Наверное, каждый в своей жизни проводил научный эксперимент. Наука изменчива, к ней можно отнести: строительство вулкана из пищевой соды в начальной школе, испытания нового рецепта закваски во время пандемии. Однако многих людей пугают научные эксперименты и данные. Независимо от профессии умение понимать эксперименты и интерпретировать данные — невероятно полезный навык. В этом уроке предпринята попытка раскрыть основы научных экспериментов, научный метод и некоторые различные способы представления данных.
Научные эксперименты включают первоначальные наблюдения, которые приводят к формулировке гипотезы, которая является проверяемым объяснением наблюдаемого явления. Эксперимент строится вокруг гипотезы, чтобы проверить ее обоснованность. Данные, собранные в ходе эксперимента, могут быть представлены в виде диаграмм, графиков или научных публикаций. Важно уметь читать график и диаграмму, чтобы знать, принимать или нет гипотезу. На основе результатов может быть сформирована и проверена новая гипотеза.
Основами научного эксперимента являются:
- Делайте наблюдения
- Сформулируйте гипотезу
- Спланируйте и проведите эксперимент
- Собирайте и оценивайте данные
- Принимайте или отвергайте гипотезу
- При необходимости сформулируйте новую гипотезу.
Создание и чтение графиков для экспериментов
При сборе данных эксперимента обсуждаются различные переменные. Независимая переменная — это причина и то, чем манипулируют. Ее еще называют переменной x. «Зависимая» переменная — это эффект и то, на что влияет изменяющаяся независимая переменная. Она называется переменной y. Например, если исследователь хочет посмотреть, по-разному ли люди разного пола реагируют на звук плача ребенка. Исследователь проводит эксперимент по проверке нейронных реакций разных людей во время прослушивания записи плачущего ребенка. Пол — это переменная, которой манипулируют (независимая переменная). Нейронные реакции — это наблюдаемая переменная (зависимая переменная).
Типы переменных:
- Независимая переменная (x): причина, чем манипулируют для проверки гипотезы.
- Зависимая переменная (y): эффект, на что влияет независимая переменная.
Данные также могут быть числовыми или категориальными. Числовые данные — это данные в форме чисел. Категориальные данные не являются числовыми, например названия стран. Тип используемого графика или диаграммы во многом зависит от того, являются ли используемые данные строго числовыми, строго категориальными или их комбинацией.
Типы данных включают в себя:
- Числовые данные: цифры
- Категориальные данные: нечисловые значения (например, названия стран).
Линейные графики и таблицы
Линейные графики и таблицы — это два способа записи независимых и зависимых переменных. Они позволяют исследователям наблюдать тенденции, что помогает делать выводы о данных. Таблица — самый простой способ сделать это. В таблицах значения x и y перечислены рядом друг с другом. На линейном графике эти значения x и y отображаются, как точки данных (x, y) на графике. Линейные графики сравнивают числовые данные и создают наглядное представление тенденций. Линейный график имеет две оси: ось X и ось Y. Ось X горизонтальна и используется для построения всех независимых значений X. Ось Y является вертикальной и используется для построения всех зависимых значений Y.
Интерпретация графиков и диаграмм
Важно знать, как интерпретировать данные графиков и диаграмм, поскольку они являются одними из наиболее распространенных моделей, используемых в научных экспериментах. Для разных типов данных требуются разные графики и диаграммы. Способы понимания информации, содержащейся в этих диаграммах и графиках, также различаются. Различные модели включают линейные графики, гистограммы, круговые диаграммы и блок-схемы.
Линейные графики
Линейный график отображает независимые (x) и зависимые (y) переменные на графике, чтобы создать визуальный тренд. График содержит ось X и ось Y. Ось X является горизонтальной осью. Ось Y — это вертикальная ось. Переменные представлены в виде «пар координат», которые записываются «(x, y)». Линейные графики используются при сравнении строго числовых данных и полезны при сравнении небольших изменений тренда с течением времени.
Рассмотрим следующий простой пример. Студент хочет увидеть, как меняется температура каждое лето в течение пяти лет. Они решают понаблюдать за количеством дней с июня по сентябрь, когда температура достигает 100 градусов и более. Они записывают эти данные каждое лето в течение пяти лет. В 1990 году было два дня, когда температура достигала 100 градусов и выше. В 1991 году их было 4. В 1992 году их было 6. В 1993 году их было 8. В 1994 году их было 10. Независимыми переменными, значениями x, являются годы (1990, 1991, 1992, 1993 и 1994 годы). ). Зависимые переменные, значения y, представляют собой количество жарких дней (2, 4, 6, 8 и 10). Следовательно, пары координат: (1990,2), (1991,4), (1992,6), (1993,8) и (1994,10). Эти пары координат отображаются на графике как отдельные точки данных и соединяются линией, чтобы показать тенденцию.
Линейный график, показывающий количество жарких летних дней в период с 1990 по 1994 год.
Использование линейного графика обеспечивает визуальное представление данных в перспективе. В этом примере линейный график показывает постоянное увеличение количества жарких дней каждый год. Используя этот график, учёный может предсказать, что в следующем 1996 году жарких дней будет ещё больше. Описания графиков также полезны при интерпретации данных.
Гистограммы
Гистограмма не используют пары координат. Вместо этого для обозначения различных значений используются прямоугольные полосы. Высота полосы пропорциональна значению представленных данных. Гистограммы могут отображать данные вертикально или горизонтально. В то время как линейные графики полезны для сравнения небольших изменений тенденции с течением времени, гистограмма полезна для сравнения более крупных изменений или различий в данных между различными группами. Кроме того, гистограммы можно использовать с нечисловыми данными. Ниже приведено изображение базовой гистограммы.
Базовая гистограмма
На этом изображении пять полос разного цвета. Каждая полоса представляет собой независимую группу переменных. Высота столбца, указанная на оси Y, пропорциональна значению Y. Предположим, гистограмма представляет собой средний возраст жителей разных американских городов. Каждая полоса будет представлять отдельный город (x). Высота столбца представляет собой средний возраст (годы). Например, если оранжевая полоса представляет Чикаго, а темно-фиолетовая полоса представляет Нью-Йорк, на диаграмме видно, что средний возраст в Чикаго выше, чем средний возраст в Нью-Йорке. Средний возраст в Чикаго и Нью-Йорке составит 50 и 40 лет соответственно.
Круговые диаграммы
Круговые диаграммы — один из самых простых способов представления данных. Они полезны при сравнении процентов. Каждый «кусок» пирога представляет собой процент от всей совокупности или набора данных. Различные срезы являются независимыми переменными (x), а размер среза — зависимой переменной (y). Ниже приведено изображение базовой круговой диаграммы.
Круговая диаграмма, представляющая процент торгового дефицита США по странам.
На этой круговой диаграмме торговый дефицит США представлен по странам. Весь график отражает общий торговый дефицит США. Каждый кусок пирога представляет разные страны, перед которыми мы в долгу. Чем больше доля, тем больше дефицит. Самый большой кусок красного цвета, что означает, что больше всего в долг у США перед Китаем. Эта часть представляет собой 343 миллиарда долларов и 47,2% общего дефицита.
Блок-схемы
Линейные графики, гистограммы и круговые диаграммы полезны при сравнении наборов числовых данных, а блок-схемы полезны при сравнении нечисловых понятий. Блок-схема — это диаграмма, на которой концепции или этапы процесса показаны относительно друг друга. Эти диаграммы упрощают сложные отношения или процедуры, показывая этапы процесса в последовательном порядке. Хотя они не предоставляют числовых данных, блок-схемы часто используются в науке для демонстрации причинно-следственных связей. Ниже приведен пример блок-схемы.
Блок-схема петли отрицательной обратной связи ACTH
На этом изображении петля отрицательной обратной связи ACTH эффективно отображается в виде блок-схемы. Стрелки между различными системами организма представляют собой последовательное взаимодействие между ними. Блок-схема начинается в гипоталамусе. Когда уровень кортизола в крови низкий, гипоталамус вырабатывает гормон, называемый CRH. CRH стимулирует гипофиз, который, в свою очередь, высвобождает в кровоток другой гормон, ACTH. Высокий уровень ACTH в крови обнаруживается корой надпочечников, вызывая выработку кортизола. Кортизол в крови заставляет гипофиз и надпочечники замедлять выработку КРГ и ACTH. Это замедляет выработку кортизола, и когда уровень кортизола становится достаточно низким, цикл начинается снова.
Итог урока
Научные эксперименты состоят из шести этапов: наблюдение, формирование гипотезы, планирование и проведение эксперимента, сбор и оценка данных, принятие или отклонение гипотезы и создание новой гипотезы, если это необходимо. Данные, собранные в ходе эксперимента, можно отобразить разными способами. Это позволяет исследователям анализировать данные и наблюдать тенденции. Различные типы научных графиков и диаграмм и случаи их использования включают в себя:
- Линейный график: при сравнении небольших изменений тренда с течением времени, при сравнении только числовых данных.
- Гистограмма: при сравнении больших изменений или различий в данных между разными группами, при сравнении числовых и категориальных данных.
- Круговая диаграмма: при сравнении процентов, при сравнении числовых и категориальных данных.
- Блок-схема: при показе взаимосвязи между понятиями, этапами процесса, при сравнении нечисловых данных.
Каждый метод требует анализа данных по-своему. Например, линейные графики изображают отношения между зависимыми и независимыми переменными путем нанесения пар координат вдоль осей X и Y. Ось X горизонтальна и отображает независимую переменную. Независимая переменная является причиной и не зависит от других переменных. Ось Y вертикальна и отображает зависимую переменную, на которую влияет независимая.
Часто задаваемые вопросы
Как анализировать данные на графике?
Чтобы проанализировать данные на графике, необходимо учитывать независимые и зависимые переменные. Независимая переменная (x) является причиной, а зависимая переменная (y) — следствием. Эти переменные отображаются в парах координат вдоль осей x и y, чтобы наблюдать тенденции в данных.
Как вы читаете графики и таблицы?
Графики и таблицы читаются с точки зрения их значений x и y. X-значения представляют собой независимую переменную, причину. Значения Y представляют собой зависимую переменную, эффект.
Вы читаете графики слева направо или справа налево?
Линейные графики читаются слева направо, как вы читаете книгу. Гистограммы и круговые диаграммы можно интерпретировать, не читая в определенном направлении. Блок-схемы необходимо читать в последовательном порядке, следуя стрелкам на диаграмме.
