby

Kontrola po-

zytywna

Kontrola nega-

tywna

ziemniak

jabłko

banan

śmietana

białe pieczywo

Scenariusz Szkoły Festiwalu Nauki i Fundacji BioEdukacji powstał w

ramach projektu „Biologia XXI wieku - nowe scenariusze lekcyjne i

zajęcia w liceach z małych miejscowości” inansowanego ze środków

Fundacji PZU, na podstawie umowy nr 28/KE/2005 z dnia 30 czerwca

2005r. Został przetestowany i dopracowany na podstawie dwunastu

lekcji testowych z młodzieżą z liceów woj. mazowieckiego.

Adaptacja protokołu została wykonana w ramach projektu VOLVOX,

inansowanego przez Komisję Europejską w Szóstym Programie Ra-

mowym.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: