الطرائق العلمية

1-3 الطرائق العلمية

Scientific Methods

الفكرة الرئيسية

يتبع العلماء الطريقة العلمية لطرح أسئلة، واقتراح إجابات لها، واختبارها، وتقويم نتائج الاختبارات.

الربط مع الحياة

ماذا تفعل إذا أردت أن تقوم برحلة طويلة؟ هل تأخذ معك جميع ملابسك؟ في الحقيقة، أم أنك تخطط لما تلبسه؟ إن إعداد خطة هو الأفضل عمومًا. وكذلك يطور العلماء خططًا تساعدهم على استقصاء العالم.

الأهداف

تحدد خطوات الطريقة العلمية.
تقارن بين أنواع البيانات.
تحدد أنواع المتغيرات.
تصف الفرق بين النظرية والقانون العلمي.

مراجعة المفردات

الطريقة النظامية: أسلوب منظم لحل المشكلات.

المفردات الجديدة

الطريقة العلمية.
البيانات النوعية.
البيانات الكمية.
الفرضية.
التجربة.
المتغير المستقل.
المتغير التابع.
الضابط.
الاستنتاج.
النظرية.
القانون العلمي.

الطريقة النظامية في البحث

A Systematic Approach

ربما قمت بإجراء تجربة مخبرية مع زملائك في صفوف سابقة. لذلك أنت تعرف أن كل فرد في المجموعة قد يكون لديه فكرة مختلفة عن طريقة إجراء التجربة. هذا الاختلاف في الآراء يعد من فوائد العمل الجماعي. إن تبادل الأفكار بفاعلية بين أفراد المجموعة وربط المشاركات الفردية معًا لإيجاد حل يتطلب بذل جهد في العمل الجماعي.

يقوم العلماء بعملهم بطرائق مشابهة؛ فكل عالم يحاول فهم عالمه بناءً على رؤيته الفردية وإبداعه الذاتي. وغالبًا ما يستخلص كل عالم معلومات جديدة إلى فهم جديد للموضوع؛ لذا قد يكون من المفيد أن يستعمل العلماء خطوات موحدة لتنفيذ تجاربهم.

الطريقة العلمية طريقة منظمة تستعمل في الدراسات العلمية، سواء أكانت كيميائية أو حيوية أو فيزيائية أو غير ذلك. يتبع العلماء الطريقة العلمية لحل المشكلات، وللتحقق من عمل العلماء الآخرين. ويبين الشكل 1-9 نظرة عامة لخطوات الطريقة العلمية.

ولا يقصد بهذه الخطوات أن تنفذ بالترتيب. لذا يجب على العلماء أن يصمموا طرائقهم عند عرض نتائج أبحاثهم. وإذا لم يستطع العلماء الآخرون تأكيد النتائج باتباع الخطوات نفسها فإن هناك شكًا في صدق النتائج.

الشكل 1-9

تكرر خطوات الطريقة العلمية إلى أن تدعم الفرضية أو تلغيها.

محتوى الشكل:

ملاحظات:

• المعرفة الحالية.
• بيانات نوعية.
• بيانات كمية.

فرضية:

• عبارة أو توقع قابل للاختبار.

خطوات متكررة:

• تجربة.
• تحليل.
• استنتاج.

نظرية:

• فرضية مدعومة بعدة تجارب.

قانون علمي:

• علاقة موجودة في الطبيعة تدعمها تجارب عديدة.

#

تجربة

تطوير مهارات الملاحظة

لماذا تعد مهارات الملاحظة مهمة في الكيمياء؟ تستعمل الملاحظات عادة للوصول إلى استنتاجات. الاستنتاج تفسير أو توضيح للملاحظة.

خطوات العمل

• املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.
• أضف ماء إلى طبق بتري حتى ارتفاع 0.5cm، ثم استعمل مخبارًا مدرجًا لقياس 1mL من زيت نباتي، وأضفه إلى الطبق.
• اغمس رأس عود الأسنان في سائل تنظيف الأواني.
• اجعل رأس العود يلامس الماء في مركز الطبق، وسجل ملاحظاتك.
• أضف حليبًا كامل الدسم إلى طبق بتري آخر حتى ارتفاع 0.5cm.
• ضع قطرة واحدة من كل نوع من أربعة أنواع من ملونات الطعام في أربعة أماكن على سطح الحليب. لا تضع أي قطرة ملون في مركز الطبق.
• كرر الخطوتين 3 و4.

التحليل

• صف ما شاهدته في الخطوة 4.
• صف ما شاهدته في الخطوة 7.
• استنتج الزيت والدهن في الحليب والشحم ينتميان إلى فئة من المواد تسمى "الليبيدات". ماذا تستنتج عند إضافة المنظف إلى صحن الماء؟
• فسر لماذا كانت مهارات الملاحظة مهمة في هذه التجربة؟

الملاحظة

تبدأ الدراسة العلمية عادة بملاحظة بسيطة. والملاحظة عملية جمع معلومات، وغالبًا ما تكون الملاحظات الأولية التي يقوم بها العلماء بيانات نوعية، معلومات تصف اللون أو الرائحة أو الشكل أو بعض الخصائص الفيزيائية الأخرى. وعموماً فإن كل شيء يتصل بالحواس الخمس هو نوعي، مثل: كيف يبدو شيء ما؟ ما ملمسه؟ ما طعمه؟ ما رائحته؟

يجمع الكيميائيون عادة نوعًا آخر من البيانات؛ فقد يقيسون درجة الحرارة، أو الضغط، أو الحجم، أو كمية المادة الناتجة عن التفاعل. هذه المعلومات الرقمية تسمى بيانات كمية، وهي تبين سرعة شيء، أو طوله، أو حجمه. ما البيانات الكمية والبيانات النوعية التي تستطيع جمعها من الشكل 1-10؟

الشكل 1-10

البيانات الكمية معلومات رقمية. أما البيانات النوعية فهي ملاحظات توصف باستعمال الحواس.

عين البيانات الكمية والنوعية في الصورة.

الفرضية

تذكر ما درسته عن قصة المادتين في القسم 1-1. اكتشف الكيميائيان مولينا ورولاند وجود مركبات الكلوروفلوروكربون CFCs قبل أن تبين البيانات الكمية تناقص مستوى غاز الأوزون في الستراتوسفير. وقد تولد لديهم فضول لمعرفة مدة بقاء CFCs في الجو، فقاما بفحص التفاعلات التي يمكن أن تجري بين المواد الكيميائية المختلفة في الجو.

لقد اكتشف مولينا ورولاند أن مركبات CFCs تبقى ثابتة في الجو لفترة طويلة، لكنهما عرفا أن هذه المواد لا تصعد إلى طبقات الجو العليا، فوضعا فرضية تنص على أن هذه المركبات تتحلل نتيجة التفاعل مع الأشعة فوق البنفسجية الآتية من الشمس. كما وضعا فرضية أخرى تنص على أن الكلور الناتج عن هذا التفاعل يحطم جزيئات غاز الأوزون. إذن الفرضية عبارة عن تفسير مؤقت لظاهرة ما أو حدث تمت ملاحظته، وهو قابل للاختبار.

ماذا قرأت؟

استنتج لماذا تكون الفرضية مؤقتة؟

#

التجارب

لا معنى للفرضية ما لم يكن هناك بيانات تدعمها. وهكذا فإن وضع الفرضية يساعد العالم على التركيز على الخطوة الآتية في الطريقة العلمية. التجربة مجموعة من المشاهدات المضبوطة التي تختبر الفرضية. وعلى العلماء أن يصمموا بعناية تجربة أو أكثر وينفذوها من أجل اختبار المتغيرات. والتجربة كمية أو حالة قد يكون لها أكثر من قيمة واحدة.

افترض أن معلم الكيمياء طلب إلى طلاب صفك استعمال المواد الموجودة في الشكل 1-11 لتصميم تجربة لاختبار الفرضية القائلة: إن ملح الطعام يذوب في الماء الساخن أسرع من ذوبانه في الماء الذي درجة حرارته تساوي درجة حرارة الغرفة 20°C.

ولأن درجة الحرارة هي المتغير الذي تخطط لتغييره فهي متغير مستقل. فإذا وجدت مجموعة أن كأسين من الملح تذوبان تمامًا خلال 30 ثانية في الماء عند درجة الحرارة 40°C، في حين تحتاج إلى 3 دقائق لتذوب تمامًا عند درجة 20°C؛ وذلك لأن درجة الحرارة تؤثر في سرعة ذوبان الملح، وتسمى سرعة الذوبان هذه متغيرًا تابعًا؛ لأن قيمتها تتغير تبعًا لتغير المتغير المستقل. ورغم أن مجموعتك تستطيع تحديد الكمية التي تغير بها المتغير المستقل إلا أنها لا تستطيع التحكم في الكمية التي يتغير بها المتغير التابع.

ماذا قرأت؟

وضح الفرق بين المتغير المستقل والمتغير التابع.

هناك عوامل أخرى أو العوامل الأخرى التي تستطيع تغييرها في تجربتك؛ هل تؤثر كمية الملح التي ستستعملها أو كمية الماء أو تحريك المخلوط في النتائج؟ إن الإجابة عن هذه الأسئلة لابد أن تكون بالإيجاب. لذا فإن نتائج التجربة ستختلف. ومن ثم فإن المتغير المستقل هو الوحيد الذي يسمح بتغييره في التجربة المخطط لها جيدًا. أما العامل الثابت فلا يسمح بتغييره في أثناء التجربة. ولذلك فإن كمية الملح وكمية الماء وتحريك المزيج يجب أن تبقى ثابتة عند أي درجة حرارة.

من المهم وجود ضابط للمقارنة في كثير من التجارب. في التجربة السابقة يعد الماء عند درجة حرارة الغرفة هو الضابط. ويبين الشكل 1-12 ضابطًا من نوع آخر؛ فقد أضيف كاشف كيميائي إلى كل من الأنابيب الثلاثة، وهناك محلول حمضي في الأنبوب الموجود عن اليسار، لذا تحول لون الكاشف فيه إلى الأحمر. أما الأنبوب الأوسط فيحتوي على ماء، ولون الكاشف فيه أصفر. وأما الأنبوب الأيمن فيحتوي على محلول قاعدي، وتحول لون الكاشف فيه إلى أزرق.

الشكل 1-11

هذه المواد يمكن أن تستعمل لقياس أثر درجة الحرارة في سرعة ذوبان ملح الطعام.

الشكل 1-12

إن حموضة المحاليل في هذه الأنابيب معروفة، فمن الممكن أن تستعمل بوصفها ضوابط لتجربة ما.

استنتج: إذا أضيف كاشف كيميائي إلى محلول مجهول الحموضة، فكيف تحدد ما إذا كان المحلول حمضيًا أو متعادلًا أو قاعديًا؟

#

الشكل 1-13

يبين نموذج مولينا ورولاند كيف تدمر مركبات CFCs غاز الأوزون.

بيانات الشكل

تنبأ نموذج مولينا ورولاند أن الأشعة فوق البنفسجية تجعل الكلور Cl ينفصل عن أحد مركبات CFCs.

ثم يقوم الكلور بتدمير غاز الأوزون بالاتحاد معه وتكوين غاز الأكسجين O2 وأيون أكسيد الكلور ClO.

تتحد ذرة أكسجين O مع أيون أكسيد الكلور ClO ليكونا غاز الأكسجين O2 والكلور Cl، ثم يعيد الكلور الحر تدمير جزيء غاز أوزون آخر، وتتكرر العملية.

ضبط المتغيرات

التفاعلات الموصوفة أعلاه بين CFCs وغاز الأوزون في نموذج مولينا ورولاند تضم عدة متغيرات. فعلى سبيل المثال، هناك غازات أخرى غير غاز الأوزون في الستراتوسفير. لذا فإن من الصعب تحديد ما إذا كان أحد هذه الغازات أو كلها تسبب تناقص غاز الأوزون. كما أن الرياح وتغير الأشعة فوق البنفسجية قد يغيران من نتائج أي تجربة في أي وقت، ما يجعل المقارنة صعبة. وقد يكون من الأسهل أحيانًا محاكاة الظروف مختبريًا؛ بحيث يمكن ضبط المتغيرات بسهولة.

الاستنتاج

يمكن أن تظهر التجربة قدرًا كبيرًا من البيانات، وهذه البيانات يأخذها العلماء عادة، ويحللونها، ويقارنونها بالفرضية للتوصل إلى استنتاج. والاستنتاج حكم قائم على المعلومات التي تم الحصول عليها. نحن لا نستطيع إثبات فرضية ما؛ ولهذا عندما تؤيد البيانات الفرضية فإن ذلك يشير فقط إلى أن الفرضية قد تكون صحيحة. وإذا جاءت بعد ذلك بيانات لا تدعم الفرضية فعلينا رفض الفرضية أو تعديلها.

وضع مولينا ورولاند فرضية من ثبات مركبات CFCs في طبقة الستراتوسفير، وجمعا بيانات تؤيد فرضيتهما، كما طورا نموذجًا يقوم فيه الكلور الناتج عن تفكك CFCs بالتفاعل مرة بعد أخرى مع غاز الأوزون.

كما أنه يمكن اختبار النموذج واستعماله في القيام بتوقعات. فقد توقع نموذج مولينا ورولاند تكون الكلور وتناقص غاز الأوزون، كما هو مبين في الشكل 1-13. كما وجدت مجموعة بحثية أخرى دليلًا على تفاعل غاز الأوزون والكلور عندما قامت بإجراء قياسات في طبقة الستراتوسفير. لكن هذه المجموعة لم تعرف مصدر الكلور. لقد توقع مولينا ورولاند في نموذجهما مصدر الكلور، وتوصلا إلى استنتاج أن غاز الأوزون في الستراتوسفير يمكن أن يتحطم بفعل مركبات CFCs، وكان لديهما دعم كافٍ لفرضيتهما مكنهما من نشر اكتشافهما، ففازا بجائزة نوبل عام 1995م.

المطويات

ضمّن مطويتك معلومات من هذا القسم.

#

الشكل 1-14

ينطبق قانون نيوتن للجاذبية على كل قفزة من قفزات هؤلاء الطلبة مع المظلات.

النظرية والقانون العلمي

Theory and Scientific Law

النظرية تفسير لظاهرة طبيعية بناءً على مشاهدات واستقصاءات مع مرور الزمن. ولعلك سمعت عن نظرية أينشتاين في النسبية، أو عن النظرية الذرية. تصف النظرية عمومًا مبدأً راسخًا في الطبيعة تدعمه مع مرور الزمن. ولكن النظريات كلها تبقى عرضة للبحث، وهذا يتم تعديلها، كما أن النظريات تؤدي غالبًا إلى استنتاجات جديدة. وتعد النظرية ناجحة إذا أمكن استعمالها للقيام بتوقعات صحيحة.

يتوصل عدد من العلماء أحيانًا إلى الاستنتاجات نفسها عن بعض العلاقات في الطبيعة، ولا يجدون أي استثناءات لهذه العلاقات. أنت تعرف مثلًا أنه مهما كان عدد مرات قفز المظليين من الطائرة - كما هو مبين في الشكل 1-14 - فإنهم يعودون دائمًا إلى الأرض. لقد كان إسحاق نيوتن متأكدًا من وجود قوة تجاذب بين جميع الأجسام؛ لذا اقترح القانون العام للجاذبية. إن قانون نيوتن قانون علمي يصف علاقته أو يحددها لفترة طويلة، تدعمها عدة تجارب. وعلى العلماء أن يطوروا فرضيات وتجارب أخرى لتفسير وجود هذه العلاقات.

تجربة عملية

التقنيات المخبرية والسلامة في المختبر.
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

التقويم 1-3

الخلاصة

الطرائق العلمية طرائق منظمة لحل المشكلات.

البيانات النوعية تصف ملاحظة ما، والبيانات الكمية تستعمل الأرقام.

المتغيرات المستقلة تتغير في التجربة، أما المتغيرات التابعة فتتغير تبعًا لتغير المتغيرات المستقلة.

النظرية فرضية يدعمها الكثير من التجارب.

أسئلة التقويم

• الفكرة الرئيسية: فسر لماذا لا يستعمل العلماء مجموعة محددة من الخطوات في كل بحث يقومون به؟

• فرق: أعط مثالًا على بيانات كمية وآخر على بيانات نوعية.

• قوم: طلب إليك أن تدرس أثر درجة الحرارة في حجم بالون، فوجدت أن حجم البالون يزداد عند تسخينه. ما المتغير المستقل، وما المتغير التابع؟ وما العوامل التي ينبغي إبقاؤها ثابتة؟

• ميز: وصف العالم شارل العلاقة المباشرة بين درجة الحرارة والحجم لجميع الغازات عند ضغط ثابت. هل نسمي هذه العلاقة قانون شارل أم نظرية شارل؟ لماذا؟

• فسر: النتائج العلمية الجيدة يمكن فحصها واستعمالها للقيام بتوقعات. ماذا توقع نموذج مولينا ورولاند عن كمية غاز الأوزون في الجو عند ازدياد كمية CFCs؟