De Wetenschappelijke Methode

Het doel van wetenschap is het begrijpen van de natuur (van het allerkleinste tot het allergrootste, van vroeger en nu tot in de toekomst). De Wetenschappelijke Methode is de methodiek die vandaag de dag algemeen aanvaard wordt om onze wetenschappelijke kennis van de natuur op te bouwen. Twee belangrijke pijlers van de Wetenschappelijke Methode zijn theorie en observatie. Een wetenschappelijke theorie voorspelt hoe een natuurlijk proces zich gedraagt. Observaties kunnen gebruikt worden om deze theorie te bevestigen of te ontkrachten. Een wetenschappelijke theorie kan dus nooit bewezen worden door observatie, maar kan wel ontkracht worden door observatie. Dit is het falcificatieprincipe van de wetenschapsfilosoof Karl Popper (1902-1994).

De levenswetenschappen berusten op empirisch onderzoek omdat observaties nodig zijn om de kennis uit te breiden. Theorieën kunnen gepostuleerd worden zonder observatie (hoewel dit zelden gebeurt), maar de wetenschapsgemeenschap neemt ze typisch maar voor waar aan nadat de nieuwe theorieën aan observatie getoetst worden.

Figuur 1 is een schematische weergave van de Wetenschappelijke Methode.

• De natuur staat bovenaan de driehoek. Dit stelt het universum, de wereld, de werkelijkheid of de waarheid voor, waarover de mens kennis wil verzamelen.

• Een model (of een theorie) stelt een denkbeeld van een aspect van de natuur voor. Een model laat toe om voorspellingen, verder predicties genoemd te maken over het gedrag van een aspect van de natuur. Hierbij wordt niet noodzakelijk een mathematisch model bedoeld, maar kan het ook een kwalitatieve beschrijving zijn van een aspect van de natuur (bv. insecticide behandeling van planten leidt tot een vermindering van het aantal schadelijke insecten op de planten en tot een verhoogde opbrengst van de oogst).

• Via een wetenschappelijk experiment worden data uit de natuur gehaald. Data vormen een manifestatie van het werkelijke gedrag van de natuur. Het experiment moet representatief en reproduceerbaar zijn

• Statistische Besluitvorming (Engels: statistical inference) vormt de brug tussen het model van de natuur en de data uit de natuur. Statistische Besluitvorming laat toe op een formele wijze het model te toetsen aan de data en te besluiten in welke mate de wetenschappelijke gemeenschap de theorie en het model voor waar mag aannemen.

• Statistiek wordt ingeroepen omdat de Wetenschappelijke Methode niet zonder doel gebruikt wordt. Wetenschappers hebben gedeeltelijke kennis van de natuur via een aantal modellen/theorieën, maar deze kennis doet nieuwe vragen ontstaan. Dit leidt tot een nieuwe onderzoeksvraag (bijvoorbeeld: zorgt het gebruik van insecticiden voor minder schade van insecten aan de plant?), welke vervolgens verfijnd wordt in een nauwkeurig geformuleerde hypothese (bijvoorbeeld: Het aantal aangetaste bladeren is gelijk voor onbehandelde en pesticide-behandelde planten). Een hypothese is zodanig geformuleerd dat ze door data kan verworpen worden indien de hypothese niet waar zou zijn. De formulering van de hypothese bepaalt mede hoe het experiment moet opgezet worden om de meest informatieve data (evidentie) te kunnen bekomen om vervolgens via de statistische besluitvoering tot een conclusie (i.e. antwoord op de onderzoeksvraag) te komen. Statistiek als wetenschapdiscipline treedt dus op in drie domeinen:

  1. Proefopzet (“Experimental Design”): het ontwerpen van het exeriment,
  2. Data-exploratie en beschrijvende statistiek (“Data-exploration and Descriptive Statistics”): het exploreren, samenvatten en visualiseren van de data en
  3. Statistische besluitvorming (“Statistical Inference”): het veralgemenen van de resultaten in de steekproef naar de populatie toe.

We komen nog even terug of het falcificatieprincipe. Doorheen deze cursus zal het duidelijk worden dat statistiek methoden aanlevert die toelaten om na te gaan in welke mate data consistent zijn met een vooropgestelde model. Indien de data consistent zijn met het model zullen we niet noodzakelijk onmiddellijk besluiten dat de theorie en het model correct zijn. De wijze waarop de data tot stand gekomen zijn via de opzet van experiment speelt hierbij ook een belangrijke rol. Het experiment moet eigenlijk zo opgezet worden dat het model uitgedaagd wordt. Pas als alle moeite gedaan is om te pogen data te bekomen die inconsistent zijn met het model, kunnen de theorie en het model als waar beschouwd worden met een grote waarschijnlijkheid. Wanneer de data inconsistent zijn met het gepostuleerde model, dan kan direct besloten worden dat het model niet juist is.

De Wetenschappelijke Methode heeft een cyclisch karakter: bij het vaststellen van een foutief model zal de wetenschapper het model aanpassen en doorloopt hij opnieuw alle stappen van de Wetenschappelijke Methode.

Een andere belangrijke rol van de Statistiek die verder in deze cursus wordt behandeld, is om de reproduceerbaarheid van wetenschappelijk onderzoek te waarborgen, binnen zelf gekozen probabiliteitsgrenzen (onzekerheid / zekerheid).