العلم وعملياته
الدرس 1: العلم وعملياته
في هذا الدرس
الأهداف
- تعرف العلوم، وتحدد بعض الأسئلة التي لا تجيب عنها.
- تقارن بين النظريات والقوانين.
- تحدد الفروع الثلاثة للعلوم.
- تحدد بعض المهارات التي يستخدمها العلماء.
- توضح المقصود بالفرضية.
- تميز الاختلاف بين الملاحظة والاستنتاج.
الأهمية
تستفيد من العلوم في تعرف العالم الذي تعيش فيه.
مراجعة المفردات
النظرية: تفسر الأشياء أو الأحداث بناءً على المعرفة التي تم الحصول عليها من الملاحظات والتجارب.
الملاحظة: تسجيل أو وصف لمشاهدات أو أنماط في الطبيعة.
المفردات الجديدة
- العلوم
- الطريقة العلمية
- القانون العلمي
- الفرضية
- الاستدلال
- التجربة المضبوطة
- المتغير المستقل
- المتغير التابع
- الثوابت
التعلم عن العالم
عندما تفكر في العالم، فهل تتخيل شخصًا في مختبر محاطًا بالجداول والرسوم البيانية والزجاجات وأنابيب الاختبار؟ إذا أي شخص يحاول أن يتعلم شيئًا ما عن طبيعة العالم هو عالم.
العلوم طريقة لتعلم المزيد حول العالم الطبيعي؛ فالعالم يسعى إلى معرفة لماذا أو كيف أو متى تحدث الأشياء؟ من خلال ملاحظتها وطرح أسئلة حولها. وقد أنسى الله عز وجل على التفكير في ملكوته لندرك من خلاله عظمة الخالق وحكمته، قال تعالى سبحانه:
﴿أَوَلَمْ يَتَفَكَّرُوا فِي أَنفُسِهِم مَا خَلَقَ اللَّهُ السَّمَاوَاتِ وَالْأَرْضَ وَمَا بَيْنَهُمَا إِلَّا بِالْحَقِّ وَأَجَلٍ مُّسَمًّى وَإِنَّ كَثِيرًا مِّنَ النَّاسِ بِلِقَاءِ رَبِّهِمْ لَكَافِرُونَ﴾
سورة الروم، الآية 8.
طرح الأسئلة
يطرح العلماء العديد من الأسئلة حول العالم الطبيعي، مثل: مم تتكون الأشياء؟ وما آلية عملها؟ وما سبب وقوع حدث ما؟ ويحاولون الإجابة عن هذه الأسئلة من خلال العلم، لكن بعض الأسئلة لا يمكن الإجابة عنها من خلال العلم؛ فمثلًا، لا يدلنا العلم الطبيعي على الصواب والخطأ، أو على الجمال والقبح، أو من يصدّقك المفضل، وليس غريبًا ذلك.
تفسيرات محتملة
إذا كان التعلم عن العالم يبدأ بطرح أسئلة، فهل يستطيع العلم الإجابة عنها؟ تقدم العلوم إجابات عن الأسئلة من خلال المعلومات المتوافرة في ذلك الوقت، لكن الإجابات التي يقدمها العلم ليست قطعية دائمًا؛ لأن الإنسان لا يعرف كل شيء عن العالم المحيط به، وكما يبين الشكل 1، فإن بعض التفسيرات قد تصبح العلماء على البحث في الأفكار القديمة، والتفكير في تفسيرات جديدة؛ فالعلوم تقدم فقط تفسيرات محتملة.
ماذا قرأت؟
لماذا لا تستطيع العلوم الإجابة عن الأسئلة بحزم دائمًا؟
الشكل 1
عندما تتوافر معلومات جديدة يمكن أن تتغير التفسيرات القديمة أو ترفض، كما يمكن أن توضع تفسيرات جديدة.
النظريات العلمية
هي محاولة لتفسير سلوك أو نمط معين تم ملاحظته مرارًا في العالم الطبيعي، والنظريات العلمية ليست مجرد تخمينات عشوائية أو آراء أشخاص، وليست كذلك أفكارًا خاصة، وإنما يجب أن تدعم النظرية بالملاحظات والاستقصاءات العلمية.
وعلى الرغم من أن النظرية هي أفضل تفسير ممكن في ضوء البيانات الحالية، إلا أنها قابلة للتغير في ضوء بيانات جديدة لا تدعم النظرية القائمة، وعندئذ لا بد أن تطابق النظرية الجديدة الملاحظات والبيانات الجديدة.
الشكل 2
عالم البراكين يدرس درجة حرارة الصهارة الخارجة من البركان.
القوانين العلمية
تسمى القاعدة التي تصف نمطًا أو سلوكًا معينًا في الطبيعة القانون العلمي. ولكي تصبح الملاحظة قانونًا يجب أن تشاهد مرات كثيرة.
ويساعدنا القانون العلمي على توقع حدوث الأشياء، فمثلًا قد يساعدنا القانون على التنبؤ بسقوط حبة التفاح في اتجاه الأرض، لكنه لا يفسر وجود الجاذبية الأرضية، ولا يوضح عملها، فالقانون بخلاف النظرية لا يشرح سبب حدوث الأشياء، وإنما يصف فقط نمطًا معينًا.
فروع العلوم
تقسم العلوم إلى ثلاثة فروع:
- علم الأحياء.
- علم الأرض والفضاء.
- العلوم الطبيعية.
وكل منها يتكون من أنظمة مختلفة.
علم الأحياء
يهتم علم الأحياء بدراسة المخلوقات الحية وطرائق ارتباطها معًا، من خلال الإجابة عن أسئلة مثل:
- كيف تنمو بعض النباتات؟
- كيف تصاب بالأمراض؟
- أين تعيش المخلوقات؟
- وكيف ترتبط بعلاقات بينها؟
علم الأرض والفضاء
أما علم الأرض والفضاء فيعنى بدراسة أنظمة الأرض والفضاء، ويتضمن دراسة الأشياء غير الحية، ومنها:
- الصخور.
- التربة.
- الغيوم.
- الأنهار.
- الطقس.
- المناخ.
- النجوم.
- الكواكب.
- تضاريس الكواكب.
واحتمال وجود الحياة فيها، كما يدرس علماء الأرض تضاريس الأرض، ومظاهر خط الطول، ويدرسون كيفية حدوث الزلازل والبراكين، والمتغيرات المرتبطة معها.
ويبين الشكل 2 أحد علماء الأرض المتخصصين بدراسة البراكين أثناء قيامه بعمله.
ماذا قرأت؟
ماذا يدرس علم الأرض؟
العلوم الطبيعية
أما العلوم الطبيعية فهي العلوم التي تهتم بدراسة المادة والطاقة. والمادة هي أي شيء يشغل حيزًا وله كتلة.
أما الطاقة فهي القدرة على إحداث تغيير في المادة.
وتنقسم العلوم الطبيعية إلى فرعين رئيسين، هما:
- الكيمياء.
- الفيزياء.
فالكيمياء علم يهتم بدراسة المادة وتفاعلاتها كما في الشكل 3. أما الفيزياء فعلم يهتم بدراسة الطاقة وقدرتها على تغيير المادة.
الشكل 3
باحث كيمياء يدرس بعض التفاعلات الكيميائية.
المهارات العلمية
إنك تعلم أن العلوم تتضمن دائمًا أسئلة، ولكن كيف تقود هذه الأسئلة إلى التعلم؟ لأنه لا توجد طريقة واحدة للحصول على المعرفة، فإن العلماء لديهم مجموعة كبيرة من المهارات، تتضمن مهارات:
- التفكير.
- الملاحظة.
- التنبؤ.
- الاستقصاء.
- البحث.
- النمذجة.
- القياس.
- التحليل.
- الاستدلال.
الطرائق العلمية
كما يوضح الشكل 4، فإن معظم الاستقصاءات تبدأ عادة بمشاهدة شيء ما، ثم تطرح أسئلة عما تلاحظه. والعلماء عادة يتابعون تمامًا كتابة أبحاثهم؛ ولذلك فإنهم يقرؤون كتبًا ومجلات علمية للاطلاع على ما سبق التوصل إليه من العلماء الآخرين بخصوص أسئلتهم.
ويضع العلماء عادة تفسيرات محتملة لملاحظاتهم. وللحصول على معلومات أكثر فإنهم يتبعون نموذجًا للتقصي الذي يقومون بدراسته واستقصائه. وكل العمليات السابقة متضمنة في الطريقة العلمية.
التساؤل والملاحظة
قام معلم العلوم بوضع صندوق على طاولة المختبر أمام جميع الطلاب، ثم طرح عليهم السؤال التالي:
ماذا يوجد داخل الصندوق؟
قال أحد الطلاب: هل يمكن لمس الصندوق؟
قال المعلم: نعم.
فقام أحد الطلاب بتحريك الصندوق أكثر من مرة، ولاحظ أنه ليس ثقيلًا. وقام طالب آخر بهز الصندوق، فسمع طلاب الصف صوت اهتزاز لمواد فلزية، مثل حديد أو ألمنيوم مثلًا.
ثم مرر الصندوق على جميع طلاب الصف لإبداء ملاحظاتهم وتدوينها في دفتر العلوم.
الشكل 4
بالرغم من وجود طرائق علمية مختلفة للاستقصاء، إلا أن معظم الاستقصاءات تتبع نمطًا عامًا.
مخطط الطريقة العلمية يتضمن:
- لاحظ، اسأل، اجمع معلومات.
- ضع فرضية.
- ابحث لتعرف أكثر.
- لاحظ.
- جرب.
- اعمل نموذجًا.
- قس.
- حلل.
- استنتج وتواصل.
- كرر عدة مرات.
- دعمت الفرضية.
- لم تدعم الفرضية.
- عدل الفرضية.
الشكل 5
يبدأ الأشخاص عادة بالملاحظات وطرح الأسئلة.
نصوص داخل الصورة:
- يبدو كأنه دباسة!
- عندما أهز العلبة أسمع صوتًا يشبه رنين الفلز كالحديد مثلًا.
- الشيء الذي في العلبة ليس ثقيل الوزن.
وضع توقعات
بعد تدوين الملاحظات بدأ الطلاب بوضع التوقعات.
أحد الطلاب: أتوقع وجود مقص داخل الصندوق.
طالب آخر: أتوقع وجود دباسة داخل الصندوق.
المعلم: لماذا تتوقع ذلك؟
الطالب: لأن الدباسة صغيرة الحجم.
طالب آخر: لأننا نسمع رنين مواد فلزية عند هز الصندوق.
المعلم: إذًا أنتم تتوقعون أن ما بداخل الصندوق هي دباسة.
أحد الطلاب: نعم.
المعلم: إذًا فقد وضعتم فرضية.
أحد الطلاب: ماذا؟
الفرضية
الفرضية: تخمين لجواب أو تفسير منطقي محتمل يعتمد على معرفتك وملاحظاتك.
المهن: علماء الأحياء
يدرس علماء الأحياء المخلوقات الحية، من خلال الملاحظة؛ فهم يلاحظون الحيوانات والنباتات في بيئاتها الطبيعية دون إزعاجها.
لاحظ مخلوقات حية: نباتات أو حيوانات في حديقة قريبة أو في حديقة المنزل، ثم سجل ما تلاحظه في دفتر العلوم.
اختبار الفرضية
المعلم: يبقي عقل العالم منفتحًا للتفسيرات والاحتمالات المختلفة، فماذا يجب عليكم أن تفعلوا إذا عرفتم معلومات جديدة لا تتفق مع فرضيتكم الأصلية؟ وما المعلومات الجديدة التي يمكن أن تجمعوها للتحقق من صحة فرضيتكم أو رفضها؟
طالب: هل تقصد اختبارًا أو شيئًا من هذا القبيل؟
طالب آخر: لدي طريقة لاختبار فرضيتنا. نحضر صندوقًا شبيهًا بالصندوق الأصلي، ونضع فيه دباسة، ثم نغلقه ونهزه ونقارنه بالصندوق الأول.
قام المعلم للطلاب صندوقًا فارغًا شبيهًا بالصندوق الأول ودباسة، فنفذ الطلاب اقتراح زميلهم لاختبار الفرضية.
طالب آخر: إن الصندوق أثقل، ولكن لا أسمع صوتًا فلزيًا مثل الصوت الصادر عند هز الصندوق الأصلي.
طالب آخر: ماذا لو قسنا كتلة كل من الصندوقين باستخدام الميزان؟ انظر الشكل 6.
وجد الطلاب أن كتلة الصندوق الأصلي تساوي 270 جم، وأن كتلة صندوق التجربة تساوي 410 جم.
تنظيم النتائج
بعد أن انتهى الطلاب من اختبار الفرضية، بدأ الحوار:
المعلم: حسنًا! الآن حصلتم على معلومات جديدة، ولكن قبل وضع أي استنتاج عليكم تنظيم المعلومات جميعها، وبذلك يكون لدينا ملخص لملاحظاتنا يمكننا الرجوع إليه عندما نريد التوصل إلى نتائج.
أحد الطلاب: من الممكن عمل جدول لتنظيم معلوماتنا في دفتر العلوم.
طالب آخر: نستطيع مقارنة ملاحظاتنا حول الصندوق الأصلي مع ملاحظاتنا حول الصندوق الجديد.
الشكل 6
ميزان لقياس كتل الأشياء.
تجربة: تكوين فرضية
الخطوات
- املأ وعاء كبيرًا بالماء، وضع فيه علبة غير مفتوحة من مشروب غازي يحتوي على السكر، وعلبة أخرى مماثلة بدون سكر، ثم لاحظ ماذا حدث.
- ضع قائمة بالتفسيرات المحتملة لملاحظاتك في دفتر العلوم، ثم اختر أفضل تفسير، واكتب فرضية.
- قارن مكونات كل من العلبتين وكرر بينهما.
- تأكد من صياغة فرضيتك بناءً على هذه المعلومات الجديدة.
التحليل
- ماذا لاحظت عند وضع العلبتين في الماء؟
- ما أثر المعلومات الجديدة في تغيير فرضيتك؟
- استنتج سبب الاختلاف فيما حدث لكل منهما.
جدول 1: مخطط الملاحظات
| أسئلة حول ما بداخل الصندوق | الصندوق الأصلي | صندوق التجربة |
| ------------------------------------------ | ------------------------------------------------ | ----------------------------------- |
| هل ينحدر ثم ينزلق؟ | ينزلق ويبدو أنه متوسط / مسطح. | ينزلق ويبدو أنه متوسط / مسطح. |
| هل يصدر صوتًا؟ | يصدر صوتًا يماثل أصوات الفلزات: حديد أو ألمنيوم. | يصدر صوتًا مكتومًا. |
| هل تتوزع الكتلة بشكل منتظم في الصندوق كله؟ | لا، الجسم لا يملأ الصندوق كله. | لا، كتلة الدباسة غير موزعة بانتظام. |
| ما كتلة الصندوق؟ | 270 جم. | 410 جم. |
الاستنتاجات
المعلم: ماذا تعلمتم من الاستقصاء الذي قمتم به؟
أحد الطلاب: أول شيء تعلمناه هو أن فرضيتنا لم تكن صحيحة.
طالب آخر: الصندوقان ليس لهما الكتلة نفسها، وصندوق التجربة لا يصدر الصوت نفسه مثل الصندوق الأصلي، وكذلك قد يختلف نوع مادة الدباسة في الصندوق الأصلي عما في صندوق التجربة.
المعلم: إذن أنتم استدللتم على أن الجسم في الصندوق الأصلي يختلف عن الجسم الموجود في صندوق التجربة.
أحد الطلاب: ماذا تقصد يا معلمي بالاستدلال؟
المعلم: الاستدلال هو التوصل إلى استنتاجات بناءً على المشاهدات السابقة.
طالب آخر: إذن، نحن استدللنا على أن الجسمين مختلفان؛ لأن ملاحظاتنا عن الصندوقين مختلفة، أي قادتنا إلى نتيجة ابتدائية.
المعلم: إذا كانت ملاحظاتكم لا تدعم فرضيتكم فإن لديكم الآن معرفة أكثر من السابق.
أحد الطلاب: هل تستطيع فتح الصندوق لنعرف ما بداخله؟
المعلم: هل تتوقع أن العلماء يستطيعون النظر إلى الأشياء التي يدرسونها دائمًا؟
طالب آخر: أتوقع أنهم لا يستطيعون ذلك، وخصوصًا إذا كان الشيء كبيرًا جدًا أو صغيرًا جدًا.
المعلم: إذن علماء جمع المزيد من الملاحظات والمعلومات أو وضع فرضيات أو عمل أبحاث جديدة.
المعلم: كثير من العلماء أمضوا حياتهم في البحث عن إجابات، وتحلوا بالصبر والمثابرة.
العلوم عبر المواقع الإلكترونية
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت.
نشاط
حدد المتغيرات الثلاثة التي تحتاج إليها في كل تجربة، واشرح الفرق بينها.
تجربة عملية
حل المشكلة بالطريقة العلمية.
اتباع الخطوات لدراسة النبات المعاملة من منبع بين النباتية.
التواصل حول نتائج الأبحاث
كثيرًا ما يكمل عالم عمل عالم آخر، كما أنه من المعتاد أن يعيد عالم ما قام به غيره من العلماء؛ لذلك يقوم العلماء دائمًا بنشر ما يتوصلون إليه من نتائج.
وكذلك الطرائق التي سيستخدمونها في البحث عن طريق المجلات والكتب الإلكترونية والإنترنت، كما يحضرون المؤتمرات ويساهمون في إلقاء الكلمات عن إنجازاتهم حتى يستفيد منها علماء آخرون.
ماذا قرأت؟
لماذا يتشارك العلماء في المعلومات؟
الشكل 7
العروض من الطرائق المستخدمة في العلوم لنقل النتائج إلى الآخرين.
في الصورة:
- أكسجين.
- ثاني أكسيد الكربون.
- البناء الضوئي في النباتات.
- نبات يتعرض للضوء.
- نبات لا يتعرض للضوء.
التجارب
قام طلاب الصف بإجراء العديد من الملاحظات حول الصندوق الأصلي وصندوق التجربة. ولمعرفة المزيد عما بداخل الصندوق قاموا بعمل نموذج وهو صندوق التجربة. وكانت بعض أسئلة الطلاب تدور حول تأثير عامل في عامل آخر.
ومن الطرائق المستخدمة في استقصاء هذه الأسئلة إجراء تجربة مضبوطة. والتجربة المضبوطة تتضمن تغيير عامل وملاحظة تأثيره في عامل آخر، مع ثبات العوامل الأخرى.
المتغيرات والثوابت
تخيل سباقًا تختلف فيه أطوال المسارات، فبعضها طوله 10 م، وبعضها الآخر طوله 98 م، وبعضها طوله 100 م.
ما الرقم الذي ترى كيف نحدد الأسرع؟ هل هو الذي يصل إلى خط النهاية أولًا؟ ليس من الضروري؛ لأن المسارات تختلف في أطوالها.
المتغيرات عوامل يمكن أن تتغير أثناء التجربة.
والعوامل التي يتم تغييرها أثناء التجربة تسمى متغيرات مستقلة.
والعوامل التي تتغير بسبب تغيير العوامل المستقلة تسمى متغيرات تابعة.
وهناك عوامل يتم ضبطها أثناء التجربة ولا تتغير تسمى ثوابت.
الشكل 8
سباق الأربع مئة متر من الأمثلة على التجارب المضبوطة؛ فالمسافة المقطوعة في كل مسار، والمادة المصنوعة منها أرضية السباق، وسرعة الرياح من الثوابت.
أما قدرات المتسابقين والزمن الذي يحتاج إليه كل منهم للوصول إلى خط النهاية فهي متغيرات.
مراجعة الدرس
الخلاصة
التعلم عن العالم
- يطرح العلماء الأسئلة ليتعلموا كيف تحدث الأشياء؟ ولماذا تحدث؟
- النظرية محاولة لتفسير الملاحظات، وتدعمها الاستقصاءات.
- القانون العلمي أنماط ملحوظة، لكنه لا يفسر حدوث الأشياء.
فروع العلوم
- للعلوم ثلاثة فروع هي: علم الحياة، وعلم الأرض والفضاء، والعلوم الطبيعية.
المهارات العلمية
- تساعد الطريقة العلمية العلماء على الاستقصاء والإجابة عن الأسئلة.
- الفرضية تخمين محتمل لجواب أو تفسير منطقي يبين سبب وقوع الأحداث.
الاستنتاجات
- يتوصل العلماء إلى استنتاجات مستندة إلى ملاحظاتهم وتفسيراتهم.
التجارب
- تختبر التجارب المضبوطة تأثير عامل في عامل آخر مع ثبات العوامل الأخرى.
اختبر نفسك
- قارن بين النظرية العلمية والقانون العلمي.
- اشرح كيف يمكن أن تتغير النظرية العلمية.
- وضح لماذا يستطيع العلم أن يجيب عن بعض الأسئلة، بينما لا يمكنه أن يجيب عن أسئلة أخرى؟
- صنف الجملة التالية: هل هي نظرية أم قانون؟
- اشرح الفرق بين الملاحظة والاستنتاج.
- اشرح الفرق بين المتغيرات المستقلة والمتغيرات التابعة في تجربة ما.
«ستسخن الهواء المحصور في بالون تجعل البالون يرتفع عاليًا».
تطبيق المهارات
- استنتج: يسأل العلماء أسئلة، ويصفون ملاحظات، ما أنواع الأسئلة والملاحظات التي تتوقع لو كنت عالمًا يقوم بدراسة أمواج الأسماك في المحيط؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.