Come condurre un esperimento scientifico

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scheda di metodo C
Come condurre
un esperimento scientifico
Un esperimento scientifico è un procedimento studiato per
controllare una previsione. Alcuni tipi di esperimenti sono
piuttosto semplici da progettare, altri possono richiedere
una più sviluppata capacità di risolvere problemi.
Porsi una domanda e riconoscere un problema
Un giardiniere ha raccolto i semi delle sue piante preferite
alla fine dell’estate, li ha conservati al chiuso durante l’inverno e poi, la primavera seguente, li ha seminati. Nessuno
dei semi, però, è germinato, a differenza di quelli che erano
rimasti all’aperto, da cui sono nate nuove piantine. Il giardiniere allora si domanda:
perché i semi che ho raccolto e conservato non sono
germinati?
Un esperimento può incominciare quando vi ponete una
specifica domanda o se cercate di risolvere un problema
particolare. Qualche volta la domanda di partenza porta
direttamente all’esperimento; spesso però i ricercatori devono riesaminare il problema prima di progettare un test
appropriato. La domanda sui semi che si pone il giardiniere,
per esempio, è un po’ troppo ampia per essere sottoposta a
verifica, perché le risposte possibili sono troppe. Per circoscrivere il problema, il giardiniere potrebbe porsi una delle
seguenti domande:
i semi che ho raccolto erano diversi da quelli che ho
lasciato all’aperto?
forse il terreno era di scarsa qualità o la luce e l’acqua
erano insufficienti?
forse i semi si sono in qualche modo danneggiati perché li ho conservati al chiuso?
Formulare un’ipotesi
In campo scientifico, per trovare una risposta a una domanda riferita a un fenomeno occorre elaborare un’ipotesi, cioè
una spiegazione possibile. L’ipotesi può essere il frutto di
lunghi ragionamenti e indagini, oppure di un’intuizione improvvisa. Non è importante il modo in cui si giunge a formularla; per essere valida, però, un’ipotesi deve esprimere previsioni scientifiche suscettibili di controllo sperimentale.
Il giardiniere può decidere di concentrarsi sul fatto che i
semi non germinati sono stati conservati al caldo dentro casa.
Da questa considerazione può derivare la seguente ipotesi:
i semi hanno bisogno di trascorrere un certo tempo a
bassa temperatura per poter germinare
Il passaggio successivo è la formulazione di una previsione
scientifica basata su questa ipotesi, per esempio:
se i semi vengono conservati al chiuso in ambiente
freddo, potranno germinare come i semi lasciati fuori
durante l’inverno
Notate che in questo caso la previsione scientifica suggerisce direttamente l’idea per un esperimento.
Progettare un esperimento
Un esperimento ben progettato può confermare una previsione scientifica in modo attendibile, escludendo altre possibili spiegazioni. Pianificando la procedura sperimentale
da seguire, gli scienziati rivolgono un’attenzione particolare ai fattori che devono essere controllati.
Il giardiniere, nel nostro esempio, ha deciso di studiare
tre gruppi di semi:
1. un gruppo lasciato all’aperto durante l’inverno;
2. un secondo gruppo conservato al chiuso e a temperatura ambiente;
3. un terzo gruppo conservato al chiuso, ma al freddo.
Controllare le variabili
Quando progettano un esperimento, i ricercatori identificano le variabili in gioco, vale a dire i fattori che possono
cambiare. Alcune variabili comuni sono la massa, il volume,
il tempo, la temperatura, l’illuminazione e la presenza o assenza di particolari sostanze.
Svolgendo un esperimento, avrete a che fare con tre tipi
di variabili. Il fattore che gli scienziati modificano intenzionalmente viene indicato come variabile manipolata (o anche come variabile indipendente). Il fattore che potrebbe
cambiare perché influenzato dalla variabile modificata è
detto variabile dipendente ed è quello che interessa specificatamente gli studiosi. I fattori che gli scienziati mantengono intenzionalmente costanti sono indicati come variabili controllate. Grazie alle variabili controllate, i ricercatori
possono stabilire se i cambiamenti che interessano le variabili dipendenti sono dovuti esclusivamente ai cambiamenti
delle variabili manipolate.
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condurre un esperimento scientifico
Per il giardiniere del nostro esempio, la variabile manipolata è la temperatura del luogo in cui i semi vengono conservati; la variabile dipendente è la germinazione dei semi
(che può avvenire oppure no); le variabili che devono essere
controllate (perché non influenzino in alcun modo l’esperimento) sono l’umidità dell’ambiente in cui i semi vengono
conservati, il modo in cui si effettua la semina, la quantità
di acqua usata per innaffiare e il tipo di suolo usato.
Elaborare definizioni operative
In un esperimento è spesso necessario definire esplicitamente una o più variabili in modo che ogni ricercatore possa
misurarle o controllarle con cura applicando sempre le stesse condizioni. Una definizione operativa descrive il modo in
cui una particolare variabile deve essere misurata o come
deve essere definito un termine (per “operativo” si intende
“che descrive come operare o agire”).
Il giardiniere, per esempio, deve stabilire con precisione
che cosa intende per “conservare al freddo” i semi. Dato che
le temperature invernali spesso scendono sotto il punto di
congelamento, potrebbe decidere che “al freddo” significa
tenere i semi nel congelatore.
Interpretare i dati
Le osservazioni e le misurazioni condotte durante un esperimento rappresentano i dati che, di solito, gli scienziati
raccolgono e ordinano accuratamente. Quando un esperimento è concluso, il ricercatore analizza i dati in cerca di
schemi o tendenze, spesso svolgendo calcoli matematici o
realizzando grafici per verificare se i risultati ottenuti convalidano l’ipotesi di partenza.
Dopo aver interrato i semi in primavera, il giardiniere
potrebbe contare i semi germinati ottenendo questi risultati: nessuno dei semi conservati a temperatura ambiente è
germinato; l’80% dei semi conservati nel congelatore è germinato e l’85% dei semi lasciati all’aperto durante l’inverno
è germinato. La tendenza rilevata è chiara e la previsione
scientifica da cui è partito il giardiniere si è rivelata corretta.
Per assicurarsi che l’esito di un esperimento sia valido,
gli scienziati riesaminano attentamente i risultati ottenuti
in cerca di possibili fonti di errori. In questo caso per errore
si intende ogni differenza tra i risultati osservati e i valori
reali. Un errore sperimentale può derivare da una distrazione umana o da difetti della strumentazione usata. È anche
possibile compiere errori se il campione di oggetti studiato non rappresenta adeguatamente l’intero gruppo (nel
nostro esempio, i dati potrebbero non rispecchiare il reale
modello di germinazione se alcuni dei semi usati dal giardiniere fossero stati trattati con erbicidi).
Trarre conclusioni
Se i dati raccolti sono validi, i ricercatori possono formulare
una relazione conclusiva che sintetizzi i risultati ottenuti.
Questa relazione, che rappresenta la conclusione dell’esperimento, indica se i dati convalidano o confutano l’ipotesi. La
conclusione del giardiniere è stata la seguente:
alcuni semi devono riposare per un certo periodo a bassa temperatura per germinare poi in primavera
Una conclusione è considerata valida se rappresenta un’interpretazione logica dei dati raccolti.
La continuazione dell’esperimento
Al termine di un esperimento, i ricercatori possono decidere di
ripetere lo stesso esperimento per verificarne i risultati, oppure possono condividere i risultati ottenuti, per esempio pubblicandoli su una rivista scientifica, in modo che altri scienziati
valutino i procedimenti seguiti o decidano di ripetere l’esperimento. Le conclusioni dell’esperimento, inoltre, possono essere confrontate con i risultati ottenuti da altri scienziati. In
questo modo è facile che emergano nuove domande e idee per
nuovi esperimenti. Nel caso qui esaminato, per esempio, ci si
può chiedere:
le spore dei funghi sono influenzate dalla temperatura
come i semi delle piante?
L’analisi di altri dati ottenuti studiando i semi potrebbe rivelare che altre piante nelle zone temperate richiedono un periodo di riposo al freddo per poter germinare. Da questi modelli
di sviluppo i biologi possono dedurre che i semi germinano di
rado prima dell’inverno in modo da accrescere la probabilità di
generare nuove piante in grado di sopravvivere.
Che cos’è un gruppo di controllo?
Leggendo la descrizione di molti esperimenti, potreste incontrare i termini gruppo di controllo e gruppo sperimentale. Per
tutti i gruppi sottoposti all’esperimento le variabili controllate sono esattamente uguali, mentre le variabili manipolate
sono diverse. Nel gruppo sperimentale, la variabile manipolata viene modificata in base alle intenzioni del ricercatore. Il
gruppo di controllo serve come standard di confronto e può
essere formato da oggetti le cui variabili non sono modificate in alcun modo, o da oggetti che sono stati trattati come
accadrebbe normalmente. Nell’esempio del giardiniere, i semi
lasciati all’aperto rappresentano il gruppo di controllo, perché
mettono in evidenza ciò che accade in condizioni naturali.
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