طبيعة العلم

طبيعة العلم
N a t u r e  o f  S c i e n c e
 

المنهجية العلمية

Scientific Method

ما المنهجية العلمية؟

 هي اتباع مجموعة من الخطوات العلمية الدقيقة والمتسلسلة للوصول إلى حل مشكلة ما، وهذه الخطوات ملخصة في الجدول التالي:

 

الملاحظة العلمية الدقيقة	طرح أسئلة	صياغة الفرضيات	اختبار الفرضيات	تحليل البيانات	الاستنتاج

 

 

 

 

 

الملاحظة وطرح الأسئلة

Observation and Asking Questions

ما الملاحظة Observation 

عملية رصد الأحداث أو العمليات المتعلقة بظاهرة ما باستخدام الحواس، ووصفها بطريقة منظمة ودقيقة، ودون تحيز لأي أفكار.

ما الأدوات التي يمكن استخدامها؟

يمكن استخدام أدوات مثل؛ المسطرة والميزان ومقياس درجة الحرارة،وأقلام غيرها ويتم تسجيل الملاحظات على شكل بيانات يمكن تحليلها.

أنواع البيانات التي يتم جمعها:

نوع البيانات	التعريف	مثال
البيانات النوعية Qualitative Data	بيانات تكون وصفًا لظاهرة ما	الأصوات والروائح
البيانات الكمية Quantitative Data	بيانات يمكن قياسها	الحجم والكتلة ودرجة الحرارة

 

 

 

 

 

في قصة اكتشاف اللقاحات؛ لاحظ العالم إدوارد جينر أن الفتيات اللاتي يحلبن الأبقار لا يصبن بجدري الإنسان، وهذا ما لاحظه معظم الناس في عصره، ولكن العالم إدوارد جينر لفت انتباهه

هذه الملاحظة، وتساءل فيما إذا كان هناك علاقة بين إصابة الفتيات بجدري الأبقار الضعيف جدًا وامتلاكهن مناعة ضد جدري الإنسان الفتاك.  

أبحث أبحث في مصادر المعرفة المناسبة عن تطور مبادئ التفكير العلمي من عصر  أرسطو إلى عصر ديكارت، ثم أصمم مخططًا يوضح ذلك وأعرضه على زملائي/ زميلاتي في الصف.

لقد قام المنطق الأرسطي بشكل رئيسي على نوعين من الاستدلال: الاستدلال الاستنباطي: ويكون من العام إلى الخاص مثل قولنا فلان (اسم أي إنسان) إنسان، الإنسان يموت، إذن فلان يموت. والاستدلال الاستقرائي: ويكون من الخاص إلى العام مثل قطعة الحديد هذه تتمدد بالحرارة، إذن فكل قطع الحديد تتمدد بالحرارة. ويقسم الاستدلال الاستقرائي إلى: كامل: أي أنه يجب فحص جميع الحالات قبل الخروج بالتعميم أي يجب فحص جميع قطع الحديد لنقول أن كل الحديد يتمدد بالحرارة. وناقص: أي بفحص مجموعة كبيرة أو صغيرة لنعمم القانون على كافة العناصر المشابهة.  أرسى ديكارت لفكره أربع قواعد ترشده في طلب المعرفة الحقة، وهي: القاعدة الأولى، ألا أقبل أي شيء على أنه حق ما لم يتبين لي ذلك على نحو واضح وجليّ بحيث لا يبقى لدي مجال للشك فيه. القاعدة الثانية، أن أُقسم المشكلات المبحوثة إلى ما يمكن وما يلزم من تجزئة لحل هذه المشكلات بأفضل طريقة. القاعدة الثالثة، أن أطرح أفكاري بالترتيب، بدءّا بأبسط الأشياء المستساغة علميًّا، ثم التدرّج لمعرفة أكثر الأشياء تعقيدُا. القاعدة الرابعة، أن أضع في كل مجال الإحصاء والمراجعة الكاملة التي تجعلني على ثقة بأنني لم أهمل شيئاً ما. الخلاصة، أن ديكارت يقابل بين العقل والحواس، إذ يُعِدُّ الحواس مجرد أدوات عملية تُفضي إلى النفع العام في الحياة، أما العقل، فهو هبة من الله، وقد وضع الإنسان فطريًا بعض الأفكار التي تُعدُّ المعارف الأولية.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

 

صياغة الفرضية

Forming Hypothesis

 ما الفرضية Hypothesis

هي إجابة مقترحة لسؤال علمي يمكن اختبارها باستخدام التجربة العلمية المضبوطة للتأكد من صحتها، يستخدم العلماء لصياغتها الملاحظات والبيانات وما توصلت إليه الدراسات السابقة.

في قصة اكتشاف اللقاحات، الفرضية التي تبناها العالم إدوارد جينر: أن إصابة الفتيات بجدري البقر يحميهن من الإصابة بجدري الإنسان.

التنبؤ Prediction 

 توقع يتم من خلاله تحديد النتائج التي يمكن التوصل إليها بناء على فرضية معينة، وعادة يُصاغ على شكل جملة شرطية. ويشتق عادة من الفرضية، مما يسهل اختبارها.

في قصة اكتشاف اللقاحات، (إذا كانت الإصابة بجدري الأبقار تقي من الإصابة بجدري الإنسان، فإن حقن الأشخاص بصديد البثور الذي يسببها جدري الأبقار سيمنع  إصابتهم  بجدري الإنسان)،

أفكر  أصوغ تنبؤاً آخر من فرضية العالم إدوارد جينر.

إذا كانت الإصابة بجُدري الأبقار تقي من الإصابة بجدري الإنسان، فإن مخالطة الأشخاص السليمين للأشخاص المصابين بجدري الأبقار ستؤدي إلى انتقال عدوى جدري الأبقار للأشخاص غير المصابين مما يمنع إصابتهم بجُدري الإنسان.

 

 

 

 

 

 

 

أتحقق:

ما الفرق بين الفرضية والتنبؤ؟

الفرضية هي إجابة مُقترحة لسؤالٍ، بينما التنبؤ توقُّع يتضمَّن تحديد النتائج التي يُمكن التوصُّل إليها بناء على فرضية مُعيَّنة ويُصاغ عادةً في صورة جملة شرطيةٍ.

اختبار الفرضية

Testing Hypothesis

 ما التجربة العلمية المضبوطة Controlled Experiment

هي التجربة التي يدرس العلماء من خلالها العوامل المتغيرة مثل: درجة الحرارة والضوء والزمن وغيرها؛ لتعرف علاقة السبب والنتيجة بينها. وتقسم هذه العوامل المتغيرة إلى متغيرات مستقلة ومتغيرات تابعة وهناك عوامل يجب تثبيتها تسمى العوامل المُثَبتة.

أنواع العينات:

 عينة ضابطة Control Sample وعينة تجريبية Sample Experimental إذ يتم مقارنة نتائج العينة التجريبية بنتائج العينة الضابطة، والعينتان تخضعان للظروف نفسها ما عدا المتغير المستقل المراد دراسة تأثيره حيث يتم تثبيته في العينة الضابطة، وإحداث تغييرات فيه في العينة التجريبية، ولا بد من تكرار إجراء التجربة أكثر من مرة للحصول على نتائج أكثر دقة.

أفكر  لماذا يتعين استثناء الفتيات اللاتي يحلبن الابقار من العينة الضابطة والعينة التجريبية؟

يجب الاستثناء من العينة الضابطة؛ لأنه لا يمكن مقارنة نتائج العينة التجريبية بهن لامتلاكهن المناعة ضد الجدري. والاستثناء من العينة التجريبية لأنهن يتمتعن بالمناعة ضد الجدري فلن يظهر عليهن نتائج الحقن

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

أفكر  اختبر باحث أثر محلول محضر من خل وماء على نمو 1000 بذرة من نبات الرشاد، في حين اختبر أخر أثر المحلول نفسه على 5000 بذرة من النبات نفسه. أيهما قد يتوصل إلى نتائج أدق؟ أبرر اجابتي.

الذي اختبر أثر المحلول في5000) ) ذرة من النبات سيتوصل إلى نتائج أدق؛ إذ أنه كلما زاد حجم العينة تكون العينة ممثِّلة أفضل لمجتمع الدراسة (تدل على عدد مرات تكرار التجربة على العينة).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

أتحقق: أفرق بين المتغير المستقل والمتغير التابع.

المتغير المستقل يؤثر في المتغير التابع، والمتغير التابع يتأثر ولا يؤثر في المتغير المستقل.

