Stappenplan onderzoeken

Inleiding
Natuurkunde is een inductieve vorm van wetenschap. Dat betekent dat het overgrote deel van de huidige natuurkundige kennis verkregen is door het uitvoeren van allerhande experimenten. Bij het uitvoeren van een natuurkundig onderzoek is het de bedoeling dat er één of een aantal natuurkundige groothe(i)d(en) gekozen worden die voorkomen in een bepaalde praktische context en dat deze groothe(i)d(en) onderzocht gaan worden. Bij het doornemen van mogelijke onderwerpen voor een onderzoek zal het proces dat gevolgde wordt tijdens het uitvoeren van een natuurkundig onderzoek normaliter vanzelf duidelijk worden, maar uiteraard is het handig om vooraf al enige kennis omtrent dit proces te bezitten. Het spreekt voor zich dat de termen onderzoeksvraag, hypothese, conclusie, enz. aan de orde zullen zijn.


Onderwerpskeuze
De eerste stap in het uitvoeren van een onderzoek is de keuze en verantwoording van een geschikt onderwerp. In de afgelopen jaren ben je bij natuurkunde met diverse onderwerpen in aanraking geweest. In één van deze natuurkundegebieden kun je het onderwerp van het onderzoek zoeken.
Deze natuurkundegebieden zijn:
    -    mechanica
    -    trillingen en golven
    -    optica
    -    gassen en vloeistoffen
    -    warmteleer
    -    elektriciteitsleer
    -    elektromagnetisme
    -    fysische informatica
    -    atoomfysica
    -    kernfysica
    -    biofysica
    -    astrofysica
Uiteraard ligt de keuze voor een bepaald natuurkundegebied aan de interesse die je voor een bepaald gebied hebt en de voorkennis die je over een bepaald natuurkundegebied en/of onderwerp hebt. Dit is weer afhankelijk van je profiel en uiteraard je talenten. Kies echter altijd een onderwerp waarnaar je interesse uitgaat want het doen van onderzoek is een tijdrovende bezigheid.

Daarnaast zijn er allerlei vormen waarin natuurkundig onderzoek kan worden uitgevoerd, m.a.w. er bestaan een aantal onderzoekstypen:
    -    het bouwen van een opstelling en/of een apparaat (je ontwerpt en bouwt een opstelling waarmee aan een bepaald verschijnsel gemeten kan worden;
         hierbij kan gedacht worden aan zaken als hoe te meten, nauwkeurigheid en gebruikersgemak)
    -    het bepalen van een constante (in de natuurkunde bestaan een aantal constanten welke experimenteel bepaald zijn; voorbeelden zijn de
         valversnelling, de lichtsnelheid en de constante van Planck)
    -    het toetsen van een hypothese (er wordt een bepaalde bewering gedaan betreffende een bepaald verschijnsel en/of experiment, d.m.v. onderzoek
         kan het al dan niet juist zijn van de betreffende hypothese gecontroleerd worden; een veel voorkomend onderzoekstype)
    -    de relatie zoeken tussen twee fysische grootheden (natuurkundige grootheden beïnvloeden elkaar voortdurend, als de ene grootheid aangepast
         wordt, zal een andere grootheden ook van waarde veranderen; waarschijnlijk het meest voorkomende natuurkundige onderzoeksktype)
    -    het observeren van een verschijnsel (aan bepaalde verschijnselen zijn lastig kwantitatieve metingen te verrichten, maar het kan wel interessant zijn      
         deze verschijnselen aan een nadere inspectie te onderwerpen; in de astronomie komt dit onderzoekstype veel voor)
    -    het maken van een technisch ontwerp (zie "stappenplan technisch ontwerpen")

Fasen in het onderzoek
Een natuurkundig onderzoek is een proces waar nogal wat tijd in gaat zitten als het op een goede manier wordt uitgevoerd en verwerkt. In de juiste aanpak van een onderzoek zijn altijd drie fasen te herkennen:

    1.    Planning
           -    Onderwerp kiezen en onderzoeksvoorstel formuleren
           -    Theoretische achtergronden uitzoeken en formuleren
           -    Experimenteerplan ontwerpen

    2.    Uitvoering
           -    Meetopstelling ontwikkelen/bouwen
           -    Experimenten uitvoeren

    3.    Verwerking
           -    Waarnemingsresultaten verwerken
           -    Conclusies trekken
           -    Volledige proces rapporteren in verslagvorm

Hoewel het, door de opzet in fasen, lijkt alsof het proces van onderzoek zeer star is, is dit in de praktijk zeker niet het geval. Zo is het bijvoorbeeld het handigst om waarnemingsresultaten te verwerken direct nadat een experiment is uitgevoerd en vervolgens conclusies te trekken. Op deze manier kunnen problemen en/of erg grote meetfouten snel in kaart worden gebracht en kan hier op in worden gesprongen bij een volgende serie experimenten. Ook het uitzoeken en formuleren van de theoretische achtergronden is een onderdeel dat als een rode draad door het proces van onderzoek loopt. Daar waar problemen ontstaan, kan dit soms worden opgelost door (nogmaals) de theorie in te duiken.
Bepaalde onderdelen uit bovenstaand fase-overzicht dienen echter wel op een bepaald moment in het onderzoeksproces plaats te vinden. Het ontwerpen van een experimenteerplan (plan van aanpak) op een moment voor het uitvoeren van experimenten maar na een goed doordachte onderwerpskeuze, is essentieel. Ook het op het einde pas rapporteren in verslagvorm is over het algemeen de meest praktische werkwijze. Vanaf dit moment zijn immers alle experimenten en hieruit getrokken conclusies bekend. Voor een goede verslaglegging is het echter wel van het grootste belang dat er gedurende het proces van onderzoek een logboek wordt bijgehouden, waarin ideeën, planningen, opstellingen, meetmethoden, meetresultaten, tabellen, grafieken, conclusies, theoretische achtergronden, enz. vermeld staan. Bedenk hierbij dat een logboek beter te uitgebreid kan zijn dan te beknopt.

Stappenplan onderzoeken
Tijdens het proces van onderzoek is het verstandig onderstaand stappenplan te volgen:

1.    Bedenk een onderzoek
       In bovenstaande alinea "onderwerpskeuze" staan al een aantal aanwijzingen hoe een onderwerp het beste gekozen kan worden. Zorg er in ieder geval
       voor dat het onderwerp je aanspreekt en dat de doelstellingen te realiseren zijn. Let daarnaast goed op de diepgang.

2.    Formuleer een vraagstelling
       Bedenk welk onderzoekstype (zie bovenstaande) je toe gaat passen. Geef aan welk verband je gaat meten en/of welk verschijnsel je gaat observeren
       en/of analyseren. Zorg ervoor dat er een onderzoeksvraag voldoende uitdagend is (dus geen onderzoeksvragen die alleen beantwoord kunnen
       worden met bijvoorbeeld ja/nee of groter/kleiner). Streef naar een zo zorgvuldig mogelijke formulering.

3.    Formuleer een hypothese
       Nadat er een onderzoeksvraag geformuleerd is, ga je nadenken over de mogelijke uitkomst van het onderzoek en doelen die je jezelf stelt binnen het
       onderzoek. Hiertoe formuleer je een hypothese die na afloop van het onderzoek juist, gedeeltelijk juist of onjuist blijkt te zijn. Bedenk hierbij dat        
       falsificatie van een hypothese geen mislukking van het onderzoek betekent. Te stellen doelen kunnen bijvoorbeeld de toegestane meetonnauwkeurig-
       heid betreffen.

4.    Bedenk een proefopstelling
       Tijdens een onderzoek zal er in het overgrote deel van de gevallen iets gemeten gaan worden. Om metingen te kunnen doen, zijn er proefopstellingen
       nodig. Het ontwerpen van een proefopstelling is niet eenvoudig en vergt aardig wat inventiviteit. Denk bij de ontwikkeling van de opstelling aan zaken
       als mogelijkheden en onmogelijkheden op school (of een contact met een instelling voor hoger onderwijs), nauwkeurigheid van uit te voeren van
       metingen en gebruikersgemak.

5.    Stel een materialenlijst samen
       Voor het bouwen van een proefopstelling zijn materialen nodig. Hierbij kan het gaan om alledaagse onderdelen of meetapparatuur, maar ook om meer
       uitzonderlijke materialen of meer specialistische meetapparatuur. Door vooraf te inventariseren of alle materialen aanwezig en beschikbaar zijn, kom
       je in de loop van het onderzoek niet voor verrassingen te staan.

6.    Bespreek je experimenteerplan (plan van aanpak) met je begeleider(s) (punten 1 t/m 5)
       Nu je goed hebt nagedacht over het uit te voeren onderzoek, is het zaak je experimenteerplan te bespreken met je begeleider(s). Deze heeft/hebben
       vaak meer ervaring met het doen van onderzoek en kunnen je op bepaalde punten corrigeren. Dit kan betekenen dat je je experimenteerplan enigszins
       moet aanpassen op punten waar problemen dreigen te ontstaan. Vaak krijg je echter op dit punt "groen licht" om met het praktische deel van je
       onderzoek te starten.

7.    Zoek uit welke theorie er aan het experiment gekoppeld is
       Het opzoeken en bestuderen van de theoretische achtergronden die betrekking hebben op het experiment is niet eenvoudig. Het natuurkundegebied
       waarbinnen het onderzoek wordt uitgevoerd, kan daarbij aanknopingspunten bieden (je weet dan waar je moet zoeken). Verzamel niet teveel
       informatie (dan zie je door de bomen het bos niet meer) maar ook zeker niet te weinig. Let hierbij vooral goed op de diepgang.
       In de praktijk geldt meestal dat het opzoeken en bestuderen van theorie plaatsvindt gedurende het gehele proces van onderzoek.

8.    Voer een gidsexperiment uit
       Een gidsexperiment is een proef die je inzicht geeft over het verdere verloop van je experimenten. Met een gidsexperiment bepaal je bijvoorbeeld of je
       gebouwde opstelling al dan niet werkt. Ook kan het er toe leiden dat je inzicht krijgt in de waarden van de meetresultaten die je later gaat verzamelen.
       Zonder dat je het zelf vaak merkt, voer je tijdens een onderzoek talloze gidsexperimenten uit. Vaak worden deze niet gerapporteerd, hoewel ze wel erg
       interessant zijn voor de evaluatie en mogelijk vervolgonderzoek.

9.    Voer de experimenten uit
       Met het uitvoeren van experimenten heb je aardig wat ervaring opgedaan tijdens de practica die je in het verleden gedaan hebt. Het uitvoeren van de
       experimenten tijdens een onderzoek verschilt alleen op het vlak van het nu zelf bedacht hebben van deze experimenten. Let tijdens het experimenteren
       goed op de nauwkeurigheid.

10.    Verwerk de meetresultaten in tabellen en grafieken
         Zoals bekend is het gebruikelijk om meetresultaten eerst weer te geven in tabellen. Op de pagina "Tabellen in Word" staat aangegeven welke
         richtlijnen er gelden voor het maken van tabellen en hoe deze gerealiseerd kunnen worden in het tekstverwerkingsprogramma "Word".
         Is er sprake van een (te onderzoeken) verband tussen grootheden dan dienen er grafieken getekend te worden. Op de pagina's "Het maken van
         grafieken met XL-plot" en "Het opstellen van een functievoorschrift met XL-plot" staat aangegeven welke richtlijnen er gelden voor het maken van
         grafieken, hoe deze gerealiseerd kunnen worden in het spreadsheetprogramma "XL-plot" en hoe een mogelijk functievoorschrift (formule) voor een
         bepaald verband kan worden afgeleid met dit zelfde "XL-plot".

11.    Voer berekeningen uit en controleer of de uitkomst realistisch is
         Vaak kom je, tijdens een onderzoek, in situaties terecht waarbij bepaalde grootheden berekend kunnen worden aan de hand van verkregen
         meetresultaten. Mogelijk kunnen de berekende waarden weer tot een nieuwe grafiek leiden, waaruit wellicht weer een verband is af te leiden. Een
         controle op het al dan niet realistisch zijn van een uitkomst (of meetresultaat) is noodzakelijk voor een goede voortgang van het onderzoek. Mocht een
         uitkomst en/of meetresultaat niet realistisch zijn dan zal er ergens in de meetmethode en/of opstelling een fout zitten.

12.    Probeer meetfouten in te schatten en neem ze mee in je berekeningen
         Daar waar gemeten wordt, worden meetfouten gemaakt. Voor een betrouwbare conclusie is het zaak de meetfouten die optreden bij bepaalde
         experimenten in te schatten. Dit is over het algemeen niet bepaald eenvoudig, maar wel noodzakelijk voor een overtuigend resultaat. Op de pagina
         "Meetfouten en foutenanalyses" staat beknopt aangegeven hoe met meetfouten om te gaan.

13.    Schrijf het gedeelte van het verslag betreffende het (deel)experiment
         Vlak na het uitvoeren van een (deel)experiment is de kennis betreffende dit experiment het meest "vers". Dit is ook de reden dat het verstandig is het
         gedeelte van het verslag dat gaat over het net uitgevoerde experiment onmiddellijk te schrijven. Dit kan meteen in het net en met een tekstverwerker
         maar er kan ook voor gekozen worden dit deel van het verslag voorlopig en in het klad op te nemen in het logboek. Een voorlopige verslaglegging in
         een logboek heeft als voordeel dat er dan in een later stadium nog eens goed gekeken kan worden naar formuleringen, waardoor er uniformiteit in
         het eindverslag zal ontstaan (hoewel dit uiteraard ook bereikt kan worden bij nalezing van een reeds meer definitief verslag).

14.    Evalueer het proces van onderzoek
         Na het uitvoeren en verwerken van alle experimenten dient er een evaluatie plaats te vinden m.b.t. het onderzoeksproces. Hierbij dient de aandacht
         wel volledig op het onderzoek te liggen. Een evaluatie dient dusdanig geformuleerd te zijn dat er bij een mogelijk vervolgonderzoek succesvol gebruik
         van kan worden gemaakt. Aandachtspunten kunnen een analyse van mogelijke problemen zijn, een verbetering van de meetnauwkeurigheid of een
         verbetering van het gebruikersgemak. Ook kunnen er aanbevelingen gedaan worden voor vervolgonderzoek.

15.    Rapportage van het onderzoek
         Uiteindelijk dient er een verslag te komen waarin het volledige onderzoek beschreven wordt. Hierin dienen dus alle bovenstaand besproken zaken
         aan de orde te komen. De standaardopzet van een verslag staat weergegeven op de pagina "De opbouw van een verslag".

Terug