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Methode: Experiment

Allgemeiner Teil

Experimente spielen in der Wissenschaft eine große Rolle¹. Mittels Experimenten wird gewissermaßen „die Natur befragt“, um Antworten auf ein „Warum?“, „Wodurch?“, „Wie?“ zu erhalten, neue Sachverhalte zu erforschen (Daten zu erheben) und angenommene Kausalzusammenhänge hinsichtlich ihres Wahrheitsgehaltes zu überprüfen.

Experimente bestehen einerseits in systematischen Beobachtungen und andererseits in aktivem, planmäßigem Verändern bestimmter Variablen unter Ausschaltung bzw. zumindest Kontrolle eventueller Störfaktoren.

In Bezug auf die Einflussnahme werden verschiedene Variablen unterschieden, und zwar:

  • Unabhängige, verursachende Variablen (UV): Sie werden im Experiment von den Forscher/innen manipuliert und sind Gegenstand der Untersuchung.
  • Abhängige Variablen (AV): Sie werden im Experiment beobachtet/untersucht und sind von den unabhängigen Variablen abhängig.
  • Störvariablen (SV): Sie werden im Experiment kontrolliert und haben, wie die unabhängige Variable, ebenfalls Einfluss auf die abhängige Variable. Sie stören deshalb, machen Schlussfolgerungen von der unabhängigen zur abhängigen Variablen missverständlich. Beispiele für mögliche Störfaktoren: Alter, Geschlecht von untersuchten Personen, Vorwissen zum Thema, Tageszeit, Geräuschpegel …

Haben Forscher/innen also z. B. eine bestimmte (Arbeits)Hypothese entwickelt, so können sie diese unter Umständen mit einem entsprechenden Experiment überprüfen, in welchem sie die verursachende Variable (UV) gezielt ändern und die Auswirkung(en) dieses Vorganges in Hinblick auf die abhängigen Variablen (AV) untersuchen.

Um brauchbare Ergebnisse zu erhalten, darf in ein und demselben Experiment maximal eine unabhängige Variable auftreten. Abhängige Variable darf es mehrere geben, da die Veränderung der unabhängigen Variablen unter Umständen verschiedene Auswirkungen haben kann.

Beispiel 1: Wie beeinflusst die Temperatur das Lösungsverhalten von Kohlenstoffdioxid in Wasser?
Unabhängige Variable (wird variiert): Temperatur
Abhängige Variable (wird beobachtet/gemessen): Lösungsverhalten von Kohlenstoffdioxid
Störvariable: Luftdruck, pH-Wert der Lösung …

Beispiel 2: Wie beeinflusst Alkoholgenuss das Reaktionsvermögen?
Unabhängige Variable (wird variiert): konsumierte Alkoholmenge
Abhängige Variable (wird beobachtet/gemessen): Reaktionsvermögen
Störvariable: Alter, Geschlecht, Tagesverfassung

Je nach Forschungsumgebung werden Laborexperimente (in speziellen, von Forschenden erstellten, künstlichen Umgebungen mit hoher Kontrollmöglichkeit) und Feldexperimente (in natürlichen Umgebungen mit relativ geringen Kontrollmöglichkeiten) unterschieden.

Je nach Art der Zuordnung von Versuchspersonen/Testmaterialien zu Versuchsbedingungen liegen randomisierte Experimente oder Quasi-Experimente vor. Im ersten Fall erfolgt die Zuweisung in Test- und Kontrollgruppen durch Zufall, im zweiten Fall hingegen planmäßig.

Beispielsweise ist es in klinischen Studien zur Überprüfung der Wirksamkeit/Verträglichkeit bestimmter Medikamenteninhaltsstoffe üblich, Patient/inn/en auf zwei oder mehrere Gruppen aufzuteilen und die Gruppen miteinander zu vergleichen, um personenbezogene Störvariable möglichst auszuschalten. Eine Gruppe erhält das Medikament, die andere Gruppe bekommt ein Placebo. In einer randomisierten Studie würde nun die Zuweisung der Patienten in eine der beiden Gruppen nach einem Zufallsprinzip erfolgen, in einem Experiment hingegen nach bestimmten Kriterien (einem gewissen Alter, bestimmten Geschlecht, …).

Experimente werden – wie andere Forschungsmethoden auch – danach beurteilt, wie valide, reliabel, objektiv und überprüfbar sie sind.

  • Ein Experiment gilt als valide (gültig, tauglich), wenn es in einem hohen Grad auch das misst, was gemessen werden soll.
    • Von interner Validität wird gesprochen, wenn die gemessene Veränderung der abhängigen Variablen ausschließlich auf Veränderung der unabhängigen Variablen beruht und Störfaktoren möglichst konstant gehalten bzw. ausgeschlossen werden konnten.
    • Eine hohe externe Validität ist gegeben, wenn sich der beobachtete, kausale Zusammenhang verallgemeinern lässt. Feldexperimente haben im Allgemeinen eine höhere externe Validität als Laborexperimente, da sie in natürlichen Umgebungen stattfinden und sich die ermittelten Ursache-Wirkungs-Beziehungen besser verallgemeinern lassen. Werden die Untersuchungen zu den Auswirkungen von Alkoholgenuss auf das Reaktionsvermögen somit in natürlichen Umgebungen vorgenommen, etwa im Stammlokal der Untersuchten, so sind die Ergebnisse realitätsnäher, lassen sich über die Stichprobe hinaus besser verallgemeinern/übertragen, haben eine hohe externe Validität. Aber wurde auch wirklich nur das gemessen, was gemessen werden soll?
  • Ein Experiment gilt als reliabel (zuverlässig), wenn es unter gleichen Bedingungen zu gleichen Resultaten führt.
  • Es ist objektiv, wenn unter gleichen Bedingungen auch unabhängig von den jeweiligen Experimentierenden gleiche Resultate erhalten werden.

Experimente können, auch abhängig davon, ob es sich um natur- oder geisteswissenschaftliche Experimente handelt, sehr unterschiedlich sein. In allen Fällen werden sie aber von den folgenden Faktoren bestimmt:

  • den Forscher/innen,
  • den Versuchspersonen bzw. den Versuchsobjekten,
  • der Versuchsanordnung und
  • der Durchführung.

Ablaufphasen

Experimente verlaufen im Allgemeinen in drei Phasen: der Planungs-, Durchführungs- und Auswertungsphase.

  • Die Planungsphase ist für den weiteren Verlauf des Experiments bestimmend und daher sehr wichtig. Sie besteht im Klären der folgenden Fragen und Erstellen eines detaillierten Versuchsplans:
    • Welches Ziel soll mit dem Experiment verfolgt werden? Was genau soll mithilfe des Experiments im jeweiligen wissenschaftlichen Gebiet geklärt werden?
    • Wie und womit soll die Hypothese überprüft werden? Was genau soll gemessen, welche Daten sollen erfasst werden? Mit welcher Versuchsanordnung sollen die abhängigen Variablen erfasst werden? Welche Geräte und Materialien werden gebraucht?


      Beispiel aus dem naturwissenschaftlichen Bereich:
       Fragestellung: Welches Lösungsverhalten zeigt Kohlenstoffdioxid in Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur bzw. präziser formuliert: Löst sich Kohlenstoffdioxid bei 30° Celsius Wassertemperatur schlechter in Wasser als bei 15° Celsius?
      Arbeitshypothese (Vermutung nach Aktivierung von Vorwissen): Kohlenstoffdioxid löst sich mit steigender Temperatur zunehmend schlechter in Wasser.

    • Soll nur eine oder sollen nacheinander mehrere unabhängige Variablen verändert werden? In welchen und wie vielen Stufen sollen sie variiert werden?
    • Welche Störvariablen  treten auf (ev. Umwelteinflüsse …), wie können sie ausgeschaltet, minimiert, konstant gehalten, parallelisiert bzw. randomisiert werden?
    • Welche Fehler könnten auftreten?
    • Welcher Zeitrahmen steht zur Verfügung?
    • Bei Gruppenarbeit: Wie ist die Aufgabenverteilung zu gestalten?
    • Bei soziologischen/psychologischen Experimenten ist zudem zu klären: Welche Personengruppe(n) soll(en) untersucht werden (die Gesamtheit der Zielgruppe oder nur Stichproben)? Welche Personen sollen der Experimentalgruppe zugeordnet werden und welche der Kontrollgruppe? Durch welches Verfahren soll die Zuteilung der Personen erfolgen (per Zufall oder planmäßig)?
  • In der Durchführungsphase gilt es den Versuchsplan umzusetzen. Dazu müssen bei naturwissenschaftlichen Experimenten Chemikalien und Laborgeräte bereitgestellt, Apparaturen standfest aufgebaut und die Experimente unter Beachtung aller Sicherheitsvorkehrungen ausgeführt werden.

Alle Schritte sind penibel zu protokollieren. Schließlich sollten die Experimente anhand der Aufzeichnungen zu einem anderen Zeitpunkt/von einer anderen Person wiederholt werden können bzw. können die Unterlagen bei einer eventuellen Fehlersuche hilfreich sein.

Naturwissenschaftliche Protokolle beinhalten üblicherweise die folgenden Punkte:

  • Überschrift/Titel des Experiments
  • Aufgaben- bzw. Fragestellung, Einleitung
  • Chemikalien/Laborgeräte
  • Durchführung
  • Ergebnisse
  • Diskussion der Ergebnisse
  • Verwendete Literatur

In der Auswertungsphase sind die erhaltenen Daten gemäß dem Versuchsplan – und unter Umständen statistisch – zu erfassen, zu interpretieren, zu bewerten sowie zu diskutieren. Letzteres auch etwa in der Art: Sind Fehler aufgetreten? Wenn ja, in welcher Größenordnung? Wie zuverlässig sind die Messergebnisse? Ist das Experiment unter Umständen zu wiederholen?

Mit dem Experiment können angenommene Kausalzusammenhänge bestätigt oder gar widerlegt und Gesetzmäßigkeiten erkannt werden. In der Wissenschaft können gewonnene Erkenntnisse als Grundlage für neue Modelle und schließlich Theorien dienen.

Mögliche Fehlerquellen

Mögliche Fehlerquellen/Probleme:
Bei wissenschaftlichen Messungen/Experimenten werden grundsätzlich drei Arten von Fehlern unter-schieden:

  • Grobe Fehler aufgrund schlechter/falscher Planung, Schlamperei (Verwechslung von Proben, Unwissen, unvollständigen Aufzeichnungen etc.)  Sie liefern mehr oder weniger falsche Ergebnisse.
  • Systematische Fehler aufgrund von z.B.  falsch geeichten Messinstrumenten, Waagen etc., schlecht geschulten Experimentierenden. Diese Experimente liefern entweder konstant zu hohe oder zu niedrige Werte. Das bedeutet, die Resultate werden in eine Richtung verschoben.
  • Zufällige (statistische) Fehler aufgrund von Schwankungen äußerer Bedingungen wie z.B. Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, ungenauem Ablesen von Skalen, Toleranzen beim Pipettieren (Ablesen/Einstellen eines Meniskus) etc. Sie liefern bei mehrmaliger Wiederholung unterschiedliche Ergebnisse (Messwerte streuen um einen Mittelwert) und können durch wiederholte Messungen verringert werden.

Bei Experimenten unter Beteiligung von Personen (soziologische/psychologische Experimente, medizinische Studien und dergleichen) sind für aussagekräftige Resultate eine ganze Reihe möglicher Fehlerquellen zu beachten und zu berücksichtigen². Einige sind in der Folge aufgelistet:

  • Mangelnde Motivation bzw. Übermotivation von Versuchspersonen,
  • Versuchsleiter/in sieht/beobachtet nur, was sie/er sehen will (Rosenthaleffekt),
  • Einfluss persönlicher Eigenschaften, Einstellungen und Meinungen von Versuchspersonen auf das Verhalten anderer (Attributierungsfehler),
  • Einflüsse der Vorher-Messung auf die Nachher-Messung (Vorher-Messung ändert möglicher-weise die Einstellung der Versuchspersonen, macht sie erfahrener),
  • Verwendung unterschiedlicher Messinstrumente, unterschiedliche Testauswertung durch verschiedene Personen (Instrumenteneffekte),
  • Einseitige Selektion (Interessenten/Nichtinteressenten),
  • Gehäuft Aussteiger (Versuchspersonen, die das Experiment vorzeitig abbrechen) aus nur einer Versuchsgruppe, z.B. der Experimentalgruppe,
  • Wirkung der Zuteilung zu Experimental- oder Kontrollgruppe (Freude bei den einen bzw. Enttäuschung bei den anderen Versuchspersonen).

¹ Vgl. Reich, Kersten Reich: Unterrichtsmethoden im konstruktiven und systemischen Methodenpool. Experiment.  http://methodenpool.uni-koeln.de/experiment/frameset_experiment.html [Zugriff: 19.08.2019].
² Schwedt, Georg: Grundlagen der quantitativen Analyse. Fehlerbetrachtung. 6. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH-Verlag, 2009, S. 5ff.