1.2: Ciencia y Experimentación

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección podrás:

• Describir por qué la ciencia es considerada una disciplina de la filosofía.
• Resumir los cuatro tipos básicos de experimentos.
• Aplica los principios del diseño experimental en este curso y en tu vida diaria.

Pensando en la ciencia

El objetivo principal de esta sección es ayudarte a pensar en la naturaleza de la ciencia. Podrías estar tomando este curso para cumplir con un requisito de licenciatura para un curso de biología con un laboratorio. Este curso cumple con ese requisito porque investigamos el proceso detrás del uso de la ciencia como una forma de aprender sobre el mundo natural que nos rodea. Si estás empezando por el camino para convertirte en un científico de plantas, comprender la naturaleza de la ciencia será esencial para ti en tu carrera

Independientemente de si vas a seguir una carrera como científico, ahora es un buen momento para reflexionar sobre la naturaleza de la ciencia, y para entender cómo el pensamiento científico puede convertirse en una estrategia para resolver muchos problemas que enfrentas durante la vida diaria.

Mira este video sobre cómo conectar la ciencia y la experimentación con la vida real:

Investigación científica

Si bien “ciencia” es una palabra comúnmente utilizada en nuestra cultura, en el uso popular rara vez se habla de ella como filosofía. Al identificar la ciencia como filosofía estamos tomando una visión epistémica, centrada en cómo se adquiere el conocimiento.

En esencia, la ciencia es un modo de indagación: una forma de adquirir nuevos conocimientos sobre el mundo que nos rodea y una estrategia para entender el funcionamiento interno de los elementos en ese mundo. Los científicos creen que si seguimos los principios de esta filosofía seguiremos ampliando nuestro conocimiento sobre cómo funcionan las cosas en el mundo que nos rodea. A este enfoque sistemático se le llama el “método científico”.

Hay dos pasos clave en el método científico:

• Construcción de hipótesis mediante observación reflexiva.
• Prueba de hipótesis a través de la experimentación.

Una “hipótesis” es una pregunta o explicación propuesta hecha sobre la base de evidencia limitada y utilizada como punto de partida para la experimentación. La experimentación se equipara comúnmente con la ciencia, con razón, porque las hipótesis se evaluaron sobre la base de la evidencia generada a través de experimentos. La experimentación, sin embargo, no es toda la historia. La ciencia, incluido el desarrollo y la prueba de nuevas hipótesis, también es un esfuerzo creativo.

Vea este video sobre indagación científica:

La indagación científica ha generado un vasto cuerpo de conocimiento sobre el mundo que nos rodea. Tus clases de ciencias escolares podrían haber requerido que memorices hechos y relaciones, y que prestes atención a los detalles. A veces tal memorización lleva a los estudiantes a creer que la ciencia es solo una acumulación de hechos más que el proceso detrás de descubrir toda esa información.

El descubrimiento científico se basa en lo que ya se conoce. Incluso los científicos más consumados abordan inicialmente un problema aprendiendo lo que ya se conoce. Armados con esa información, luego aplican su propia creatividad para formar nuevas hipótesis sobre algo que han observado, y diseñan experimentos para probar esas hipótesis. También comunican sus resultados públicamente para que otros puedan beneficiarse de su trabajo y tengan la oportunidad de cuestionar conclusiones. De esta manera, la ciencia se construye sobre sí misma.

El conocimiento fundamental que aprendes en las clases de ciencias te prepara para desarrollar y probar hipótesis y hacer nuevos descubrimientos propios. Si bien una buena memoria puede ayudarte a aprobar una clase de ciencias, absorberás un cuerpo de conocimiento de manera más efectiva cuando aprendas cómo encajan los hechos y funcionan juntos en los sistemas en lugar de aprender a través de la fuerza bruta de la memorización.

En esta sección se trabaja desde el punto de vista de que la ciencia es una forma de adquirir conocimiento, un modo de indagación, y que este modo de indagación sigue un proceso llamado método científico. Quienes siguen la filosofía de la ciencia:

• Utilízala para entender cómo funciona el mundo natural.
• Empieza por aprender lo que ya se sabe.
• Observe cuidadosamente los temas de su investigación científica y busque detalles sobre la forma, la función y la interacción con el entorno.
• Desarrollar hipótesis sobre el funcionamiento interno de fenómenos naturales aún no entendidos.
• Probar sus hipótesis haciendo observaciones, realizando experimentos y recolectando y evaluando evidencias.
• Comunicarse con otros sobre sus hipótesis, experimentos y los resultados de sus estudios para que otros puedan repetir, validar y construir sobre su trabajo.

Si bien la ciencia se suele utilizar para entender cómo funciona el mundo natural, también se aplica regularmente al desarrollo de nuevas tecnologías que se basan en estos fenómenos naturales y a la resolución de problemas asociados con el mundo natural.

Poner a trabajar el método científico

Como se señaló, el método científico se basa en construir hipótesis y luego probarlas a través de la experimentación. En la sección de laboratorio de este curso desarrollarás hipótesis sobre los efectos de diversos tratamientos en el éxito de la propagación y luego realizarás experimentos para probar esas hipótesis. Debido a que la experimentación es un componente clave del método científico, dedicaremos tiempo a caracterizar y examinar cuatro tipos de experimentación y explorar si forman parte del método científico. Si bien cada uno es valioso cuando se aplica en las circunstancias adecuadas, solo uno sigue claramente cada paso del método científico para descubrir nuevos conocimientos sobre el mundo natural.

Tipos de experimentos

Los tipos de experimentación que cubriremos son:

• Demostración
• Evaluación
• Exploración
• Descubrimiento

Experimentos de demostración

Muchos experimentos realizados en cursos de laboratorio son experimentos de demostración. Foto de Salish Sea Expeditions. CC BY-NC-ND 2.0

Los experimentos de demostración son un método clásico utilizado en entornos educativos para ayudar a los estudiantes a aprender y comprender las relaciones conocidas ya descubiertas por otros. Los alumnos generalmente habrán tenido exposición previa a las relaciones a través de observaciones preliminares, conferencias, lecturas y discusiones, y tendrán algún sentido de cuál podría ser el resultado experimental.

Los buenos experimentos de demostración involucran activamente al alumno, quien manipula los materiales experimentales, aplica los tratamientos y observa los resultados, luego recopila, analiza e interpreta los datos resultantes. Los malos experimentos de demostración, en contraste, hacen que los alumnos sean testigos pasivos de algo hecho por un experto al frente del aula.

En los laboratorios de propagación de plantas para este curso, participará activamente en experimentos de demostración. Aunque no estarás creando nuevos conocimientos, es probable que el conocimiento sea nuevo para ti. La experiencia práctica de realizar los experimentos te ayudará a aprender los conceptos de manera más efectiva que si solo lees un libro de texto o escuchas una conferencia. Las técnicas que aprendes y usas en experimentos de demostración a menudo contribuyen a la experiencia de aprendizaje tanto como las relaciones reveladas al final del experimento. Emplear estas técnicas le ayudará a comprender muchas funciones biológicas, como la producción de raíces adventicias y los mecanismos para la dispersión de semillas.

Si bien los experimentos de demostración son valiosos para aprender activamente un cuerpo de conocimiento científico previamente descubierto y comunicado por otros, la experiencia está específicamente orquestada para la enseñanza y el aprendizaje, no para el descubrimiento de nueva información. Sin embargo, dado que el conocimiento es nuevo para el alumno, todavía puede traer la alegría del descubrimiento personal y una sensación de logro.

En resumen, los experimentos de demostración:

• Están diseñados para la enseñanza y el aprendizaje.
• Abordar las relaciones que pueden ser nuevas para usted, pero que por lo demás se conocen.
• En sus mejores formas, involucrar activamente al alumno.
• Puede enfatizar las técnicas experimentales, además de los resultados, como parte de la experiencia de aprendizaje.
• No son los tipos de experimentos que están en el centro de la práctica de la ciencia como una forma de descubrir nuevos conocimientos.

Experimentos de evaluación

Los experimentos de evaluación están diseñados para ayudarnos a tomar decisiones y elegir entre una serie de opciones. Podrían, por ejemplo, ayudarnos a determinar la eficacia de un nuevo tratamiento en relación con un tratamiento conocido, o decidir sobre experimentación adicional. Un experimento de evaluación destacará un compuesto, una técnica, un equipo o un organismo, e incluirá un control y/u otras alternativas.

Los experimentos de evaluación son comunes en la investigación hortícola y agronómica, donde el propósito del experimento es identificar, por ejemplo, el mejor cultivar, método de producción, control de plagas, régimen de fertilidad o intensidad de luz para el cultivo de un cultivo. El correcto diseño experimental es crucial para asegurar que las conclusiones del experimento sean significativas y creíbles.

Este experimento de campo está probando diferentes mantillo vivos entre hileras de fresas. Foto de la Universidad de Minnesota West Central Research and Outreach Center.

Estos experimentos se utilizan típicamente en el desarrollo de nuevas tecnologías para identificar el mejor método para el propósito deseado (por ejemplo, qué pesticidas son efectivos contra el insecto objetivo, pero no dañinos para los insectos no objetivo). No se utilizan para descubrir nuevos conocimientos sobre cómo funciona el mundo, ya que normalmente no avanzan en nuestra comprensión del mundo natural. La información de un experimento de evaluación podría, sin embargo, señalar el camino a una experimentación adicional que nos ayude a descubrir nuevos conocimientos. Esto es particularmente cierto si el resultado de un experimento de evaluación es inesperado o novedoso.

En resumen, los experimentos de evaluación:

• Se utilizan para ayudar en la toma de decisiones.
• Ayudar a los usuarios a elegir un ganador o determinar la eficacia en relación con otras alternativas.
• Se utilizan comúnmente a la hora de evaluar y recomendar métodos de producción hortícola.
• Puede ser útil para resolver problemas y desarrollar tecnologías.
• Requieren un diseño experimental adecuado (e.g., comparación con un control) para credibilidad y significancia.

Experimentos de exploración

Algunos científicos se especializan en observar y catalogar la naturaleza, y algunos, como miembros del grupo que descubrieron una nueva especie de homínido, el Homo naledi en una cueva sudafricana, buscan agresivamente fenómenos previamente desconocidos. En el ámbito botánico, estos científicos estudian la diversidad de organismos dentro de los hábitats, descubren nuevas especies o son de otras maneras muy hábiles para “ver” la naturaleza. Los científicos exploradores reconocen y aprecian los detalles y pueden identificar la enorme diversidad entre las plantas comparando características que otras podrían pasar por alto. También pueden tener la capacidad de reconocer posibles interrelaciones entre organismos y con hábitats, haciendo que su trabajo sea particularmente importante para la ciencia. Podrían notar, por ejemplo, que una especie particular de planta se encuentra comúnmente en áreas húmedas pero no en secas, o que una verdura en particular sabe más dulce cuando se cultiva a mayores altitudes que cuando se cultiva más cerca del nivel del mar. No confirman la causa de estas relaciones, sino que son las primeras en notarlas.

Este científico está recolectando plantas en Ecuador para identificar especies desconocidas y determinar su relación con otras plantas. Foto del Dr. Eric Tepe, Universidad de Cincinnati.

Las observaciones de los exploradores son esenciales para estimular el desarrollo de hipótesis sólidas y comprobables. Las posibles relaciones que proponen deben probarse para determinar si esas relaciones realmente existen, o son artefactos de otros efectos. Los exploradores ayudan a desarrollar hipótesis, pero el trabajo de exploración, catalogación y ver posibles relaciones no prueba ni desmentir las hipótesis ni necesariamente genera nuevos conocimientos sobre las relaciones. El trabajo, sin embargo, da como resultado nueva información sobre la existencia del objeto o fenómeno en sí. Una excepción es la exploración realizada para probar una hipótesis, como la misión de probar la hipótesis de que se requiere un tipo particular de ecosistema para la reproducción de una especie vegetal en particular.

Los científicos deben resistirse a sacar conclusiones basadas únicamente en la exploración y observación. Si ves a dos personas juntas muchas veces, por ejemplo, podrías concluir que son una pareja romántica, cuando en realidad son hermano y hermana. Las relaciones hipotéticas como resultado de la exploración y observación deben probarse experimentalmente antes de ser aceptadas o rechazadas.

Los experimentos de exploración descubren cosas nuevas, muchas de las cuales pueden ser emocionantes y eventualmente cambiar nuestra visión del mundo. Si bien uno de sus mayores valores es que conducen al desarrollo de nuevas y más fuertes hipótesis sobre cómo funciona el mundo, llegan hasta poner a prueba esas hipótesis o se involucran plenamente en el ciclo de generación de conocimiento asociado al método científico. Se requieren experimentos adicionales basados en esta nueva información para poner esta nueva información en contexto y avanzar en nuestra comprensión de cómo funciona el mundo natural.

En resumen entonces, los experimentos de exploración:

• Enfoque en la observación detallada de organismos y hábitats.
• Incrementar nuestro conocimiento del mundo natural.
• Identificar las relaciones potenciales que necesitan ser probadas.
• Son esenciales para el sonido y la construcción de hipótesis comprobable.

Experimentos de descubrimiento

Los experimentos de descubrimiento son fundamentales para el uso del método científico en tareas que van desde la resolución de problemas hasta el descubrimiento de nuevos conocimientos. Se enfocan en descubrir nuevas relaciones y resolver problemas, siguen el método científico, prueban hipótesis y sus resultados predichos, y utilizan un diseño cuidadoso para mantener la significación y credibilidad.

La similitud entre el método científico y el Ciclo de Aprendizaje Experiencial de Kolb no es un accidente. El método científico es una estrategia práctica basada en cómo percibimos y experimentamos el mundo que nos rodea y se utiliza para resolver los problemas encontrados durante esas experiencias.

El método científico es un gran ejemplo de la teoría del aprendizaje experiencial. Ilustración de Emily Tepe.

El diagrama anterior ilustra una combinación del método científico y el aprendizaje experiencial de cuatro pasos de Kolb, describiendo un proceso cíclico para resolver problemas que pueden aplicarse a disciplinas tan diversas como la biología molecular, el calentamiento global e incluso la reparación de electrodomésticos. Si bien inicialmente podría pensar que la reparación de electrodomésticos no pertenece a esa lista, la diferencia es una de aplicación, no método. Aunque lejos de los descubrimientos científicos esotéricos que asociamos con el método científico, la reparación de electrodomésticos sigue los mismos pasos. Los electrodomésticos suelen ser, y literalmente, cajas, donde no se sabe lo que está pasando por dentro. Pero lo que está pasando por dentro es cognoscible, y a través de ese conocimiento viene la reparación.

Podemos aplicar el método científico a problemas cotidianos como averiguar por qué una lavadora no funciona. © HomeTips.com.

El proceso de aprendizaje/solución de problemas/científico teóricamente podría comenzar en cualquier parte del ciclo de Kolb. Pero probablemente comenzará con un problema que hay que resolver, algo que no entiendes pero que te gustaría saber más. Te das cuenta de que hay un problema o que te falta comprensión porque tienes una experiencia en la que observas algo y luego retrocedes y dices: “Me pregunto cómo funciona eso”, o quizás, “¿por qué está eso roto?” A través de la observación se desarrolla una descripción suficientemente adecuada del problema para comenzar a hacer algunas investigaciones sobre lo que ya se conoce.

Con una buena descripción del problema en la mano, puedes comenzar a revisar lo que se conoce a través del trabajo de otros, y pensar en lo que podría estar pasando en tu situación y cómo tu nueva comprensión se puede aplicar al problema. Esto es “observación reflexiva”. No se trata sólo de sentarse y pensar en el vacío. Necesitas materia prima para que tu mente trabaje, y eso solo viene a través de la difícil tarea de recopilar e interactuar con la información de fondo. Hay una fase tranquila muy importante en este proceso cuando dejas que tu mente se ensamble y clasifique ideas hasta que empiecen a surgir alternativas que puedan conducir a una solución. Hablar con los demás y compartir ideas es una parte importante de esta fase tranquila.

A veces las alternativas son no- brainers (¿fusible fundido?) , y a veces son más creativos (¿los residuos del detergente equivocado disparan el sensor de nivel de agua?). Independientemente de su simplicidad o complejidad, éstas se convierten en hipótesis que necesitan ser probadas. La etapa de construcción de hipótesis incluye tanto una declaración de cómo funciona algo o por qué no funciona, como predicciones sobre lo que podría suceder si la hipótesis es cierta. En la reparación de electrodomésticos, por ejemplo, la predicción probablemente será que el aparato funcionará normalmente. En biología molecular hortícola, podría ser que se vea acumulación de un tipo particular de ácido graso en los cotiledones.

Pones a prueba la hipótesis diseñando un experimento que evalúa si tus predicciones eran correctas. Si el resultado no coincide con tu predicción, rechazas la hipótesis (el fusible estaba bien, así que ese no era el problema). Si el resultado coincide con tu predicción, aceptas tentativamente la hipótesis pendiente de una mayor observación (cuando se reemplazó el fusible la lavadora volvió a funcionar, por lo que podría haber sido un fusible fundido, pero por otro lado tal vez fue solo porque el motor tuvo tiempo de enfriarse). Al igual que con la experimentación de evaluación, el diseño experimental es importante para asegurar que las conclusiones del experimento sean significativas y creíbles.

La experimentación conduce a nuevas experiencias y a un incremento incremental en el conocimiento, para luego comenzar de nuevo el ciclo.

En resumen, los experimentos de descubrimiento:

• Enfocarse en descubrir nuevas relaciones y resolver problemas.
• Seguir el método científico.
• Hipótesis de prueba y sus resultados predichos.
• Utilizar un diseño cuidadoso para mantener el sentido y la credibilidad.

Resumen

De los cuatro tipos de experimentos, solo los experimentos de descubrimiento son el núcleo del proceso de la ciencia en el sentido estricto de ser una forma de adquirir nuevos conocimientos. Los otros tres tipos de experimentación siguen siendo importantes; los experimentos de demostración y evaluación son valiosos para el aprendizaje y la toma de decisiones y para el desarrollo tecnológico, y los experimentos de exploración son esenciales para desarrollar hipótesis comprobables. Pero los experimentos de descubrimiento son fundamentales para la ciencia.

Recuerde: la metodología de reparación efectiva de lavadoras, cuando se aplica a lo que se desconoce del mundo físico, es la metodología de la ciencia. No es esotérico; es una buena reparación de electrodomésticos.

Se podría argumentar que, cuando se aplica a una lavadora rota, un experimento de descubrimiento da como resultado un conocimiento que probablemente ya sea conocido por los expertos en la reparación de electrodomésticos, por lo que no es realmente un conocimiento nuevo sobre cómo funciona el mundo. Esa es una crítica justa. El uso del método científico puede dar lugar a nuevos conocimientos sobre cómo funciona el mundo, pero si descubre nuevos conocimientos depende del objeto de experimentación.

Preguntas de revisión

Un elemento H5P interactivo ha sido excluido de esta versión del texto. Puedes verlo en línea aquí:
https://open.lib.umn.edu/horticulture/?p=94#h5p-3

Diseño experimental

Los métodos para diseñar experimentos son cuidadosamente estudiados y a menudo específicos de la disciplina. Los métodos utilizados en biología molecular, por ejemplo, serán algo diferentes de los utilizados en química o en evaluaciones de campo de plantas hortícolas. Hay, sin embargo, algunas generalizaciones que podemos hacer sobre buenos diseños experimentales.

Enfatizar las comparaciones

Los experimentos incluyen más de un solo tratamiento. “Tratamiento” se refiere al factor que estás variando en tu experimento, por ejemplo, diferentes cultivares de tomate, diferentes fertilizantes o diferentes cantidades de luz. Los diseños experimentales incorporan comparación de tratamientos. Por lo general, se comparan los tratamientos entre sí y muchas veces con un control, que es la aplicación de ningún tratamiento o la aplicación de un nivel de tratamiento habitual o estándar.

Si cultivas un tipo particular de tomate en tu jardín, y descubres que produce frutos sabrosos, ¿declararías que es la mejor variedad de tomate que podrías cultivar? Desde luego que no. Ni siquiera se podía decir con certeza que era la mejor variedad de tomate que jamás hayas cultivado (a menos que sea la única que hayas cultivado). El próximo año, sin embargo, podrías cultivar ese tomate como tu control, y cultivar otras dos variedades que gusten a tus vecinos, y comparar la calidad de la fruta (apariencia, sabor, rendimiento, contenido de azúcar). Entonces podrías decir algo definitivo sobre las tres variedades de tomate porque las has comparado entre sí después de cultivarlas una al lado de la otra en el mismo año y ambiente.

Replicar tratamientos

El mismo tratamiento se aplica a más de una “unidad experimental” —el objeto que recibe el tratamiento. En el ejemplo anterior, la planta de tomate es la unidad experimental, y tal vez plantarías dos o tres plántulas de cada variedad de tomate en lugar de solo una. Piense en un tratamiento como algo así como un fertilizante extendido en un parche de tierra. El parche de tierra es la unidad experimental, mientras que el fertilizante es el tratamiento.

Al aplicar el tratamiento a más de una unidad experimental puedes estimar la variación que obtienes cuando dos unidades experimentales son tratadas igual, y compararla con la variación cuando las unidades experimentales reciben diferentes tratamientos. Si los tratamientos realmente difieren en su efectividad, se esperaría que la variación entre las unidades experimentales dadas diferentes tratamientos sea mucho mayor que la variación entre las que recibieron el mismo tratamiento. Esta es una de las formas fundamentales en que los experimentos son analizados estadísticamente y los tratamientos declarados significativamente diferentes o no.

Aleatorio de tratamientos

Una vez que sepas cuántos tratamientos vas a aplicar, y cuántas repeticiones deseas, el producto de estas dos cantidades (# tratamientos × # repeticiones) equivale al número de unidades experimentales que necesitas. Por ejemplo, si tienes tres fertilizantes que quieres probar, más un control, tienes cuatro tratamientos. Si quieres tres repeticiones de cada tratamiento, entonces tienes 4 tratamientos x 3 repeticiones = 12 unidades experimentales o parches de tierra donde aplicarás los fertilizantes. Los tratamientos se asignarán aleatoriamente a cada unidad experimental (parche de tierra). Esto se hace usando una tabla de números aleatorios y no es solo una recolección fortuita. La aleatorización ayuda a minimizar cualquier sesgo que no hayas reconocido de antemano y que hayas controlado de otras maneras.

Preguntas de revisión

1. ¿Cuáles son dos tipos de tratamientos de control?
2. ¿Aumentar el número de repeticiones aumenta el número de tratamientos o el número de unidades experimentales?
3. ¿Se te ocurre un ejemplo de cómo la aleatorización puede proteger contra el sesgo?