ระเบียบวิธีแบบวิทยาศาสตร์

ระเบียบวิธีแบบวิทยาศาสตร์ (อังกฤษ: scientific method) หรือ กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ (scientific process) เป็นหลักการพื้นฐานของการตรวจสอบและเสาะหาความรู้ใหม่แบบวิทยาศาสตร์ ที่ใช้หลักฐานทางกายภาพ นักวิทยาศาสตร์เสนอความเชื่อใหม่เกี่ยวกับโลกในรูปของทฤษฎีที่ผ่านขั้นตอนของ การสังเกต, การตั้งสมมติฐาน, และการอนุมาน ผลการทำนายของทฤษฎีเหล่านี้จะถูกทดสอบด้วยการทดลอง ถ้าผลการทำนายนั้นถูกต้องหรือสอดคล้องกับการทดลอง ทฤษฎีดังกล่าวจะถูกเก็บไว้ ทฤษฎีที่ความน่าเชื่อถือจะถูกนำไปทดลองซ้ำเพื่อยืนยันความถูกต้องเพิ่มเติม ระเบียบวิธีนี้ถูกจัดให้เป็นตรรกะสำคัญของธรรมเนียมปฏิบัติทางวิทยาศาสตร์ โดยสาระสำคัญนั้นระเบียบวิธีแบบวิทยาศาสตร์คือวิธีการที่รอบคอบมาก สำหรับสร้างความเข้าใจ ที่มีหลักฐานและยืนยันได้เกี่ยวกับโลก

องค์ประกอบ

องค์ประกอบสำคัญของระเบียบวิธีแบบวิทยาศาสตร์คือการวนซ้ำของขั้นตอนด้านล่าง และการใช้วิธีดังกล่าวซ้ำภายในขั้นตอนย่อย:

1. การระบุลักษณะเฉพาะ (Characterization)
2. การตั้งสมมติฐาน (การสร้างคำอธิบายเชิงทฤษฎีที่มีความเป็นไปได้)
3. การทำนายผล (การอนุมานเชิงตรรกศาสตร์จากสมมติฐาน)
4. การทดลอง (การทดสอบขั้นตอนทั้งหมด)

ขั้นตอนด้านบนคือระเบียบวิธีแบบสมมติฐาน-อนุมาน และใช้การสังเกตในขั้นตอนแรกและขั้นตอนที่สี่ แต่ละขั้นตอนจะต้องผ่านกระบวนการ peer review เพื่อป้องกันความผิดพลาด กิจกรรมเหล่านี้ไม่ได้ระบุสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ทำทั้งหมด (ดูด้านล่าง) แต่อธิบายถึงวิทยาศาสตร์เชิงทดลอง (เช่น ฟิสิกส์ และเคมี) ขั้นตอนด้านต้นมักใช้ในการเรียนการสอนและการศึกษา¹

การระบุลักษณะเฉพาะ

การระบุลักษณะเฉพาะ ประกอบด้วยการสังเกต (Observation) และการตั้งปัญหา (Problem) การสังเกต (Observation)

วิธีการทางวิทยาศาสตร์มักจะเริ่มจากการสังเกตปรากฏการณ์ต่างๆ ที่อยู่รอบๆ ตัวเรา เมื่อได้ข้อสังเกตบางอย่างที่เราสนใจจะทำให้ได้สิ่งที่ตามมาคือ ปัญหา (Problem) เช่น

การสังเกต:

"ต้นหญ้าใต้ต้นไม้ใหญ่ หรือต้นหญ้าที่อยู่ใต้หลังคามักจะไม่งอกงาม ส่วนต้นหญ้าในบริเวณใกล้เคียงกันที่ได้รับแสงเจริญงอกงามดี"

การตั้งปัญหา:

• "แสงแดดมีส่วนเกี่ยวข้องกับการเจริญงอกงามของต้นหญ้าหรือไม่"
• "แบคทีเรียในจานเพาะเชื่อเจริญช้าไม่งอกงามถ้ามีราสีเขียวอยู่ในจานเพาะเชื้อนั้น"

การตั้งปัญหานั้นสำคัญกว่าการแก้ปัญหา" เพราะ การตั้งปัญหาที่ดีและชัดเจนจะทำให้ผู้ตั้งปัญหาเกิดความเข้าใจและมองเห็นลู่ทางของการค้นหาคำตอบเพื่อแก้ปัญหาที่ตั้งขึ้น ดังนั้นจึงต้องหมั่นฝึกการสังเกตสิ่งที่สังเกตนั้น:

• เป็นอะไร? (What?)
• เกิดขึ้นเมื่อไร?(When)
• เกิดขึ้นที่ไหน?(Where)
• เกิดขึ้นได้อย่างไร?(How)
• ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น?(Why)

การตั้งสมมติฐาน

ก่อนที่นักวิจัยจะทำการวิจัยเรื่องใด ๆ ก็ตาม มักจะตั้งข้อสันนิษฐานขึ้นก่อนว่าสิ่งนั้นควรจะเป็นอย่างไร ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์ เมื่อเกิดปัญหาขึ้นว่าทำไมแม่เหล็กจึงดูดเหล็กหรือแม่เหล็กด้วยกันได้ ก่อนที่จะทำการค้นหาสาเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์ต้องตั้งข้อสันนิษฐานขึ้นว่า อณูทุก ๆ อณูของเหล็กธรรมดาเป็นแม่เหล็กอยู่แล้ว แต่มันไม่เรียงได้อนุกรมกันจึงไม่มีอำนาจแม่เหล็ก ข้อสันนิษฐานที่กล่าวนี้เรียกว่า สมมุติฐาน หรือ Hypothesis

การตั้งสมมติฐานที่ดีควรมีลักษณะดังนี้

1. เป็นสมมติฐานที่เข้าใจง่าย มักนิยมใช้วลี "ถ้า…ดังนั้น"
2. เป็นสมมติฐานที่แนะลู่ทางที่จะตรวจสอบได้
3. เป็นสมมติฐานที่ตรวจได้โดยการทดลอง
4. เป็นสมมติฐานที่สอดคล้องและอยู่ในขอบเขตข้อเท็จจริงที่ได้จากการสังเกตและสัมพันธ์กับปัญหาที่ตั้งไว้

สมมติฐานที่เคยยอมรับอาจล้มเลิกได้ถ้ามีข้อมูลจากการทดลองใหม่ๆ มาลบล้าง แต่ก็มีบางสมมติฐานที่ไม่มีข้อมูลจากการทดลองมาคัดค้านทำให้สมมติฐานเหล่านั้นเป็นที่ยอมรับว่าถูกต้อง เช่น สมมติฐานของเมนเดลเกี่ยวกับหน่วยกรรมพันธุ์ ซึ่งเปลี่ยนกฎการแยกตัวของยีน หรือสมมติฐานของอโวกาโดรซึ่งเปลี่ยนเป็นกฎของอโวกาโดร

การทดลอง

การทดลอง เป็นกระบวนการปฏิบัติ หรือหาคำตอบหรือตรวจสอบสมมติฐานที่ตั้งไว้โดยการทดลองเพื่อทำการค้นคว้าหาข้อมูลและตรวจสอบดูว่าสมมติฐานข้อใดเป็นคำตอบที่ถูกต้องที่สุด ประกอบด้วยกิจกรรม 3 กระบวนการ คือ

1. การออกแบบการทดลอง คือการวางแผนการทดลองก่อนที่จะลงมือปฏิบัติจริง โดยให้สอดคล้องกับสมมติฐานที่ตั้งไว้เสมอ และควบคุมปัจจัยหรือตัวแปรต่างๆ ที่มีผลต่อการทดลอง แบ่งได้เป็น 3 ชนิด คือ

• ตัวแปรอิสระหรือตัวแปรต้น (Independent Variable or Manipulated Variable) คือปัจจัยที่เป็นสาเหตุทำให้เกิดผลการทดลองหรือตัวแปรที่ต้องศึกษาทำการตรวจสอบดูว่าเป็นสาเหตุที่ก่อให้เกิดผลเช่นกัน
• ตัวแปรตาม (Dependent Variable) คือ ผลที่เกิดจากการทดลอง ซึ่งต้องใช้วิธีการสังเกตหรือวัดผลด้วยวิธีการต่างๆ เพื่อเก็บข้อมูลไว้ และจะเปลี่ยนแปลงไปตามตัวแปรอิสระ
• ตัวแปรที่ต้องควบคุม (Control Variable) คือปัจจัยอื่นๆ ที่นอกเหนือจากตัวแปรต้นที่มีผลต่อการทดลอง และต้องควบคุมให้เหมือนกันทุกชุดการทดลอง เพื่อป้องกันไม่ให้ผลการทดลองเกิดความคลาดเคลื่อน

ในการตรวจสอบสมมติฐาน นอกจากจะควบคุมปัจจัยที่มีผลต่อการทดลองจะต้องแบ่งชุดการทดลองออกเป็น 3 ชุด ดังนี้

1. ชุดทดลอง หมายถึง ชุดที่เราใช้ศึกษาผลของตัวแปรอิสระ
2. ชุดควบคุม หมายถึง ชุดของการทดลองที่ใช้เป็นมาตาฐานอ้างอิง เพื่อเปรียบเทียบข้อมูลที่ได้จากการทดลอง ซึ่งชุดควบคุมนี้จะมีตัวแปรต่างๆ เหมือนชุดทดลองแต่จะแตกต่างจากชุดทดลองเพียง 1 ตัวแปรเท่านั้น คือตัวแปรที่เราจะตรวจสอบหรือตัวแปรอิสระ

2. การปฏิบัติการทดลอง ในกิจกรรมนี้จะลงมือปฏิบัติการทดลองจริงโดยจะดำเนินการไปตามขั้นตอนที่ได้ออกแบบไว้ และควรจะทดลองซ้ำๆ หลายๆ ครั้งเพื่อให้แน่ใจว่าได้ผลเช่นนั้นจริง

3. การบันทึกผลการทดลอง หมายถึง การจดบันทึกที่ได้จากการทดลองซึ่งข้อมูลที่ได้นี้สามารถรวบรวมไว้ใช้สำหรับยืนยันว่าสมมติฐานที่ตั้งไว้ถูกต้องหรือไม่

ในบางครั้งข้อมูลอาจได้มาจากการสร้างข้อเท็จจริง เอกสาร จากการสังเกตปรากฏการณ์ หรือจากการซักถามผู้รอบรู้ แล้วนำข้อมูลที่ได้มานั้นไปแปรผลและลงข้อสรุปในต่อไป ดั้งนั้น การรวบรวมข้อมูลเป็นสิ่งจำเป็นในวิธีการทางวิทยาศาสตร์

ตัวอย่าง

เมื่อคาดคะเนคำตอบว่า "แสงแดดทำให้ต้นหญ้าเจริญงอกงาม ดังนั้นต้นหญ้าที่ถูกแสงแดดจะเจริญงอกงาม ส่วนต้นหญ้าที่ไม่ถูกแสงแดดจะไม่เจริญงอกงามหรือเฉาตายไป" ดังนั้นในขั้นนี้จะเป็นขั้นที่จะตรวจสอบว่า คำตอบที่เราคาดคะเนไว้นี้จะถูกต้องหรือไม่ โดยอาจออกแบบการทดลองได้ดังนี้

นำต้นหญ้า (หรือพืชชนิดอื่นก็ได้เช่นถั่วเขียวที่ต้องเหมือนกันทั้ง 2 กลุ่มชุดการทดลอง) ปลูกในทีมีแสงแดด ส่วนอีกหนึ่งกลุ่มปลูกใช้สังกะสีมาครอบไว้ไม่ให้ได้รับแสงแดด (จัดชุการทดลองและชุดควบคุมให้เหมือนกันทุกประการยกเว้นการได้รับแสงแดด กับไม่ได้รับแสงแดด) ทำการควบคุมทั้งปริมาณน้ำที่รดทั้ง 2 กลุ่มนี้เท่าๆ กัน ประมาณ 2 สัปดาห์ ทำการสังเกตและบันทึกผล

• ตัวแปรต้นหรือตัวแปรอิสระ คือ แสงแดด
• ตัวแปรตาม คือ ต้นหญ้าเจริญงอกงาม (หรือการเจริญเติบโตของต้นหญ้า)
• ตัวแปรที่ต้องควบคุม คือ ปริมาณน้ำ, ชนิดของดิน, ปริมาณของดิน, ชนิดของกระถางที่ใช้ปลูก, ชนิดของต้นหญ้า

นำข้อมูลที่ได้มาวิเคราะห์หาค่าเฉลี่ยความสูงของต้นหญ้า หรือการนำจำนวนใบของต้นหญ้า ซึ่งเราพบว่าต้นหญ้าที่ได้รับแสงแดดจะเจริญเติบโตงอกงามดีส่วนต้นหญ้าที่ไม่ได้รับแสงแดดจะมีสีเหลืองหรือสีขาวซีด และไม่งอกงาม จากนั้นก็สรุปผลการทดลอง

เชิงอรรถ

เชิงอรรถ 1: ผู้สอนที่ใช้การแสวงหาความรู้เพื่อเป็นเครื่องมือในการสอน บางครั้งจะใช้ขั้นตอนที่ดัดแปลงจากระเบียบวิธีแบบวิทยาศาสตร์ โดยที่จะเปลี่ยนขั้นตอนแรกจาก "การระบุลักษณะเฉพาะ" เป็นการตั้งปัญหา