طبيعة العلم وطرائقه

دراسة الحياة

  The Study of life

طبيعة العلم وطرائقه

The Nature of science

طرائق العلم Methods of Science

بعد أن عرفت خصائص العلم، ماذا عليك أن تعمل عندما تحاول البحث عن إجابات الأسئلة التي تفكر فيها؟ هل تسأل الآخرين؟ هل تقرأ حولها؟ هل تلاحظها؟ هل تبحث فيها؟

طرائق العلم Methods of Science

هل تتبع طرائق عشوائية أم منهجية؟ لقد طور العلماء خطوات معيارية للوصول إلي إجابات عن الأسئلة، مهما يكن نوع العمل الذي يقوم به علماء الأحياء فإنهم جميعاً يستخدمون طرائق متماثلة لجمع المعلومات والعثور على إجابات.

طرائق العلم Methods of Science

وهذه الطرائق تسُمى الطرائق العلمية

methods Scientificوهى المبينة فى الشكل 1-11.

وعلى الرغم من أن العلماء لا يستخدمون الطرائق العلمية دائماً بالشكل نفسه، إلاّ أنهم يجرون تجاربهم، ويجمعون ملاحظاتهم، ويضعون توقعاتهم اعتماداً على الطريقة نفسها، وفق الخطوات التالية

مخطط الطرئق العلمية

Visualizing Science Methods

الشكل 1-11 الطريقة التى يجيب بها العلماء عن الأسئلة من خلال سلسلة من الخطوات المنظمة تُسمى الطريقة العلمية. و لا توجد إجابات نهائية وقطعية عن الأسئلة، ولكن هناك دائماً إجابات تزوّد العلماء بالمزيد من المعلومات. فالأسئلة والمعلومات التي يجمعونها تساعدهم على صياغة فرضية. وعند إجراء التجارب، يمكن أن تدُعم الفرضية او ترفض.

• ملاحظة ظاهرة غير مفسّرة

• جمع المعلومات.

• أخذ الملاحظات.

• طرح الأسئلة. استخدام المعرفة السابقة. مراجعة البحوث ذات العلاقة.

• صياغة الفرضية

• تصميم التجربة لاختبار الفرضية

• إجراء التجربة، وتدوين البيانات

النتائج الفعلية

النتائج المتوقعة

قارن

اختبار فرضية جديدة مغايرة

إعادة التجربة عدة مرات حتى تصبح النتائج

استخلاص النتائج

النتائج لاتدعم الفرضية

النتائج تدعم الفرضية

استخلاص النتائج

النتائج لاتدعم الفرضية

النتائج تدعم الفرضية

إعداد تقرير بنتائج التجربة

مقارنة النتائج بتجارب مماثلة

قبول الفرضية

المزيد من التجريب المعتمد على الفرضية المقبولة

يقود إلى

طرح السؤال

Ask a Question

ماذا تفعل عندما يلفت انتباهك طائر غريب فى المنطقة التى تقطن فيه؟، لابد انك ستبدأ فى مراقبته وملاحظته فترة من الوقت. يبدأ البحث العلمي عادة بالملاحظة observation، وهى طريقة مباشرة لجمع المعلومات بشكل منظّم.

طرح السؤال

Ask a Question

وتتضمن الملاحظة غالباً تدوين المعلومات، ففى مثال هذا الطائر، يمكن ان تقوم برسمه او بالتقاط صور له، كما قد تكتب معلومات حول سلوكه، مثل: ماذا أكل؟ ومتي؟ وأين؟ تتضمن الملاحظة العلمية طرح أسئلة، وتحليل المعلومات المستقاة من مصادر موثقة مختلفة.

فبعد ملاحظة الطائر مثلاً، يمكنك ان تجمع ما تعرفه عنه، وما تعلمته، وتبدأ مرحلة بناء الاستنتاجات المنطقية. وتُسمى هذه العملية الاستنتاج inference. 

طرح السؤال

Ask a Question

إذا رأيت مثلاُ صورة لطائر شبيه بالطائر الذي تراقبه، أمكنك أن تستنتج أن الطائرين متشابهان. يوضح الشكل 1-12، كيف تساعد الملاحظات والأدلة الميدانية على تعرف الطيور والوصول إلى استنتاجات عنها.

طرح السؤال

Ask a Question

الشكل 1-12: يستخدم العلماء دليلاً ميدانيًّا للطيور لمساعدتهم على تعرف ما يلاحظونه فى الطبيعة كهذا الصقر المبين فى الشكل.

صياغة الفرضية

Form a Hypothesis

يشكّل الخيال وحبّ الاستطلاع والإبداع والمنطق عناصر رئيسة فى منهجية البحث العلمي التى ينفذها علماء الأحياء. ففى عام 1969م طُلب إلى الباحث رون وايلي البحث عن الوسائل التى تحسّن من قدرة الطيار علي تحمل الجاذبية الأرضية المتزايدة عندما يطير بسرعة عالية.

صياغة الفرضية

Form a Hypothesis

لقد كان معروفاً ان ثبات طول العضلات عند الانقباض يسبّب زيادة فى ضغط الدم. وقد وضع وايلي فرضيته قائلاً: إن ممارسة تمارين (تقوية العضلات) تحافظ على ثبات طول العضلات حيث يرتفع ضغط الدم فى اثناء المناورة، مما يزيد من قدرة الطيار على تحمل الجاذبية، ويمنع الغيبوبة. فالفرضية hypotheses: تفسير قابل للاختبار.

صياغة الفرضية

Form a Hypothesis

قبل أن يضع وايلي فرضيته وضع مجموعة من التوقعات اعتماداً على خبراته بإعتباره باحثاً فى علم وظائف الأعضاء، وعلى قراداته وبحوثه السابقة، ومناقشاته مع الطيارين. لقد وجد أخيراً أن زيادة ضغط دم الطيار يمكن ان يساعده على تحمل الجاذبية.

صياغة الفرضية

Form a Hypothesis

وعندما تؤدي البيانات التى يحصل عليها الباحث من بحوث إضافية إلي دعم الفرضية فإنها تُعد مقبولة فى الوسط العلمي. وإذا لم تدعمها هذه البيانات فإن الفرضية تُعاد صياغتها، ويُجرى المزيد من البحوث لاختبارها.

تجربة إستهلالية 

مراجعة: بناءً على ما قرأته حول الملاحظة والاستنتاج، كيف يمكنك أن تجيب عن الأسئلة التحليلية؟

إرشادات للدراسة 

إيضاح: اختر مفهوماً من النص، واكتب تعريفه فى منتصف ورقة، وضع دائرة حول الكلمة الأكثر أهمية فيه. واكتب في الفراغ المحيط بالنص بعض الأفكار المتعلقة بتلك الكلمة، أو بعض الأمثلة التى تدعمها.

جمع البيانات

Collect The Data 

لو كنت في إجازة في دولة ذات مناخ بارد فقد ترى أنواعاً من النورس، بعضها يبني أعشاشاً بين الصخور ليتكاثر، ممّا يدفعك إلى التساؤل: كيف تحافظ هذه المخلوقات على مستوي الطاقة فى أثناء فصل التكاثر؟ وقد أجرى علماء الأحياء تجربة على أنواع النورس للإجابة عن هذا السؤال، الشكل 1-13.

جمع البيانات

Collect The Data 

فالباحث عندما يجري تجربة experiment، إنما يستقصى ظاهرة معينة تحت ظروف شديدة الانضباط لاختبار الفرضية.

الشكل 1-13: مجموعة من طيور النورس في أعشاشها.

التجارب المنضبطة

Controlled experimints

استنتج علماء الأحياء أن طيور النورس سيكون لديها المزيد من الطاقة إذا أُعطيت طعاماً إضافيَّا في أثناء قيامها ببناء الأعشاش. فالفرضية هنا أن النورس سيستخدم الطاقة الإضافية لوضع المزيد من البيض، وتربية المزيد من الصغار.

التجارب المنضبطة

Controlled experimints

بدأ العلماء أولاً بإيجاد أزواج من النورس متشابهة في الكتلة والعمر والحجم وفى بقية الصفات، ثم شكلوا مجموعتين، إحداهما: مجموعة ضابطة، والأخرى تجريبية. المجموعة الظابطة control group في التجربة هي المجموعة التي تُستخدم للمقارنة، حيث لم تُعط أزواج النورس غذاء إضافياً.

التجارب المنضبطة

Controlled experimints

أما المجموعة التجريبية

experimintal group فهي المجموعة التي ستتعرض لتأثير العامل المراد اختباره. وفي هذه المجموعة أُعطيت أزواج الطيور الكمية الإضافية من الغذاء.

تصميم التجربة

Experimental desig

عندما يصمّم العالم تجربة فإنه يتغير عاملاً واحًدا فقط. هذا العامل يُدعى المتغير المستقل independent variable، وهو العامل الذى نريد اختباره، ويمكن أن يؤثر في نتيجة التجربة.

تصميم التجربة

Experimental desig

ففي تجربة طيور النورس، يعد الغذاء الإضافي هو العامل المستقل. وفي أثناء التجربة يختبر الباحث عاملاً آخر، هو المتغير التابع dependent variable لأنه ينتج عن المتغير المستقل ويعتمد عليه.

تصميم التجربة

Experimental desig

وفى هذه التجربة، المتغير التابع هو مستوى الطاقة لدى طيور النورس في أثناء التزاوج. أما بقية العوامل فتبقى ثابتة في كلتا المجموعتين التجريبية والضابطة، بينهما يتغير كل من المتغير المستقل والمتغير التابع

تجميع البيانات

Data garthering 

يجمع الباحث عند اختبار فرضيته البيانات التي قد تكون كمية أو وصفية. والبيانات Data  معلومات يحصل عليها من الملاحظات المختلفة. تُسمى البيانات التي تُجمع على هيئة أرقام بيانات كمية،

تجميع البيانات

Data garthering 

ومنها قياس الوقت والحرارة والطول والكتلة والمساحة والحجم والكثافة وغيرها. ففي مثال طيور النورس جمع الباحثون بيانات رقمية عن طاقة طيور النورس.

تجميع البيانات

Data garthering 

أمّا المعلومات الوصفية فهي عبارات وصفية لما يمكن أن تدركه حواسنا, وهي غالباً ما تُفسر بأشكال مختلفة، حيث لا ندرك الأشياء بالطريقة نفسها، لكن البيانات الوصفية أحياناً تكون هي الطريقة الوحيدة لجمع البيانات.

الاستقصاءاتIvestigations 

يُجري علماء الأحياء أنواعًا أخرى من الإستقصاء العلمي. فقد يقومون بدراسة سلوك مخلوق حي، بينما يقوم آخرون بتعرّف انواع جديدة، 

.

الاستقصاءاتIvestigations 

ويقوم غيرهم بإستخدام الحاسوب لتطوير نماذج محوسبة للسلوك الطبيعي للمخلوقات الحية. تتضمن الطريقة فى مثل هذه الاستقصاءات الملاحظة وجمع البيانات، بدلاً من التحكم فى المتغيرات بشكل مُحْكَم.

.

  تحليل البيانات Analyze the Data

بعد تحليل البيانات في استقصاء ما يتساءل الباحث عمّا إذن كانت البيانات تدعم فرضيته، وهل يحتاج إلي المزيد من البيانات؟ وهل عليه أن يجرب طريقة مختلفة؟ وغالباً ما يتطلب الاستقصاء إعادة التطبيق للحصول على نتائج متسقة. عند البحث عن تفسير للنتائج يلاحظ الباحث عادة وجود أنماط محددة في البيانات تساعد على التفسير.

  تحليل البيانات Analyze the Data

وعادة ما تعرض البيانات في جدول أو منحنى كالمبين في الشكل 1-14، الذي يصف التغير في كتلة السحلية خلال فترة من الزمن. إن المنحنى يبين نمطاً أسهل للفهم. ولأن علماء الأحياء يعملون دائماً في مجموعات, فهم يجتمعون بشكل مستمر لمناقشة التجارب القائمة، وتحليل بياناتها، وتفسير نتائجها. ويستمر الفريق في تفحص البحث بإعادة التجربة والتأكد من دقة النتائج وموضوعيتها.

الشكل 1-14: بعد نقل نقاط البيانات من الجدول على ورق الرسم البياني، ارسم خطًّا يبين نمط البيانات، بدلاً من وصل النقاط بعضها ببعض.

تغير كتلة السحلية

التاريخ  الكتلة (جم)

11 شوال          2.4

14 شوال          2.5

17 شوال          2.5

20 شوال          2.6

23شوال           2.6

26 شوال          2.7

29 شوال         2.7

الشكل 1-14: بعد نقل نقاط البيانات من الجدول على ورق الرسم البياني، ارسم خطًّا يبين نمط البيانات، بدلاً من وصل النقاط بعضها ببعض.

سحلية الوحر(Agama).

  تحليل البيانات Analyze the Data

  إن تحليل البيانات  يقود إلى استنتاج  قد يدعم الفرضية،  كما قد يقود  إلى فرضية إضافية،  أو إلى الحاجة  إلى المزيد من  التجارب، أو إلى  تفسير أعم للظواهر  الطبيعية. ولهذا فإن  الفرضية يمكن أن  تكون ذات قيمة  وفائدة حتى لو  لم يتم دعمها.

استنتج: ما كتلة هذه السحلية بعد 21 يوماً؟

2,8 جرام.

تسجيل الاستنتاجات

Report Conclucions

يقدم علماء الأحياء اكتشافاتهم واستنتاجاتهم من البحوث العلمية على هيئة مقالات إلى المجلات العلمية لكي تنشرها، و قبل أن يُنشر المقال في تلك المجلات يُحال إلى محكّمين متخصصين يقومون بفحصه وتقويمه من حيث أصالته ودقته وتطابقه مع الطريقة العلمية؛

تسجيل الاستنتاجات

Report Conclucions

فقد يجدون خطأً في الطريقة، أو في التعليل، وقد يقترحون تفسيراً أو استنتاجاً مختلفاً. فإذا اتفق المحكمون على قيمة المقال وما جاء فيه فإنه يُنشر في المجلة ليطّلع عليه العلماء الآخرون، فضلاً عن عامة القراء.

ماذا قرأت؟ كيف تساعد الفرضية على جمع البيانات وتقديم التفسيرات؟ 

الفرضية تحدد نوع البيانات وكيفية تجميعها.

يتم التفسير عندما يحدد العلماء إذا ما أكدت البيانات الفرضية.

الاستقصاء العلمي

Scientefic Inquiry

ستتاح لك الفرصة لتنفيذ العديد من التجارب والاستقصاءات خلال دراستك علم الأحياء، وقد تُعطي مهمة لتنفيذها وفق خطوات.

لذا عليك أن تسأل نفسك مجموعة من الأسئلة كما هو وارد فى الشكل 1-15.

الشكل 1-15 وضع الأسئلة ذات المعني، وصياغة الفرضية، وإجراء التجارب بدقة، وتطوير خطط البحث، كلها امور تشكّل جوهر الطريقة العلمية. استخدم تقرير التجربة لشرح طريقة البحث, وتدوين النتائج والوصول إلي الاستنتاجات.

