Vidensmål i videnskabsfaget biologi
Som et naturvidenskabeligt fag søger biologi at formulere teorier, der beskriver og forklarer sammenhænge mellem og strukturer i biologiske fænomener og deres relation til resten af naturen. Faget søger også at kortlægge og kategorisere biologiske fænomener. Biologien er således ikke alene en nomotetisk videnskab, men er også en ideografisk videnskab qua fagets naturhistoriske element.
De nomologiske udsagn i biologi kan deles op i to grupper. Den ene type nomologiske udsagn udtrykker mekanistiske årsagsforklaringer og den anden teleologiske (formålsrettede) forklaringer. (At træet skal både have vand, ilt og sollys for at overleve er en mekanistisk årsagsforklaring. Træets stræber op mod himlen for at modtage mere sollys og ikke stå i skyggen af andre træer er en formålsforklaring.)
Endelig skelnes der i biologien også mellem årsagslove og empiriske love, hvor sidstnævnte blot er generaliseringer af naturfænomenerne ud fra deres egenskaber og udtaler sig om det typiske. Sagt med andre ord forklarer årsagslove naturfænomener inden for biologiens genstandsfelt, hvorimod empiriske love blot beskriver disse naturfænomener.
Der er ofte ikke en streng kausalitet i forklaringer af i biologiske fænomener, da disse fænomener og relationerne i mellem dem er meget komplekse. Der er ofte mere end en bestemt årsag og en bestemt virkning/formål. Der derimod tale om multikausalitet. Årsager kan derfor opfattes som INUS-betingelser (an Insufficient but Necessary part of a condition which is itself Unnecessary but Sufficient for the result)).
Metoder i videnskabsfaget biologi.
Vidensmålene i videnskabsfaget biologi udstikker retningslinierne for metoder der anvendes inden for faget. Det græske ord methodos kommer af ordene meta og hodos, som betyder henholdsvis efter og vej. Så metode betyder noget i retning af ”den vej man går efter”. Valget af hvilken vej man skal gå er en del af ens metode i den forstand, at det er en valgt strategi for at producere viden/teori. Hvordan man går den valgte vej er mere praktisk orienteret metodevalg, hvor man søger at opnå størst mulig reliabilitet og validitet.
Hypotesetestende og explorative undersøgelser. Metodevalg afhænger i biologifaget af, hvorvidt man søger at udarbejde empirisk viden eller formulere og teste kausale lovmæssigheder.
I explorative undersøgelser har formålet med indsamlingen og kategoriseringen af empiri værdi i sig selv (kortlægning af det menneskelige genom eller af undersøgelse af biodiversiteten i et geografisk område er eksempler her denne type undersøgelse). Explorative undersøgelser tager ofte udgangspunkt i forudbestemte kategoriseringer (eksempelvis at indordne fundne planter i Linnets kategoriseringssystem), men kan også have til formål at opstille kategorier på baggrund af den nyerhvervede viden. Explorative undersøgelser kan desuden have til formål at være hypoteseformulerende på baggrund af den nyerhvervede viden (eksempelvis Darwins arbejde).
I modsætning til explorative undersøgelser tager hypotesetestende undersøgelse udgangspunkt i at undersøge en teoretisk eller empirisk funderet hypotese. Ud fra hypotesen udleder man en konsekvens som følger af hypotesen og dernæst undersøger man empirisk om denne konsekvens følger. Eksempelvis kan vi have hypotesen, at dannelse af DNA kræver fosfat. En konsekvens der følger af denne hypotese er at planter er afhængige af fosfat i jorden, som de gror i. Denne konsekvens kan undersøges empirisk, hvormed hypotesen bekræftes eller afvises.
Anvendte metoder. Der er en række forskellige metoder der kan bringes i anvendelse i biologiske undersøgelser. I en vis udstrækning er der en sammenhæng mellem de anvendte metoder, undersøgelsens formål (hypotesetestende eller eksplorativ) samt kompleksiteten af det studerede fænomen.
Som det fremgår af ovenstående skelnen mellem eksplorative og hypotesetestende undersøgelser, så vil observationer være mere typiske for eksplorative undersøgelser og eksperimenter i laboratorier være mere typiske for hypotesetestende undersøgelser.
Desuden er det et generelt træk at observationer ikke forsøger eller har til formål at reducere kompleksiteten af de naturfænomener som undersøges, hvorimod eksperimenter i laboratorier netop undersøger et reduceret (og dermed mindre kompleks) fænomens faktorer/egenskaber en ad gangen (holdende de andre relevante faktorer/egenskaber konstante) for således at formulere årsagsforklaringer.
Man kan derfor opstille følgende tre metoder inden for biologifaget i nedenstående rækkefølge, startende med de mest explorative og antireduktionistiske metoder og sluttende med de mest hypotesetestende og reduktionistiske metoder.
1) Observationer. Her griber man ikke ind i naturen men iagttager den. Disse observationer kan både være kvalitative (farver, lugte, lyde, aggression etc.) og kvantitative (eksempelvis antal fugle i flokken).
2) Feltundersøgelser. Her laves målinger ude i naturen og indhentes prøver fra naturen. Der er stor variation i data fra en feltundersøgelse, da det ikke er muligt at lave kontrollerede målinger i naturen. Til gengæld fås et virkeligt (og komplekst) billede af den undersøgte del af naturen. Denne variation kan undersøges nærmere eller søges reduceret ved at foretage flere målinger og indhente flere prøver. Epidemiologiske undersøgelser er en særlig form for feltundersøgelse, som undersøger sygdomshyppigheden og sygdomsårsager i en befolkningsgruppe. Eksempelvis kunne man undersøge kræfthyppigheden hos folk, der har natarbejde. Epidemiologiske undersøgelse kan benytte både kvalitative metoder (primært til at afdække sygdomsårsagerne, der kan have både sociologiske, psykiske og kulturelle aspekter) og kvantitative metoder (både til at afdække sygdomshyppighed og sygdomsårsager). Man benytter også statistisk behandling af data, da nogle biologiske fænomener er så komplekse (som eksempelvis en øget hyppighed af kræft hos natarbejdere), at det langt fra er muligt at have overblik over og styr på alle relevante faktorer. Derfor er det nødvendigt med mange observationer/forsøg for at danne en tilstrækkelig stor datamængde til statistisk tolkning.
3) Eksperimenter i laboratorier. Her bringes dele af naturen ind i et laboratorium for at kunne udføre kontrollerede eksperimenter. På grund af kompleksiteten af biologiske fænomener, benyttes ofte sammenlignende eksperimenter/forsøg (kontrollerede forsøg), hvor en faktor varieres og de andre faktorer holdes konstante. Eksempelvis kunne en undersøgelse af planters behov for vand, kuldioxid og lys holde mængden af vand og kuldioxid konstant mens man ændrede på lysstyrken. Det sammenlignende i sådant et eksperiment ligger i, at man sideløbende har flere eksperimenter i gang med hver sin lysstyrke for således at kunne sammenligne udfaldet af forsøget for forskellige lysstyrker.
Ovenstående valg og brug af metoder skal sikre, at vi får målt på det rigtige i forhold til vores undersøgelses formål/problemstilling. Med andre ord sikrer et fornuftigt metodevalg undersøgelsens validitet. Der er desuden en række konkrete måleteknikker og målemetoder (forsøgsdesign) knyttet til ovenstående metoder. Et fornuftig valg af forsøgsdesign sikrer dels undersøgelsens validitet og dels at man får målt så præcist som muligt (reliabilitet).
Metoder i gymnasiefaget biologi.
Ovenstående fremstilling af metoder i biologi er ikke beskrevet i Bekendtgørelsen, der kun nævner biologiske metoder. Dog er følgende beskrivelse af eksperimentelt arbejde i Vejledningen for Biologi A i fin tråd med ovenstående afsnit “Anvendte metoder”:
“Betegnelsen eksperimentelt arbejde omfatter elevernes arbejde med forskellige aktiviteter:
- indøvelse af konkrete metoder og teknikker, fx brug af mikroskop, måling af blodtryk, måling af iltindhold, tælling af gærceller, sterilteknik, podning o.l.
- iagttagelser, undersøgelser og målinger i laboratoriet og i felten fx flora- og faunaundersøgelser, vandforureningsundersøgelser, kostundersøgelser o.l.
- kontrollerede forsøg til afprøvning af, om/hvorvidt opstillede hypoteser kan accepteres eller skal revideres, fx forskellige faktorers indflydelse på gæringens hastighed, næringssaltes betydning for plantevækst, arbejdsfysiologiske forsøg o.l.
- interviews og spørgeskemaundersøgelser, fx arbejdspladsinterviews, undersøgelser vedrørende rygning og forbrug af rusmidler, elevernes egen sundhedsadfærd o.l.”