Что такое наблюдение гипотеза
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 3. Экспериментальные методы в естественных науках
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Открытые электронные ресурсы по теме урока:
Метрологический музей URL: http://www.vniim.ru/etalon.html
Рубрика «Эксперименты» // Учебно-методическая газета «Физика» (электронной версии) URL: http://fiz.1september.ru/topic.php?TopicID=14&Page=5
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Познание природы развивало наблюдательность древнего человека. Это позволило ему сделать множество замечательных открытий. Люди постепенно научились разбираться в окружающем их растительном мире. Они научились отличать полезные растения от тех, которые могут причинить вред. Многие растения они стали употреблять в пищу, узнали лечебные свойства некоторых из них.
Охотясь или занимаясь собирательством, человек ориентировался на местности. Этому он научился, наблюдая за положением Солнца и звезд на небе.
Наблюдение звездного неба с древнейших времен формировало самого человека как мыслящее существо. Звездное небо до сих пор притягивает людей разных стран, поколений и профессий. Наблюдая за движением планет, звезд и галактик мы продолжаем ставить вопросы и искать на них ответы.
Наблюдение. Каковы особенности научного наблюдения?
Научное наблюдение отличается от обычного созерцания тем, что позволяет приходить к ответам на поставленный исследователем вопрос. Оно всегда целенаправленно, сознательно организовано, методически обдумано. Результаты наблюдения можно оценить, записать, измерить. Главным в научном наблюдении являются условия, в которых оно проходит и то, что сам наблюдатель не вмешивается в ход наблюдаемого процесса.
Наблюдения могут быть прямыми или косвенными, они могут вестись с помощью технических приспособлений или без таковых. Так, орнитолог видит птицу в бинокль и может слышать ее, а может фиксировать прибором звуки вне слышимого человеческим ухом диапазона; гистолог наблюдает с помощью микроскопа зафиксированный и окрашенный срез ткани, а, скажем, для молекулярного биолога наблюдением может быть фиксация изменения концентрации фермента в пробирке.
Исследователь знает, ради чего проводится наблюдение, какая поставлена цель. Наблюдателя интересуют все детали исследуемого процесса. Чем больше деталей он заметит, тем больше получит материала для обдумывания, обработки, размышлений. Поэтому обязательно ведется журнал наблюдений, где записывают все особенности происходящих процессов и их условия. Впоследствии часто приходится снова и снова возвращаться к этим описаниям. Журналы наблюдений должны долго храниться, они становятся материалом для сравнения результатов разных исследователей. Наблюдение дает материал для дальнейших исследований, позволяет сформулировать вопросы, на которые надо ответить, обозначить проблемы, которые следует решить.
Эксперимент. Чем эксперимент отличается от наблюдения?
Самой крупной экспериментальной установкой в Мире является андронный коллайдер. Это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе, находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. Большой адронный коллайдер располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км. Специалисты надеются, что с помощью ускорителя смогут получить наиболее достоверную информацию о происхождении Вселенной.
Иногда используют так называемый мысленный эксперимент, когда исследователь мысленно моделирует процессы или системы, прогнозирует и описывает их поведение.
Научная деятельность Галилея, Ньютона, Максвелла, Карно, Эйнштейна и других ученых, заложивших основы современного естествознания, свидетельствует о существенной роли мысленного эксперимента в формировании теоретических идей.
Экспериментатор должен четко представлять, какие параметры процесса он изменяет, чтобы определить, что влияет на результат, установить причину и следствие. При этом в эксперименте обязательно сравнивают поведение системы в обычных и специально измененных условиях. Результаты и условия эксперимента строго фиксируют и описывают. Если при соблюдении одних и тех же условий результаты нескольких опытов совпадают, то можно делать выводы о достоверности полученных данных.
И. П. Павлов в своей лаборатории, расположенной недалеко от Санкт-Петербурга, ставил эксперименты, изучая механизмы образования условного рефлекса. Суть знаменитого эксперимента состоит в изучении рефлексов животного, в данном случае собаки на внешнее воздействие. Именно Павлов вводит понятие безусловного рефлекса, данного от природы и условного рефлекса выработанного на протяжении жизни или в результате жизненного опыта. Все свои наблюдения Иван Петрович фиксировал в дневниках и журналах.
Павлову было уже почти 50 лет, когда он начал свои знаменитые исследования условных рефлексов. Этот новый интерес родился из случайного наблюдения одной особенности слюноотделения у собак. Обычно слюна начинает выделяться у собаки, когда пища попадает на ее язык, это врожденный рефлекс. Но Павлов заметил, что у его собак слюна выделялась еще до того, как пища попадала им в рот; у собак начинала течь слюна, когда они видели, что им несут еду, или даже тогда, когда они слышали шаги человека, который их кормил. Получалось, что рефлекс теперь вызывался новыми, прежде нейтральными, раздражителями. Сначала появилась гипотеза, в дальнейшем подтвержденная экспериментально.
Как правило, гипотеза высказывается на основе ряда подтверждающих её наблюдений (примеров) и поэтому выглядит правдоподобно. Гипотезу впоследствии или доказывают, превращая её в установленный факт (теорию, теорему, закон), или же опровергают (например, указывая контрпример), переводя в разряд ложных утверждений. Таким образом, из гипотезы, подтвержденной экспериментом, рождается теория.
Измерение. Что значит измерить величину?
С развитием научных знаний возникает необходимость в более точной фиксации наблюдений. Для решения этой задачи начинают изобретаться различные измерительные приборы: линейка, секундомер, термометр, весы, транспортир и т.д.
Характеристики объектов, получаемые в результате измерений, называют параметрами. Для измерения параметров служат специальные приборы, например манометр для измерения давления, вольтметр для измерения напряжения в электрической цепи. Результаты измерений могут позволить рассчитать параметры объектов или характеристики процессов. Например, объем куба можно рассчитать, измерив его ребро, а скорость равномерно движущегося автомобиля можно оценить, зная путь и время, за которое он пройден.
С развитием торговых отношений и научных знаний появилась необходимость в развитии единой системы единиц измерений. Постепенно складывается метрическая система мер. На сегодняшний день международная система единиц (СИ) определяет семь базовых единиц измерения, являющихся основой для остальных единиц СИ: 1. Метр для длины; 2. килограмм для массы; 3.секунда для времени; 4. ампер для силы тока; 5. кельвин для термодинамической температуры; 6. кандела для силы света; 7. моль для количества вещества.
При обработке результатов измерений всегда нужно оценивать:
Экспериментатор должен четко представлять себе, какие параметры процесса он измеряет, чтобы определить, что влияет на результат и установить причину и следствие.
Как правило, естественнонаучное исследование происходит по следующим этапам: Наблюдение – Гипотеза – Эксперимент – Вывод (научно обоснованный факт).
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Задание 1. Выпишите номера характерных черт научного наблюдения:
Верные ответы: 1, 2, 5,6,7
Задание 2. Выберите один правильный вариант ответа:
А) предположение, выдвигаемое перед началом наблюдения;
Б) действия, показывающие отношения одной величины относительно другой;
В) исследование каких-либо явлений путем создания новых условий, соответствующих целям исследования;
Г) специально организованное исследователем наблюдение.
Наблюдение и эксперимент как методы изучения естествознания и химии
Урок 2. Химия. Вводный курс. 7 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Наблюдение и эксперимент как методы изучения естествознания и химии»
Знания о природе человек получает с помощью наблюдения.
Наблюдение – это концентрация внимания на познаваемых объектах с целью их изучения.
С помощью наблюдения человек накапливает информацию об окружающем мире, систематизирует её, выявляя при этом определённые закономерности.
Для того, чтобы наблюдение было эффективным, следует выполнять ряд условий. Во-первых, нужно определить предмет наблюдения. Предметом наблюдения выступает вещество, его свойство или превращения веществ. То есть это то, на что обращено внимание наблюдателя. Во-вторых, нужно сформулировать цель наблюдения, то есть для чего это наблюдение нужно. В-третьих, необходимо составить план наблюдения, чтобы достичь нужной цели.
В основе составления плана лежит гипотеза. Термин «гипотеза» происходит от греческого слова hypothesis, что означает «основание, предположение». Гипотеза может быть выдвинута в конце, когда уже получен результат наблюдения.
Естественно то, что научное наблюдение отличается от житейского. Как правило, научное наблюдение проводится в определённых условиях и в специальном помещении, например, в лаборатории.
Эксперимент представляет собой научное воспроизведение какого-либо явления с целью его исследования, испытания в определённых условиях.
Само название «эксперимент» происходит от латинского experimentum, что означает «опыт, проба». Эксперимент позволяет опровергнуть гипотезу, возникшую при наблюдении, и сформулировать вывод.
Проведём небольшой эксперимент по изучению строения пламени. Если зажечь свечу и посмотреть на пламя, то можно заметить, что оно неоднородно по цвету и имеет три зоны. Первая – это тёмная зона – находится в нижней части пламени. Эта зона самая холодная. За тёмной зоной следует яркая часть пламени, температура которой выше, чем в тёмной зоне. В верхней части пламени, которая является бесцветной, самая высокая температура. Если поместить спичку в пламя так, чтобы она пересекала все зоны, то можно заметить, что спичка обугливается в верхней и средней зонах. Это означает, что температура в этих зонах наиболее высокая.
Как вы думаете, а будет ли пламя спиртовки иметь такое же строение, как и пламя свечи? Для этого используем следующие гипотезы. Первая: предположим, что пламя будет иметь одинаковое строение, так как в основе этого лежит одинаковый процесс – горение. Второе предположение: строение пламени будет отличаться, так как возникает в результате горения различных веществ.
Чтобы доказать или опровергнуть одну из гипотез, нужно провести эксперимент. Зажжём спиртовку. Пламя, как и в случае со свечой, имеет три зоны: внутреннюю (тёмную) самую холодную, среднюю светящуюся (горячую) и внешнюю бесцветную (самую горячую).
Таким образом, можно сделать вывод, что строение любого пламени одинаково. Поэтому, чтобы нагреть в пламени какой-либо предмет, его нужно внести в верхнюю часть пламени, потому что она самая горячая.
Все экспериментальные данные принято записывать в специальном лабораторном журнале или тетради. Записывают дату проведения эксперимента, его название и ход опыта в виде таблицы. Например, в первой колонке, что делал, во второй – что наблюдал и в третьей – выводы.
Таким образом, объект наблюдения в нашем случае – пламя свечи. Цель наблюдения – определить строение пламени и температуру в разных частях пламени. План – зажечь свечу, рассмотреть пламя, проверить температуру пламени.
Ещё великий Леонардо да Винчи говорил, что науки, которые не родились из эксперимента, – основы всех познаний – бесполезны и полны заблуждений.
Все естественные науки – это экспериментальные науки. Для постановки любого эксперимента требуется специальное оборудование. Так, в биологии часто используют оптические приборы, которые позволяют увеличивать изображение наблюдаемого объекта. К таким оптическим приборам относят лупу и микроскоп. Физики применяют приборы для измерения напряжения, силы тока и электрического сопротивления. У географов имеются такие приборы, как компас, метеорологические зонды, а также огромные научно-исследовательские суда, уникальные космические орбитальные станции.
Химики также используют специальное оборудование, например, спиртовку, химическую посуду и так далее.
Подготовка к UX-исследованию: наблюдение, гипотеза, сбор данных
UX-аналитик ecommerce-платформы Shopify Алена Югина в своем блоге на Medium рассказала, как подготовиться к проведению UX-исследования, как при этом объединить количественные и качественные методы и какие данные следует собрать.
Редакция рубрики «Интерфейсы» публикует перевод заметки, выполненный командой блога платформы Primeliber.
Формулируем вопрос и собираем данные
Многие UX-исследователи избегают статистики. Большинство из нас, в том числе и я, не имеют высшего образования в области математики, поэтому нам тяжело работать со сложными статистическими уравнениями. SPSS, SAS, R и даже Excel и Таблицы Google позволяют использовать статистические данные на концептуальном уровне, без необходимости углубляться в уравнения. Но при использовании этого программного обеспечения есть некоторый риск, особенно если вы не имеете никакого представления о статистике.
Участники проекта нередко спорят, что важнее: «большие данные» или этнографический подход к дизайну продукта. Такие споры, как правило, контрпродуктивны: эти два метода дополняют друг друга, а не противостоят. Для дискуссий есть и более важные вопросы — например, кто должен править Вестеросом из «Игры престолов».
Как объединить в исследовании качественные и количественные методы
Начните с вопросов. UX-исследователи могут задавать целый ряд вопросов для количественного анализа, касающихся отношения владельца к конкретной задаче («Ваше мнение об онлайн-маркетинге?») или собирать информацию на основе поведенческого опросника («Как владельцы малого бизнеса создают свой имидж и как они воспринимают свой онлайн-магазин?»).
С другой стороны, сбор качественных данных может включать в себя посещение местного магазина, наблюдение за поведением владельца бизнеса без заранее составленных вопросов или проведение интервью, в котором бизнесмен открыто говорит об управлении складом, при этом ему не задают конкретных вопросов.
Выберите метод. Выбор методов зависит от вашего намерения. Либо вы до начала исследования уточняете, какая нужна информация (количественный метод), либо позволяете ее раскрыть самим участникам (качественный метод).
Определите, как вы будете записывать данные. Какие могут быть данные:
Решите, как вы будете интерпретировать данные. Вы можете применять статистический анализ (количественный метод) или интерпретировать темы и шаблоны, полученные из данных (качественный метод). Это зависит от вопроса, методов и инструментов.
UX-исследователи регулярно собирают, анализируют и интерпретируют как количественные, так и качественные данные. Мы погружаемся в поведение человека и очень точно обрабатываем и обобщаем результаты от одной выборки ко всей группе людей. Данные «тепловой карты» можно дополнить открытыми наблюдениями, а данные опроса — проведением подробных исследовательских интервью.
Я считаю, что искусственное разделение методов исследования на качественные и количественные только вносит путаницу в UX-исследование. Во многих обучающих материалах рекомендуют не обобщать результаты небольших выборок: высока вероятность появления статистической случайности.
Мы не говорим о «ловушках сбора количественных данных», таких как сотни ненужных «тепловых карт», событий в Google Analytics и A/B-тестах, — просто потому, что эти методы всем доступны. Не буду вдаваться в подробности анализа исследования, это очень масштабная тема.
Хочу только еще раз повторить, что ключевая задача UX-исследования — добиться ясности, избежать сложностей и в конце концов любым проверяемым методом найти ответ на интересующий вас вопрос.
1. Наблюдаем, прежде чем начать систематическое измерение
Приступая к любому исследованию, я отвечаю на четыре простых вопроса:
Сразу же после этого я приступаю к неформальному наблюдению того, что хочу лучше понять. Наблюдение может носить эпизодический характер (я заметила, что мой отец очень избирательно решает, в каком магазине купить алкоголь) или основываться на данных (я попросила нескольких владельцев бизнеса записывать свои мысли каждый раз, когда они общаются с новым поставщиком, и заметила, что большинство из них очень разборчивы).
Любой хороший аналитик данных, будь то статистик или UX-исследователь, скажет, что перед самим исследованием нужно проводить неформальные наблюдения и общаться с людьми, чтобы лучше понять группу людей, чье поведение вы планируете анализировать.
Вот почему важно предварительное наблюдение:
Нельзя недооценивать значимость простого наблюдения перед систематическими измерениями. Начинающий исследователь может споткнуться на первых этапах, потому что он стремится сразу получить точные данные и не уделяет достаточно времени составлению правильных вопросов.
Опытный исследователь много времени проводит над предварительным наблюдением и часто исключает самые первые данные из окончательного анализа. Методы исследования и измерения результатов при необходимости можно изменить, не рискуя достоверностью исследования.
2. Создаем проверяемую гипотезу
Ключевое слово — «проверяемая». Карл Поппер, известный философ науки, сказал, что критерием научного статуса теории является ее фальсифицируемость (или опровержимость, или проверяемость). То есть за хорошей теорией всегда стоит гипотеза, которую можно доказать или опровергнуть количественными или качественными методами исследования.
Например, «бизнесмены разборчивы в выборе поставщиков» — это ненаучное заявление: «разборчивость» невозможно выразить количественно, а «бизнесмены» — слишком большая группа людей. Если мы изменим это заявление и скажем, что «владельцы малого бизнеса называют не менее трех факторов для отбора, оценки и проверки поставщиков», то оно становится проверяемым. Теперь мы сможем выяснить, что это за факторы и как они отличаются в разных сферах бизнеса.
3. Собираем данные для проверки теории
Здесь нужно определиться с двумя моментами: что измерять и как измерять. Первый вопрос довольно прост: чтобы проверить теорию, нам нужно измерить переменные, то есть то, что различается у разных людей (поведение, возраст), в разных местах (количество предприятий малого бизнеса в Канаде и Австралии) или в разное время (чувство голода в полдень и в два часа дня, прибыль компании в январе и феврале).
Многие гипотезы можно выразить двумя переменными: причина (независимая переменная) и следствие (зависимая переменная). Если мы возьмем заявление «Плохой дизайн страницы оформления заказа повышает количество отказов», то «плохой дизайн страницы оформления заказа» — это причина, а «низкая конверсия клиентов» — следствие. Переменные (по сути, собранные числа и слова) можно разбить на качественные и непрерывные, и дальше уже выделяются разные уровни измерения.
Качественная переменная — это переменная, которая различает объекты. Вы либо человек, либо кот, либо летучая мышь. Нельзя быть немного летучей мышью и немного человеком, если только вы не Бэтмен.
Непрерывная переменная дает оценку каждому человеку и может принимать любое значения на шкале переменных, которую вы используете.
Как проверить нашу теорию, используя эти переменные? В корреляционном (качественном) исследовании мы наблюдаем за тем, что происходит в мире, без прямого вмешательства. При экспериментальном (количественном) исследовании мы манипулируем одной переменной, чтобы выявить ее влияние на другую.
Какой бы метод вы ни выбрали, помните, что поведение состоит из непрерывного потока движений и событий. Прежде чем получить достоверные измерения, этот поток нужно разделить на дискретные категории. Я обычно выбираю категории на основании заданного вопроса, а не на основании какого-то присущего характера поведения.
Неопытные исследователи склонны слишком много записывать. Поток поведения безграничен, поэтому здесь важен избирательный подход. Чем меньше используется категорий, тем достовернее будет измерение каждой из них, причем все категории можно отнести к категориальным, порядковым, интервальным или переменным отношения. Например: «У P1 ушло в два раза больше времени на поиск кнопки оформления заказа, чем у P2».
Кроме качественных и непрерывных переменных, есть еще четыре типа показателей, которые помогают описать поведение:
Период ожидания. Он измеряется в единицах времени (секунды, минуты, часы). Это время от какого-то конкретного события (например, начала записи сеанса исследования) до первого проявления поведения. Например, если человек не нажимает на кнопку призыва к действию по прошествии двух минут, то задержка клика составляет две минуты.
Продолжительность. Измеряется в единицах времени (секунды, минуты, часы). Это отрезок времени, в течение которого длится один шаблон поведения. Например, если человек начинает читать инструкцию и прекращает через пять минут, то длительность процесса чтения составляет пять минут.
Интенсивность помогает оценивать масштаб шаблона поведения и может измеряться при помощи физических величин: вес поднятых ящиков, объем выпитой воды, количество подсчитанных чеков или расстояние, пройденное от пункта А до пункта В. Можно измерить интенсивность голоса во время общения коллег (для оценки условий работы), амплитуду движения руки во время поднятия коробок или высоту прыжка; интенсивность выражения эмоций или степень агрессии во время социального взаимодействия.
Самый простой показатель интенсивности — локальный коэффициент, который определяется как количество действий компонента за единицу времени, потраченную на выполнение действия. Например, интенсивность ходьбы можно измерить количеством шагов за единицу времени. Локальный коэффициент включает ускорение интенсивности поведения: чем быстрее выполняется действие, тем выше локальный коэффициент.
4. Не только анализ
Это лишь некоторые инструменты, которые можно использовать, чтобы выразить поведение в количественной форме. Какие бы инструменты вы ни выбрали, анализ должен быть точным. Перейдя от бумаги и карандаша к компьютеру, вы ускорите проведение анализа и, вероятно, сделаете его более точным, но вы не сможете изменить данные. Неправильно собранные данные и неактуальные данные нельзя вносить в компьютер, хотя некоторые пытаются завернуть эти данные в оболочку сложного анализа и представить в виде запутанных диаграмм.
Используйте самые лучшие доступные методы и оборудование, чтобы создавать и проверять гипотезы. Главное, не увлекайтесь методологией. Как сказали Фаген и Янг, «будущее принадлежит тем, кто может эффективно использовать простые методы для проверки теоретической гипотезы, или тем, кто готов создавать оригинальные модели поведения в случае отсутствия простого доступного метода».