Lesson Objectives

• Identifiziere das Ziel der Wissenschaft.
• Erkläre, wie wichtig es ist, Fragen zu stellen.
• Beschreibe, wie Wissenschaftler die natürliche Welt untersuchen.
• Erkläre, wie und warum Wissenschaftler Daten sammeln.
• Beschreibe die drei wichtigsten Arten von wissenschaftlichen Modellen.
• Erkläre, wie sich eine wissenschaftliche Theorie von einer Hypothese unterscheidet.
• Beschreibe angemessene Sicherheitsvorkehrungen innerhalb und außerhalb des wissenschaftlichen Labors.

Wortschatz

• Konzeptuelles Modell
• Kontrolle
• abhängige Variable
• Hypothese
• unabhängige Variable
• mathematisches Modell
• Modell
• Physikalisches Modell
• Wissenschaftliche Methode
• Theorie

Einführung

Die Wissenschaft ist ein Weg, um Erkenntnisse über die natürliche Welt zu gewinnen. Das Studium der Wissenschaft umfasst auch den Wissensbestand, der durch wissenschaftliche Untersuchungen gesammelt wurde.

Um eine wissenschaftliche Untersuchung durchzuführen, stellen Wissenschaftler prüfbare Fragen. Um diese Fragen zu beantworten, machen sie systematische Beobachtungen und sammeln sorgfältig die relevanten Beweise. Dann verwenden sie logisches Denken und etwas Fantasie, um Hypothesen und Erklärungen zu entwickeln. Schließlich planen Wissenschaftler Experimente und führen sie auf der Grundlage ihrer Hypothesen durch.

Ziel der Wissenschaft

Wissenschaftler versuchen, die natürliche Welt zu verstehen. Wissenschaftler beginnen mit einer Frage und versuchen dann, diese Frage mit Beweisen und Logik zu beantworten. Eine wissenschaftliche Frage muss überprüfbar sein. Sie stützt sich nicht auf Glauben oder Meinungen. Unser Verständnis der natürlichen Vorgänge auf der Erde hilft uns zu verstehen, warum Erdbeben dort auftreten, wo sie auftreten, und zu verstehen, welche Folgen das Hinzufügen von überschüssigen Treibhausgasen zu unserer Atmosphäre hat.

Wissenschaftliche Forschung kann betrieben werden, um Wissen aufzubauen oder um Probleme zu lösen. Wissenschaftliche Entdeckungen können zu technologischen Fortschritten führen. Reine Forschung hilft oft bei der Entwicklung von angewandter Forschung. Manchmal werden die Ergebnisse der Grundlagenforschung erst lange nach Abschluss der Grundlagenforschung angewandt. Manchmal wird etwas Unerwartetes entdeckt, während Wissenschaftler ihre Forschung betreiben.

Es gibt Ideen, die nicht überprüfbar sind. Zum Beispiel können übernatürliche Phänomene, wie Geschichten über Geister, Werwölfe oder Vampire, nicht getestet werden. Auf dieser Website erfahren Sie, warum Astrologie nicht wissenschaftlich ist.

Wissenschaftler beschreiben, was sie sehen, sei es in der Natur oder in einem Labor. Die Wissenschaft ist das Reich der Fakten und Beobachtungen. Die Wissenschaft fällt jedoch keine moralischen Urteile, wie z.B. „Es ist schlecht, dass der Vulkan ausgebrochen ist“, und Meinungen sind für wissenschaftliche Untersuchungen nicht relevant. Wissenschaftler mögen Spaß daran haben, Tornados zu untersuchen, aber ihre Meinung, dass Tornados aufregend sind, ist nicht wichtig, um etwas über sie zu lernen. WissenschaftlerInnen erweitern unser technologisches Wissen, aber die Wissenschaft bestimmt nicht, wie oder ob wir dieses Wissen nutzen. Wissenschaftler haben gelernt, wie man eine Atombombe baut, aber sie haben nicht entschieden, ob und wann sie sie einsetzen. Die Wissenschaftler haben Daten über die Erwärmung der Temperaturen zusammengetragen. Ihre Modelle haben die wahrscheinlichen Ursachen für diese Erwärmung aufgezeigt. Aber obwohl sich die Wissenschaftler über die Ursachen der globalen Erwärmung weitgehend einig sind, können sie Politiker oder Einzelpersonen nicht dazu zwingen, Gesetze zu erlassen oder ihr Verhalten zu ändern.

Damit Wissenschaft funktioniert, müssen Wissenschaftler einige Annahmen treffen. Die Regeln der Natur, ob einfach oder komplex, sind überall im Universum die gleichen. Natürliche Ereignisse, Strukturen und Landformen haben natürliche Ursachen. Anhand von Beweisen aus der natürlichen Welt kann man etwas über diese Ursachen lernen. Die Objekte und Ereignisse in der Natur können durch sorgfältiges, systematisches Studium verstanden werden. Wissenschaftliche Ideen können sich ändern, wenn wir neue Daten sammeln oder mehr lernen. Eine Idee, selbst eine, die heute akzeptiert ist, muss möglicherweise leicht geändert oder ganz ersetzt werden, wenn neue Beweise gefunden werden, die ihr widersprechen. Wissenschaftliche Erkenntnisse können dem Test der Zeit standhalten. Akzeptierte Ideen in der Wissenschaft werden zuverlässiger, je mehr Tests sie überstehen.

Wissenschaftliche Methode

Du hast wahrscheinlich gelernt, dass die wissenschaftliche Methode die Art und Weise ist, wie Wissenschaftler ihre Arbeit angehen. Die wissenschaftliche Methode ist eine Reihe von Schritten, die helfen, eine Frage zu untersuchen. Wissenschaftler verwenden Daten und Beweise, die sie durch Beobachtungen, Erfahrungen oder Experimente gesammelt haben, um ihre Fragen zu beantworten.

Wissenschaftliche Untersuchungen laufen jedoch selten in der gleichen Reihenfolge ab, wie sie in der wissenschaftlichen Methode beschrieben sind. Die Reihenfolge der Schritte kann sich zum Beispiel ändern, weil sich aus den gesammelten Daten weitere Fragen ergeben. Um jedoch zu überprüfbaren Schlussfolgerungen zu gelangen, müssen logische, wiederholbare Schritte der wissenschaftlichen Methode befolgt werden, wie in der folgenden Abbildung zu sehen ist.

Ein Flussdiagramm der wissenschaftlichen Methode, das viel genauer ist als das einfache Diagramm in der Abbildung oben, finden Sie hier.

Fragen

Das Wichtigste, was ein Wissenschaftler tun kann, ist, Fragen zu stellen.

• Warum ist der Himmel blau?
• Warum gibt es in Kalifornien viele Erdbeben und in Kansas nicht?
• Warum gibt es auf der Erde so viele verschiedene Lebensformen und auf anderen Planeten im Sonnensystem nicht?

Die Geowissenschaft kann prüfbare Fragen über die natürliche Welt beantworten. Was macht eine Frage unmöglich zu testen? Einige nicht prüfbare Fragen sind, ob Geister existieren oder ob es ein Leben nach dem Tod gibt.

Eine prüfbare Frage könnte sein, wie man die Bodenerosion auf einem Bauernhof verringern kann (Abbildung unten). Ein Landwirt hat von einer Anbaumethode namens „Direktsaat“ gehört. Bei diesem Verfahren muss der Boden nicht mehr gepflügt werden. Die Frage des Landwirts lautet: Wird die Direktsaat die Erosion des Ackerlandes verringern?

Forschung

Um eine Frage zu beantworten, findet ein Wissenschaftler zunächst heraus, was bereits über das Thema bekannt ist, indem er Bücher und Zeitschriften liest, im Internet sucht und mit Experten spricht. Mit diesen Informationen kann der Wissenschaftler einen guten Versuchsplan erstellen. Wenn die Frage bereits beantwortet wurde, kann die Forschung ausreichend sein oder zu neuen Fragen führen.

Beispiel: Der Landwirt recherchiert über Direktsaat im Internet, in der Bibliothek, im örtlichen Landwirtschaftsladen und anderswo. Er lernt verschiedene Anbaumethoden kennen, wie in der Abbildung unten dargestellt. Er erfährt, welche Art von Dünger am besten zu verwenden ist und welche Abstände zwischen den Kulturen am besten sind. Bei seinen Nachforschungen erfährt er, dass Direktsaat eine Möglichkeit ist, die Kohlendioxidemissionen in die Atmosphäre zu verringern, was im Kampf gegen die globale Erwärmung hilfreich ist.

Hypothese

Mit den Informationen, die er bei der Hintergrundforschung gesammelt hat, erstellt der Wissenschaftler eine plausible Erklärung für die Frage. Dies ist eine Hypothese. Die Hypothese muss sich direkt auf die Fragestellung beziehen und muss überprüfbar sein. Eine Hypothese hilft dem Wissenschaftler bei der Planung von Experimenten und der Interpretation von Daten.

Beispiel: Die Hypothese des Landwirts lautet wie folgt: Die Direktsaat wird die Bodenerosion auf ähnlich steilen Hügeln im Vergleich zur traditionellen Anbaumethode verringern, weil der Boden weniger gestört wird.

Datenerhebung

Um eine Hypothese zu stützen oder zu widerlegen, muss der Wissenschaftler Daten erheben. Mit viel Logik und Aufwand werden Tests entworfen, um Daten zu sammeln, damit die Daten wissenschaftliche Fragen beantworten können. Die Daten werden in der Regel durch Experimente oder Beobachtung gesammelt. Manchmal ermöglichen Verbesserungen in der Technologie neue Tests, um eine Hypothese besser zu beantworten.

Beobachtung wird zur Datenerhebung verwendet, wenn es aus praktischen oder ethischen Gründen nicht möglich ist, Experimente durchzuführen. Schriftliche Beschreibungen sind qualitative Daten, die auf Beobachtungen beruhen. Diese Daten können auch zur Beantwortung von Fragen verwendet werden. Wissenschaftler verwenden viele verschiedene Arten von Instrumenten, um quantitative Messungen durchzuführen. Elektronenmikroskope können verwendet werden, um winzige Objekte zu untersuchen, oder Teleskope, um mehr über das Universum zu erfahren. Sonden führen Beobachtungen an Orten durch, an denen es für Wissenschaftler zu gefährlich oder zu unpraktisch ist, sich dorthin zu begeben. Die Daten von den Sonden werden über Kabel oder durch den Weltraum zu einem Computer geleitet, wo sie von Wissenschaftlern bearbeitet werden (siehe Abbildung unten).

Experimente können mit Chemikalien und Reagenzgläsern durchgeführt werden, oder sie erfordern fortschrittliche Technologien wie ein leistungsstarkes Elektronenmikroskop oder ein Radioteleskop. Atmosphärenforscher sammeln Daten, indem sie die Gase in Gasproben analysieren, und Geochemiker führen chemische Analysen an Gesteinsproben durch.

Ein gutes Experiment muss einen Faktor haben, der manipuliert oder verändert werden kann. Das ist die unabhängige Variable. Die übrigen Faktoren müssen gleich bleiben. Sie sind die Versuchskontrollen. Das Ergebnis des Experiments oder das, was sich aufgrund des Experiments ändert, ist die abhängige Variable. Die abhängige Variable „hängt“ von der unabhängigen Variable ab.

Beispiel: Der Landwirt führt ein Experiment an zwei verschiedenen Hügeln durch. Die Hügel sind ähnlich steil und erhalten ähnlich viel Sonnenschein. Auf einem wendet der Landwirt eine traditionelle Anbautechnik an, bei der gepflügt wird. Auf dem anderen wendet er eine Direktsaattechnik an, bei der er die Pflanzen in größeren Abständen anbaut und spezielle Geräte für die Bepflanzung verwendet. Die Pflanzen an beiden Hängen erhalten die gleiche Menge an Wasser und Dünger. Der Landwirt misst das Pflanzenwachstum an beiden Hängen (siehe Abbildung unten).

In diesem Experiment:

• Was ist die unabhängige Variable?
• Was sind die Versuchskontrollen?
• Was ist die abhängige Variable?

Die unabhängige Variable ist die Anbautechnik – entweder die traditionelle oder die Direktsaat -, denn sie wird manipuliert. Für einen fairen Vergleich der beiden Anbautechniken müssen die beiden Hügel die gleiche Neigung und die gleiche Menge an Dünger und Wasser haben. Dies sind die Versuchskontrollen. Das Ausmaß der Erosion ist die abhängige Variable. Sie ist das, was der Landwirt misst.

Während eines Experiments führen Wissenschaftler viele Messungen durch. Daten in Form von Zahlen sind quantitativ. Daten, die mit modernen Geräten erfasst werden, gehen normalerweise direkt in einen Computer ein, oder der Wissenschaftler kann die Daten in eine Tabellenkalkulation eingeben. Die Daten können dann manipuliert werden. Diagramme und Tabellen zeigen Daten an und sollten deutlich beschriftet sein.

Die statistische Analyse ermöglicht eine effektivere Nutzung von Daten, indem sie Wissenschaftlern ermöglicht, Beziehungen zwischen verschiedenen Datenkategorien aufzuzeigen. Mit Hilfe der Statistik kann man die Variabilität in einem Datensatz erkennen. Diagramme helfen Wissenschaftlern, die Beziehungen zwischen Daten visuell zu verstehen. Bilder werden erstellt, damit andere Interessierte die Zusammenhänge leicht erkennen können.

In fast allen menschlichen Unternehmungen sind Fehler unvermeidlich. Bei einem wissenschaftlichen Experiment nennt man das Versuchsfehler. Was sind die Ursachen für experimentelle Fehler? Systematische Fehler können dem Versuchsaufbau inhärent sein, so dass die Zahlen immer in eine Richtung verzerrt sind. Zum Beispiel kann eine Waage immer eine halbe Unze anzeigen. Der Fehler wird verschwinden, wenn die Waage neu kalibriert wird. Zufällige Fehler entstehen, weil eine Messung nicht genau durchgeführt wird. Zum Beispiel kann eine Stoppuhr zu früh oder zu spät angehalten werden. Um diese Art von Fehlern zu korrigieren, werden viele Messungen vorgenommen und dann gemittelt.

Wenn ein Ergebnis nicht mit den Ergebnissen anderer Proben übereinstimmt und viele Tests durchgeführt wurden, ist es wahrscheinlich, dass in diesem Experiment ein Fehler gemacht wurde, und der inkonsistente Datenpunkt kann verworfen werden.

Schlussfolgerungen

Wissenschaftler untersuchen Grafiken, Tabellen, Diagramme, Bilder, Beschreibungen und alle anderen verfügbaren Daten, um eine Schlussfolgerung aus ihren Experimenten zu ziehen. Gibt es aufgrund der Ergebnisse des Experiments eine Antwort auf die Frage? Wurde die Hypothese bestätigt?

Es gibt Experimente, die eine Hypothese vollständig bestätigen, und solche, die dies nicht tun. Wenn sich eine Hypothese als falsch erweist, ist das Experiment nicht gescheitert. Alle Versuchsergebnisse tragen zum Wissen bei. Experimente, die eine Hypothese stützen oder nicht stützen, können zu noch mehr Fragen und weiteren Experimenten führen.

Beispiel: Nach einem Jahr stellt der Landwirt fest, dass die Erosion auf dem traditionell bewirtschafteten Hügel 2,2 mal größer ist als auf dem Hügel mit Direktsaat. Die Pflanzen auf den Direktsaat-Parzellen sind höher und die Bodenfeuchtigkeit ist höher. Der Landwirt beschließt, für künftige Ernten auf Direktsaat umzustellen. Der Landwirt forscht weiter, um herauszufinden, welche anderen Faktoren zur Verringerung der Erosion beitragen können.

Theorie

Wenn Wissenschaftler Experimente durchführen und Beobachtungen machen, um eine Hypothese zu testen, sammeln sie im Laufe der Zeit eine Menge Daten. Wenn eine Hypothese alle Daten erklärt und keine der Daten der Hypothese widerspricht, wird die Hypothese zu einer Theorie.

Eine wissenschaftliche Theorie wird durch viele Beobachtungen gestützt und weist keine größeren Unstimmigkeiten auf. Eine Theorie muss ständig geprüft und überarbeitet werden. Sobald eine Theorie entwickelt wurde, kann sie zur Vorhersage von Verhalten verwendet werden. Eine Theorie liefert ein Modell der Realität, das einfacher ist als das Phänomen selbst. Auch eine Theorie kann umgestoßen werden, wenn widersprüchliche Daten entdeckt werden. Eine seit langem bestehende Theorie, für die es viele Beweise gibt, wird jedoch weniger wahrscheinlich umgestoßen als eine neuere Theorie.

Eine interaktive Animation, die zeigt, wie Darwin Finken (Abbildung unten) benutzte, um den Ursprung der Arten anhand der Finken der Galapagos-Inseln zu erklären, finden Sie hier.

Die Wissenschaft beweist nichts zweifelsfrei. Wissenschaftler suchen nach Beweisen, die eine Idee unterstützen oder widerlegen. Wenn es keine signifikanten Beweise gibt, die eine Idee widerlegen, aber viele Beweise, die sie unterstützen, wird die Idee akzeptiert. Je mehr Beweise für eine Idee sprechen, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie sich im Laufe der Zeit bewährt. Eine Theorie ist dann wertvoll, wenn Wissenschaftler mit ihrer Hilfe verlässliche Erklärungen und genaue Vorhersagen machen können.

Wissenschaftliche Modelle

Ein System wie die Erdoberfläche oder das Klima kann sehr komplex sein und für Wissenschaftler schwierig zu handhaben sein. Stattdessen können Wissenschaftler Modelle erstellen, um das reale System, das sie untersuchen wollen, darzustellen.

Modelle sind ein nützliches Werkzeug in der Wissenschaft. Sie helfen Wissenschaftlern, Ideen effizient zu demonstrieren und Hypothesen aufzustellen. Modelle werden verwendet, um Vorhersagen zu treffen und Experimente durchzuführen, ohne die Schwierigkeiten, die bei der Verwendung realer Objekte auftreten. Könnten Sie sich vorstellen, eine Pflanzenzelle zu erklären, indem Sie nur eine echte Pflanzenzelle verwenden, oder zu versuchen, die nächste Ausrichtung der Planeten vorherzusagen, indem Sie sie nur betrachten? Modelle haben jedoch Grenzen, die berücksichtigt werden sollten, bevor eine Vorhersage geglaubt oder eine Schlussfolgerung als Tatsache angesehen wird.

Modelle sind einfacher als reale Darstellungen von Objekten oder Systemen. Ein Vorteil eines Modells ist, dass es viel leichter manipuliert und angepasst werden kann als reale Systeme. Modelle helfen Wissenschaftlern, Systeme zu verstehen, zu analysieren und Vorhersagen über sie zu treffen, die ohne Modelle unmöglich zu untersuchen wären. Die Einfachheit eines Modells, das leichter zu handhaben ist als das tatsächliche System, ist auch der Grund, warum Modelle ihre Grenzen haben. Ein Problem bei einem einfacheren Modell besteht darin, dass es das Verhalten des realen Systems möglicherweise nicht sehr genau vorhersagt.

Wissenschaftler müssen ihre Ideen durch Tests validieren. Wenn ein Modell die Zukunft vorhersagen soll, kann man vielleicht nicht lange genug warten, um zu sehen, ob die Vorhersage richtig war. Eine Möglichkeit, ein Modell zu testen, besteht darin, einen Zeitpunkt in der Vergangenheit als Ausgangspunkt zu nehmen und das Modell dann die Gegenwart vorhersagen zu lassen. Ein Modell, das die Gegenwart erfolgreich vorhersagen kann, wird mit größerer Wahrscheinlichkeit auch die Zukunft richtig vorhersagen können.

Viele Modelle werden auf Computern erstellt, weil nur Computer solche enormen Datenmengen verarbeiten und manipulieren können. Zum Beispiel sind Klimamodelle sehr nützlich, um zu bestimmen, welche Veränderungen wir erwarten können, wenn sich die Zusammensetzung der Atmosphäre ändert. Ein einigermaßen genaues Klimamodell wäre nur mit den leistungsfähigsten Computern möglich.

Es gibt drei Arten von Modellen, die von Wissenschaftlern verwendet werden.

Physikalische Modelle

Physikalische Modelle sind physikalische Darstellungen des untersuchten Gegenstands. Diese Modelle sind in der Regel kleiner und einfacher als die Sache, die sie modellieren, aber sie enthalten einige der wichtigen Elemente. Eine Karte oder ein Globus sind physische Modelle der Erde und sind kleiner und viel einfacher als das reale Objekt (siehe Abbildung unten).

Konzeptuelle Modelle

Ein konzeptuelles Modell verbindet viele Ideen, um ein Phänomen zu erklären. Ein konzeptionelles Modell verwendet das, was bekannt ist, und muss in der Lage sein, neues Wissen zu integrieren, wenn es erworben wird (siehe Abbildung unten). Viele Daten unterstützen zum Beispiel die Idee, dass der Mond entstand, als ein Planet von der Größe des Mars auf die Erde traf und eine große Menge an Trümmern und Gas in die Umlaufbahn schleuderte, die schließlich zusammenkamen und den Mond bildeten. Eine gute Arbeitsidee ist ein konzeptionelles Modell.

Mathematische Modelle

Ein mathematisches Modell ist eine Gleichung oder eine Reihe von Gleichungen, die viele Faktoren oder Variablen berücksichtigt. Mathematische Modelle sind in der Regel komplex und können oft nicht alle möglichen Faktoren berücksichtigen (siehe Abbildung unten). Diese Modelle können zur Vorhersage komplexer Ereignisse wie der Lage und Stärke eines Hurrikans verwendet werden.

Die Modellierung des Klimawandels ist sehr komplex, weil das Modell Faktoren wie Temperatur, Eisdichte, Schneefall und Feuchtigkeit berücksichtigen muss. Viele Faktoren beeinflussen sich gegenseitig: Wenn höhere Temperaturen dazu führen, dass die Schneemenge abnimmt, kann die Landoberfläche weniger Sonnenlicht reflektieren und die Temperatur steigt stärker an.

Die Bedeutung der Gemeinschaft in der Wissenschaft

Wissenschaftliche Entdeckungen sind am besten, wenn sie von einer Gemeinschaft von Wissenschaftlern gemacht werden. Damit eine Hypothese vollständig akzeptiert werden kann, muss sie von vielen Wissenschaftlern unterstützt werden. Der wissenschaftliche Prozess verfügt über eingebaute Kontrollen und Gegenkontrollen. Im Allgemeinen leistet die wissenschaftliche Gemeinschaft gute Arbeit bei der Selbstkontrolle. Neue Ideen werden zwar oft kritisiert, aber wenn sie durch weitere Untersuchungen gestützt werden, werden sie schließlich akzeptiert.

Auch wenn jede Wissenschaftlerin allein oder mit einigen Helfern in ihrem Labor Experimente durchführt, wird sie ihre Ergebnisse aufschreiben und ihre Arbeit der Gemeinschaft der Wissenschaftler in ihrem Fachgebiet vorstellen (siehe Abbildung unten). Zunächst kann sie ihre Daten und Schlussfolgerungen auf einer wissenschaftlichen Konferenz präsentieren, auf der sie mit anderen Wissenschaftlern über diese Ergebnisse spricht.

Mit dem, was sie gelernt haben, verfasst sie eine professionelle Arbeit, die in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht wird (siehe Abbildung unten). Vor der Veröffentlichung wird die Arbeit von mehreren Wissenschaftlern begutachtet (Peer Review), die Änderungen vorschlagen und die Arbeit zur Veröffentlichung empfehlen oder ablehnen. Nach der Veröffentlichung werden andere Wissenschaftler in ihrem Fachgebiet von der Arbeit erfahren und die Ergebnisse in ihre eigene Forschung einbeziehen. Sie werden versuchen, ihre Ergebnisse zu wiederholen, um zu beweisen, ob die Ergebnisse richtig oder falsch sind. Auf diese Weise trägt die Wissenschaft zu einem besseren Verständnis der Natur bei.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft kontrolliert die Qualität und die Art der Forschung, die durch Projektfinanzierung durchgeführt wird. Die meisten wissenschaftlichen Forschungen sind teuer, so dass Wissenschaftler einen Antrag an eine Förderorganisation wie die National Science Foundation oder die National Aeronautics and Space Administration (NASA) stellen müssen, um für Ausrüstung, Material und Gehälter zu bezahlen. Wissenschaftliche Vorschläge werden von anderen Wissenschaftlern des Fachgebiets geprüft und im Hinblick auf eine Finanzierung bewertet. In vielen Bereichen ist die Förderquote niedrig, und das Geld geht nur an die besten Forschungsprojekte.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft überwacht die wissenschaftliche Integrität. Während ihrer Ausbildung lernen die Studenten, wie man gute wissenschaftliche Experimente durchführt. Sie lernen, Daten nicht zu fälschen, zu verbergen oder selektiv zu berichten, und sie lernen, wie man Daten und die Arbeit anderer Wissenschaftler fair bewertet. In Anbetracht der vielen wissenschaftlichen Forschungsarbeiten gibt es nur wenige Fälle wissenschaftlicher Unredlichkeit, über die jedoch in den Medien oft mit großer Vehemenz berichtet wird. Dadurch wird in der Öffentlichkeit oft ein unnötiges Misstrauen gegenüber Wissenschaftlern geweckt. Wissenschaftler, denen es an wissenschaftlicher Integrität mangelt, werden von der wissenschaftlichen Gemeinschaft aufs Schärfste verurteilt.

Sicherheit in der Wissenschaft

Im täglichen Leben passieren von Zeit zu Zeit Unfälle, und die Wissenschaft bildet da keine Ausnahme. Tatsächlich arbeiten Wissenschaftler oft mit gefährlichen Materialien, und deshalb müssen Wissenschaftler – und sogar Wissenschaftsstudenten – vorsichtig sein, um Unfälle zu vermeiden (Abbildung unten). Wenn es zu einem Unfall kommt, müssen Wissenschaftler sicherstellen, dass Verletzungen oder Schäden angemessen behandelt werden.

Innerhalb des wissenschaftlichen Labors

Wenn du im wissenschaftlichen Labor arbeitest, kannst du auf gefährliche Materialien oder Situationen stoßen. Scharfe Gegenstände, Chemikalien, Hitze und Elektrizität werden in geowissenschaftlichen Labors gelegentlich verwendet. Wenn du die Sicherheitsrichtlinien beachtest, können fast alle Unfälle verhindert oder die Schäden minimiert werden. Beispiele für Sicherheitsausrüstungen im Labor finden Sie in der Abbildung unten.

• Befolgen Sie jederzeit die Anweisungen.
• Befolgen Sie die Sicherheitsrichtlinien, die in den Laboranweisungen oder vom Laborleiter gegeben werden. Ein Labor ist kein Spielplatz.
• Verwenden Sie nur die vorgeschriebenen Mengen an Materialien. Sprich mit der verantwortlichen Person, bevor du von der Laboranweisung abweichst.
• Binde lange Haare zurück. Trage geschlossene Schuhe und Hemden ohne hängende Ärmel, Kapuzen oder Kordelzüge.
• Benutze Handschuhe, Schutzbrillen oder Sicherheitsschürzen, wenn du dazu aufgefordert wirst.
• Gebe äußerste Vorsicht im Umgang mit scharfen oder spitzen Gegenständen wie Skalpellen, Messern oder Glasscherben.
• Ess oder trink niemals etwas im Labor. Auf den Tischplatten könnten sich gefährliche Substanzen befinden.
• Halten Sie Ihren Arbeitsbereich ordentlich und sauber. Ein unordentlicher Arbeitsbereich kann zu Verschüttungen und Brüchen führen.
• Reinige und pflege Materialien wie Reagenzgläser und Becher. Zurückgelassene Substanzen könnten bei zukünftigen Experimenten mit anderen Substanzen interagieren.
• Sei vorsichtig, wenn du zupackst. Flammen, Heizplatten oder Chemikalien könnten sich darunter befinden.
• Benutzen Sie elektrische Geräte und Brenner wie vorgeschrieben.
• Wissen Sie, wie man eine Augenspülstation, eine Löschdecke, einen Feuerlöscher oder einen Erste-Hilfe-Kasten benutzt.
• Benachrichtigen Sie den Laborleiter, wenn etwas Ungewöhnliches passiert. Ein Unfallbericht kann erforderlich sein, wenn jemand verletzt wurde; der Laborleiter muss wissen, ob Materialien beschädigt oder weggeworfen wurden.

Außerhalb des Labors

Viele Geowissenschaftler arbeiten im Freien, wie in der Abbildung unten dargestellt. Die Arbeit im Freien erfordert zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen, wie zum Beispiel:

• Geeignete Kleidung tragen, zum Beispiel Wanderschuhe, lange Hosen und lange Ärmel.
• Ausreichend Nahrung und Wasser mitnehmen, selbst für einen kurzen Ausflug. Dehydrierung kann schnell auftreten.
• Halten Sie geeignete Erste-Hilfe-Maßnahmen bereit.
• Sagen Sie anderen, wohin Sie gehen, was Sie tun werden und wann Sie zurückkehren werden.
• Nehmen Sie eine Karte mit. Es ist auch eine gute Idee, eine Kopie der Karte bei jemandem zu Hause zu hinterlegen.
• Stellen Sie sicher, dass Sie Zugang zu Notdiensten und eine Möglichkeit zur Kommunikation haben. Denken Sie daran, dass nicht viele Feldgebiete zu abgelegen sind, als dass Mobiltelefone nützlich wären.
• Stellen Sie sicher, dass Sie von einer Person begleitet werden, die mit dem Gebiet vertraut ist oder die mit der Art der Untersuchung vertraut ist, die Sie durchführen, wenn Sie neu in der Feldarbeit sind.

Zusammenfassung der Lektion

• Das Ziel der Wissenschaft ist es, prüfbare Fragen zu stellen und zu beantworten.
• Wissenschaftler verwenden eine Abfolge von logischen Schritten, die wissenschaftliche Methode genannt wird und die beinhaltet, dass man Beobachtungen macht, eine Hypothese aufstellt, diese Hypothese prüft und eine Schlussfolgerung zieht.
• Physikalische, konzeptionelle und mathematische Modelle helfen den Wissenschaftlern, wissenschaftliche Informationen und Konzepte zu diskutieren und zu verstehen.
• Eine wissenschaftliche Theorie ist eine Hypothese, die wiederholt getestet wurde und sich nicht als falsch erwiesen hat.
• Sicherheit im Labor und im Feld sind wesentliche Bestandteile guter wissenschaftlicher Untersuchungen.

Fragen zur Überprüfung

1. Schreiben Sie eine Liste mit fünf interessanten wissenschaftlichen Fragen. Ist jede davon prüfbar?
2. Ein Wissenschaftler untersuchte die Auswirkungen von Ölverschmutzung auf Meeresalgen. Er vermutete, dass das Öl aus der Kanalisation das normale Wachstum der Algen behindert, und beschloss, ein Experiment durchzuführen. Er füllte zwei gleich große Aquarien mit Wasser und überwachte den gelösten Sauerstoff und die Temperatur in beiden Becken, um sicherzustellen, dass sie gleich waren. In ein Becken gab er etwas Motoröl und maß dann das Wachstum der Algen in beiden Becken. In dem Tank ohne Öl betrug das durchschnittliche Wachstum 2,57 cm. Das durchschnittliche Wachstum der Algen in dem Tank mit Öl betrug 2,37 cm. Basierend auf diesem Experiment:
   1. Was war die Frage, mit der der Wissenschaftler begann?
   2. Was war seine Hypothese?
   3. Identifiziere die unabhängige Variable, die abhängige Variable und die experimentelle(n) Kontrolle(n).
   4. Was haben die Daten gezeigt?
   5. Kann er sich seiner Schlussfolgerung sicher sein? Wie kann er seine Schlussfolgerung erhärten?
3. Erläutern Sie drei Arten von wissenschaftlichen Modellen. Was ist jeweils ein Vor- und ein Nachteil?
4. Bestimme oder entwerfe fünf eigene Sicherheitssymbole, die auf deinem Wissen über Sicherheitsverfahren in einem wissenschaftlichen Labor basieren.
5. Entwirf dein eigenes Experiment auf der Grundlage einer deiner Fragen aus Frage 1. Füge die Frage, die Hypothese, die unabhängigen und abhängigen Variablen und die Sicherheitsvorkehrungen hinzu. Vielleicht möchtest du mit deinem Lehrer oder einer Gruppe arbeiten.

Weitere Lektüre / ergänzende Links

• Eine sehr gute und ausführliche Erklärung dessen, was Wissenschaft ist und wie sie betrieben wird.
• BrainPOP bietet ausführliche Diskussionen über wissenschaftliche Untersuchungen, einschließlich Texten und Filmen.
• Ein Beispiel für die Anwendung wissenschaftlicher Methoden zur Untersuchung von Treibhausgasen und Baumwachstum findet sich hier. Oder eines, um den Zusammenhang zwischen Fußschmerzen und dem Wetter zu untersuchen.

Punkte zum Nachdenken

• Welche Arten von Modellen haben Sie bereits kennengelernt? Was haben Sie dabei gelernt?
• Welche Situationen sind für Wissenschaftler sowohl notwendig als auch gefährlich, um sie zu untersuchen? Welche Vorsichtsmaßnahmen sollten sie deiner Meinung nach treffen, wenn sie sie untersuchen?
• Wie unterscheidet sich die wissenschaftliche Bedeutung des Wortes Theorie vom allgemeinen Sprachgebrauch? Kannst du ein Beispiel in den Medien finden, wo das Wort in einem wissenschaftlichen Bericht falsch verwendet wurde? Der falsche Gebrauch des Wortes „Theorie“ ist in den Medien und im täglichen Leben weit verbreitet.