Die wissenschaftliche Methode und die Bedeutung der Dokumentation von Ergebnissen
| Autor: | Prof. Dr.-Ing. Ulrich Schneider |
| Sprache: | 🇩🇪 🇬🇧 |
Einleitung
Die wissenschaftliche Methode umfasst Grundsätze und Vorgehensweisen, mit denen Wissen über die Welt gewonnen und überprüft wird. Je nach Fachgebiet unterscheiden sich die konkreten Verfahren. Typischerweise werden Fragestellungen entwickelt, Erklärungen vorgeschlagen, Belege gesammelt und die Ergebnisse kritisch bewertet.
Wissenschaftliche Erkenntnisse sind grundsätzlich überprüfbar und können durch neue Beobachtungen oder weiterführende Untersuchungen verändert werden. Deshalb ist es wichtig, nicht nur Experimente durchzuführen, sondern auch deren Ablauf und die Herleitung der Ergebnisse festzuhalten.
Eine nachvollziehbare Dokumentation schafft eine überprüfbare Verbindung zwischen dem Vorgehen, den erhobenen Daten und den daraus gezogenen Schlussfolgerungen. Fehlen wichtige Aufzeichnungen, können Beobachtungen falsch interpretiert und Fehler möglicherweise nicht erkannt werden.
Die wissenschaftliche Methode
Die wissenschaftliche Methode ist kein starres Schema, das in jedem Fachgebiet identisch angewendet wird. Zu den möglichen Vorgehensweisen gehören kontrollierte Experimente, Beobachtungsstudien, mathematische Modellierung und Untersuchungen im praktischen Umfeld.
Viele wissenschaftliche Untersuchungen umfassen jedoch die folgenden Tätigkeiten.
Beobachtung und Formulierung der Fragestellung
Wissenschaftliche Untersuchungen beginnen häufig mit einer Beobachtung, einem ungelösten Problem oder einem Widerspruch zwischen bisherigen Erklärungen und vorhandenen Daten.
Ausgehend davon wird eine konkrete Fragestellung formuliert. Sie grenzt den Untersuchungsgegenstand ein und legt fest, welche Informationen zur Beantwortung benötigt werden.
Eine präzise Fragestellung hilft dabei, relevante Beobachtungen von nicht zielführenden Informationen zu unterscheiden.
Bildung einer Hypothese
Eine Hypothese ist eine überprüfbare Annahme über einen Sachverhalt oder den Zusammenhang zwischen verschiedenen Größen.
Sie kann beispielsweise vorhersagen, wie sich eine Messgröße unter bestimmten Bedingungen verändert oder welche Ursache ein beobachtetes Verhalten haben könnte.
Nicht jede wissenschaftliche Untersuchung benötigt eine vorab formulierte Hypothese. Auch explorative Untersuchungen können sinnvoll sein. Dabei sollte jedoch klar zwischen ursprünglichen Erwartungen und Schlussfolgerungen unterschieden werden, die erst nach der Auswertung entstanden sind.
Versuchsplanung und Durchführung
Die Untersuchungsmethode wird passend zur Fragestellung ausgewählt. Dazu können Laborversuche, Messungen, Simulationen, Befragungen oder die Auswertung vorhandener Datensätze gehören.
Bei der Versuchsplanung sind insbesondere folgende Aspekte zu berücksichtigen:
- verwendete Materialien, Geräte und Messinstrumente
- untersuchte Größen und Versuchsbedingungen
- Auswahl der Messpunkte und Stichproben
- Vergleichsbedingungen und Referenzmessungen
- Messverfahren und Kalibrierung
- Zeitpunkte und Ablauf der Datenerfassung
- Sicherheitsvorgaben und rechtliche Anforderungen
Die Dokumentation dieser Angaben ermöglicht es, die Bedingungen zu verstehen, unter denen die Ergebnisse entstanden sind.
Datenerfassung und Auswertung
Während einer Untersuchung werden Beobachtungen, Messwerte und weitere relevante Daten erfasst. Anschließend werden diese mit geeigneten Verfahren ausgewertet.
Je nach Fragestellung kommen statistische Methoden, mathematische Modelle, numerische Berechnungen oder qualitative Interpretationen zum Einsatz.
Entscheidungen bei der Datenbereinigung, der Auswahl von Modellen oder dem Umgang mit auffälligen Messwerten können die Ergebnisse beeinflussen. Solche Entscheidungen müssen nachvollziehbar dokumentiert werden.
Interpretation und Schlussfolgerung
Die Ergebnisse werden daraufhin untersucht, ob sie die ursprüngliche Hypothese stützen, ihr widersprechen oder keine eindeutige Aussage ermöglichen.
Die Schlussfolgerungen müssen zur Aussagekraft der vorhandenen Daten passen. Ein Ergebnis, das mit einer Hypothese vereinbar ist, beweist nicht automatisch deren allgemeine Gültigkeit.
Mögliche alternative Erklärungen, Messunsicherheiten und methodische Einschränkungen sind ebenfalls zu berücksichtigen.
Neue Erkenntnisse können dazu führen, dass bisherige Schlussfolgerungen angepasst werden.
Kommunikation und weiterführende Untersuchungen
Wissenschaftliche Ergebnisse werden beispielsweise in Berichten, Fachartikeln, Datensätzen, technischen Dokumentationen oder Präsentationen veröffentlicht.
Dadurch können andere Personen die Methoden und Ergebnisse prüfen, Schwachstellen erkennen und neue Fragestellungen entwickeln.
Wissenschaft ist daher ein fortlaufender Prozess, bei dem Erkenntnisse überprüft, erweitert und gegebenenfalls korrigiert werden.
Dokumentation wissenschaftlicher Untersuchungen
Die wissenschaftliche Dokumentation umfasst die systematische Erfassung und Aufbewahrung aller wesentlichen Informationen über Ziel, Methode, Beobachtungen, Auswertung und Ergebnisse einer Untersuchung.
Mögliche Dokumentationsformen sind Laborbücher, Messprotokolle, Tabellen, Datenbanken, Quelltexte, Software-Notebooks, Fotografien und Versuchsberichte.
Die gewählte Form sollte zur Untersuchung passen. Entscheidend ist, dass die Aufzeichnungen vollständig, korrekt, strukturiert und verständlich sind.
Dokumentation der Methoden und Verfahren
Die verwendeten Geräte, Materialien, Versuchsbedingungen, Messverfahren und Auswertungsmethoden müssen so beschrieben werden, dass das Vorgehen nachvollziehbar bleibt.
Je nach Untersuchung gehören dazu auch:
- Geräteeinstellungen und Kalibrierdaten
- verwendete Softwareversionen
- Umgebungsbedingungen
- Messparameter und Berechnungsverfahren
- Abweichungen vom ursprünglich geplanten Versuchsablauf
Diese Informationen helfen dabei, Unterschiede zwischen Versuchsergebnissen und Einflüsse veränderter Bedingungen zu erkennen.
Erfassung von Beobachtungen und Rohdaten
Rohdaten bilden die Grundlage der späteren Auswertung. Sie sollten möglichst unverändert und getrennt von bearbeiteten oder interpretierten Ergebnissen aufbewahrt werden.
Wichtige Angaben sind:
- Messwerte einschließlich Einheiten
- Zeitstempel und Kennzeichnungen der Messungen
- Herkunft der Daten
- relevante Versuchsbedingungen
- Informationen über Korrekturen und Datenveränderungen
Werden Daten korrigiert, gefiltert, transformiert oder ausgeschlossen, sind sowohl die Änderungen als auch deren Begründung festzuhalten.
Soweit möglich, sollten die ursprünglichen Daten erhalten bleiben, damit sich die Auswertung später überprüfen lässt.
Dokumentation der Datenauswertung
Die Auswertung umfasst häufig mehrere Verarbeitungsschritte und methodische Entscheidungen. Deshalb muss nachvollziehbar sein, wie aus den Rohdaten die dargestellten Ergebnisse entstanden sind.
Dazu können mathematische Gleichungen, statistische Verfahren, Modellparameter, Annahmen, Skripte und Softwareabhängigkeiten gehören.
Bei computergestützten Untersuchungen ist es besonders wichtig, die verwendeten Daten, Programme und relevanten Einstellungen aufzubewahren. Eine allgemeine Beschreibung der Methode allein reicht bei komplexen Auswertungen häufig nicht aus.
Darstellung der Ergebnisse und Unsicherheiten
Beobachtungen, Auswertungsergebnisse und Interpretationen sollten klar voneinander getrennt werden.
Ergebnisse sind mit geeigneten Einheiten, Tabellen, Diagrammen und statistischen Kennwerten darzustellen. Soweit relevant, gehören Messunsicherheiten, Konfidenzintervalle und Einschränkungen der Untersuchung ebenfalls dazu.
Auch unerwartete Ergebnisse und erfolglose Versuche können wissenschaftlich wertvoll sein. Sie sollten deshalb nicht allein deshalb weggelassen werden, weil sie nicht zur ursprünglichen Erwartung passen.
Warum müssen Ergebnisse dokumentiert werden?