الجدول التالي يلخص الخطوات التي قام بها العالم إدوارد جنر في اكتشاف اللقاحات:

خطوات تجربة العالم إدوارد جنر ونتائجها
الملاحظات وجمع البيانات		لاحظ العالم إدوارد جنر أن الأبقار أصيبت بنوع من الجدري، وأن حالبات الأبقار أصيبت  أيديهن فقط بجدري الأبقار، وأنهن لا يصبن بجدري الإنسان
صياغة الفرضية		بعد أن انتهى العالم إدوارد جنر من مراجعة ملاحظاته قد افترض أن تعريض الأشخاص للإصابة  بجدري الأبقار يكسبهم مناعة تماثل مناعة حالبات الأبقار
اختبار الفرضية (التجربة الأولى)		أخذ العالم إدوارد جنر بعض الصديد من بثور جدري الأبقار عن يد إحدى حالبات الأبقارَّ ثم حقنها في جسد فتى غير مصاب بالجدري، فظهرت عليه أعراض خفيفة من الإصابة، لكنه ظل بصحة جيدة
اختبار الفرضية (التجربة الثانية)		بعد بضعة أسابيع، حقن العالم إدوارد جنر جسد الفتى بصديد جدري الإنسان، وكرر ذلك بعد عدة شهور، إلا أنه لم تظهر عليه أي أعراض للإصابة، واعتقد أنه اكتسب مناعة من الإصابة به
تكرار  التجارب		حقن العالم إدوارد جنر أجساد (23 ) شخصا آخر بالطريقة نفسها، وقد لاحــظ أن هــؤلاء  الأشخاص لم يصابوا بهذا المرض. بعد ذلك، كتب العالم إدوارد جنر بحثا عن تجاربه، وأطلق على ما توصل إليه اسم التطعيم. ثم أخذ الأطباء بطريقته في التطعيم، محققين بعض النجاح
انتشار وسيلة الوقاية بالتطعيم		على مدار مئة عام تالية، أمكن توفير مطعوم الجدري للأشخاص في مختلف دولَ العالم عن طريق برامج التطعيم المحلية. ثم استخدم بعض الأطباء طريقة العالم العالم إدوارد جنر في تطوير لقاحات لمسببات الأمراض الأخرى، وأصبحت نظرية المناعة الصناعية  أمرا واقعا
اختفاء مرض الجدري من العالم		أطلقت حملات عالمية للحد من انتشار مرض الجدري، وسخرت جميع الإمكانيات  لتوفير المطعوم في مختلف الدول؛ ما أسهم في القضاء على هذا المرض، وقد أعلن عن ذلك رسميا عام 1979م بعد حملة تطعيم استمرت طوال عقد من الزمن

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تحليل البيانات
 Data Analysis

 

يتم في هذه الخطوة إيجاد العلاقة بين المتغيرات لاتخاذ قرارات حول قبول الفرضية أو رفضها.وذلك باستخدام أجهزة التكنولوجيا وأدواتها ومنها برمجيات الحاسوب، من خلال تحليل البيانات التي تم التوصل إليها أثناء التجربة العلمية المضبوطة، ويشترط تمتع العلماء بالمصداقية في تنفيذ إجراءات التجربة المضبوطة بدقة علمية، واتباع خطوات المنهجية العلمية، ورصد الملاحظات وتسجيل البيانات بكل مصداقية، وعدم التحيز لرأي بعينه.

 

 

 

 

 

 

أفكر  كيف يؤثر  التحيز في نتائج التجربة؟

يؤثر على صدق النتائج (يتوصل إلى نتائج غير دقيقة).

وضوح الأهداف، وتحديد الأدوار، والإبداع والابتكار، والتواصل الفعال، والدعم والثقة، والخطة الجيدة، والتركيز على النتائج،  والقدرة على التكيف.

يعد احترام الآخرين وتقبل الرأي الآخر من أهم عوامل نجاح فريق يوظف المنهجية العلمية للبحث في حل مشكلة ما. أبحث في مصادر المعرفة المختلفة عن عوامل أخرى تحقق نجاح عمل الفريق، ثم أعد فلمًا قصيرًا أعرضه على زملائي/زميلاتي في الصف.

 

 

 

 

 

 

 

الاستنتاج
Conclusion

يتم في هذه الخطوة تقييم النتائج التي تم التوصل إليها لأخذ القرار بقبول الفرضية أو رفضها، وللتأكد من النتائج لا بد من تكرار اختبار الفرضية لأكثر من مرة، ثم عرض النتائج  على علماء آخرين لأخذ آرائهم بما تم التوصل إليه من استنتاج، مما يزيد من المصداقية والدقة العلمية ويساهم في استثمار ما تم التوصل إليه في إجراء أبحاث أخرى.

أفكر  فيم يستفاد من الدقة عند تحديد المتغير المستقل والمتغير التابع؟

للحصول على بيانات دقيقة حول أثر المتغير المستقل (المراد دراسة أثره على متغير تابع له)؛ وهذا يسهل اختيار الطريقة الأفضل لتحليل البيانات والتوصل لنتائج ذات مصداقية علمية.

الفرضية هي إجابة مُقترحة لسؤال علمي يُمكن اختبارها للتحقق من صحتها، بينما النظريات العلميّة تبدأ عادة بفرضيات، والتي تُعنى بشكل رئيسي بالمنهجية العلمية، فهي إطار توضع فيه الفرضيات والحقائق المثبتة والطريقة التي يتم تفسيرها بها، فالنظرية الجيدة تتكون من عدد لا بأس به من الفرضيات التي يمكن تطبيقها على نحو مستقل، والنظرية العلميّة يمكن الإضافة عليها أو تعديلها إضافة إلى إمكانية رفضها عند جمع معلومات جديدة بمرور الوقت.

أبحث أبحث في مصادر المعرفة المختلفة حول مفهوم النظرية، وأقارن بينها وبين الفرضية، وأكتب تقريرًا وأعرضه على زملائي/زميلاتي في الصف.

 

 

 

 

 

 

أتحقق: لماذا يجب تكرار اختبار الفرضية أكثر من مرة؟

للتحقق من دقة النتائج وصحتها، ما يزيد من مصداقيتها.

 

 

 

 

 

الربط بعلم الإحصاء تتمثـل أهميـة علـم الإحصاء فـي البحـث العلمي بجمـع البيانـات وعرضها في جـــداول، ورسـوم ٍ بيانيـة؛ مـا يجعلها أكثـر وضوحا، ويسـهل عملية تحليلها، وصولا إلـى النتائج المنشـودة . فعلم ِ الإحصاء هـو الأداة الأساسـية لجمـع البيانـات وتحليلها وتحويلها إلـى معلومات قابلة للتفسـيرُ يساعد علم الإحصاء الباحث على اتخاذ  القرارات المناسبة اعتمادا على النتائج التي يتوصل إليها

 

 

أتحقق: ما هي خطوات المنهجية العلمية؟

الملاحظة، طرح الأسئلة، صياغة الفرضية، اختبار الفرضية، تحليل النتائج، الاستنتاج.

 

 

 

أنشطة الدرس وإجاباتها

تجربةٌ استهلاليةٌ         

                          دراسة تأثير درجة الحرارة على نمو عفن الخبز

الموادُّ والأدواتُ:

ثلاث قطع خبز متساوية في الحجم، سكين،4  أكياس بلاستيكية شفافة قابلة للغلق،ماء، قطارة، مقياس درجة حرارة، قفازات.

إرشاداتُ السلامةِ:            

 الحذرُ عندَ التعامل مع عينات التجربة، وأثناء استخدام السكين.

التخلص من الأكياس التي تحوي على الخبز المتعفن بطريقة أمنة.

ملحوظة: يحتاج تنفيذ التجربة إلى وقت طويل.

خطواتُ العملِ:

1. أسجل توقعي حول تأثير درجة الحرارة على نمو فطر عفن الخبز.
2. أجرب: أبلل كل قطعة خبز بخمس قطرات من الماء، ثم أضع كل قطعة في كيس شفاف أحكم إغلاقه بعد أن أتأكد من أنني تخلصت من كمية الهواء المحصورة داخله.
3. أرسم على كل كيس شبكة من المربعات طول ضلع كل مربع فيها 1cm.
4. أضبط المتغيرات: أضع كيس من الأكياس الثلاث في خلف الدرج الأخير من الثلاجة لتجنب وصول الضوء اليه، وأضع كيسًا في خزانة مظلمة لا يتم فتحها، أما الكيس الثالث فأضعه في مكان دافئ ومظلم.
5. أسجل بياناتي:  أسجل درجة حرارة كل من الأماكن الثلاثة التي وضعت فيها الأكياس.
6. ألاحظ: أتفحص الأكياس الثلاثة كل ثلاثة أيام لمدة تسعة أيام وأدون ملاحظاتي.
7. أحسب: أرتدي القفازات وأخرج الأكياس التي تحتوي على الخبز بعد انتهاء مدة التجربة، ثم أعدّ عدد المربعات التي يظهر اسفلها نمو الفطر على نحو يملأ نصف المربع على الأقل، أما المربعات التي يكون نمو الفطر أسفلها أقل من ذلك لا تحسب.  
8. أسجل نتائجي في جدول.

     التحليلُ والاستنتاج:

1. أرسم رسمًا بيانيًا أو مخططًا لإظهار النتائج الخاصة بي. (أحدد نوع الرسم البياني أو المخطط الأفضل)
2. أحدد درجة الحرارة التي ساهمت في نمو عفن الخبز بشكل أفضل خلال أسبوع واحد.
3.  أوضح أثر تغيّر درجة الحرارة  على نمو عفن الخبز، وأقارن ذلك مع توقعي في بداية التجربة.

الاجابات

            1.  أحدد درجة الحرارة: تعتمد على النتائج ، إلا أن درجة الحرارة المُثلى لنمو عفن الخبز عادة ^oC(26.7)

2. أوضح: الإجابة تعتمد على ما تم التوصل إليه في التجربة، ولكن يحتاج عفن الخبز إلى بيئة دافئة من شأنها أن تُحافظ على عمل الإنزيمات والبروتينات التي تتحكّم في العمليّات الحيويّة، وتبلغ درجة الحرارة عادة ^oC(26.7)، فإذا قلّت درجة الحرارة عن ذلك، سيؤدي ذلك إلى إبطاء نموّ العفن تدريجيًّا.

 

  أثر الضوء في اتجاه نمو النباتات

ملاحظة: أتتبع الخطوات الآتية لتصميم تجربة مضبوطة حول أثر الضوء في اتجاه نمو النباتات.

1. أصيغ فرضية حول أثر الضوء في اتجاه نمو النباتات، وأستخلص منها تنبؤًا قابلًا للاختبار.
2. أحدد كل من  العينة التجريبية والعينة الضابطة.
3. أتنبأ بكل من: المتغير المستقل والمتغير التابع والعوامل التي يجب تثبيتها.
4. أضبط المتغيرات: أوضح آلية ضبط متغيرات التجربة
5. أحدد الأدوات والمواد اللازمة لتنفيذ التجربة.
6. أضع ارشادات السلامة العامة
7. أحدد خطوات العمل للتجربة.
8. أصمم أدوات جمع البيانات.
9. أتوقع أفضل طرائق وأدوات تحليل البيانات للوصول لاستنتاج علمي صحيح.
10. أتواصل: أعرض ما توصلت إليه على معلمي وبعد الموافقة أنفذ التجربة مع زملائي في المجموعة، وأحلل النتائج وأعممها على طلبة الصف بالطريقة المناسبة وأجيب على أسئلتهم.

1. أصوغ فرضية:

  مثال على فرضية:  يؤثر الضوء في اتجاه نمو النباتات.

            مثال على تنبؤ: إذا كان الضوء يؤثر في اتجاه نمو النبات فإن تعريض النبات للضوء من جهة محددة سيغير من اتجاه نموه.

2. أحدد:

مثال على العينة التجريبية: اختيار نبات سريع النمو مزروع في أصيص.

            مثال على العينة الضابطة: اختيار نوع النبات نفسه الذي تم اختياره في العينة التجريبية.

3. أتنبأ

المتغير المستقل: شدة الإضاءة واتجاهها.

           المتغير التابع: اتجاه نمو النبات.

           العوامل التي يجب تثبيتها: مثل: كمية الماء المستخدمة في الري، نوع التربة، درجة الحرارة، ...

4.  تثبيت جميع العوامل في العينة التجريبية ما عدا المتغير المستقل، وتثبيت جميع العوامل في العينة الضابطة بما في ذلك المتغير المستقل.( مثال: في العينتين نفس كمية ماء الري ووقت الري وتحديد مكان له نفس درجة الحرارة، واختيار نفس نوع التربة وهكذا بالنسبة لباقي المتغيرات).

5.  أصيصي نبات من النوع نفسه، مصدر إضاءة.

6.  من إرشادات السلامة: التعامل بحذر مع النباتين والتربة المستخدمة، ولبس القفازات أثناء التنفيذ.

7.  خطوات العمل المقترحة - وضع النباتين في مكان محدد. – وضع حاجز بين النباتين من الكرتون أو البولستيرين. – تسليط ضوء على أحد النباتين من اتجاه معين بحيث لا يصل للنبات الثاني( العينة الضابطة). – ري النباتين باستمرار بنفس كمية الماء وفي نفس الوقت. – ملاحظة اتجاه نمو النباتين كل ثلاثة أيام ولمدة  9 أيام.

8. جدول لرصد مقدار النمو واتجاهه وأي ملاحظات أخرى.(حسب النتائج الفعلية التي تظهر مع الطالب)

مرحلة رصد الملاحظات	مقدار النمو Cm	اتجاه النمو	ملاحظات
الثلاثة أيام الأولى
الثلاثة أيام الثانية
الثلاثة أيام الأخيرة

 

 

 

 

 

 

 

 

9. رسوم بيانية، حساب متوسطات حسابية.