実験は、科学者が自然現象をテストすることで新たな理解を得る方法です。適切な実験は、特定の明確に定義された変数を分離してテストするための論理的な設計に従います。実験計画の基本原則を学ぶことで、これらのガイドラインを独自の実験に適用できるようになります。範囲に関係なく、5 年生のジャガイモ時計科学フェア プロジェクトから最先端のヒッグス粒子研究まで、すべての優れた実験操作は、論理的で演繹的な科学的方法に従います。
ステップ 1 パート 1/2: 科学的に健全な実験の設計 {"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/9\/91\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-1.jpg\/v4-460px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-1.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images\/thumb\/9\/91\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-1.jpg\/v4-728px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-1.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 1特定のトピックを選択します。 本格的な科学のパラダイムシフトにつながる実験結果は非常に稀です。ほとんどの実験では、小さくて具体的な質問に対する答えを見つけることが求められます。科学的知識は、数え切れないほどの実験から蓄積されたデータに基づいています。テスト可能な狭い範囲内で、特定のトピックまたは未解決の問題を選択します。たとえば、農業用肥料を研究したい場合、「植物を育てるのに最適な肥料はどれか」といった質問の答えを探さないでください。世の中にはさまざまな種類の肥料や植物があり、1 つの実験ですべてに答えることはできません。実験を設計するためのより良い質問は、「どの濃度の窒素肥料が最も多くの量のトウモロコシを生産するか」です。 現代の科学的知識は非常に広範囲にわたります。より正式な研究をしたい場合は、実験の設計を始める前に、トピックについて徹底的に研究して学ぶことが最善です。これまでの実験は、研究したいトピックに対する答えを提供していますか?答えが「はい」の場合、以前の実験でまだ答えが見つかっていない質問に答えるためにトピックを適応させる方法はありますか? 2 変数を分離します 。 科学実験では、変数 と呼ばれる特定の測定可能なパラメータをテストします。一般的に、研究者はさまざまな値にわたって変数をテストすることによって実験を行います。実験を実行する上で重要なことは、テストする特定の変数のみを 変化させることです（他の変数は変化させません）。たとえば、肥料実験の例では、研究者は窒素濃度の異なる肥料を使って複数のトウモロコシの木を植えます。彼はそれぞれのトウモロコシの木に「正確に」同じ量の肥料を与えました。彼は、窒素濃度を除いて、使用する肥料の化学組成が同じであることを確認します。たとえば、トウモロコシの植物にマグネシウムの濃度が高い肥料を与えることはありません。また、各反復実験において、彼はまったく同じ数と種類のトウモロコシの木を、同じ時期に、同じ土壌に、同じ条件下で植える予定です。 {"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/3\/35\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-3.jpg\/v4-460px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-3.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images\/thumb\/3\/35\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-3.jpg\/v4-728px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-3.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 3仮説を提案します。 仮説とは本質的には実験の結果を予測することです。それは盲目的な推測であってはなりません。適切な仮定は、実験対象を選択する際に実施された背景調査から導き出された仮説であるべきです。同じ分野の同僚が行った同様の実験の結果に基づいて仮説を立てるか、解決しようとしている問題が十分に研究されていない場合は、入手可能な文献や観察記録に基づいて仮説を立てます。最も集中的な調査を行ったにもかかわらず、得られた結果が仮説が間違っていることを証明する可能性もあることを覚えておいてください。その場合、仮説が正しくないことが証明されたとしても、より多くのことを学ぶことができます。通常、仮説は定量的な記述で使用されます。この仮定では、実験パラメータがどのように測定されるかも考慮されます。私たちの肥料実験の適切な仮説は、「1 ポンド (0.45 kg) の窒素肥料を施したトウモロコシの植物 1 ブッシェルは、異なる量の窒素肥料を施した同じ量のトウモロコシの植物 1 ブッシェルよりも収穫量が多くなる」というものです。 {"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/0\/06\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-4.jpg\/v4-460px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-4.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images\/thumb\/0\/06\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-4.jpg\/v4-728px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-4.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 4データ収集を計画します。 いつデータを収集するのか、どのような種類のデータを収集するのかを事前に把握しておきます。