Планирование эксперимента
Планирование эксперимента — это выбор объекта, цели, условий, вариантов опыта и способов регистрации результатов до начала работы. Хороший план позволяет проверить рабочую гипотезу и отделить влияние изучаемого фактора от случайных изменений.
Зачем нужен план эксперимента
Любое исследование начинается с определения цели исследования: что именно нужно выяснить. Затем формулируют задачу исследования — конкретное действие или вопрос, с помощью которого цель будет достигнута. Например, цель может состоять в изучении влияния освещённости на рост проростков фасоли, а задача — сравнить среднюю длину проростков при разной освещённости.
В эксперименте изменяют один основной фактор и наблюдают, как это отражается на выбранном признаке. Остальные значимые условия стараются сделать одинаковыми. Если одновременно изменить температуру, освещённость и количество воды, нельзя будет установить, какой фактор вызвал результат.
План эксперимента — заранее составленная схема исследования, в которой указаны объект, изучаемый фактор, варианты опыта, постоянные условия, повторности, сроки наблюдений и способы записи результатов.
- Сформулировать цель и проверяемую гипотезу.
- Выбрать объект и признак, который можно измерить или описать.
- Определить независимую, зависимую и постоянные переменные.
- Составить контрольный и опытные варианты.
- Указать число повторностей, сроки и способ регистрации данных.
- Заранее решить, как будут обработаны и сравнены результаты.
Объект, предмет и измеряемый признак
Объект исследования — организм, группа организмов, клетка, процесс или явление, которые изучают. Предмет исследования — конкретная сторона объекта, например влияние недостатка воды на скорость роста корня. Чем точнее определён предмет, тем легче выбрать способ наблюдения.
Объект должен быть доступным, достаточно однородным и подходить для поставленной цели. Если сравнивают рост растений, желательно брать растения одного вида и примерно одинакового возраста и размера. Нельзя сравнивать проросток и взрослое растение, если различие в возрасте не является предметом исследования.
Зависимая переменная — результат, который измеряют: длина корня, число листьев, масса, скорость движения или количество проросших семян. Независимая переменная — фактор, который исследователь изменяет: температура, освещённость, концентрация раствора, влажность. Постоянные переменные — условия, одинаковые во всех вариантах: вид объекта, объём воды, состав почвы, время наблюдения.
| Элемент плана | Пример для опыта с фасолью |
|---|---|
| Объект | Проростки фасоли |
| Предмет | Влияние освещённости на рост |
| Независимая переменная | Освещённость |
| Зависимая переменная | Средняя длина проростка |
| Постоянные условия | Температура, вода, почва, срок опыта |
| Контроль | Обычная освещённость |
| Опытные варианты | Пониженная и повышенная освещённость |
Формулируйте измеряемый признак так, чтобы его можно было записать числом или однозначной категорией: «длина корня в сантиметрах», «число проросших семян», «наличие фототаксиса». Фраза «растение лучше развивается» слишком неопределённа.
Варианты опыта и условия проведения
Эксперимент должен включать как минимум контрольный и опытный варианты. В контрольном варианте изучаемый фактор имеет обычное или стандартное значение. В опытном варианте этот фактор изменён. Сравнение с контролем показывает, что произошло именно из-за исследуемого воздействия.
Например, чтобы проверить влияние удобрения, в контрольную группу не вносят удобрение, а в опытную вносят одинаковую дозу. Вода, почва, освещённость, температура, размер горшков и продолжительность опыта должны быть одинаковыми.
Если исследуют несколько уровней одного фактора, создают несколько опытных вариантов. Например: 0, 1 и 2 грамма удобрения. Нулевой вариант одновременно является контролем. Изменять следует только один фактор, если задача — установить его отдельное влияние.
Для проверки влияния одного фактора контрольный и опытный варианты должны различаться только значением этого фактора. Все остальные существенные условия необходимо поддерживать одинаковыми.
Условия проведения эксперимента включают место и оборудование, температуру, свет, влажность, состав среды, время начала и окончания наблюдений. Их записывают заранее, поскольку даже небольшие различия условий могут повлиять на результат.
В двух группах растений различаются температура и объём воды. Какой вывод можно сделать?
Повторности и регистрация результатов
Один объект не всегда отражает закономерность: он может быть случайно повреждён, иметь особые наследственные особенности или находиться в необычном состоянии. Поэтому используют несколько объектов в каждом варианте — повторности. Чем больше число повторностей и чем однороднее объекты, тем надёжнее сравнение.
Результаты регистрируют непосредственно во время наблюдения. Для количественных признаков составляют таблицу: указывают дату, вариант, номер объекта, измеренное значение и единицу измерения. Не следует заменять измерения впечатлениями вроде «намного выше» или «выглядит здоровее».
Для каждой группы часто вычисляют среднее значение. Если измерены значения \(x_1, x_2, \ldots, x_n\), среднее арифметическое равно:
При подсчёте доли проросших семян используют отношение числа проросших семян к общему числу семян. В процентах результат умножают на \(100\%\).
Проверяют влияние раствора удобрения на прорастание семян. В контрольной группе из 20 семян проросло 12, в опытной из 20 — 16. Нужно сравнить долю проросших семян.
Вывод не должен быть шире данных. Корректно сказать: «При использованной концентрации и в течение указанного срока удобрение повысило долю проросших семян». Нельзя без дополнительных опытов утверждать, что любая концентрация удобрения всегда полезна.
Обработка данных и вывод
После завершения наблюдений сравнивают варианты по одному и тому же показателю. Удобно представить данные в таблице или на графике. По горизонтальной оси обычно откладывают изменяемый фактор, а по вертикальной — измеряемый результат. Единицы измерения подписывают на осях и в таблице.
Если результаты повторностей различаются, не выбирают «удобное» значение, а анализируют все данные. Вычисляют среднее, отмечают разброс и проверяют, не было ли ошибок измерения. Хороший вывод содержит: исследуемый фактор, направление изменения, условия опыта и подтверждение или опровержение гипотезы.
1. Нет контрольной группы — неизвестно, с чем сравнивать результат. 2. Одновременно изменены несколько факторов — нельзя установить причину. 3. Разные исходные объекты — различия могли существовать до опыта. 4. Слишком мало повторностей — велико влияние случайности. 5. Нет единиц измерения и дат — данные трудно проверить. 6. Вывод сформулирован абсолютными словами «всегда» и «для всех», хотя опыт был ограниченным.
Схема планирования: гипотеза → объект и признак → контроль и опыт → одинаковые условия → повторности → измерения → обработка → вывод.
Quick-test
Проверь подготовку
Главное
- План эксперимента заранее задаёт объект, фактор, варианты, условия, повторности и способы измерения.
- Контрольный и опытный варианты должны различаться только исследуемым фактором.
- Нужно выбирать измеряемый признак, использовать одинаковые исходные объекты и достаточное число повторностей.
- Результаты записывают в таблицы с датами и единицами, затем сравнивают средние или доли.
- Вывод формулируют по данным конкретного опыта и связывают с проверяемой гипотезой.