Эксперимент

В научном методе эксперимент - это эмпирическая процедура, в рамках которой оцениваются конкурирующие модели или гипотезы . ^{[2] [3]} Исследователи также используют эксперименты для проверки существующих теорий или новых гипотез, чтобы поддержать или опровергнуть их. ^{[3] [4]}

Эксперимент обычно проверяет гипотезу , которая представляет собой ожидание того, как работает конкретный процесс или явление. Тем не менее, эксперимент может также быть направлен на ответ на вопрос «что, если» без конкретных ожиданий относительно того, что он обнаружит, или на подтверждение предыдущих результатов. Если эксперимент проводится тщательно, результаты обычно либо подтверждают, либо опровергают гипотезу. Согласно некоторым философиям науки , эксперимент никогда не может «доказать» гипотезу, он может только добавить поддержки. С другой стороны, эксперимент, который предоставляет контрпример, может опровергнуть теорию или гипотезу, но теорию всегда можно спасти путем соответствующих специальных модификаций за счет простоты.

Эксперимент должен также контролировать возможные мешающие факторы - любые факторы, которые могут ухудшить точность или повторяемость эксперимента или способность интерпретировать результаты. Ошибки обычно устраняются с помощью научного контроля и / или, в рандомизированных экспериментах , путем случайного распределения .

В инженерных и физических науках эксперименты являются основным компонентом научного метода. Они используются для проверки теорий и гипотез о том, как физические процессы работают в определенных условиях (например, может ли конкретный инженерный процесс производить желаемое химическое соединение). Обычно эксперименты в этих областях сосредоточены на воспроизведении идентичных процедур в надежде на получение идентичных результатов в каждой репликации. Случайное назначение - редкость.

В медицине и социальных науках распространенность экспериментальных исследований широко варьируется в зависимости от дисциплины. Однако при использовании эксперименты обычно следуют форме клинического испытания , где экспериментальные единицы (обычно отдельные люди) случайным образом назначаются для лечения или контрольного состояния, при котором оценивается один или несколько результатов. ^[5] В отличие от норм в физических науках, обычно основное внимание уделяется среднему эффекту лечения (разница в результатах между лечебной и контрольной группами) или другой статистической статистике, полученной в ходе эксперимента. ^[6] Одно исследование обычно не включает повторение эксперимента, но отдельные исследования могут быть объединены посредством систематического обзора и метаанализа .

Существуют различные различия в экспериментальной практике в каждой из областей науки . Например, в сельскохозяйственных исследованиях часто используются рандомизированные эксперименты (например, для проверки сравнительной эффективности различных удобрений), в то время как экспериментальная экономика часто включает экспериментальные тесты теоретического поведения человека, не полагаясь на случайное распределение людей по условиям лечения и контроля.

Один из первых методических подходов к экспериментам в современном понимании прослеживается в трудах арабского математика и ученого Ибн аль-Хайсама . Он проводил свои эксперименты в области оптики - возвращаясь к оптическим и математическим проблемам в работах Птолемея - контролируя свои эксперименты из-за таких факторов, как самокритичность, полагаясь на видимые результаты экспериментов, а также критичность в терминах. более ранних результатов. Он был одним из первых ученых, которые применили индуктивно-экспериментальный метод для достижения результатов. ^[7] В своей Книге оптики он описывает принципиально новый подход к познанию и исследованиям в экспериментальном смысле:

"Мы должны, то есть, возобновить исследование его принципов и предпосылок, начав наше исследование с изучения вещей, которые существуют, и обзора состояния видимых объектов. Мы должны различать свойства отдельных деталей и собирать путем индукции то, что относится к глазу, когда имеет место видение, и то, что обнаруживается в способе ощущения, является единообразным, неизменным, явным и не подлежащим сомнению. После этого мы должны подниматься в наших исследованиях и рассуждениях, постепенно и упорядоченно, критикуя предпосылки и проявляя осторожность Что касается выводов - наша цель во всем, что мы подвергаем проверке и пересмотру, состоит в том, чтобы применять справедливость, не следовать предрассудкам и заботиться обо всем, что мы судим и критикуем, чтобы мы искали истину и не поддавались влиянию мнения Таким образом мы можем в конце концов прийти к истине, которая радует сердце, и постепенно и осторожно достичь того конца, в котором появляется уверенность; в то время как через критику и осторожность мы можем схватить ее. Истина, рассеивающая разногласия и разрешающая сомнительные вопросы. Тем не менее, мы не свободны от той человеческой мутности, которая присуща человеку; но мы должны делать все возможное, используя то, что у нас есть человеческая сила. От Бога мы получаем поддержку во всем » ^[8].

Согласно его объяснению, необходимо строго контролируемое выполнение теста с чувствительностью к субъективности и восприимчивостью результатов, обусловленной природой человека. Кроме того, необходим критический взгляд на результаты и результаты более ранних ученых:

"Таким образом, долг человека, изучающего труды ученых, если познание истины является его целью, сделать себя врагом всего, что он читает, и, сосредоточив свое внимание на основе и на краях его содержания, атаковать он должен также подозревать себя, когда он критически исследует его, чтобы избежать предрассудков или снисходительности ". ^[9]

Таким образом, сравнение более ранних результатов с экспериментальными результатами необходимо для объективного эксперимента - видимые результаты более важны. В конце концов, это может означать, что исследователь-экспериментатор должен найти достаточно смелости, чтобы отказаться от традиционных мнений или результатов, особенно если эти результаты не являются экспериментальными, а являются результатом логического / ментального вывода. В этом процессе критического рассмотрения человек сам не должен забывать, что он склонен к субъективным мнениям - из-за «предрассудков» и «снисходительности» - и поэтому должен критически относиться к своему собственному способу построения гипотез. ^{[ необходима цитата ]}

Фрэнсис Бэкон (1561–1626), английский философ и ученый, работавший в 17 веке, стал влиятельным сторонником экспериментальной науки в период английского Возрождения . Он не согласен с методом ответа на научные вопросы по дедукции -similar к Ибн аль-Хайтам й описал его следующим образом : «Имея первый определяла вопроса по своей воле, человек затем прибегает к опыту, и сгибая ее в соответствии со своей placets , водит ее, как пленницу в процессии ". ^[10] Бэкон хотел метод, основанный на повторяющихся наблюдениях или экспериментах. Примечательно, что он первым заказал научный метод, как мы его понимаем сегодня.

Остается простой опыт; который, если принять его таким, как он есть, называется случайностью, если его искать, экспериментом. Истинный метод опыта сначала зажигает свечу [гипотеза], а затем с помощью свечи показывает путь [устраивает и ограничивает эксперимент]; начиная с опыта, должным образом упорядоченного и усвоенного, а не с ошибочного или ошибочного, и из него выводятся аксиомы [теории], а из установленных аксиом снова новые эксперименты. ^{[11] : 101}

В последующие века люди, применявшие научный метод в различных областях, сделали важные успехи и открытия. Например, Галилео Галилей (1564–1642) точно измерил время и провел эксперименты, чтобы сделать точные измерения и выводы о скорости падающего тела. Антуан Лавуазье (1743–1794), французский химик, использовал эксперимент для описания новых областей, таких как горение и биохимия, а также для разработки теории сохранения массы (материи). ^[12] Луи Пастер (1822–1895) использовал научный метод, чтобы опровергнуть преобладающую теорию спонтанного зарождения и развить микробную теорию болезней . ^[13] Из-за важности контроля потенциально мешающих переменных, по возможности предпочтительнее использовать хорошо спланированные лабораторные эксперименты.

Значительный прогресс в разработке и анализе экспериментов произошел в начале 20 века благодаря вкладам таких статистиков, как Рональд Фишер (1890–1962), Ежи Нейман (1894–1981), Оскар Кемпторн (1919–2000), Гертруда. Мэри Кокс (1900–1978) и Уильям Джеммелл Кокран (1909–1980), среди других.

Эксперименты можно разделить на категории по ряду параметров, в зависимости от профессиональных норм и стандартов в различных областях обучения.

В некоторых дисциплинах (например, психологии или политологии ) «настоящий эксперимент» - это метод социального исследования, в котором есть два типа переменных . Независимой переменной манипулируют экспериментатором, и зависимой переменной измеряется. Характерной чертой настоящего эксперимента является то, что он случайным образом распределяет испытуемых, чтобы нейтрализовать предвзятость экспериментатора , и гарантирует, что на протяжении большого количества итераций эксперимента он контролирует все смешивающие факторы. ^[14]

В зависимости от дисциплины эксперименты могут проводиться для достижения различных, но не взаимоисключающих целей ^[15]: проверка теорий, поиск и документирование явлений, разработка теорий или консультирование политиков. Эти цели также по-разному относятся к проблемам действительности .

Контролируемые эксперименты

Контролируемый эксперимент часто сравнивает результаты, полученные на экспериментальных образцах, с контрольными образцами, которые практически идентичны экспериментальному образцу, за исключением одного аспекта, эффект которого проверяется ( независимая переменная ). Хорошим примером может служить испытание препарата. Образец или группа, получающая лекарство, будет экспериментальной группой ( лечебной группой ); и тот, кто получал плацебо или регулярное лечение, был бы контрольным . Во многих лабораторных экспериментах рекомендуется иметь несколько повторных проб для проведения теста и иметь как положительный, так и отрицательный контроль . Результаты повторных образцов часто могут быть усреднены, или, если один из повторений явно несовместим с результатами других образцов, его можно отбросить как результат экспериментальной ошибки (какой-то этап процедуры тестирования мог быть ошибочно принят. опущено для этого образца). Чаще всего тесты проводятся в двух или трех экземплярах. Положительный контроль - это процедура, аналогичная фактическому экспериментальному тесту, но из предыдущего опыта известно, что она дает положительный результат. Известно, что отрицательный контроль дает отрицательный результат. Положительный контроль подтверждает, что основные условия эксперимента смогли дать положительный результат, даже если ни один из реальных экспериментальных образцов не дал положительного результата. Отрицательный контроль демонстрирует исходный результат, полученный, когда тест не дает измеримого положительного результата. Чаще всего значение отрицательного контроля рассматривается как «фоновое» значение, которое вычитается из результатов теста образца. Иногда положительный контроль занимает квадрант стандартной кривой .

Пример, который часто используется в учебных лабораториях, - это контролируемый анализ белка . Студентам может быть предоставлен образец жидкости, содержащий неизвестное (для студента) количество белка. Их работа - правильно провести контролируемый эксперимент, в котором они определяют концентрацию белка в образце жидкости (обычно называемом «неизвестным образцом»). Учебная лаборатория будет оснащена стандартным раствором белка с известной концентрацией белка. Студенты могли сделать несколько образцов положительного контроля, содержащих различные разведения стандарта белка. Образцы отрицательного контроля будут содержать все реагенты для анализа белка, но не содержат белка. В этом примере все образцы выполняются в двух экземплярах. Анализ представляет собой колориметрический анализ, в котором спектрофотометр может измерять количество белка в образцах, обнаруживая окрашенный комплекс, образованный взаимодействием молекул белка и молекул добавленного красителя. На иллюстрации результаты для разбавленных тестовых образцов можно сравнить с результатами стандартной кривой (синяя линия на рисунке), чтобы оценить количество белка в неизвестном образце.

Контролируемые эксперименты можно проводить, когда трудно точно контролировать все условия в эксперименте. В этом случае эксперимент начинается с создания двух или более групп выборок, которые являются вероятностно эквивалентными, что означает, что измерения характеристик должны быть одинаковыми среди групп и что группы должны реагировать одинаково, если их обрабатывают одинаково. Эта эквивалентность определяется статистическими методами, которые учитывают количество различий между людьми и количество людей в каждой группе. В таких областях, как микробиология и химия , где между людьми очень мало различий, а размер группы легко исчисляется миллионами, эти статистические методы часто игнорируются, и предполагается, что простое разделение раствора на равные части дает идентичные группы образцов.

После формирования эквивалентных групп экспериментатор пытается относиться к ним одинаково, за исключением одной переменной, которую он или она желает выделить. Эксперименты на людях требуют особых мер защиты от внешних переменных, таких как эффект плацебо . Такие эксперименты, как правило, являются двойными слепыми , что означает, что ни доброволец, ни исследователь не знают, какие люди находятся в контрольной или экспериментальной группе, пока не будут собраны все данные. Это гарантирует, что любые воздействия на добровольца вызваны самим лечением, а не ответом на знание того, что его лечат.

В экспериментах на людях исследователи могут дать субъекту (человеку) стимул , на который субъект будет реагировать. Цель эксперимента - измерить реакцию на раздражитель тестовым методом .

При планировании экспериментов применяют два или более «лечения», чтобы оценить разницу между средними ответами на лечение. Например, эксперимент по выпечке хлеба может оценить разницу в ответах, связанных с количественными переменными, такими как отношение воды к муке, и с качественными переменными, такими как штаммы дрожжей. Экспериментирование - это этап научного метода, который помогает людям выбирать между двумя или более конкурирующими объяснениями или гипотезами . Эти гипотезы предлагают причины для объяснения явления или предсказания результатов действия. Примером может служить гипотеза о том, что «если я выпущу этот мяч, он упадет на пол»: это предположение можно затем проверить, выполнив эксперимент по отпусканию мяча и наблюдая за результатами. Формально гипотеза сравнивается с противоположной или нулевой гипотезой («если я выпущу этот мяч, он не упадет на пол»). Нулевая гипотеза состоит в том, что нет никакого объяснения или предсказательной силы явления через рассуждения, которые исследуются. После определения гипотез можно провести эксперимент и проанализировать результаты, чтобы подтвердить, опровергнуть или определить точность гипотез.

Также могут быть разработаны эксперименты для оценки побочных эффектов на близлежащие необработанные единицы.

Натуральные эксперименты

Термин «эксперимент» обычно подразумевает контролируемый эксперимент, но иногда контролируемые эксперименты недопустимо трудны или невозможны. В этом случае исследователи прибегают к натурным экспериментам или квазиэкспериментам . ^[16] Естественные эксперименты основаны исключительно на наблюдениях за переменными изучаемой системы , а не на манипуляциях с одной или несколькими переменными, как это происходит в контролируемых экспериментах. Насколько это возможно, они пытаются собрать данные для системы таким образом, чтобы можно было определить вклад всех переменных, и где эффекты вариации некоторых переменных остаются приблизительно постоянными, чтобы можно было различить влияние других переменных. Степень, в которой это возможно, зависит от наблюдаемой корреляции между независимыми переменными в наблюдаемых данных. Когда эти переменные плохо коррелируют, естественные эксперименты могут приблизиться к мощности контролируемых экспериментов. Однако обычно между этими переменными существует некоторая корреляция, которая снижает надежность естественных экспериментов по сравнению с тем, что можно было бы сделать, если бы был проведен контролируемый эксперимент. Кроме того, поскольку естественные эксперименты обычно проводятся в неконтролируемой среде, переменные из необнаруженных источников не измеряются и не остаются постоянными, и это может приводить к иллюзорным корреляциям в изучаемых переменных.

Многие исследования в нескольких научных дисциплинах, включая экономику , географию человека , археологию , социологию , культурную антропологию , геологию , палеонтологию , экологию , метеорологию и астрономию , основываются на квази-экспериментах. Например, в астрономии очевидно невозможно при проверке гипотезы «Звезды - это сжатые облака водорода» начать с гигантского облака водорода, а затем провести эксперимент, ожидая несколько миллиардов лет, пока оно не сформирует звезду. . Однако, наблюдая различные облака водорода в различных состояниях коллапса и другие следствия гипотезы (например, наличие различных спектральных излучений от света звезд), мы можем собрать данные, необходимые для подтверждения гипотезы. Ранним примером этого типа эксперимента была первая проверка в 17 веке, что свет не перемещается с места на место мгновенно, а вместо этого имеет измеримую скорость. Наблюдение за появлением спутников Юпитера было немного отложено, когда Юпитер находился дальше от Земли, в отличие от того, когда Юпитер был ближе к Земле; и это явление было использовано, чтобы продемонстрировать, что разница во времени появления лун соответствует измеримой скорости.

Полевые эксперименты

Полевые эксперименты названы так, чтобы отличать их от лабораторных , которые обеспечивают научный контроль путем проверки гипотезы в искусственных и строго контролируемых условиях лаборатории. Полевые эксперименты, часто используемые в социальных науках, и особенно в экономическом анализе мероприятий в области образования и здравоохранения, имеют то преимущество, что результаты наблюдаются в естественных условиях, а не в искусственных лабораторных условиях. По этой причине иногда считают, что полевые эксперименты имеют более высокую внешнюю достоверность, чем лабораторные. Однако, как и естественные эксперименты, полевые эксперименты страдают от возможности заражения: экспериментальные условия можно контролировать с большей точностью и уверенностью в лаборатории. Однако некоторые явления (например, явка избирателей на выборы) нелегко изучить в лаборатории.

Модель черного ящика для наблюдения (входные и выходные данные - наблюдаемые ). Когда есть обратная связь с контролем некоторого наблюдателя, как показано, наблюдение также является экспериментом.

Наблюдательное исследование используется , когда это нецелесообразно, неэтично, непомерно (или иначе неэффективны) , чтобы соответствовать физической или социальной системе в лабораторных условия, чтобы полностью контролировать искажающие факторы, или применить случайное назначение. Его также можно использовать, когда смешивающие факторы либо ограничены, либо известны достаточно хорошо, чтобы анализировать данные в их свете (хотя это может быть редкостью, когда исследуются социальные явления). Чтобы теория наблюдений была достоверной, экспериментатор должен знать и учитывать смешивающие факторы. В этих ситуациях наблюдательные исследования имеют ценность, потому что они часто предлагают гипотезы, которые можно проверить с помощью рандомизированных экспериментов или путем сбора свежих данных.

Однако, по сути, исследования с использованием наблюдений - это не эксперименты. По определению, в наблюдательных исследованиях отсутствуют манипуляции, необходимые для экспериментов Бэкона . Кроме того, обсервационные исследования (например, в биологических или социальных системах) часто включают переменные, которые трудно измерить количественно или контролировать. Наблюдательные исследования ограничены, потому что им не хватает статистических свойств рандомизированных экспериментов. В рандомизированном эксперименте метод рандомизации, указанный в протоколе эксперимента, направляет статистический анализ, который обычно также указывается в протоколе эксперимента. ^[17] Без статистической модели, отражающей объективную рандомизацию, статистический анализ полагается на субъективную модель. ^[17] Выводы из субъективных моделей ненадежны в теории и на практике. ^[18] На самом деле, есть несколько случаев, когда тщательно проводимые наблюдательные исследования постоянно дают неверные результаты, то есть когда результаты наблюдательных исследований противоречивы, а также отличаются от результатов экспериментов. Например, эпидемиологические исследования рака толстой кишки неизменно показывают положительную корреляцию с потреблением брокколи, тогда как эксперименты не показывают положительных результатов. ^[19]

Особой проблемой наблюдательных исследований с участием людей в качестве субъектов является большая сложность достижения справедливых сравнений между видами лечения (или воздействиями), поскольку такие исследования подвержены систематической ошибке отбора , а группы, получающие разные виды лечения (воздействия), могут сильно различаться в зависимости от их ковариат (возраст, рост, вес, лекарства, упражнения, статус питания, этническая принадлежность, семейный анамнез и т. д.). Напротив, рандомизация подразумевает, что для каждой ковариаты среднее значение для каждой группы должно быть одинаковым. Для любого рандомизированного исследования, конечно, ожидается некоторое отклонение от среднего, но рандомизация гарантирует, что экспериментальные группы имеют близкие средние значения из-за центральной предельной теоремы и неравенства Маркова . При неадекватной рандомизации или небольшом размере выборки систематические вариации ковариат между группами лечения (или группами воздействия) затрудняют отделение эффекта лечения (воздействия) от эффектов других ковариат, большинство из которых не были измерены. . Математические модели, используемые для анализа таких данных, должны учитывать каждую отличающуюся ковариату (если она измерена), и результаты не имеют смысла, если ковариата не рандомизирована и не включена в модель.

Чтобы избежать условий, которые делают эксперимент гораздо менее полезным, врачи, проводящие медицинские испытания - скажем, для одобрения Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, - определяют количественно и рандомизируют ковариаты, которые можно идентифицировать. Исследователи пытаются уменьшить систематические ошибки наблюдательных исследований с помощью методов сопоставления, таких как сопоставление оценок предрасположенности , которые требуют больших групп субъектов и обширной информации о ковариатах. Однако сопоставление оценок предрасположенности больше не рекомендуется в качестве метода, поскольку оно может увеличивать, а не уменьшать смещение. ^{[20] По возможности} результаты также оцениваются количественно (плотность костей, количество некоторых клеток или веществ в крови, физическая сила или выносливость и т. Д.) И не основываются на мнении субъекта или профессионального наблюдателя. Таким образом, план наблюдательного исследования может сделать результаты более объективными и, следовательно, более убедительными.

Помещая распределение независимых переменных под контроль исследователя, эксперимент - особенно когда в нем участвуют люди - вводит потенциальные этические соображения, такие как уравновешивание пользы и вреда, справедливое распределение вмешательств (например, лечение болезни ) и информированное согласие . Например, в психологии или здравоохранении неэтично предоставлять пациентам некачественное лечение. Таким образом, советы по этическому контролю должны прекращать клинические испытания и другие эксперименты, если только не предполагается, что новый метод лечения дает такие же преимущества, как и лучшие современные практики. ^[21] Также, как правило, неэтично (и часто незаконно) проводить рандомизированные эксперименты по изучению воздействия некачественных или вредных методов лечения, например, воздействия мышьяка на здоровье человека. Чтобы понять последствия такого воздействия, ученые иногда используют наблюдательные исследования, чтобы понять влияние этих факторов.

Даже когда экспериментальные исследования не связаны напрямую с людьми, они могут вызывать этические проблемы. Например, эксперименты с ядерной бомбой, проведенные Манхэттенским проектом, предполагали использование ядерных реакций для нанесения вреда людям, хотя в экспериментах не участвовали люди напрямую.

• Даннинг, Тад (2012). Естественные эксперименты в социальных науках: подход, основанный на дизайне . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1107698000.
• Шадиш, Уильям Р .; Кук, Томас Д .; Кэмпбелл, Дональд Т. (2002). Экспериментальные и квазиэкспериментальные планы для обобщенного причинного вывода (Nachdr. Ed.). Бостон: Хоутон Миффлин. ISBN 0-395-61556-9.( Отрывки )
• Джереми, Тейген (2014). «Экспериментальные методы в военных и ветеранских исследованиях». В Soeters, Джозеф; Шилдс, Патрисия; Ритдженс, Себастьян (ред.). Справочник Рутледжа по методам исследования в военных исследованиях . Нью-Йорк: Рутледж. С. 228–238.

• СМИ, связанные с экспериментами на Викискладе?
• Уроки электрических цепей - Том VI - Эксперименты
• Эксперимент по физике из Стэнфордской энциклопедии философии