1. Vad är naturkunskap?

En dag för länge sedan såg någon sig omkring och undrade: Varifrån kommer växter och djur? Hur kom jag till? Sedan dess har människor försökt att besvara dessa frågor på olika sätt. Vissa sätt att förklara världen har förblivit desamma över tid. Naturvetenskapen, däremot, är alltid föränderlig.

Vad naturvetenskap är och inte är

Efter att ha studerat detta avsnitt bör du kunna:
1.1 Förklara vad naturvetenskap är och hur den skiljer sig från andra sätt att förstå världen.
1.2 Diskutera varför naturvetenskapen är en ständigt föränderlig process och hur detta påverkar vår förståelse av världen.
1.3 Identifiera och beskriva de grundläggande målen för naturvetenskapen, inklusive hur den hjälper oss att förstå mönster i naturen och göra förutsägelser.
1.4 Redogöra för hur naturvetenskap skiljer sig från övernaturliga förklaringar och varför den endast behandlar den naturliga världen.

Denna text innehåller många fakta och idéer om levande varelser. Många av dessa fakta är viktiga, och du kommer att testas på dem! Men du bör inte tro att naturkunskap, eller någon vetenskap, bara är en samling av oföränderliga fakta. En sak är säker: några av de fakta som presenteras kommer snart att förändras—om de inte redan har gjort det. Dessutom är naturkunskap inte en samling av oföränderliga trosuppfattningar om världen. Naturvetenskapliga idéer är öppna för prövning, diskussion och omprövning. Så vissa idéer som presenteras här kommer också att förändras.

Dessa påståenden kan förbrylla dig. Om fakta och idéer inom naturvetenskapen förändras, varför ska du då bry dig om att lära dig dem? Och om naturvetenskap varken är en lista av fakta eller en samling av oföränderliga trosuppfattningar, vad är det då?

Naturvetenskap som ett sätt att veta

Naturvetenskap är ett organiserat sätt att samla in och analysera bevis om den naturliga världen. Det är ett sätt att observera, ett sätt att tänka, och ett sätt att veta om världen. Med andra ord, naturvetenskap är en process, inte en sak. Ordet naturvetenskap syftar också på den kunskap som naturvetenskapliga studier har samlat in under årens lopp.

Flera egenskaper skiljer naturvetenskap från andra mänskliga strävanden. För det första handlar naturvetenskap enbart om den naturliga världen. Naturvetenskapliga strävanden rör aldrig, på något sätt, övernaturliga fenomen av något slag. För det andra samlar forskare in och organiserar information på ett ordnat sätt, och letar efter mönster och samband mellan händelser. För det tredje föreslår forskare förklaringar som är baserade på bevis, inte tro. Sedan prövar de dessa förklaringar med mer bevis.

Naturvetenskapens mål

Den naturvetenskapliga synen på världen inkluderar uppfattningen att det fysiska universum är ett system som består av delar och processer som interagerar. Ur ett naturvetenskapligt perspektiv styrs alla objekt i universum, och alla interaktioner mellan dessa objekt, av universella naturlagar. Samma naturlagar gäller oavsett om objekten eller händelserna är stora eller små.

Aristoteles och andra grekiska filosofer var bland de första som försökte se universum på detta sätt. De strävade efter att förklara världen omkring sig i termer av händelser och processer de kunde observera. Moderna forskare fortsätter den traditionen.

Ett mål med naturvetenskapen är att ge naturliga förklaringar för händelser i den naturliga världen. Naturvetenskapen syftar också till att använda dessa förklaringar för att förstå mönster i naturen och göra användbara förutsägelser om naturliga händelser.

Naturvetenskap, förändring och osäkerhet

Under århundradena har forskare samlat in en enorm mängd information om den naturliga världen.Naturvetenskaplig kunskap hjälper oss att bota sjukdomar, placera satelliter i omloppsbana och skicka omedelbara elektroniska meddelanden. Trots allt vi vet, är mycket av naturen fortfarande ett mysterium. Det är ett mysterium eftersom naturvetenskapen aldrig står stilla; nästan varje stor vetenskaplig upptäckt väcker fler frågor än den besvarar. Ofta ger forskning överraskningar som pekar framtida studier i nya och oväntade riktningar. Denna ständiga förändring innebär inte att naturvetenskapen har misslyckats. Tvärtom, det visar att naturvetenskapen fortsätter att göra framsteg.

Därför innebär lärande om naturvetenskap mer än bara att förstå vad vi vet. Det innebär också att förstå vad vi inte vet. Du kanske blir förvånad över att höra detta, men naturvetenskap bevisar sällan något i absoluta termer. Forskare strävar efter den bästa förståelsen av den naturliga världen som nuvarande metoder kan avslöja. Osäkerhet är en del av den naturvetenskapliga processen och en del av det som gör naturvetenskapen (och därmed naturkunskap) spännande! Lyckligtvis har naturvetenskapen, som du kommer att lära dig senare, gjort det möjligt för oss att bygga tillräcklig förståelse för att göra användbara förutsägelser om den naturliga världen.

Naturvetenskaplig metodologi

Efter att ha studerat detta avsnitt bör du kunna:
1.5 Beskriva och tillämpa de huvudsakliga stegen i den naturvetenskapliga metoden, inklusive observation, hypotesformulering, och experiment.
1.6 Förklara vikten av kontrollerade experiment och varför kontroll av variabler är avgörande för vetenskapliga undersökningar.
1.7 Diskutera hur data samlas in och analyseras, samt de två huvudsakliga typerna av data som används i naturvetenskapliga studier.
1.8 Ge exempel på situationer där experiment inte är möjliga och hur forskare ändå kan testa hypoteser genom observationer eller etiskt godtagbara metoder.
1.9 Analysera och tolka data för att dra slutsatser och ompröva hypoteser baserat på experimentella resultat.

Vilka procedurer ligger i kärnan av naturvetenskaplig metodologi?

Du kanske tror att naturvetenskap är en mystisk process, som bara används av vissa personer under speciella omständigheter. Men så är det inte, eftersom du använder naturvetenskapligt tänkande hela tiden. Tänk dig att familjens bil inte startar. Vad gör du? Du använder vad du vet om bilar för att komma på idéer att testa. Till att börja med kanske du tror att batteriet är dött. Så du testar den idén genom att vrida om nyckeln i tändningen. Om startmotorn fungerar men motorn inte startar, avfärdar du idén om ett dött batteri. Nästa gissning kan vara att bilen är utan bensin. En snabb titt på bensinmätaren testar den idén. Om och om igen tillämpar du naturvetenskapligt tänkande tills problemet är löst—eller tills du får slut på idéer och ringer en mekaniker!

Forskare närmar sig forskning på ungefär samma sätt. Det finns ingen enskild, definitiv naturvetenskaplig metod. Det finns dock en allmän undersökningsstil som vi kan kalla naturvetenskaplig metodologi eller ett vetenskapligt arbetssätt.

Naturvetenskaplig metodologi innebär att observera och ställa frågor, göra slutsatser och formulera hypoteser, genomföra kontrollerade experiment, samla in och analysera data, och dra slutsatser (och kanske till och med en teori). Naturvetenskapliga undersökningar börjar med observation, akten att märka och beskriva händelser eller processer på ett noggrant och ordnat sätt.

Att observera och ställa frågor

Naturvetenskapliga undersökningar börjar med observation, akten att märka och beskriva händelser eller processer på ett noggrant och ordnat sätt. Självklart involverar naturvetenskaplig observation mer än bara att titta på saker. En bra forskare kan, som filosofen Arthur Schopenhauer uttryckte det, "tänka något som ingen annan har tänkt förut, medan man tittar på något som alla ser." Den typen av observation leder till frågor som ingen tidigare har ställt.

Att dra slutsatser och formulera en hypotes

Efter att ha ställt frågor använder forskare ytterligare observationer för att göra slutsatser. En slutsats är en logisk tolkning baserad på vad forskare redan vet. Slutsats, kombinerat med en kreativ fantasi, kan leda till en hypotes. En hypotes är en vetenskaplig förklaring för en uppsättning observationer som kan testas på sätt som stödjer eller förkastar den.

Bifoga exempel om saltträskgräss experimentet med kväve.

Att designa kontrollerade experiment

Att testa en vetenskaplig hypotes innebär ofta att designa ett experiment som håller reda på olika faktorer som kan förändras, eller variabler. Exempel på variabler inkluderar temperatur, ljus, tid och näringstillgång. När det är möjligt bör en hypotes testas genom ett experiment där endast en variabel ändras. Alla andra variabler bör hållas oförändrade, eller kontrollerade. Denna typ av experiment kallas ett kontrollerat experiment.

Varför är det viktigt att kontrollera variabler? Anledningen är att om flera variabler ändras i experimentet, kan forskare inte enkelt avgöra vilken variabel som är ansvarig för de resultat de observerar. Den variabel som medvetet ändras kallas den oberoende variabeln (även kallad den manipulerade variabeln). Den variabel som observeras och som förändras som svar på den oberoende variabeln kallas den beroende variabeln (även kallad den svarande variabeln).

Vanligtvis delas ett experiment in i kontroll- och experimentgrupper. En kontrollgrupp utsätts för samma förhållanden som experimentgruppen förutom en oberoende variabel. Forskare försöker alltid att reproducera eller replikera sina observationer. Därför sätter de upp flera uppsättningar av kontroll- och experimentgrupper, snarare än bara ett enda par.

Insamling och analys av data

Forskare gör detaljerade anteckningar av experimentella observationer och samlar information som kallas data. Det finns två huvudtyper av data. Kvantitativa data är siffror som erhålls genom att räkna eller mäta. I experimentet med saltträskgräs kunde kvantitativa data inkludera antalet plantor per plott, längden, bredden och vikten av varje grässtrå, och så vidare. Kvalitativa data är beskrivande och involverar egenskaper som vanligtvis inte kan räknas. Kvalitativa data i experimentet med saltträskgräs kunde inkludera anteckningar om främmande föremål i provlotterna eller information om gräset växte upprätt eller liggande.

Forskare väljer lämpliga verktyg för att samla in och analysera data. Verktygen kan variera från enkla apparater som linjaler och miniräknare till sofistikerad utrustning som maskiner som mäter kväveinnehåll i växter och jord. Diagram och grafer är också verktyg som hjälper forskare att organisera sina data. Förr i tiden registrerades data för hand, ofta i anteckningsböcker eller personliga journaler. Idag matar forskare vanligtvis in data i datorer, vilket gör det lättare att organisera och analysera data. Många typer av data samlas nu direkt in av datorstyrd utrustning.

Forskare måste vara försiktiga för att undvika fel vid datainsamling och analys. Verktyg som används för att mäta storlek och vikt av saltträskgräs, till exempel, har begränsad noggrannhet. Dataanalys och urvalsstorlek måste väljas noggrant. I medicinska studier, till exempel, bör både experiment- och kontrollgrupper vara ganska stora. Varför? För det finns alltid variationer mellan individer i kontroll- och experimentgrupper. Ju större urvalsstorlek, desto mer pålitligt kan forskare analysera den variationen och utvärdera skillnaderna mellan experiment- och kontrollgrupper.

Att dra slutsatser

Forskare använder experimentella data som bevis för att stödja, motbevisa eller ompröva den hypotes som testas, och för att dra en giltig slutsats. Hypoteser stöds ofta inte fullt ut eller motbevisas av en uppsättning experiment. Istället kan nya data indikera att forskarna har rätt allmän idé men fel om några detaljer. I sådana fall omvärderas och revideras den ursprungliga hypotesen; nya förutsägelser görs och nya experiment designas. Dessa nya experiment kan föreslå förändringar i den experimentella behandlingen eller bättre kontroll av fler variabler. Många varv runt denna loop är ofta nödvändiga innan en slutgiltig hypotes stöds och slutsatser kan dras.

När experiment inte är möjliga

Det är inte alltid möjligt att testa en hypotes med ett experiment. I några av dessa fall utformar forskare hypoteser som kan testas genom observationer. Forskare som studerar djurbeteenden, till exempel, kanske vill lära sig hur djurgrupper interagerar i det vilda. Att undersöka denna typ av naturligt beteende kräver fältobservationer som stör djuren så lite som möjligt. När forskare analyserar data från dessa observationer kan de utforma hypoteser som kan testas på andra sätt.

Ibland förhindrar etik vissa typer av experiment—speciellt på mänskliga försökspersoner. Medicinska forskare som misstänker att en kemikalie orsakar cancer skulle till exempel inte medvetet utsätta människor för den! Istället söker de efter frivilliga som redan har utsatts för kemikalien. Som kontroller studerar de personer som inte har utsatts för kemikalien. Forskare försöker fortfarande kontrollera så många variabler som möjligt. Till exempel kan de utesluta frivilliga som har allvarliga hälsoproblem eller kända genetiska tillstånd. Medicinska forskare försöker alltid studera stora grupper av försökspersoner så att individuella genetiska skillnader inte ger missvisande resultat.