أضع سؤالا

هل قرأت التجربة المتعلقة بالدرس؟

ما السؤال الذي أحاول الإجابة عنه؟

هل المعلومات الأساسية للموضوع متوافرة؟ 

وماذا أعرف عنه؟

الشكل 1-15 وضع الأسئلة ذات المعني، وصياغة الفرضية، وإجراء التجارب بدقة، وتطوير خطط البحث، كلها امور تشكّل جوهر الطريقة العلمية. استخدم تقرير التجربة لشرح طريقة البحث, وتدوين النتائج والوصول إلي الاستنتاجات.

أكون فرضية 

ما فرضيتي؟

هل تعطيني توقعاً يمكن اختباره؟

الشكل 1-15 وضع الأسئلة ذات المعني، وصياغة الفرضية، وإجراء التجارب بدقة، وتطوير خطط البحث، كلها امور تشكّل جوهر الطريقة العلمية. استخدم تقرير التجربة لشرح طريقة البحث, وتدوين النتائج والوصول إلي الاستنتاجات.

اجمع البيانات 

كيف أدوّن بياناتي؟

ما المجموعة الضابطة؟ وما المجموعة التجريبية؟

ما المتغير المستقل؟ وما المتغير التابع؟

وما العامل الذي سأبقيه ثابتاً؟

الشكل 1-15 وضع الأسئلة ذات المعني، وصياغة الفرضية، وإجراء التجارب بدقة، وتطوير خطط البحث، كلها امور تشكّل جوهر الطريقة العلمية. استخدم تقرير التجربة لشرح طريقة البحث, وتدوين النتائج والوصول إلي الاستنتاجات.

اجمع البيانات 

ما المواد والأجهزة التى أحتاج إليها؟

هل هناك تعليمات إضافية لتشغيل الأجهزة؟

ما تعليمات السلامة التى سأتبعها؟

هل يقر معلمي هذه الطريقة؟

كيف أتخلص من مخلفات التجربة؟

الشكل 1-15 وضع الأسئلة ذات المعني، وصياغة الفرضية، وإجراء التجارب بدقة، وتطوير خطط البحث، كلها امور تشكّل جوهر الطريقة العلمية. استخدم تقرير التجربة لشرح طريقة البحث, وتدوين النتائج والوصول إلي الاستنتاجات.

أحّلل البيانات

كيف أعرض بياناتي؟

كيف أحلّل بياناتي وألخصها؟

هل هناك مصادر للخطأ فى طريقتي؟

الشكل 1-15 وضع الأسئلة ذات المعني، وصياغة الفرضية، وإجراء التجارب بدقة، وتطوير خطط البحث، كلها امور تشكّل جوهر الطريقة العلمية. استخدم تقرير التجربة لشرح طريقة البحث, وتدوين النتائج والوصول إلي الاستنتاجات.

أكتب تقريراً بالنتائج 

هل دعمت فرضيتي؟

ما استنتاجي؟

التقويم

1-2 

الخلاصة

العلم الطبيعي (التجريبي) هو دراسة الطبيعة عبر الملاحظة والتجريب.

يعتمد العلم على البحث العلمي الرصين، ويهتم بالأسئلة التي يمكن اختبارها، ويرحب بالمراجعة النقدية، ويغير أفكاره عندما تظهر اكتشافات جديدة.

التقويم

1-2 

الخلاصة

العلم والقيم الأخلاقية يؤثران فى قضايا الصحة والطب والبيئة والتقنية.

التقويم

1-2 

الخلاصة

الملاحظة طريقة منظمة لجمع المعلومات.

التقويم

1-2 

الخلاصة

يعتمد الاستنتاج على الخبرات السابقة.

التقويم

1-2 

الخلاصة

تتضمن التجارب مجموعة ضابطة، ومجموعة تجريبية.

التقويم

1-2 

الخلاصة

المتغير المستقل هو العامل الذي يجرى اختباره، أما المتغير التابع، فينتج عن التغير الحاصل فى المتغير المستقل.

التقويم

1-2 

الخلاصة

فهم الأفكار الرئيسية

1-الفكرة  الرئيسة صف خصائص  العلم الطبيعي

يتميز العلم الطبيعي بأنه يسأل أسئلة يمكن اختبارها ويستخدم الدليل أو البرهان لتقديم إجابات عن هذه الأسئلة.

فهم الأفكار الرئيسية

2- عرّف النظرية العلمية.

النظرية العلمية تفسير يعتمد على الملاحظات العلمية وعلى التجارب عبر الزمن.

فهم الأفكار الرئيسية

ييسر النظام المتري إعادة إجراء العمل والتجارب كما يسهل تفسير النتائج عالميا.

3- دافع عن ضرورة  استخدام النظام  المتري أمام عالم  لا يرغب فى استخدامه.

فهم الأفكار الرئيسية

4- قارن بين العلم  الطبيعي (التجريبي) وبين  العلم غير الطبيعي (غير  تجريبي).

العلم الطبيعي

العلم غير الطبيعي

يعتمد على الدليل الناتج من بحوث رصينة يمكن إعادة إجرائها

يستعمل لغة علمية مضربة غير مفهومة ومبهمة لكنها لاتعتمد على دليل ناتج عن بحوث علمية

فهم الأفكار الرئيسية

5- صف كيف يتطور  بحث عالم الأحياء  من فكرة إلي  بحث منشور في  مجلة علمية. 

يمكن لعالم الأحياء أن يستخدم الفكرة لتكوين فرضية ثم يستخدم تجربة لاختبارها ويحلل البيانات الناتجة عن التجربة وينشر نتائج التحليل.

فهم الأفكار الرئيسية

6- اذكر لماذا لا  تُعد الملاحظة  استنتاجاً.

إن الملاحظة هي طريقة مباشرة لجمع البيانات أما الاستنتاج فهو افتراض يمكن التوصل إليه من البيانات التي تم جمعها.

فهم الأفكار الرئيسية

7- بيّن الفروق بين  الطرائق التى تجمع  بها البيانات في  بحث في علم الأحياء.

يمكن جمع البيانات إما بشكل كمي رقمي أو بشكل وصفي.

فهم الأفكار الرئيسية

8- قارن بين المتغير  المستقل والمتغير  التابع.

             

             

المتغير المستقل

المتغير التابع

العامل الذي يجري اختباره في التجربة 

ينتج من التغيرات في المتغير المستقل بل يعتمد عليها

التفكير الناقد

الكتابة في علم الأحياء

9- توقع ما يمكن  أن يحدث لمجتمع  لايفهم طبيعة العلم. وأعط أمثلة على  قضايا مهمة قد  تواجه المجتمع.

سوف يصبح المجتمع غير قادر على إنتاج تقنيات متقدمة وسيعتمد على مجتمعات أخرى لحل مشاكله الطبية والبيئية وقد يؤذي أفراد المجتمع غيرهم من المخلوقات بسبب إهمالهم للعلوم.

التفكير الناقد

الرياضيات فى علم الأحياء

10- إذا كان الكيلو  جرام يساوي 1000 g، والملجرام يساوي 0.001g. فكم ملجراماً في الكيلوجرام؟

مليون.

التفكير الناقد

الرياضيات فى علم الأحياء

11- صمم تجربة تبحث  فيها ما إذا  كانت دودة الأرض  تنجذب نحو عطر  ما، أو نحو الخل.

نحضر دودة أرض ونقوم بإحضار عطور مختلفة ونلاحظ رد فعل الدودة وإلى أي عطر ستنجذب.

التفكير الناقد

الرياضيات فى علم الأحياء

12- كون فرضية حول  إحدى خصائص الحياة  التي درستها، وصمم  مشروع بحث علمي  لاختبار الفرضية. ما المخلوق الحي  الذي ستختاره؟  وما الأسئلة التي  ستسألها؟