Reproduzierbarkeit
Reproduzierbarkeit bedeutet insbesondere in der computergestützten Forschung, dass bei Verwendung derselben Daten, Methoden und relevanten Berechnungsbedingungen konsistente Ergebnisse erzielt werden können.
Eine gute Dokumentation ermöglicht es, die einzelnen Verarbeitungsschritte nachzuvollziehen und die Entstehung eines Ergebnisses zu überprüfen.
Ohne ausreichende Aufzeichnungen kann eine Auswertung selbst dann schwer reproduzierbar sein, wenn das ursprüngliche Ergebnis plausibel erscheint.
Wiederholbarkeit und unabhängige Überprüfung
Bei der Wiederholung einer Untersuchung werden neue Daten erhoben, um zu prüfen, ob sich vergleichbare wissenschaftliche Erkenntnisse ergeben.
Eine dokumentierte Untersuchung liefert die Grundlage für eine unabhängige Wiederholung. Dabei können die ursprünglichen Methoden übernommen oder gezielt verändert werden, um die Robustheit der Ergebnisse zu untersuchen.
Abweichende Ergebnisse können beispielsweise durch unterschiedliche Stichproben, veränderte Umgebungsbedingungen oder Messunsicherheiten entstehen. Sie sind nicht automatisch ein Zeichen für fehlerhafte oder unredliche Arbeit.
Erkennung und Korrektur von Fehlern
Detaillierte Aufzeichnungen helfen dabei, Fehler bei Messungen, Berechnungen, Datenverarbeitung und Interpretation aufzudecken.
Beispielsweise kann eine falsche Einheitenumrechnung zu einem fehlerhaften Zahlenwert führen. Sind der ursprüngliche Messwert, die Umrechnungsformel und die weiteren Berechnungsschritte dokumentiert, lässt sich der Fehler lokalisieren und korrigieren.
Darüber hinaus kann zwischen einzelnen Fehlern und systematischen Problemen unterschieden werden, die eine gesamte Untersuchung betreffen.
Transparenz und wissenschaftliche Integrität
Eine transparente Dokumentation macht die Grundlage wissenschaftlicher Aussagen überprüfbar.
Sie hilft unter anderem dabei, selektive Ergebnisdarstellungen, unbegründete Datenausschlüsse und Abweichungen zwischen dem geplanten und dem tatsächlich durchgeführten Verfahren zu erkennen.
Eine Dokumentation allein garantiert weder korrekte Methoden noch ehrliches wissenschaftliches Arbeiten. Sie liefert jedoch wichtige Informationen, um die Qualität und Nachvollziehbarkeit einer Untersuchung zu bewerten.
Kontinuität und Aufbau von Wissen
Wissenschaftliche Untersuchungen werden häufig über längere Zeiträume und von verschiedenen Personen durchgeführt.
Eine sorgfältige Dokumentation ermöglicht es, frühere Versuche nachzuvollziehen, vorhandene Datensätze erneut zu verwenden und Untersuchungen anderer Teams fortzuführen.
Dadurch bleibt wichtiges Wissen erhalten und neue Erkenntnisse können systematisch mit früheren Ergebnissen verglichen werden.
Effizienter Einsatz von Ressourcen
Experimente benötigen häufig Zeit, Material, Finanzierung und spezielle Geräte.
Dokumentierte Versuche zeigen, welche Verfahren bereits getestet wurden, welche Bedingungen untersucht wurden und welche Schwierigkeiten aufgetreten sind.
Dadurch lassen sich unnötige Wiederholungen vermeiden und weitere Untersuchungen besser planen. Eine gezielte Wiederholung kann dennoch sinnvoll sein, wenn Ergebnisse überprüft oder Unsicherheiten untersucht werden sollen.
Grundsätze einer guten wissenschaftlichen Dokumentation
Genauigkeit
Die Aufzeichnungen müssen die tatsächlichen Beobachtungen, durchgeführten Verfahren und getroffenen Entscheidungen korrekt wiedergeben. Messwerte dürfen nicht verändert werden, nur weil sie nicht den Erwartungen entsprechen.
Vollständigkeit
Die Dokumentation muss genügend Informationen enthalten, damit die Untersuchung und die Entstehung ihrer Ergebnisse nachvollzogen werden können.
Verständlichkeit
Methoden, Einheiten, Abkürzungen, Begriffe und Berechnungen sind so zu erklären, dass die vorgesehene Zielgruppe sie verstehen kann.
Rückverfolgbarkeit
Daten und Ergebnisse müssen ihren Quellen, Erhebungsverfahren und Verarbeitungsschritten zugeordnet werden können.
Zeitnahe Erfassung
Beobachtungen und Arbeitsschritte sollten möglichst unmittelbar dokumentiert werden. Dadurch wird vermieden, dass wichtige Einzelheiten später vergessen oder ungenau wiedergegeben werden.
Einheitlichkeit
Einheitliche Formate, Dateinamen, Einheiten und Protokollstrukturen erleichtern die Auswertung und den Vergleich von Daten.
Langfristige Aufbewahrung
Aufzeichnungen müssen so gespeichert werden, dass sie langfristig lesbar und nutzbar bleiben. Backups, Versionsverwaltung und geeignete Dateiformate unterstützen diesen Zweck.
Reproduzierbarkeit
Soweit möglich, sollte die Dokumentation andere fachkundige Personen in die Lage versetzen, die wesentlichen Methoden nachzuvollziehen und die berichteten Ergebnisse zu überprüfen.
Diese Grundsätze müssen an die fachlichen, praktischen und ethischen Anforderungen der jeweiligen Untersuchung angepasst werden.
Datenaustausch und Open Science
Open Science fördert die Zugänglichkeit, Transparenz und Wiederverwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse und Forschungsergebnisse.
Dazu können Veröffentlichungen, Messdaten, Versuchsprotokolle, Software, Quelltexte und ergänzende Dokumentationen gehören.
Datenrepositorien und geeignete Verfahren zur Datenverwaltung unterstützen die langfristige Speicherung und eindeutige Zuordnung von Forschungsdaten.
Die FAIR-Prinzipien beschreiben vier wichtige Eigenschaften wissenschaftlicher Daten:
- Findable: auffindbar
- Accessible: zugänglich
- Interoperable: interoperabel
- Reusable: wiederverwendbar
Eine offene Bereitstellung sämtlicher Daten ist jedoch nicht immer zulässig oder sinnvoll. Personenbezogene Informationen, vertrauliche Inhalte und sicherheitsrelevante Daten können besondere Schutzmaßnahmen oder Zugangsbeschränkungen erfordern.
Der Datenaustausch muss deshalb mit den geltenden rechtlichen, ethischen und organisatorischen Anforderungen vereinbar sein.
Grenzen und Herausforderungen
Eine umfassende Dokumentation erfordert Zeit, Ressourcen, geeignete Werkzeuge und entsprechende Kenntnisse. Besonders große Datensätze, proprietäre Software, spezielle Geräte und komplexe Teamarbeit können zusätzliche Herausforderungen darstellen.
Manche Untersuchungen lassen sich nicht exakt wiederholen, beispielsweise weil das ursprüngliche Ereignis einmalig war oder sich die Umgebungsbedingungen verändert haben.
Außerdem garantiert eine sorgfältige Dokumentation keine richtigen Schlussfolgerungen. Auch bei vollständig protokollierten Untersuchungen können ungeeignete Annahmen, fehlerhafte Messungen, verzerrte Stichproben oder unpassende Auswertungsmethoden auftreten.
Ebenso beweist ein nicht reproduzierbares oder nicht wiederholbares Ergebnis für sich genommen kein wissenschaftliches Fehlverhalten. Abweichungen können auf Unsicherheiten, methodische Schwächen oder bisher unbekannte Eigenschaften des untersuchten Phänomens hinweisen.
Das Ziel der Dokumentation ist daher nicht, unter allen Umständen identische Ergebnisse zu garantieren. Sie soll vielmehr ermöglichen, Daten, Vorgehensweisen, Schlussfolgerungen und Einschränkungen kritisch zu beurteilen.
Zusammenfassung
Die wissenschaftliche Methode bietet einen Rahmen, um Fragestellungen anhand von Beobachtungen, Daten und kritischer Bewertung zu untersuchen. Die Dokumentation ist ein unverzichtbarer Bestandteil dieses Prozesses, weil sie den Zusammenhang zwischen den erhobenen Daten, den verwendeten Methoden und den Schlussfolgerungen erhält.
Sorgfältige und zugängliche Aufzeichnungen ermöglichen die Überprüfung von Ergebnissen, die Erkennung von Fehlern und die unabhängige Bewertung wissenschaftlicher Aussagen. Sie helfen außerdem dabei, Erkenntnisse langfristig zu bewahren und für spätere Untersuchungen nutzbar zu machen.
Wissenschaftlicher Fortschritt hängt deshalb nicht nur davon ab, neue Erkenntnisse zu gewinnen, sondern auch davon, nachvollziehbar festzuhalten, wie diese Erkenntnisse entstanden sind.
Literatur
- National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine (2019): Reproducibility and Replicability in Science. Washington, DC: The National Academies Press. DOI: 10.17226/25303
- UNESCO (2021): UNESCO Recommendation on Open Science. Offizielle Informationen zur Open Science