これらのデータは特定の時間に測定され、場合によっては一定の間隔で測定されます。たとえば、肥料実験の例では、トウモロコシの植物が特定の段階まで成長した後、トウモロコシの重量（キログラム単位）を測定します。トウモロコシの重さと肥料の窒素含有量を比較します。時間の経過に伴う変数の変化を測定するなどの他の実験では、定期的にデータを収集する必要があります。タイミングが重要なので、計画に従うようにしてください。結果が異なることがわかった場合、その差異が異なる時間制約によって生じた可能性は排除されます。 事前にスプレッドシートを準備しておくことをお勧めします。記録するときに値を入力するだけです。 従属変数と独立変数の違いを理解します。独立変数は実験を行う際に制御する量であり、従属変数は独立変数の変化によって変化する量です。私たちの実験では、「窒素含有量」が「独立」変数であり、「収量（単位：kg）」が「従属」変数です。基本的な表には、時間の経過とともに入力される 2 つの変数のためのスペースがあります。 {"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/d\/db\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-5.jpg\/v4-460px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-5.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images\/thumb\/d\/db\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-5.jpg\/v4-728px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-5.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 5実験を順序よく実施します。 実験を行い、変数をテストします。おそらく、多くの実験を行って複数の値を取得する必要があります。化学実験では、同じトウモロコシの木を複数本植え、窒素含有量の異なる肥料を施します。一般的に、データ収集の範囲が広ければ広いほど、より良い結果が得られます。できるだけ多くのデータを記録します。優れた実験設計には、制御因子 と呼ばれるものが含まれます。実験の複製には、テストする変数を含めないでください。肥料実験では、トウモロコシの木の 1 本に窒素を含まない肥料を与えます。これらは私たちの管理下にあり、他のトウモロコシの木のパフォーマンスを測定するためのベンチマークとなります。 実験中は、すべての危険物質の安全対策や取り扱い方法に注意してください。 6 データを収集します 。 可能であれば、実験データを表に直接記録してください。そうすることで、後でデータを保存して要約する時間と労力を節約できます。データの外れ値を評価する方法を知る。実験データをできるだけ直感的に表示するのが最適です。グラフを使用してデータをプロットし、最も適合する値を直線または曲線で接続して傾向を表示します。これにより、あなた（およびグラフを表示する他のユーザー）がデータを一目で理解できるようになります。ほとんどの基本的な実験では、独立変数は x 軸上の水平線で表され、従属変数は y 軸上の垂直線で表されます。 {"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/d\/de\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-7.jpg\/v4-460px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-7.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images\/thumb\/d\/de\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-7.jpg\/v4-728px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-7.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 7データを分析し、要約します。 あなたの仮定は正しいですか?データの傾向を観察できますか?予期しないデータを取得しましたか?将来の実験の基礎となる可能性のある、未回答の質問はありますか?結果を評価する際には、これらの質問に答えてみてください。実験データから仮説が「正しい」か「間違っている」かがはっきりしない場合は、さらに実験を実施して、より多くのデータを収集することを検討してください。実験結果を共有する包括的な科学論文を書きます。科学論文の書き方を知っていることは役に立つスキルです。ほとんどの新しい研究の結果は、特定の形式に従って書かれ、公開されなければなりません。 2 パート 2/2:サンプル実験の実施 {"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/6\/6e\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-8.jpg\/v4-460px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-8.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images\/thumb\/6\/6e\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-8.jpg\/v4-728px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-8.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 1トピックを選択し、変数を決定します。 実験の目的のため、単純で小規模な実験を選択します。実験では、さまざまなエアロゾル燃料がポテトガンの有効範囲に与える影響をテストします。この実験では、使用したエアロゾル燃料が「独立変数」（制御する量）であり、範囲が「従属変数」でした。 この実験で検討すべき質問 - それぞれのポテト爆弾が同じ重さになるようにする方法はあるか?毎回の打ち上げで同じ量のエアロゾル燃料が使用されますか?これらはすべてポテトガンの射程範囲に影響します。事前に各弾丸の重量を計測し、各ショットに同じ量の燃料を使用します。 {"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/b\/ba\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-9.jpg\/v4-460px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-9.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images\/thumb\/b\/ba\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-9.jpg\/v4-728px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-9.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 2仮定を立てます。 たとえば、ヘアスプレー、クッキングスプレー、スプレーペイントをテストすると、ヘアスプレーのエアロゾルには他のスプレーよりも高いレベルのブタンが含まれます。ブタンは可燃性であることがわかっているので、ヘアスプレーに点火すると推進力が増し、ジャガイモがより遠くまで飛ぶと仮定できます。私たちの仮説は次のように書くことができます。「一般的に、ブタン含有量が多いヘアスプレーのエアゾールは、250～300 グラムのジャガイモのペレットをより遠くまで飛ばします。」{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/e\/ea\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-10.jpg\/v4-460px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-10.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images\/thumb\/e\/ea\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-10.jpg\/v4-728px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-10.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 3事前にデータを収集します。 実験では、各エアロゾル燃料をテストし、平均をとります。また、実験制御変数としてブタンを含まないエアロゾル燃料もテストします。私たちは、ジャガイモの大砲を準備し、組み立て、発射できるかどうか最初にテストし、エアゾールスプレーを購入し、ジャガイモの大砲の弾を彫って重さを量る必要がありました。データテーブルを事前に設計します。縦の列は 5 つあります。一番左の列には「実験番号」というラベルが付いています。この列のセルには 1 ～ 10 の番号が付けられており、各撮影実験を表しています。 次の 4 つの列には、実験で使用したエアロゾル スプレーの名前が示されています。各射撃の距離範囲（単位：メートル）が4列に対応した10行のセルに記録されます。 4 つの燃料列の下にスペースを残して、各燃料の平均射撃距離を入力します。 1. 実験を開始します 。 各エアゾールスプレーごとに同量のエアゾールスプレーを使用して、10発のエアゾールを発射します。射撃のたびに、長い巻尺を使って砲弾の射程距離を測りました。そして、データをデータ テーブルに記録します。多くの実験と同様に、この実験にも注意を要する安全上の問題がいくつか存在します。実験で使用したエアゾールスプレーは可燃性であるため、燃料に点火する際にはポテトガンの発射キャップを安全に閉じ、厚手の手袋を着用するようにしました。砲弾による偶発的な負傷を避けるために、ポテトガンが発射されるときは、私たち（および観察者）は銃口や銃の後ろではなく、横に立つようにする必要があります。 5 データを分析します 。 たとえば、ヘアスプレーは一般的にジャガイモに最も遠くまで吹き付けられますが、クッキングスプレーはより均一な範囲に吹き付けられることがわかりました。このデータを提示することができます。各スプレーの平均範囲は棒グラフで示すのが最適ですが、各燃料の範囲の変動は散布図で示すのが最適です。{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/3\/36\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-13.jpg\/v4-460px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-13.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images\/thumb\/3\/36\/Conduct-a-Science-Experiment-Step-13.jpg\/v4-828px-Conduct-a-Science-Experiment-Step-13.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 6まとめ。 実験結果を報告してください。実験データに基づいて、私たちの以前の推測が正しいと自信を持って宣言できます。また、予想外の発見もありました。クッキングスプレーが最も安定した結果を生み出したのです。実験中に遭遇した問題やトラブル、例えば、スプレー塗料がポテトキャノンの燃焼室を詰まらせ、繰り返し発射することが困難になったことなどを声に出して伝えることができました。最後に、さらに調査すべき領域について提案することができます。たとえば、燃料を増やせば、航続距離をさらに伸ばせるかもしれません。私たちの研究結果を科学論文の形で世界と共有することもできますが、私たちの実験の主題を考えると、三つ折りの科学展示の形で共有する方が適切かもしれません。 ヒント 楽しんで安全に過ごしてください。 科学とは大きな疑問を問うことです。これまで見たことのないテーマを選ぶことを恐れないでください。 警告する 目の保護具を着用する 何かが目に入った場合は、少なくとも5分間水で十分に洗い流してください。 職場周辺での飲食は禁止 実験の前後に手を洗ってください 鋭利なナイフ、危険な化学物質、炎などを使用するときは、必ず誰かに監督してもらってください。 化学物質を扱うときはゴム手袋を着用してください 髪を後ろで結ぶ 
