חקר בביולוגיה: להגדיר משתנים ולהסיק רק מה שהנתונים מאפשרים

מתחילים בשאלה שאפשר לבדוק

שאלה כמו ״איך אור משפיע על צמחים?״ רחבה מדי למשימה מצומצמת. בדוגמה לימודית אפשר לשאול מהו ההבדל באורך שתילים מאותו סוג לאחר שבוע בשני משכי תאורה מוגדרים. צריך לקבוע גם כיצד ומתי מודדים.

תוכנית הביולוגיה של משרד החינוך עוסקת בין השאר בניסויים, בתצפיות ובדרכי חשיבה מדעיות. הדוגמה במדריך היא תרגיל חשיבה עם נתונים שהומצאו לצורך ההסבר; היא אינה דיווח על ניסוי שבוצע.

מגדירים מה משנים ומה מודדים

בדוגמה, משך התאורה הוא המשתנה הבלתי תלוי, ואורך השתיל הנמדד בסוף השבוע הוא המשתנה התלוי. יש להגדיר מהו ״אורך״: מאיזו נקודה עד איזו נקודה, ובאיזו יחידה. בלי הגדרה עקבית, שתי מדידות עשויות לתאר דברים שונים.

את סוג השתיל, תנאי ההתחלה, המים ויתר תנאי הגידול מבקשים לשמור דומים. אם קבוצת התאורה הארוכה נמצאת גם במקום חם יותר, אי אפשר לייחס בביטחון את ההבדל למשך האור בלבד. זהו גורם מתערב שצריך להביא בחשבון.

קוראים חזרות לפני שמסכמים

נניח שבתרגיל נרשמו הנתונים הדמיוניים הבאים, בסנטימטרים. אין להסיק מהם טענה אמיתית על מין צמח מסוים.

הממוצעים מתארים את הנתונים, אבל אינם מחליפים הסתכלות על המדידות עצמן. שאלו מה היה קורה אילו בקבוצה אחת התקבלה תוצאה חריגה מאוד. אין למחוק תוצאה רק כי אינה מתאימה להשערה; בודקים ומתעדים את הסיבה לכל שינוי בטיפול בנתונים.

מתאימים גרף לשאלה ולסוג הנתונים

לפני ציור הגרף, מציינים מה כל ציר מייצג ומהן היחידות. שתי רמות תאורה אינן מספיקות כדי לקבוע את כל צורת הקשר בין שעות אור לאורך. קו המחבר שתי נקודות אינו מוכיח שהקשר ביניהן ליניארי או שאותו כיוון יימשך מעבר לטווח שנבדק.

אפשר לבקש מהתלמיד לנסח תיאור קצר של הנתונים בלי הסבר סיבתי: בקבוצה של 8 שעות הממוצע היה גבוה מזה שבקבוצה של 4 שעות. אחר כך דנים בנפרד בפרשנות ובמגבלות. לניתוח ממוצעים ושונות בין תוצאות קראו גם על סטטיסטיקה לתיכון.

בונים מסקנה שמכבדת את מגבלות הבדיקה

המשפט ״ככל שמוסיפים אור כל צמח גדל יותר״ חורג מהדוגמה: נבדקו רק שני תנאים, מספר קטן של שתילים וזמן מוגדר. גם אורך אינו מדד יחיד לכל משמעות אפשרית של גדילה או בריאות הצמח.

מסקנה זהירה מתייחסת לתנאים ולמדד שנבדקו, ומציינת אילו הסברים חלופיים עוד צריך לבחון. הבחנה זו דומה לעבודה על ראיה ומסקנה בניתוח מקור, אף שכל תחום דורש כלים משלו.

משתמשים בשיעור כדי לחשוב ולא כדי לקבל דוח מוכן

בבחירת מורה לביולוגיה שאלו איך עובדים על ניסוח שאלה, משתנים ונתונים. התלמיד צריך לבחור, לנמק ולכתוב בעצמו בהתאם להנחיות בית הספר. טקסט מוכן שהמורה מספק אינו מראה שהחקר הובן.

הביאו טבלה או טיוטה עם התלבטות אחת מוגדרת. המדריך על ביולוגיה לבגרות מסייע לתאם את ההכנה הרחבה. ניסויים מעשיים מבצעים רק במסגרת מתאימה ובהנחיית הצוות, לפי ההוראות והציוד הנדרשים למשימה.

מתכננים ניסוי על נביטה לפני שקוראים תוצאות

אפשר לתרגל תכנון ניסוי באמצעות שאלה על השפעת ריכוז מלח על נביטת זרעים. לצורך התכנון מגדירים שלושה ריכוזים ומשתמשים באותו סוג זרעים, באותה כמות נוזל, באותו מספר זרעים בכל כלי ובאותו משך מעקב. הגדרת התנאים אינה קישוט לפתיחה: היא קובעת מה אפשר יהיה להשוות. אין צורך לבצע את הניסוי בבית כדי לעבוד על ההיגיון שלו ועל טבלת הנתונים.

המשתנה הבלתי תלוי הוא ריכוז המלח שנבחר לכל קבוצה. המשתנה התלוי יכול להיות שיעור הזרעים שנבטו לאחר מספר ימים מוגדר. יש לקבוע מראש מה נחשב נביטה, למשל הופעת שורשון לפי הגדרה אחידה, ולא לשנות את ההגדרה אחרי שרואים תוצאות. אם פעם סופרים הופעת שורשון ופעם אורך נצר, הנתונים אינם מודדים את אותה תופעה. אפשר לבחור מדד אחר, אך צריך להגדירו במפורש.

רשמו ליד כל משתנה כיצד הוא נקבע או נמדד. ״מלח״ אינו הגדרה מספקת למשתנה הבלתי תלוי; ריכוז מלח בתמיסה הוא גודל שאפשר להשוות. גם ״מצב הזרעים״ רחב מדי עבור משתנה תלוי. שיעור נביטה לאחר פרק זמן מסוים הוא מדד ברור יותר. כאשר התלמיד מתקשה, בקשו ממנו להסביר מה בדיוק ישתנה בין הכלים ומה בדיוק יירשם בטבלה בסוף הבדיקה.

כותבים השערה שיש דרך לבדוק

השערה אפשרית תהיה שככל שריכוז המלח יעלה בטווח שנבדק, שיעור הנביטה יקטן. זו תחזית על קשר בין שני גדלים מוגדרים. כדי להסביר אותה אפשר לקשר בין תנאי הסביבה לבין קליטת מים בזרע, לפי הידע שנלמד. ההסבר אינו הוכחה מראש שהתחזית נכונה. בניסוי יכולים להתקבל גם תוצאות שאינן תומכות בה, או נתונים שאינם מספיקים להכרעה.

הבחינו בין שאלת חקר, השערה ותוצאה. שאלת חקר שואלת כיצד ריכוז המלח משפיע על שיעור הנביטה בתנאים שנבחרו. השערה מנבאת כיוון שינוי ומציעה בסיס ביולוגי. התוצאה תתקבל רק אחרי המדידה. אם התלמיד כותב תוצאה בתוך תכנון הניסוי כאילו כבר נמדדה, בקשו ממנו לסמן את הזמן שבו כל משפט יכול להיות ידוע: לפני הבדיקה או אחריה.

אפשר גם לתכנן בדיקה שאינה מצפה לקשר ישר. לדוגמה, ייתכן שמדד מסוים יעלה עד טווח מסוים ואז ירד. במקרה כזה צריך לבחור תנאי בדיקה שמאפשרים לבחון את הצורה המשוערת, ולא להסתפק בשתי נקודות ולהכריז על עקומה שלמה. מספר התנאים, מספר החזרות והמשאבים הם חלק מהתכנון. בשאלת בית ספר עובדים לפי הנתונים והדרישות שניתנו, בלי להוסיף מגבלות או יכולות שלא הוגדרו.

מבדילים בין בקרה, תנאים קבועים וחזרות

קבוצת השוואה ללא תוספת מלח יכולה לסייע לפרש את השפעת הטיפול בדוגמה הזו. לעומת זאת, כמות הנוזל ומשך המעקב הם תנאים שחשוב לשמור דומים בין הקבוצות. חזרה על בדיקה בכלים נוספים נועדה לאפשר בחינה של שונות בין יחידות הניסוי. אלה שלושה תפקידים שונים. אין טעם לכתוב את המילים ״בקרה וחזרות״ בלי להסביר מה בדיוק יושווה ומה יבוצע שוב.

נניח שבכל ריכוז יש שלושה כלים, ובכל כלי עשרה זרעים. חשוב להבחין בין הזרעים לבין הכלים. זרעים באותו כלי חולקים תנאים מקומיים, ולכן אין להציג שלושים זרעים באופן אוטומטי כשלושים כלים בלתי תלויים. לצורך תשובת בית ספר ציינו את יחידת הבדיקה כפי שהיא מתוארת ושאלו כיצד התכנון מתמודד עם הבדלים בין כלים. אין צורך במבחן סטטיסטי שלא נלמד כדי לזהות את ההבחנה.

אם הכלי הראשון הונח ליד חלון והשני בארון, הבדל באור עלול להתערב בהשוואת ריכוזי המלח. פתרון מתאים יהיה להשוות תנאי תאורה או לתכנן הקצאה שמפחיתה הטיה, בהתאם לשאלה. ״להוסיף עוד זרעים״ לא מתקן בהכרח את הבדל התאורה. כל הצעת שיפור צריכה לפנות לבעיה מסוימת. הגדלת המדגם והפחתת גורם מתערב הן פעולות שונות, וייתכן שיש צורך בשתיהן.

מחשבים שיעור נביטה ומשווים קבוצות

בטבלת תרגול נבטו שמונה זרעים מתוך עשרה בכלי הראשון, שישה מתוך עשרה בשני וארבעה מתוך עשרה בשלישי. שיעורי הנביטה הם שמונים, שישים וארבעים אחוזים. אם בכל שלושת הכלים היה אותו ריכוז מלח, הממוצע הוא שישים אחוזים. אפשר גם לחשב שמונה עשר זרעים נבטו מתוך שלושים, ולקבל כאן אותו ערך. השוויון נובע ממספר הזרעים הזהה בכל כלי.

אם מספרי הזרעים שונים, ממוצע פשוט של אחוזי הכלים אינו בהכרח השיעור הכולל. בכלי אחד נבט זרע אחד מתוך שניים ובכלי אחר תשעה מתוך עשרה. ממוצע האחוזים הוא שבעים אחוזים, אך השיעור הכולל הוא עשרה מתוך שנים עשר, כלומר כ־83.3 אחוזים. שני החישובים עונים על שאלות שונות. צריך לבחור לפי יחידת הניתוח והניסוח שנדרשו, ולא לפי התוצאה שנראית נוחה.

הפרש בין שמונים לשישים אחוזים הוא עשרים נקודות אחוז. ירידה משמונים לשישים היא ירידה יחסית של עשרים וחמישה אחוזים ביחס לערך ההתחלתי. זהו מקום שבו דיוק מתמטי משפיע על ניסוח התוצאה הביולוגית. אם הקושי חוזר, אפשר לתרגל את ההבחנה בעזרת מדריך האחוזים ולחזור אחר כך לטבלת הניסוי כדי להסביר את המשמעות.

מציגים גרף שמתאים לשאלה

לפני ציור גרף קבעו מה יוצג בכל ציר ומהן היחידות. אם מציגים ריכוזים מספריים, צריך לשמור על משמעות המרחקים ביניהם. ריכוזים אפס, אחד וחמישה אינם שלוש נקודות במרחקים מספריים שווים. אם מציגים קבוצות בעלות שמות שאינם גודל רציף, ייתכן שתרשים עמודות יתאים יותר. הבחירה צריכה לסייע לקריאת הנתונים ולא רק לחקות את הגרף האחרון שנראה במחברת.

כותרת שימושית אומרת אילו שני גדלים הושוו, ובמידת הצורך באילו תנאים. ״תוצאות הניסוי״ לבדה אינה מסבירה מה רואים. אם מוצגים ממוצעים, כתבו זאת. אם השאלה נותנת מדד לפיזור ומבקשת להציגו, הוסיפו אותו לפי ההגדרה. אין להמציא קווי שגיאה או ערכי מובהקות רק משום שגרף עם סימונים כאלה נראה מדעי יותר.

בשיעור ביולוגיה פרטי אפשר לתת לתלמיד אותה טבלה ולבקש שני תוצרים: גרף ותיאור בן שלושה משפטים. אם הגרף תקין אבל התיאור אינו מזכיר את המדד הנכון, זו מטרה שונה מתיקון חישוב. אם הטבלה נקראת היטב אך בחירת הצירים שגויה, כדאי להתרכז בהגדרת המשתנים. הפירוק מאפשר לבחור תרגול ממוקד ולא לחזור בכל פעם לכל נושא החקר.

מסיימים במסקנה מוגבלת ובהצעת המשך

מסקנה טובה חוזרת לשאלת החקר ומציינת מה נמצא בתנאים שנבדקו. אפשר לכתוב שהנתונים תומכים בירידה בשיעור הנביטה עם עליית הריכוז בטווח שנבדק, אם זה אכן מה שהם מראים. אין להסיק שכל מין צמח יגיב באותו אופן, או שבכל ריכוז גבוה יותר הנביטה תהיה אפס. הרחבה כזו דורשת בדיקה נוספת. גם היעדר הבדל בנתונים מסוימים אינו מוכיח שאין השפעה בשום תנאי.

הצעת המשך יכולה לבדוק טווח ריכוזים מצומצם יותר, סוג זרעים אחר או זמן מעקב אחר. כתבו מה רוצים לברר ולמה התכנון הקיים אינו עונה על כך. ״לעשות עוד ניסוי״ אינו מסביר את ההמשך. לתרגול לקראת מבחן שלבו שאלה כזו עם קריאת נתונים בביולוגיה, ובקשו מהתלמיד להבחין בעל פה בין מה שנמדד, מה שהוסבר ומה שעדיין נותר פתוח.

בוחנים מה קורה כאשר המדידות אינן מסכימות

אם כלי אחד שונה מאוד מהאחרים, אין למחוק אותו רק מפני שהוא מקלקל את הממוצע. בדקו אם יש תיעוד של תקלה, תנאי שונה או שגיאת רישום. אם אין מידע כזה, הנתון הוא חלק מן התוצאות ויש לדון בו בהתאם להנחיות השאלה. אפשר להציע בדיקה חוזרת או תכנון שמאפשר להבין את מקור השונות, אך אין להמציא הסבר שלא נבדק.

בשיעור בקשו מהתלמיד לנסח שתי אפשרויות ולציין איזה מידע יבדיל ביניהן. למשל, האם הייתה בעיית מדידה או שמדובר בשונות בין הדגימות? ההבחנה בין השערה על החריגה לבין עובדה מתועדת היא חלק מן החשיבה המדעית. היא חשובה גם כאשר רוב המדידות תומכות באותו כיוון שינוי.