Dołącz do czytelników
Brak wyników

Z praktyki szkolnej

3 października 2018

NR 9 (Maj 2015)

Wykonanie eksperymentu w ramach pracy na Olimpiadę Biologiczną

0 172

Eksperyment jest jedną z podstawowych metod badań w naukach przyrodniczych i jest coraz częściej wykorzystywany w trakcie nauczania biologii w szkole. Jednak zaplanowanie i przeprowadzenie dobrego badania eksperymentalnego na Olimpiadę Biologiczną wymaga uwzględniania także dodatkowych czynników, których zwykle nie bierzemy pod uwagę przy wykonywaniu eksperymentu na lekcjach biologii. 

Samodzielne wykonywanie badań przez uczniów, w tym także eksperymentów, jest ważną metodą nauczania przedmiotów przyrodniczych w szkołach. Coraz częściej wykonuje się doświadczenia na lekcjach biologii, a pytania dotyczące planowania doświadczeń pojawiają się na arkuszach maturalnych i egzaminach gimnazjalnych. W szkole nacisk kładzie się na umiejętność poprawnego sformułowania problemu badawczego, poprawnego zaplanowania próby doświadczalnej (eksperymentalnej) i próby kontrolnej oraz sformułowania wniosku. Wykonując eksperymenty w czasie lekcji, zwykle wykorzystuje się jeden zestaw składający się z próby doświadczalnej i kontrolnej na całą klasę (jako doświadczenie pokazowe), po jednym na grupę uczniów, a w najlepszym wypadku uczeń samodzielnie przygotowuje taki zestaw. Tego typu podejście jest uwarunkowane potrzebnym czasem na przygotowanie i wykonywanie doświadczenia, dostępnością materiałów i kosztami takich eksperymentów. Poza tym w szkole wykonuje się zwykle eksperymentalne ba­-
dania zjawisk, których wyniki są wysoce powtarzalne, a wynik próby kontrolnej wyraźnie różni się od wyniku próby doświadczalnej. W przypadku eksperymentów naukowych, w których różnica w wynikach pomiędzy próbami doświadczalnymi i kontrolnymi może być niewielka, a zmienność zjawisk duża, takie podejście jest niewłaściwe.    

Nacisk na prawidłowe zaplanowanie badań jest widoczny w formularzach recenzji prac złożonych na Olimpiadę Biologiczną. Wciąż jednak część prac oceniana jest przez recenzentów słabo z uwagi na popełnione błędy w planach i wykonaniu eksperymentów. W przypadku eksperymentów naukowych oraz przeprowadzanych w ramach prac badawczych przygotowywanych na olimpiadę ważne jest uwzględnienie takich czynników, jak: odpowiednia liczba prób doświadczalnych (i kontrolnych!), losowy dobór prób oraz kwestie niezależności pomiarów. Celem niniejszego tekstu jest zwrócenie uwagi na tych kilka ważnych zagadnień dotyczących planowania eksperymentów w biologii. 

Badania pilotażowe

Planując eksperyment, zastanawiamy się, w jaki sposób go wykonamy, jaki sprzęt będzie potrzebny, co i z jaką dokładnością zmierzymy. Przystępując do badań, często musimy rewidować te plany. Okazuje się, że o pewnych zagadnieniach nie pomyśleliśmy albo nasze możliwości są inne niż początkowo nam się wydawało. Może to w konsekwencji uniemożliwić przeprowadzenie eksperymentu lub też po wykonaniu większości prac okaże się, że nie jesteśmy w stanie zebrać wyników. Żeby ograniczyć niebezpieczeństwo takich nieprzyjemnych dla badacza sytuacji, wykonuje się często tzw. doświadczenia pilotażowe. Są to wstępne badania, które mają na celu pomóc w jak najlepszym zaplanowaniu i przeprowadzeniu właściwego eksperymentu. 

Przykładowo planujemy eksperyment dotyczący kiełkowania nasion i w jego ramach chcielibyśmy określić, ile nasion wykiełkuje po trzech dniach w warunkach doświadczalnych i kontrolnych. Może się jednak okazać, że trzy dni to dla nasion badanego gatunku za krótki okres. Może się np. zdarzyć, że niektóre nasiona po tych trzech dniach dopiero zaczną pęcznieć – czy uznamy to za kiełkowanie, skoro wchłonięcie wody rozpoczyna proces kiełkowania? Czy też za kiełkowanie przyjmiemy dopiero pojawienie się kiełka? Żeby to zrobić oraz ustalić, ile czasu potrzebujemy na przygotowanie i przeprowadzenie eksperymentu, wykonujemy badania pilo­tażowe, których celem jest jak najdokładniejsze określenie warunków prowadzenia eksperymentu. W tym celu wykonuje się eksperyment na mniejszą skalę. Badania pilotażowe powinny być wykonywane w warunkach takich samych albo jak najbardziej zbliżonych do tych, w jakich zamierzamy wykonać nasz eksperyment. Różnica powinna dotyczyć tylko skali badań, czyli przede wszystkim liczby obiektów, które wezmą w nim udział, ewentualnie np. czasu trwania czy też liczby wykonywanych pomiarów. Jeśli w eksperymencie planujemy pomiar długości danego obiektu, to w czasie badań pilotażowych też należy mierzyć długość takich obiektów. Może się okazać, że będziemy mieć problem z dokładnością pomiaru, np. określeniem, od którego punktu powinniśmy zacząć pomiar. Albo okaże się, że taki pomiar zajmuje więcej czasu, niż sądziliśmy, i wskazana będzie pomoc kolegi notującego wyniki. Poza tym, zapisując uzyskane wartości, będziemy mogli zastanowić się, w jaki sposób przygotować tabelę do gromadzenia wyników eksperymentu. Reasumując, badania pilotażowe powinny nam pozwolić zmodyfikować wstępne plany, by eksperyment nie zakończył się niepowodzeniem. Badania pilotażowe pozwolą nam także sprawdzić, czy nie brakuje nam czegoś do jego przeprowadzenia. 

Badania pilotażowe powinny być wykonywane w warunkach takich samych albo jak najbardziej zbliżonych do tych, w jakich zamierzamy wykonać nasz eksperyment. Różnica powinna dotyczyć tylko skali badań, czyli przede wszystkim liczby obiektów, które wezmą w nim udział.

Wielkość próby/liczba powtórzeń

W eksperymentach naukowych oraz w ramach prac przygotowywanych na Olimpiadę Biologiczną konieczne są powtórzenia. Wynika to z faktu, że organizmy różnią się od siebie i mogą różnie reagować nawet w takich samych warunkach. Uzyskane wyniki w obrębie jednorodnej grupy mogą się od siebie różnić i jest to typowe dla zjawisk przyrodniczych, np. aktywności enzymów. Taka zmienność może utrudniać bądź uniemożliwiać wyciągnięcie wniosków. Z tego względu poprawne zaplanowanie badań jest kluczowe i musi uwzględniać odpowiednią liczbę prób doświadczalnych i prób kontrolnych. Określenie, ile takich prób powinno być w tych grupach, jest często trudne i wymaga szczegółowej wiedzy o badanych zjawiskach czy organizmach. 

W przypadku prac eksperymentalnych na Olimpiadę Biologiczną jako minimalną (i w niektórych przypadkach wystarczającą) liczbę przyjmuje się trzy powtórzenia. Te trzy powtórzenia dotyczą zarówno prób doświadczalnych, jak i prób kontrolnych! Doświadczenie zatem jest wykonywane z wykorzystaniem trzech prób doświadczalnych i trzech prób kontrolnych. Jedna próba kontrolna nie jest wystarczająca, ponieważ także w obrębie prób kontrolnych należy spodziewać się zmienności. Jednakże w przypadku bardzo wielu zjawisk biologicznych podana powyżej liczba powtórzeń może być niewystarczająca. W związku z tym, planując doświadczenie, warto wcześniej sprawdzić, z jaką zmiennością mamy do czynienia (patrz wyżej: Badania pilotażowe) i ewentualnie – jeśli mamy takie możliwości – zaplanować większą liczbę powtórzeń. Może się też okazać, że zmienność jest tak duża, że przy naszych możliwościach nie będziemy w stanie wykonać doświadczenia dającego odpowiedź na postawione pytanie. 

Najczęściej stosowana liczba zestawów kontrolnych jest taka sama, jak ­liczba zestawów doświadczalnych, m.in. z uwagi na kwestie związane z analizą statystyczną (co nie będzie poruszane w tym artykule), ale nie jest to wymóg. Jeżeli zmienność badanych obiektów w próbach kontrolnych jest niska, wystarczające może być zaplanowanie trzech zestawów kontrolnych i innej – większej – liczby zestawów doświadczalnych. Pamiętać jednak należy, że kontrola także musi być powtórzona, jeden zestaw kontrolny jest niewystarczający! 

Losowość pomiarów

Próby z grupy doświadczalnej i kontrolnej powinny różnić się jedynie czynnikiem, którego efekt działania chcemy badać. Zatem konieczne jest, by wykorzystywane do badań obiekty (np. rośliny, nasiona) były jak najbardziej do siebie podobne. Należy jednak pamiętać, że nawet jeśli dysponujemy „na oko” identycznymi obiektami, to z pewnością jakieś różnice między nimi występują. Wybierając obiekty do badań – oprócz tego, że zawsze należy starać się, by były porównywalne – konieczne jest ich losowe podzielenie na grupę doświadczalną i kontrolną. Nie należy tego robić bez specjalnej procedury. Jeśli tak postąpimy, np. najpierw wybierając „na oko” połowę obiektów jako grupę kontrolną, możemy podświadomie wybrać do tej grupy obiekty lepsze (albo gorsze). Żeby uniknąć takiego błędu, stosuje się randomizację, czyli losowy dobór próby. W przypadku badań naukowych często wykorzystuje się tzw. tabele liczb losowych (takie tabele, a czasem także sposób ich stosowania są zamieszczone w podręcznikach do statystyki) albo generuje liczby losowe przy pomocy programów komputerowych.

W pracy na Olimpiadę Biologiczną można losowo podzielić obiekty na grupy na różne sposoby, niekoniecznie stosując tablice liczb losowych. Możemy np. ponumerować obiekty przeznaczone do eksperymentu, następnie na identycznych kartkach papieru napisać kolejne liczby (tyle liczb, ile mamy obiektów), wrzucić kartki do pudełka, wymieszać i – nie patrząc – wylosować połowę numerów. Będą to numery obiektów przynależnych do grupy... Otóż właśnie – jakiej? Przed rozpoczęciem losowania należy zdecydować, do której grupy (doświadczalnej czy kontrolnej) będziemy losować obiekty. Nie wolno podejmować takiej decyzji po wylosowaniu numerów, bo wtedy, nawet nieświadomie, możemy się czymś kierować. 

Gdy chcemy wylosować obiekty do dwóch grup, mamy jeszcze jedną możliwość: najpierw najbardziej podobne do siebie łączymy w pary, a następnie, wykorzystując monetę albo kostkę do gry, losujemy, który z pary będzie przypisany do grupy doświadczalnej, a który do kontrolnej. Zanim jednak rzucimy monetą/kostką, ważne jest, by zdecydować, co będzie oznaczał uzyskany wynik, by podział ten rzeczywiście odbył się losowo.

Tak samo powinniśmy zadbać, by losowe było rozmieszczenie prób. Zastanówmy się, w jaki sposób losowo rozmieścić dziesięć doniczek, po pięć z grupy A i B, w jednym rzędzie na parapecie. Na pewno nie należy pięciu z grupy A ustawić po lewej stronie parapetu, a pięciu z grupy B po prawej, bo po dwóch stronach warunki mogą się trochę różnić. Przykładowo: jedna część parapetu może być w dzień dłużej oświetlona. Co w takim razie zrobić? Najlepiej jest zastosować inną, jedną z dwóch procedur. Po pierwsze możemy umieścić doniczki z tych dwóch grup na zmianę, ale losowo zdecydować, od obiektu z której grupy zaczniemy. W związku z tym będziemy mieć układ albo ABABABABAB, albo BABABABABA. Możemy postąpić jeszcze inaczej: zastosować tzw. bloki losowe. W takim przypadku w każdej parze, np. licząc od lewej strony, znajdzie się jedna doniczka z grupy A i jedna z grupy B. Ale ich kolejność w każdej takiej parze ustalamy losowo, np. rzucając monetą albo kostką do gry. Układ w takim przypadku może wyglądać np. (AB) (AB) (BA) (AB) (BA) albo (BA) (AB) (AB) (BA) (AB) itp. Należy zaznaczyć, że eksperyment na Olimpiadę Biologiczną nie powinien być wykonywany na parapecie okna, ponieważ powinniśmy mieć kontrolowane warunki; powyższy opis ma na celu pokazanie potencjalnych różnic w oparciu o łatwy do wyobrażenia sobie przykład. Jednakże mniejsze (ale z punktu widzenia eksperymentu istotne) różnice występują także w różnych fragmentach profesjonalnych komór hodowlanych i nawet w nich obiekty należy rozmieścić losowo. 

Wykonując pomiary w czasie eksperymentów, należy także pamiętać, by wyniki zbierać losowo. Nie należy postępować w ten sposób, że np. najpierw wy­konujemy pomiary dla wszystkich obiektów z grupy doświadczalnej, a potem wszystkich z grupy kontrolnej (albo na odwrót). Powinniśmy wykonywać pomiary na zmianę albo losowo. Dlaczego? Ponieważ kolejność wykonywania pomiaru może mi...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy