Onderzoek doen

(wordt verteld door docent +/- 1 minuut)

Voor bijvoorbeeld elektronica, geneesmiddelen en voedingsmiddelen is veel onderzoek nodig.

(Eventueel zou dit filmpje getoond kunnen worden als introductie: http://www.hetklokhuis.nl/onderwerp/onderzoek)

In deze les bespreken we de stappen van wetenschappelijk onderzoek. Aan de hand van een voorbeeld bespreken wij wat er zoal fout kan gaan, want onderzoek doen gaat niet altijd zonder slag of stoten. Het onderwerp van dit voorbeeld is de biologische klok.

(Eventueel zou dit filmpje getoond kunnen worden als introductie op het onderwerp de biologische klok: http://www.schooltv.nl/beeldbank/clip/20070221_bioritme01)

Het is goed om te bestuderen hoe onderzoek in elkaar zit, zodat eigen onderzoek soepeler verloopt.

Leerlingen krijgen inzicht in het doen van onderzoek
Leerlingen leren de schaduwkant van onderzoek kennen

 
Stappen van onderzoek (Wordt voorgelezen door docent of leerling, +/- 20 minuten)

Onderzoeksvraag
Het begint allemaal met een onderzoeksvraag. Welke vraag houd je bezig? Waar ben je benieuwd naar? Wat wil je weten? Dit is meteen al het moeilijkste onderdeel van onderzoek doen.
Een goede onderzoeksvraag moet aan de volgende eisen voldoen:
1. er is één duidelijke vraag
2. de vraag heeft een antwoord dat door onderzoek kan worden verkregen
3. de vraag is niet te moeilijk of te algemeen
 
Neem voldoende tijd voor deze eerste oriëntatie, want deze tijd verdien je later meestal dubbel terug. Pas als de onderzoeksvraag glashelder is ga je verder.
Soms omvat de onderzoeksvraag verschillende deelvragen. Het is dan verstandig om deze deelvragen duidelijk te formuleren, zodat je stap-voor-stap het onderzoek kan gaan uitvoeren.
 
Hypothese
Een veel voorkomende onderzoeksvraag is of een bepaalde hypothese waar of niet waar is. Een hypothese is een veronderstelling, afkomstig van eerder opgedane kennis. Een hypothese moet waar of niet waar kunnen zijn. Of een hypothese waar is of niet kan in de natuurwetenschappen maar op één manier worden bepaald, namelijk door het doen van waarnemingen.
 
Variabelen
Bij je onderzoek moet je ervoor zorgen dat je maar één variabele hebt. De andere meetomstandigheden moeten constant zijn. Dit is belangrijk omdat je anders geen heldere conclusie kan trekken. Je weet immers niet welke variabele invloed heeft op je resultaten. 
 
Werkplan
Het werkplan richt zich op de materialen en de methode die je bij het onderzoek gebruikt. Met een goed doordacht werkplan probeer je achter het antwoord op de onderzoeksvraag te komen. Wil je weten of een hypothese waar is of niet dan moet je werkplan zo ontworpen zijn dat een duidelijk antwoord wordt verkregen. Het werkplan moet beknopt worden opgeschreven, maar ook weer niet tè kort. Een onderzoeker met ongeveer jouw kennis en vaardigheiden moet met de informatie in je werkplan het onderzoek kunnen nadoen. In de natuurwetenschap is een onderzoeksvraag pas echt overtuigend beantwoord als het experiment vaak met hetzelfde positieve resultaat is uitgevoerd. In het werkplan moeten de volgende punten aan de orde komen:

1. Opsomming van de materialen die je nodig hebt. Om er zeker van te zijn dat alles aanwezig is, is het handig om een lijst te maken.
2. Korte beschrijving van de methode. Maak eventueel gebruik van tekeningen, want een tekening kan meer zeggen dan een bladzijde vol tekst.
3. Let op de nauwkeurigheid van je methode. Soms kan iets in theorie wel, maar is de methode niet nauwkeurig genoeg om overtuigende conclusies te kunnen trekken.
4. Tijdens het experimenteren moet je vaak op zoveel dingen letten dat je snel wat vergeet. Het kan handig zijn om tabellen en grafieken alvast voor te bereiden, zodat je ze later alleen maar in hoeft te vullen.
5. Veiligheid staat altijd op de eerste plaats. Als je methode niet veilig is moet je er nooit aan beginnen.
 
Nu de onderzoeksvraag duidelijk is, de relevante variabelen zijn vastgesteld en een betrouwbaar en goed uitvoerbaar werkplan is gemaakt begint het eigenlijke werk: het doen van experimenten.
 
Waarnemen
Waarnemen doe je met je zintuigen en met meetapparatuur. Alle waarnemingen, waarvan jij denkt dat ze van belang zijn, moet je noteren. Ook mislukte experimenten moeten in het labjournaal worden opgeschreven. Bij het waarnemen moet je vooral letten op:
- De nauwkeurigheid van je uitvoering. Vaak zit er belangrijke informatie in kleine details die je gemakkelijk over het hoofd ziet.
- Het verloop van het proces. Wat is het begin, het midden en het einde van het proces?
- Of er patronen te herkennen zijn in de gebeurtenissen.
- Of er iets ongewoons of onverwachts gebeurt. Grote ontdekkingen zijn vaak onverwachte resultaten. De werkelijkheid is niet altijd zoals je denkt. Let dus goed op en ben bereid om je vooroordelen te laten varen.
 
Meetonzekerheid
Geen enkele meting is 100% scherp, altijd is er een meetonzekerheid. Hiervoor zijn twee oorzaken. Ten eerste is er toevallige meetonzekerheid. Dit wordt veroorzaakt doordat kleine invloeden de metingen verstoren. Stoorsignalen die van buiten komen, maar ook elektronische ruis in het meetinstrument zelf, maken dat er kleine veranderingen zijn in de gemeten waarden. De invloed van toevallige meetonzekerheid kan worden verminderd door de meting een aantal keer te herhalen en vervolgens het gemiddelde te nemen. Als je een meting een aantal keer herhaald en het gemiddelde neemt van de resultaten, wordt de proef nauwkeuriger. 
Systematische meetonzekerheid wordt niet veroorzaakt door toevallige fluctuaties, maar doordat het meetinstrument niet helemaal goed geijkt is. Het kan ook zijn dat jij als experimentator steeds opnieuw dezelfde fout maakt, bijvoorbeeld doordat je scheef kijkt bij het aflezen van een vloeistofniveau. Hierdoor meet je iedere keer een waarde die te hoog of te laag is. De meting herhalen en een gemiddelde nemen heeft nu geen zin, want als je steeds te veel of te weinig meet zal het gemiddelde ook te hoog of te laag zijn. Als je het vermoeden hebt dat een systematische meetonzekerheid je onderzoek belemmert zit er niets anders op dan je meetinstrument beter te ijken of je onderzoeksmethode aan te passen.
 
Verwerken van meetgegevens
De eerste actie is om de meetgegevens op een overzichtelijke wijze te ordenen. In de meeste gevallen gaat dit in de vorm van een tabel, een grafiek of een diagram. Het is van belang om in een oogopslag de meetgegevens te kunnen overzien. Hierdoor lukt het beter om patronen en wiskundige verbanden te ontdekken.

 
Discussie
Met de discussie wordt bedoeld het bespreken van de meetgegevens. Hierbij ga je beschrijven welke gedachten er in je opkomen bij het analyseren van de gegevens. In dit onderdeel staat jouw mening centraal. Wat je hebt waargenomen probeer je te koppelen aan de theorie.
 
Conclusies
Nu de meetgegevens zijn geanalyseerd en jouw mening hierover is gevormd wordt het tijd om conclusies te trekken. Conclusies zijn bondig geformuleerd. De conclusies zijn jouw antwoord op de onderzoeksvraag. Als je onderzoeksvraag als hypothese is geformuleerd moet in de conclusies duidelijk zijn of de hypothese waar is of niet.
 
Onderzoek publiceren
Als de fase van onderzoek afgerond is, volgt het publiceren van de resultaten. Op de middelbare school gebeurt dit vaak door middel van een verslag. Onderzoekers op de universiteit schrijven meestal een artikel over hun onderzoek. Dit artikel wordt eerst beoordeeld en na eventuele aanpassingen gepubliceerd in een vaktijdschrift.

 

Nu worden eerst lesopdrachten 1 en 2 gemaakt. De opdrachten staan op het opdrachtenblad (zie pagina 7)

Extra uitleg en informatie (docent vertelt de volgende informatie na de tweede lesopdracht. Na deze uitleg wordt opdracht 3 gemaakt. De uitleg kost ongeveer 5-10 minuten)

Nu jullie weten wat onderzoek theoretisch inhoudt, wordt het tijd de praktische kant van het verhaal te bespreken. Dit doen we aan de hand van een voorbeeld. In dit voorbeeld wordt er onderzoek gedaan naar de biologische klok. De onderzoeker is professor Rohling.

Zoals jullie hebben gemerkt, kunnen er in een onderzoek heel veel onverwachte dingen gebeuren en allerlei problemen ontstaan. Zo zijn er tijdens het onderzoek van professor Jos Rohling ook verschillende dingen misgegaan. Jos Rohling doet onderzoek naar de biologische klok.
Mensen en dieren hebben een biologische klok. Deze klok bepaalt wanneer we wakker zijn, wanneer we slapen en wanneer we willen eten. De klok zorgt ervoor dat je lichaam aangepast is aan het moment van de dag en dat je lichaam kan omgaan met de wisseling van dag naar nacht.
De biologische klok bevindt zich in de hersenen. Door de ligging in de hersenen is de klok verbonden met de ogen. De klok ligt namelijk boven het optisch chiasma. Het optisch chiasma is een plat stuk in de hersenen waar de vezelbanen van de oogzenuwen elkaar kruisen. De klok bestaat uit twee kernen, deze kernen bestaan weer uit tienduizenden neuronen (zenuwcellen). Doordat de klok een specifiek stukje in de hersenen is, is het mogelijk om metingen te doen.
Sinds 1960 wordt er veel onderzoek gedaan naar de biologische klok, de plaats van de klok was toen nog niet bekend. Toen de plaats wel bekend was, ging men over op plaatselijk onderzoek zoals de elektrische activiteit meten van neuronen over een periode van een dag.

Professor Jos Rohling heeft onderzoek gedaan naar het verschijnsel van een jetlag. Zijn onderzoeksvraag was: Wat is het effect op de biologische klok als men het licht- en donkerritme verandert?
Hij ging te werk op de volgende manier: bij een normaal licht-en-donker ritme is het eerst 12 uur licht, daarna 12 uur donker en daarna weer 12 uur licht enz. Het doel van het onderzoek was om te kijken wat er gebeurt met de activiteit van de neuronen als het opeens 18 uur licht was en daarna weer gewoon 12 uur donker. Dit is het verschijnsel van een jetlag als je bijvoorbeeld van hier naar Amerika vliegt. Hij voerde zijn proeven uit met behulp van muizen.

Tijdens het onderzoek kwam de professor enkele obstakels tegen. Een enkel neuron in de biologische klok kreeg namelijk opeens 2 pieken per 24 uur in plaats van 1. Doordat ze geen idee hadden hoe dit kwam, konden ze niet verder met hun onderzoek. (+ plaatje). De onderzoeksgroep van Jos Rohling heeft het probleem van de twee pieken opgelost door de eerste vraagstelling op 'hold' zetten en vervolgens met behulp van een nieuwe vraagstelling verder gaan met het onderzoek. Dit kwam dus niet doordat de eerste vraagstelling onduidelijk/niet goed was, maar doordat er onvoorziene resultaten waren die riepen om een nieuwe vraag, ook wel "serendipiditeit" genoemd. 

(Docent vertelt de volgende informatie, dit kost +/- 2 minuten.)

 

Er komt dus veel meer kijken bij onderzoek doen, dan je van tevoren misschien zou verwachten. Voordat je onderzoek gaat doen, moet je eerst heel goed weten wat je wil onderzoeken en hoe je dat onderzoek gaat betalen. Vervolgens zijn er tijdens het onderzoek ook allerlei momenten waarop het soms moeilijk is, bijvoorbeeld onvoorziene resultaten of proeven die mislukken. Daarnaast is er natuurlijk de tijdsdruk, omdat vaak meerdere onderzoeksgroepen onderzoek doen naar een gelijksoortig onderwerp. Nadat je uiteindelijk resultaten hebt, moeten deze ook nog verwerkt worden in een artikel dat vervolgens goedgekeurd moet worden door de reviewers.
Ondanks deze moeilijkheden die je tijdens het onderzoek tegen kunt komen, is onderzoek doen natuurlijk ook heel erg leuk! Wanneer de resultaten van jouw onderzoek goed genoeg zijn, en jouw artikel in een wetenschappelijk blad verschijnt, ben jij degene die iets ontdekt heeft wat niemand daarvoor nog wist.

Napraten (Zo kan de docent achterhalen of de leerlingen wat hebben geleerd van de les.)

Om te achterhalen of de leerdoelen (leerlingen krijgen inzicht in het doen van onderzoek & leerlingen leren de schaduwkant van onderzoek kennen) bereikt zijn, kunt u de volgende vragen met de klas doornemen: