أعمل كالعلماء
فوهة بركانية في حرة رهط، هي واحدة من اثنا عشرة حقلاً بركانياً في المملكة العربية السعودية.
أعمل كالعلماء
الطريقة العلمية
أنظر وأتساءل
يوجد في المملكة العربية السعودية معالم مختلفة تدل على حدوث نشاطات بركانية متكررة في الماضي. فما الذي يحدث في باطن الأرض ليسبب هذه النشاطات البركانية؟
أستكشف
ماذا تعرف عن البراكين؟
- لماذا تعد بعض الجبال بركانية؟
- ماذا يحدث عندما يثور البركان؟
- لماذا تحتوي بعض الصخور البركانية على فجوات؟
- كيف يجد العلماء الإجابات عن هذه الأسئلة؟
الجيولوجي عالم يدرس ما يحدث في باطن الأرض وعلى سطحها. عمرو وفيصل جيولوجيان يعملان في هيئة المساحة الجيولوجية السعودية ويهتمان بدراسة البراكين كما يريدان معرفة المزيد عن أسباب حدوثها.
عمرو يدرس البراكين في مواقعها الطبيعية في الميدان.
فيصل يدرس البراكين في المختبر.
ماذا يعمل العلماء؟
تنتشر البراكين في المملكة العربية السعودية على هيئة حزام واسع يمتد من جنوب المملكة العربية السعودية إلى الشمال والشمال الغربي. وفي هذا الحزام تظهر معالم مختلفة للبراكين، منها الجبال والفوهات البركانية والحرات.
الطريقة العلمية
الباحثان عمرو وفيصل مختصان في علم الجيولوجيا، ويريدان أن يعرفا ما يسبب البراكين. وقد اتبعا خطوات الطريقة العلمية للإجابة عن الأسئلة. فالطريقة العلمية مجموعة من العمليات يقوم بها العلماء للإجابة عن الأسئلة التي تساعدهم على تفسير الظواهر والمعالم الطبيعية. وخطوات الطريقة العلمية ترشد الباحثين والعلماء إلى كيفية القيام بالاستقصاء، وقد لا يتبع العلماء جميع خطوات الطريقة العلمية بالتسلسل نفسه كل مرة.
الطريقة العلمية
ألاحظ
أسأل
أكون فرضية
أختبر الفرضية
النتائج تدعم الفرضية
نتائج تعارض الفرضية
أستنتج / أسأل
تكونت هذه الجبال في حرة الشاقة غرب المدينة المنورة بسبب نشاطات بركانية متكررة.
طرح الأسئلة
بعض المناطق في باطن الأرض فيها صخور منصهرة تسمى الصهارة. وقد نتجت البراكين عن اندفاع الصهارة من باطن الأرض نحو السطح. عندما تصل الصهارة الساخنة إلى سطح الأرض تبرد وتتصلب، ويتشكل نوع من الصخور النارية يسمى الصخور البركانية أو السطحية.
قام الباحثان عمرو وفيصل بجمع عينات صخور بركانية من حرة الشاقة غرب المدينة المنورة، ووجدا أن في بعضها عدداً كبيراً من الفجوات، بينما يكاد يخلو بعضها الآخر من الفجوات.
تساءل الباحثان: ما الذي يسبب وجود الفجوات في بعض أنواع الصخور البركانية؟ إنهما يعرفان أن الصهارة عندما تصل إلى سطح الأرض، ينبعث منها بخار الماء والكلور ومواد أخرى. كما أنهما يتوقعان أن يكون سبب الفجوات خروج فقاعات الغاز الموجودة في الصهارة الساخنة عند وصولها إلى سطح الأرض، ومنها غاز الكلور. فالمتغير المراد اختباره إذن هو غاز الكلور. والمتغير عامل يؤثر تغيره في نتائج التجربة.
أكون فرضية
- أطرح العديد من الأسئلة التي تفتش عن السبب، وتبدأ بـ: لماذا؟
- أبحث عن علاقات بين المتغيرات المهمة.
- أقترح تفسيرات ممكنة لتلك العلاقات.
- أتأكد أن التفسيرات يمكن اختبارها.
صياغة الفرضيات
الباحثان عمرو وفيصل كونا فرضية. الفرضية جملة يمكن اختبارها للإجابة عن سؤال ما. وكانت فرضيتهما: إذا زادت كمية الكلور في الصهارة، زادت الفجوات في الصخور البركانية.
عمرو وفيصل يريدان معرفة سبب وجود فراغات في بعض الصخور البركانية.
كيف يختبر العلماء فرضياتهم؟
هل يمكن للباحثين عمرو وفيصل أن يجريا بحثهما داخل البركان؟ لعل الإجابة: لا؛ وبدلاً من ذلك يجري العلماء أبحاثهم في المختبر عادة. ويستخدم العلماء في المختبر أدوات لإنتاج ضغط وحرارة يماثلان الضغط والحرارة داخل القشرة الأرضية.
اختبار الفرضية
لكي يختبروا فرضيتهم يحتاج الباحثان إلى جمع الأدلة، وذلك بإجراء عدد من التجارب. التجربة اختبار عملي يمكن من خلاله إثبات الفرضية أو رفضها.
تخطيط الإجراءات
لقد تعلمت من قبل أن العلماء يكتبون خطوات إجراء تجاربهم بشكل واضح؛ وذلك ليتمكن الآخرون من إعادة التجربة مرات عديدة. وإذا كانت النتائج متشابهة كانت البراهين والأدلة قوية. وفي تجربة هذين الباحثين كان الكلور هو المتغير المستقل الوحيد. والمتغير المستقل هو المتغير الذي يؤثر في النتائج أو يتسبب فيها، ويمكن التحكم فيه. ومعظم التجارب تختبر عادة متغيراً مستقلاً واحداً، ولضمان ذلك يحاول الباحثون والعلماء ضبط المتغيرات الأخرى التي قد تؤثر في النتائج.
يضيف فيصل كميات متفاوتة من الكلور إلى عينات الصخور.
أختبر الفرضية
- أفكر في أنواع البيانات المختلفة التي يمكن استعمالها لاختبار الفرضية.
- أختار أفضل طريقة لجمع هذه البيانات.
- أنفذ تجربة في المختبر.
- ألاحظ الظواهر والمعالم الطبيعية، عمل ميداني.
- أعمل نموذجاً باستخدام الحاسوب.
- أضع خطة لجمع هذه البيانات وأنفذها.
- أتأكد من إمكانية إعادة خطوات العمل.
جمع البيانات
فتت عمرو بعض الصخور وطحَنها، ووضعها في ماء ثم وضع الناتج في كبسولات فلزية صغيرة، كما أضاف كميات مختلفة من الكلور إلى كل منها، ما عدا كبسولة واحدة لم يضف إليها الكلور؛ باعتبارها عينة ضابطة. ثم أغلقها بإحكام، ووضع الكبسولات داخل وعاء أسطواني مصنوع من الكروم القوي، وبدأ في زيادة الضغط تدريجياً داخل الأسطوانة ليرفع درجة الحرارة ويصل بها إلى ما يقارب 10 أضعاف درجة حرارة فرن الخبز، وتركها في هذه الظروف أسبوعاً، ثم قام بتبريد الأسطوانة وفتحها، ثم لاحظ الصخور المبردة بالمجهر، وقام بعد الفجوات الموجودة، وسجل القراءة، ثم قام بإجراء التجربة في وقت آخر، للتأكد من صحة النتائج.
عينة من صخر بركاني يظهر فيها فجوات.
يتم تفتيت الصخور إلى قطع صغيرة لإجراء التجارب عليها في المختبر.
كيف يحلل العلماء البيانات؟
عندما جمع الباحثان البيانات قاما بتسجيل ملاحظاتهما بدقة متناهية، كما سجلا كمية الكلور المنطلق من كل كبسولة، وقاما بوصف كل قطعة صخر بدقة، ثم قاما بعد الفجوات الموجودة فيها باستخدام المجهر، ثم نظما البيانات في جدول.
البحث عن الأنماط
يبين الجدول المجاور بعض النتائج التي حصل عليها الباحثان؛ حيث أجريا ٥٠ تجربة. وقد استغرقت كل تجربة أسبوعاً من العمل، أي أن البحث استغرق منهما حوالي سنة كاملة. ولقد توصلا من خلال النتائج إلى أن عينة الصخور التي تحتوي على كمية أكبر من الكلور فيها عدد فجوات أكبر. أما العينة الضابطة الخالية من الكلور فلم يكن فيها فجوات.
تصحيح الأخطاء
ومع مضي الوقت قام عمرو وفيصل بمراجعة إجراءاتهما، وقد تبين لهما أن تجاربهما تسير في المسار الصحيح. وفي حالة العثور على أي أخطاء فإن ذلك يضيع فرصة استخدام البيانات بطريقة صحيحة. لذلك فإن اكتشاف أخطاء يستدعي إعادة التجارب من جديد.
أحلل البيانات
- أنظم البيانات في جدول أو شكل أو مخطط أو مجموعة صور.
- أبحث عن أنماط البيانات لعلها تظهر متغيرات مهمة يؤثر بعضها في بعض.
- أتأكد من مراجعة البيانات عن طريق مقارنتها ببيانات من مصادر أخرى.
جدول البيانات
| المحاولة | درجة الحرارة | الضغط | الكلور | الفقاعات |
| -------- | ------------ | ---------- | ------ | -------- |
| 1 | ٩٢٠° س | ٢٠٠ مل بار | ٠٪ | لا يوجد |
| 2 | ٩٢٠° س | ٢٠٠ مل بار | ٠،٨٪ | قليلة |
| 3 | ٩٢٠° س | ٢٠٠ مل بار | ٠،٩٪ | عديدة |
مقارنة العينات
العينة 1
العينة 2
العينة 3
عينات من الصخور كما شاهدها الباحثان تحت المجهر.
كيف يستنتج العلماء؟
يجب أن يقرر الباحثان ما إذا كانت نتائجهما تدعم فرضيتهم أم لا. لذلك فهما يقارنان نتائجهما بنتائج الدراسات التي أجريت على براكين أخرى في المملكة العربية السعودية أو في العالم، وهذه المقارنة تسمح لهم بالوصول إلى استنتاجات صحيحة. لقد توصل الباحثان من المقارنة إلى أن زيادة كمية الكلور تزيد عدد الفجوات في الصخر.
النتائج التي يتوصل إليها العلماء تجريبياً قد لا تدعم الفرضية. وفي هذه الحالة يسأل العلماء: لماذا؟ وقد يلجؤون إلى إعادة التجربة بطريقة أخرى. وقد تكون الفرضية غير صحيحة، وعندئذ يلجؤون إلى صياغة فرضية بديلة.
التواصل
أعد عمرو وفيصل تقريراً يضم نتائج تجاربهما؛ ليتبادلا نتائجهما، ويقارناها مع باحثين آخرين. ويتبع كثير من العلماء هذه الطريقة في تبادل المعلومات وتوصيلها إلى الناس للاستفادة منها.
طرح أسئلة جديدة
قد تؤدي النتائج التي توصل إليها العلماء إلى أسئلة جديدة؛ فقد أراد عمرو وفيصل معرفة الغازات الأخرى التي تؤثر في حجم الانفجارات وإذا كان للكلور الأثر في حدوث الانفجارات البركانية؟
وماذا يحدث عندما ينفجر البركان؟
أستنتج
- أحدد ما إذا كانت البيانات تدعم فرضيتي أو لا تدعمها.
- إذا كانت النتائج غير واضحة أعيد التفكير في طريقة اختبار الفرضية، ثم أضع خطة جديدة.
- أسجل النتائج حتى أشارك الآخرين فيها.
- أتأكد دائماً من طرح الأسئلة.
أفكر وأتحدث وأكتب
- ما أهمية الطريقة العلمية للعلماء؟
- ما الأسئلة الأخرى عن البراكين التي قد أفكر فيها؟ أختار سؤالاً منها، وأضع له فرضية قابلة للتحقق.
- ماذا يعمل العلماء إذا كانت البيانات لا تتفق مع الفرضية؟
يتبادل عمرو وفيصل نتائجهما مع باحثين آخرين.
المهارات العلمية
يستخدم العلماء مهارات عديدة عند تنفيذ الطريقة العلمية. وتساعدهم هذه المهارات العلمية على جمع المعلومات، والإجابة عن الأسئلة حول العالم من حولنا. ومن هذه المهارات:
ما الملاحظات التي يمكن جمعها عن السنجاب في هذه الصورة؟
ألاحظ: أستعمل حواسي لأتعرف الأشياء والحوادث.
أكون فرضية: أضع عبارة يمكن اختبارها للإجابة عن السؤال.
أصنف: أضع الأشياء المتشابهة في مجموعات.
أتوقع: أكتب نتائج متوقعة لحادثة أو تجربة مبنية على حقائق أو ملاحظات.
أجرب: أجري تجربة لأدعم الفرضية أو أعارضها.
أعمل نموذجاً: أعمل مجسماً، مخططاً... لتوضيح كيف تبدو الأشياء، وكيف تعمل.
يصوغ العلماء فرضيتهم قبل أن يبدأوا اختبارها.
الملاحظات
كيف تتحرك دودة الأرض؟
ماذا يحدث عند لمسها؟
كيف تتغير بيئة الدودة؟
الجداول طريقة مناسبة لتنظيم البيانات.
أستخدم المتغيرات: أحدد الأشياء التي تضبط أو تغير نتائج التجربة.
أستخدم الأرقام: أرتب البيانات، ثم أجري العمليات الحسابية: أعد، وأضيف، وأطرح، لتفسير البيانات.
أستنتج: أكون فكرة مما تكون لدي من الحقائق والملاحظات.
أقيس: أستخدم الأدوات المناسبة لإيجاد الحجم، والمسافة، والزمن، والكتلة، والوزن، ودرجة الحرارة.
أفسر البيانات: أستفيد من المعلومات التي جمعتها للإجابة عن السؤال أو في حل مشكلة، أو مقارنة النتائج.
أتواصل: أشارك الآخرين في المعلومات.
بناء المهارات العلمية
سوف تجد في فصول هذا الكتاب أنشطة بناء المهارات العلمية. هذه الأنشطة سوف تساعدك على اكتساب المهارات التي تحتاج إليها لكي تصبح عالماً.
يستخدم العلماء المتغيرات في أثناء تجاربهم.
التركيز على المهارات
العلوم والتقنية
مهارة التصميم
عندما يشعر العلماء بوجود مشكلة، يجب أن يبحثوا عن حل لها. في بعض الأحيان يجب أن يبتكروا حلاً جديداً، وفي أحيان أخرى يجب أن يعدلوا حلولاً استخدمت سابقاً لحل مشاكل مشابهة.
أتعلم
كيف يمكنني تصميم جسر؟ أستخدم مهارة التصميم؛ لمساعدتي على تصميم الحل.
لكي أحل المشكلة، يجب أن أفهمها. كم سيكون طول الجسر؟ وما الوزن الذي يجب أن يتحمله؟
يجب أن يتضمن الحل الذي سأقترحه المعلومات اللازمة لحل المشكلة. أحدد المواد اللازمة، والوقت المطلوب لحل المشكلة.
النموذج عبارة عن مقياس صغير أو نسخة مصغرة طبق الأصل لجسم، ويستخدم المهندسون المعماريون النماذج لاختبار تصاميمهم.
عندما أقيم تصميمي، أطرح الأسئلة التالية:
- هل يعمل التصميم بشكل جيد؟
- هل تؤدي التغيرات في التصميم إلى إجراء تحسينات في الحل؟
في النهاية أتواصل حول كيفية حل المشكلة أو سبب عدم حلها. معظم التصاميم لا تكون صحيحة تماماً
هندسة مهارة التصميم
أحدد المشكلة
أصف النشاط لحل المشكلة
أصمم النموذج وأبنيه
أختبر النموذج
النموذج يحل المشكلة
النموذج يحتاج إلى تحسين
أشارك الآخرين في تصميمي
التقنية والهندسة
عند تنفيذها في المرة الأولى. أعرض تصميمي أمام مجموعة؛ لمناقشته أو كتابة تقرير حوله، يتضمن الصور والرسوم والأشكال.
أجرب
المواد اللازمة
شريط لاصق، ماصات عصير، مشابك ورق، ورق كرتون، أشرطة مطاطية، قطع نقد فلزية، كأس بلاستيكية، أعواد تنظيف الأسنان أو الأذن.
- أستخدم مهارة التصميم لبناء الجسر من مواد شائعة الاستخدام في غرفة الصف. أبني الجسر بين مقعدين أو بين كتابين، وأجعل طوله حوالي ٢٠ سم. يجب أن يتحمل الجسر كأساً بلاستيكية تحتوي على ٤٠ قطعة نقد فلزية.
- أرسم الشكل الذي سيظهر عليه الجسر قبل بدء بنائه. أضع أسماء المواد المستخدمة في بناء الجسر.
- أقوم ببناء التصميم.
- أختبر تصميمي. هل يحتمل الجسر الكأس البلاستيكية التي تحتوي على القطع النقدية؟
- إذا لم يحتمل الجسر الكأس، أقوم بإعادة تصميمه، واختباره مرة أخرى.
- أشرح تصميمي لبقية الطلاب في الصف.
أطبق
- كيف أحسن تصميمي للجسر؛ حتى يستطيع تحمل كأس تحتوي على ٤٠ قطعة نقد؟
- أقارن بين الصعوبات أو المشكلات التي أواجهها والصعوبات أو المشكلات التي يواجهها زملائي. أحدد ما إذا كان هناك مشكلات مشتركة أم لا.
- إذا كنت تنفذ جسراً حقيقياً، لماذا يعد بناء نموذج للجسر أمراً مهماً؟
- كيف يمكنني استخدام مهارة التصميم في حل مشكلة من واقع الحياة؟
- أبحث في جسور تم بناؤها منذ مدة. كيف تغيرت تصاميم الجسور؟ ما أهمية الجسور في حياة الناس؟
تعليمات السلامة
في غرفة الصف
- أقرأ جميع التوجيهات، وعندما أرى الإشارة وهي تعني "كن حذراً" أتبع تعليمات السلامة.
- أصغي جيداً لتوجيهات السلامة الخاصة من معلمي / معلمتي.
- أغسل يدي بالماء والصابون قبل إجراء كل نشاط وبعده.
- لا ألمس قرص التسخين، حتى لا أتعرض للحروق. أتذكر أن القرص يبقى ساخناً لدقائق بعد فصل التيار الكهربائي.
- أنظف بسرعة ما قد ينسكب من السوائل، أو يقع من الأشياء، أو أطلب إلى معلمي / معلمتي المساعدة.
- أتخلص من المواد وفق تعليمات معلمي / معلمتي.
- أخبر معلمي / معلمتي عن أي حوادث تقع، مثل تكسر الزجاج، أو انسكاب السوائل، وأحذر من تنظيفها بنفسي.
- ألبس النظارة الواقية عند التعامل مع السوائل أو المواد المتطايرة.
- أراعي عدم اقتراب ملابسي أو شعري من اللهب.
- أجفف يدي جيداً قبل التعامل مع الأجهزة الكهربائية.
- لا أتناول الطعام أو الشراب في أثناء التجربة.
- بعد انتهاء التجربة أعيد الأدوات والأجهزة إلى أماكنها.
- أحافظ على نظافة المكان وترتيبه.
في الزيارات الميدانية
- لا أذهب وحدي، بل أرافق شخصاً آخر كمعلمي / معلمتي، أو أحد والدي.
- لا ألمس الحيوانات أو النباتات دون موافقة معلمي / معلمتي؛ لأن بعضها قد يؤذيني.
أكون مسؤولاً
أعامل الآخرين باحترام، وأراعي حقوق الحيوان وأحافظ على البيئة، كما حث ديننا الحنيف على ذلك.