A farmer takes careful measurements in the field.

ガラパゴス諸島のフィンチを使用して種の起源を説明したダーウィンのインタラクティブなアニメーション（下図）は、ここで見つかります。 約 150 年にわたる研究により、ダーウィンの理論が裏付けられました。 科学者は、ある考えを支持または反証する証拠を求める。 ある考えを否定する重要な証拠がなく、それを支持する証拠がたくさんあれば、その考えは受け入れられる。 あるアイデアを支持する証拠が多ければ多いほど、そのアイデアが時の試練に耐える可能性が高くなります。 科学者がそれを使って信頼できる説明を行い、正確な予測を行うことができるとき、理論の価値が高まるのである。 その代わり、科学者は、研究対象の実際のシステムを表すモデルを作成することがあります。

モデルは科学における便利なツールです。 科学者がアイデアを効率的に実証し、仮説を立てるのに役立つのである。 模型は、実物を使うことの難しさを一切感じさせずに、予測や実験を行うために使われます。 本物の植物細胞だけを使って植物細胞を説明しようとしたり、惑星を見るだけで次の惑星の配置を予測しようとしたりすることを想像できるだろうか。 しかし、モデルには限界があり、いかなる予測も信じ、いかなる結論も事実とみなす前に考慮されなければなりません。 モデルを使用する利点の1つは、現実のシステムよりもはるかに簡単に操作し調整できることである。 モデルは、モデルを使用しなければ研究することが不可能なシステムについて、科学者が理解し、分析し、予測するのに役立ちます。 モデルが単純であるため、実際のシステムよりも使いやすいということは、モデルに限界があることを意味します。 より単純なモデルの問題点として、実際のシステムの挙動をあまり正確に予測できない可能性があります。

科学者は、テストによって自分の考えを検証しなければなりません。 モデルが将来を予測するように設計されている場合、予測が正確であったかどうかを確認するのに十分な時間待つことができない場合がある。 モデルをテストする 1 つの方法は、出発点として過去のある時間を使用し、その後、モデルに現在を予測させることです。 現在をうまく予測できるモデルは、未来を予測する際にも正確である可能性が高い。

多くのモデルがコンピューター上で作成されているのは、コンピューターだけが膨大な量のデータを処理、操作できるためである。 たとえば、気候モデルは、大気の組成が変化したときにどのような変化が予想されるかを判断するのに非常に有用である。 科学者が使用するモデルには 3 つのタイプがあります。

物理モデル

物理モデルは、研究対象の物理的な表現です。 これらのモデルは通常、モデルとなっているものよりも小さく単純であるが、重要な要素のいくつかを含んでいる。 地図や地球儀は地球の物理モデルであり、本物よりも小さく、はるかに単純です（下図）。

概念モデル

概念モデルは現象を説明しようと多くの考えを結び付けました。 概念モデルは既知のものを使用し、獲得された新しい知識を取り入れることができなければなりません（下図）。 例えば、火星サイズの惑星が地球に衝突し、大量の破片やガスが軌道上に飛び散り、それが集まって月ができたという説は、多くのデータで裏付けられています。 良い作業アイデアが概念モデルです。

数学モデル

数学モデルは、多くの要因または変数を考慮した方程式または方程式のセットです。 数学的モデルは通常複雑で、多くの場合、考えられるすべての要因を考慮することはできません（下図）。 これらのモデルは、ハリケーンの位置や強さなど、複雑な事象の予測に使用されることがあります。

この気候モデルは、地球の小さな領域でわずかな要因しか考慮していません。 最高の気候モデルは、スーパーコンピュータで作成しなければならないほど複雑で、それさえも地球の気候に比べれば単純です。

高校生は、ポスター セッションで NASA の科学者に自分の研究結果を発表します。

査読付き科学ジャーナル。 ほとんどの科学研究は高価であるため、科学者は全米科学財団や米航空宇宙局 (NASA) などの資金提供機関に提案書を書き、設備や消耗品、給与の支払いを行う必要があります。 科学的な提案書は、その分野の他の科学者によって審査され、資金提供の可否が評価されます。 多くの分野では、資金提供の割合は低く、最も価値のある研究プロジェクトにのみ資金が回る。

科学界は、科学的誠実さを監視している。 研修の間、学生は良い科学実験を行う方法を学びます。 データをごまかしたり、隠したり、選択的に報告したりしないことを学び、データや他の科学者の仕事を公正に評価する方法を学びます。 多くの科学的研究が行われている中で、科学的不正行為が行われることはほとんどありませんが、メディアではしばしば激しく報道されます。 そのため、一般市民が科学者に対して必要以上の不信感を抱いてしまうことも少なくありません。 科学的誠実さを持たない科学者は、科学界から強く非難されます。

科学における安全性

事故は日常生活の中で時々起こりますが、科学も例外ではありません。 実際、科学者は危険な物質を扱うことが多いので、科学者はもちろん、科学を学ぶ学生も事故を防ぐために注意しなければならない（下図）。 もし事故が起きたら、科学者は怪我や損傷を適切に処置しなければならない。

Inside the Science Laboratory

If you work in the science lab, you may come into dangerous materials or situations. 鋭利なもの、化学物質、熱、電気など、地球科学の実験室ではすべて使うときがあります。 安全ガイドラインに従うことで、ほとんどすべての事故を防ぐことができ、また被害を最小限に抑えることができます。

• 常に指示に従う
• 実験室の指示または実験監督者から与えられた安全ガイドラインに従う。 研究室は遊び場ではありません。
• 指示された量の材料のみを使用すること。
• 実験室の手順から外れる前に、責任者に確認すること。 つま先の閉じた靴を履き、袖やフード、紐のないシャツを着る。
• 指示されたら手袋、ゴーグル、安全エプロンを使う。
• メスやナイフ、割れたガラスなど鋭かったり尖った物の取り扱いには十分注意する。
• 科学実験室で何かを食べたり飲んだりしないこと。 危険な物質がテーブルの上にある可能性があります。
• 作業場所はきちんと清潔に保つ。 乱雑な作業場は、こぼしたり壊したりする原因になります。
• 試験管やビーカーなどの材料はきれいに手入れしてください。 残った物質は、今後の実験で他の物質と相互作用する可能性があります。
• 手を伸ばすときには注意が必要です。 炎、熱板、化学物質が下にある可能性がある。
• 電気器具やバーナーは指示通りに使う。
• 目の洗浄器、火の毛布、消火器、救急箱の使い方を知る。
• 異常事態が発生したら実験監督者に警告すること。 誰かが怪我をした場合は事故報告が必要な場合がある。

研究室の外

多くの地球科学者は下図のように野外で仕事をしている。

• 適切な服装をすること。例えば、ハイキングブーツ、長ズボン、長袖。
• 適切な応急処置ができるようにしておく。
• 行き先、何をするか、いつ戻るかを他人に伝える。
• 地図を持っていく。 また、地図のコピーを自宅の誰かに預けておくとよいでしょう。
• 緊急サービスや何らかの通信手段があることを確認してください。
• 携帯電話が役立つほど遠隔地にあるフィールドは多くないことを覚えておいてください。
• その地域に詳しい人、またはフィールドワークが初めての場合は、行う調査の種類に詳しい人が同行することを確認してください。

レッスンのまとめ

• 科学の目的は、検証可能な質問をし、それに答えることです。
• 科学者は、観察し、仮説を立て、その仮説を検証し、結論を出すという科学的手法という一連の論理ステップを使用します。
• 物理的、概念的、および数学的モデルは、科学的情報や概念について議論し理解するのに役立ちます。
• 科学理論とは、繰り返し検証され、間違っていることが証明されていない仮説です。
• フィールドと同様に実験室の安全性は、優れた科学的調査にとって不可欠な要素です。 それぞれは検証可能ですか？
• ある科学者は、海の海藻に対する油汚染の影響を研究していました。 彼は雨水排水路から流出する油によって海藻が正常に育たなくなると考え、実験をすることにしました。 彼は同じ大きさの2つの水槽に水を入れ、それぞれの溶存酸素と温度が同じであることを確認するためにモニターしました。 そして、片方の水槽にモーターオイルを入れ、海藻の生育を測定した。 オイルを入れなかった水槽では、平均2.57cmの成長だった。 オイルを入れた水槽の海藻の平均成長量は2.37cmだった。 この実験に基づいて:
  1. 科学者が最初に立てた疑問は何か
  2. 彼の仮説は何か
  3. 独立変数、従属変数、実験対照を特定せよ
  4. データは何を示したか
  5. 彼は自分の結論を確信できるのか
  6. 科学者は自分の実験に参加することができたか
  8. この実験の結果、科学者はどのような結論を得たか
  9. 科学者は自分の実験に参加することができたか
  10. 科学者は自分の実験に参加することができたか
  11. 自分の結論をより強固なものにするにはどうすればよいか。
  12. 科学実験室での安全手順に関するあなたの知識に基づいて、あなた自身の安全記号を5つ特定または設計しなさい。
  13. 上記の質問1からあなたの質問の1つに基づいて、あなた自身の実験を設計しなさい。 質問、仮説、独立変数と従属変数、安全上の注意を含む。

  Further Reading / Supplemental Links

  • 科学とは何か、どのように行われるかについて、非常に良く、詳しい説明があります。
  • BrainPOP は、テキストや映画を含む科学的探究についての深い議論を特集しています。

  考察のポイント

  • あなたはどのようなタイプのモデルを経験したことがありますか？ そこから何を学びましたか。
  • 科学者が研究する上で必要かつ危険な状況とはどのようなものでしょうか。 それを研究するとき、どのような注意が必要だと思いますか。
  • 理論という言葉の科学的な意味は、一般的な使い方とどのように違いますか。 この言葉が科学的な話の中で間違って使われた例をメディアで見つけることができますか？ メディアや日常生活で理論という言葉の誤用が横行しています

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