Wetenschappelijke methode | manieren om verschijnselen te onderzoeken, nieuwe kennis te verkrijgen, fouten te corrigeren en theorieën te testen

Wat een wetenschappelijke onderzoeksmethode onderscheidt, is een vraag die bekend staat als "het criterium". Het is een antwoord op de vraag: is er een manier om te zeggen of een concept of theorie wetenschap is, in tegenstelling tot een ander soort kennis of geloof? Er zijn veel ideeën geweest over hoe het criterium moet worden uitgedrukt. Logische positivisten dachten dat een theorie wetenschappelijk was als ze kon worden geverifieerd; maar Karl Popper vond dit een vergissing. Hij vond dat een theorie niet wetenschappelijk was, tenzij er een manier was om haar te weerleggen. Paul Feyerabend daarentegen vond dat er geen criterium was. Voor hem was "alles mogelijk", of wat werkt, werkt.

Wetenschappers proberen de werkelijkheid voor zichzelf te laten spreken. Zij ondersteunen een theorie wanneer de voorspellingen ervan worden bevestigd, en bestrijden deze wanneer de voorspellingen onjuist blijken. Wetenschappelijke onderzoekers bieden hypotheses aan als verklaring voor verschijnselen, en ontwerpen experimenten om deze hypotheses te testen. Aangezien grote theorieën niet rechtstreeks kunnen worden getest, gebeurt dit door het testen van voorspellingen die van de theorie zijn afgeleid. Deze stappen moeten herhaalbaar zijn, om fouten of verwarring door een bepaalde experimentator te voorkomen.

Wetenschappelijk onderzoek is over het algemeen bedoeld om zo objectief mogelijk te zijn. Om bevooroordeelde interpretaties van resultaten te beperken, publiceren wetenschappers hun werk, en delen zo gegevens en methoden met andere wetenschappers.

Wetenschap en zaken die geen wetenschap zijn (zoals pseudowetenschap) worden vaak onderscheiden door het gebruik van de wetenschappelijke methode. Een van de eersten die een overzicht maakte van de stappen in de wetenschappelijke methode was John Stuart Mill.

Er is niet één wetenschappelijke methode. Sommige wetenschapsgebieden zijn gebaseerd op wiskundige modellen, zoals natuurkunde en klimaatwetenschap. Andere gebieden, zoals veel sociale wetenschappen, hebben ruwe theorieën en vertrouwen meer op patronen die uit hun gegevens naar voren komen. Soms richten wetenschappers zich op het testen en bevestigen van hypotheses, maar open onderzoek is ook belangrijk. Sommige wetenschapsgebieden gebruiken laboratoriumexperimenten. Andere verzamelen waarnemingen in reële situaties. Veel wetenschapsgebieden zijn kwantitatief, waarbij de nadruk ligt op numerieke gegevens en wiskundige analyse. Maar sommige gebieden, vooral in de sociale wetenschappen, gebruiken kwalitatieve methoden, zoals interviews of gedetailleerde observaties van menselijk of dierlijk gedrag. Een te grote focus op één soort methode kan ertoe leiden dat we kennis negeren die met andere methoden is geproduceerd.

Sommige handboeken richten zich op één standaard "wetenschappelijke methode". Dit idee van één wetenschappelijke methode is grotendeels gebaseerd op experimentele, hypothese-testende, kwantitatieve gebieden van de wetenschap. Het is niet goed toepasbaar op andere gebieden van de wetenschap. Ze wordt vaak geschreven als een aantal stappen:

1. Stel een vraag over de wereld. Alle wetenschappelijk werk begint met het stellen van een vraag of het oplossen van een probleem.^{I, p9} Soms is alleen al het bedenken van de juiste vraag het moeilijkste voor een wetenschapper. De vraag moet beantwoord kunnen worden door middel van een experiment.
2. Stel een hypothese op - een mogelijk antwoord op de vraag. Een hypothese in de wetenschap is een woord dat "een beredeneerde gok over hoe iets werkt" betekent. Het moet mogelijk zijn om te bewijzen dat deze juist of onjuist is. Een uitspraak als "Blauw is een betere kleur dan groen" is bijvoorbeeld geen wetenschappelijke hypothese. Die kan niet worden bewezen. "Meer mensen houden van de kleur blauw dan van groen" zou echter wel een wetenschappelijke hypothese kunnen zijn, omdat men veel mensen kan vragen of zij blauw mooier vinden dan groen en een antwoord in die richting kan geven.
3. Ontwerp een experiment. Als de hypothese echt wetenschappelijk is, moet het mogelijk zijn een experiment te ontwerpen om deze te testen. Een experiment moet de wetenschapper kunnen vertellen of de hypothese fout is; het mag hem of haar niet vertellen of de hypothese juist is. In het bovenstaande voorbeeld zou een experiment kunnen inhouden dat aan veel mensen wordt gevraagd wat hun favoriete kleuren zijn. Het maken van een experiment kan echter erg moeilijk zijn. Wat als de belangrijkste vraag om mensen te vragen niet is welke kleuren zij mooi vinden, maar welke kleuren zij haten? Hoeveel mensen moet de vraag worden gesteld? Zijn er manieren om de vraag te stellen die het resultaat kunnen veranderen op een manier die niet werd verwacht? Dit zijn allemaal vragen die wetenschappers moeten stellen voordat ze een experiment uitvoeren. Gewoonlijk willen wetenschappers slechts één ding tegelijk testen. Daartoe proberen zij elk onderdeel van een experiment voor alles hetzelfde te maken, behalve voor het ding dat zij willen testen.
4. Experimenteren en gegevens verzamelen. Hier probeert de wetenschapper het experiment uit te voeren dat hij eerder heeft ontworpen. Soms krijgt de wetenschapper nieuwe ideeën terwijl het experiment loopt. Soms is het moeilijk om te weten wanneer een experiment uiteindelijk voorbij is. Soms is experimenteren erg moeilijk. Sommige wetenschappers besteden het grootste deel van hun leven aan het leren hoe ze goede experimenten kunnen uitvoeren.
5. Waarom-vragen. Verklaringen zijn antwoorden op waarom-vragen. ^{II, p3}
6. Trek conclusies uit het experiment. Soms zijn de resultaten niet eenvoudig te begrijpen. Soms roepen de experimenten zelf nieuwe vragen op. Soms kunnen de resultaten van een experiment veel verschillende dingen betekenen. Over al deze zaken moet goed worden nagedacht.
7. Communiceer ze aan anderen. Een belangrijk element van wetenschap is het delen van de resultaten van experimenten, zodat andere wetenschappers de kennis zelf kunnen gebruiken en de hele wetenschap ervan kan profiteren. Gewoonlijk vertrouwen wetenschappers een nieuwe bewering niet, tenzij andere wetenschappers deze eerst hebben bestudeerd om er zeker van te zijn dat het op echte wetenschap lijkt. Dit wordt peer review genoemd ("peer" betekent hier "andere wetenschappers"). Werk dat de peer review doorstaat, wordt gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift.

Hoewel geschreven als een lijst, kunnen wetenschappers een aantal keren heen en weer gaan tussen verschillende stappen voordat ze tevreden zijn met het antwoord.

Niet alle wetenschappers gebruiken bovenstaande "wetenschappelijke methode" in hun dagelijks werk. Soms lijkt het eigenlijke wetenschappelijke werk helemaal niet op het bovenstaande.

Stel dat we het effect van de temperatuur op het oplossen van suiker in een glas water gaan onderzoeken. Hieronder volgt een manier om dit stap voor stap volgens de wetenschappelijke methode te doen.

Doel

Lost suiker sneller op in warm water of in koud water? Heeft de temperatuur invloed op hoe snel de suiker oplost? Dit is een vraag die we zouden kunnen stellen.

Planning van het experiment

Een eenvoudig experiment zou zijn om suiker op te lossen in water van verschillende temperaturen en bij te houden hoe lang het duurt voordat de suiker is opgelost. Dit zou een test zijn van het idee dat de oplossnelheid varieert met de kinetische energie van het oplosmiddel.

We willen ervoor zorgen dat we in elke proef precies dezelfde hoeveelheid water en precies dezelfde hoeveelheid suiker gebruiken. Dit doen we om er zeker van te zijn dat alleen de temperatuur het effect veroorzaakt. Het kan bijvoorbeeld zijn dat de verhouding tussen suiker en water ook een rol speelt bij de oplossnelheid. Om extra voorzichtig te zijn, kunnen we het experiment ook zo uitvoeren dat de watertemperatuur tijdens het experiment niet verandert.

Dit wordt "isoleren van een variabele" genoemd. Dit betekent dat van de factoren die een effect kunnen hebben, er slechts één wordt veranderd in het experiment.

Uitvoering van het experiment

We doen het experiment in drie proeven, die precies hetzelfde zijn, behalve de temperatuur van het water.

1. We doen precies 25 gram suiker in precies 1 liter water dat bijna net zo koud is als ijs. We roeren niet. We merken dat het 30 minuten duurt voordat alle suiker is opgelost.
2. We doen precies 25 gram suiker in precies 1 liter water op kamertemperatuur (20 °C). We roeren niet. We merken dat het 15 minuten duurt voordat alle suiker is opgelost.
3. We doen precies 25 gram suiker in precies 1 liter warm water (50 °C). We roeren niet. We merken dat het 4 minuten duurt voordat alle suiker is opgelost.

Conclusies trekken

Een manier om de resultaten gemakkelijk te kunnen bekijken is er een tabel van te maken, waarin alle dingen worden opgesomd die bij elk experiment zijn veranderd. De onze zou er zo uit kunnen zien:

Als alle andere onderdelen van het experiment hetzelfde waren (we hebben niet de ene keer meer suiker gebruikt dan de andere keer, we hebben niet de ene of de andere keer geroerd, enz.

We kunnen echter niet zeker weten dat er niet nog iets anders van invloed is. Een voorbeeld van een verborgen oorzaak zou kunnen zijn dat suiker sneller oplost telkens als er meer suiker wordt opgelost in dezelfde pot. Dit is waarschijnlijk niet waar, maar als dat wel zo was, zouden de resultaten precies hetzelfde kunnen zijn: drie proeven, en de laatste zou het snelst zijn. We hebben op dit moment geen reden om te denken dat dit waar is, maar we zouden het kunnen noteren als een ander mogelijk antwoord.

C.U.R.R.

Om uw resultaten met woorden weer te geven, is een manier om C.U.R.R. (Claim, evidence, reasoning, and revise) te gebruiken, die veel leerlingen gebruiken. Zinstarters voor deze fase zijn onder andere:

Stelling: Het antwoord op mijn vraag is/zijn...

Bewijsmateriaal: Uit de gegevens blijkt...

Redenering: Ik kan dit uitleggen met...

Herzien: Ik kan dit verbeteren door...

De replicatiecrisis (of repliceerbaarheidscrisis) verwijst naar een crisis in de wetenschap. Heel vaak is het resultaat van een wetenschappelijk experiment later moeilijk of onmogelijk te repliceren, hetzij door onafhankelijke onderzoekers, hetzij door de oorspronkelijke onderzoekers zelf. Hoewel de crisis al lang bestaat, werd de term begin 2010 bedacht als onderdeel van een groeiend bewustzijn van het probleem.

Aangezien de reproduceerbaarheid van experimenten een essentieel onderdeel is van de wetenschappelijke methode, kan het onvermogen om studies te repliceren ernstige gevolgen hebben.

De replicatiecrisis is vooral veel besproken op het gebied van de psychologie (en in het bijzonder de sociale psychologie) en de geneeskunde, waar een aantal pogingen zijn ondernomen om klassieke resultaten opnieuw te onderzoeken en te proberen zowel de geldigheid van de resultaten vast te stellen als, indien ongeldig, de redenen voor het falen van de replicatie.

Recente discussies hebben dit probleem meer bekendheid gegeven.

Elementen van de wetenschappelijke methode werden uitgewerkt door enkele vroege natuurstudenten.

• "Wij beschouwen het als een goed principe om de verschijnselen te verklaren door een zo eenvoudig mogelijke hypothese." Ptolemaeus (85-165 na Chr.). Dit is een vroeg voorbeeld van wat wij het scheermes van Occam noemen.
• Ibn al-Haytham (Alhazen) (965-1039), Robert Grosseteste (1175-1253) en Roger Bacon (1214-1294) boekten allen enige vooruitgang in de ontwikkeling van de wetenschappelijke methode.
• In de 17e eeuw begonnen wetenschappers het erover eens te worden dat de experimentele methode de belangrijkste manier is om de waarheid te vinden. Dit gebeurde in West-Europa door mannen als Galileo, Kepler, Hooke, Boyle, Halley en Newton. Tegelijkertijd werden de microscoop en de telescoop uitgevonden (in Nederland), en werd de Royal Society opgericht. Instrumenten, verenigingen en publicaties hebben de wetenschap enorm geholpen.

• Falsifieerbaarheid
• Historische methode
• Geschiedenis van de wetenschap
• Wetenschapsfilosofie
• Metafilosofie
• Blind experiment
• Pseudowetenschap