Wissenschaftliches Denken

Die kritische, analytische und forschende Heran­gehens­weise an die Phänomene des Lebens und der Welt

Mit wissenschaftlichem Denken ist die kritische, analytische und forschende Herangehensweise an Beobachtungen der Welt und des Lebens gemeint, wobei Annahmen, Zustände, Phänomene und Zusammenhänge systematisch definiert, analysiert und überprüft werden.

Die Fähigkeit des wissenschaftlichen Denkens ermöglicht neue Sichtweisen auf die Phänomene des Lebens und fördert die Entdeckung neuer Seiten an der Welt und an sich selbst.

Zudem wird die generelle Problem­lösungs­fähigkeit verbessert, wodurch es insge­samt leichter fällt, die Heraus­forderungen in Studium, Beruf und Alltag gelungen zu bewältigen, was sich in der Folge auch auf das Selbstvertrauen positiv auswirkt.

Subjektive Wahr­nehmung versus wissen­schaft­liches Denken

Vor gar nicht allzu ferner Vergangenheit meinten die Menschen, die Sonne drehe sich um die Erde. Nikolaus Kopernikus bezweifelte dieses Annahme und stellte im Jahr 1510 die These des heliozentrischen Modells auf, fand allerdings keine wissenschaftlichen Beweise dafür, da es zu seiner Zeit die wissenschaftlichen Methoden und Instrumente dazu noch nicht gab.

Ende des 16. Jahrhunderts versuchten der Universalgelehrte Galileo Galilei und der Mathematiker Johannes Kepler schlüssige Beobachtungen zu sammeln, um das heliozentrische Modell zu beweisen.

In der Folge setzte sich das heliozentrische Modell durch, weil es mathematisch durch Kepler schlüssig beschrieben werden konnte und vor allem, weil es Anfang des 17. Jahrhunderts von Galilei durch Beobachtungen mit einem von ihm weiterentwickelten Teleskop bestätigt werden konnte.

Erst viel später brachten größere Teleskope die Erkenntnis, dass die Sonne auch nicht das Zentrum des Universums ist, bis zum jetzigen Standardmodell der Kosmologie, welches Milliarden von Galaxien in einem sich mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnenden Universum kennt.

Mit der Erforschung von Phänomenen aus einer Kombination von Experimenten, Messungen und mathematischen Analysen wurde Galileo Galilei zu einem der wichtigsten Begründer der neuzeitlichen exakten Naturwissenschaften.

Das Problem bei der Aufstellung der wissenschaftlichen Hypothese des heliozentrischen Modells und der Ablehnung des geozentrischen Weltbilds war, dass es für die Menschen tatsächlich so ausschaute, als ob sich die Sonne jeden Tag um die Erde drehen würde.

Wenn dann auch noch eine Dogmatik dazukommt, welche die Erde als das Zentrum der Schöpfung und des Universums betrachtet—und diese Ideologie tief im Denken der Menschen verankert ist—kann man sich vorstellen, wie schwer es war, eine davon abweichende Hypothese aufzustellen und diese subjektive Wahrnehmung zu korrigieren.

Wissenschaftliches Denken im Alltag

Innerhalb einer Gesellschaft bzw. Gesellschaftsgruppe sind die Weltanschauungen meist sehr festgefahren. Aufgrund dieses ideologischen Selbstverständnisses kommt es oftmals gar nicht zur kritischen, analytischen und erforschenden Betrachtung bestimmter Zustände und Zusammenhänge.

Deshalb braucht es im Allgemeinen die Begegnung mit erfahrenen Lehrenden, Forschern und Philosophen, damit sich die wissenschaftliche Denkweise entwickeln kann und überhaupt eine Offenheit für bisher unbekannte Betrachtungsweisen entsteht.

Zum besseren Verständnis des wissenschaftlichen Denkprozesses und des empirischen Entdeckens unbekannter Seiten der Welt bzw. neuer Sichtweisen auf die Welt verwende ich hier als Analogie die Betrachtung eines Bauernhofes aus der Ferne. Angenommen eine Gruppe von Studierenden sieht zwei Seiten des Hofs und alle Individuen der Gruppe sind überzeugt davon, dass der Hof nur aus Stall und Stadl besteht, weil sie nur diese Eigenschaften wahrnehmen.

Die subjektive Wahrnehmung ist auf Teilaspekte der Wirklichkeit beschränkt. Nur unsere eigenen (Neu)Erfahrungen sowie vermitteltes Wissen und weitergegebene Erfahrungen können die subjektive Wahrnehmung erweitern oder korrigieren.

Angenommen der erfahrene Lehrende kennt alle vier Hofseiten und weiß, dass auf einer Seite des Hofes ein schönes Gasthaus mit Gastgarten ist und dort gutes Essen serviert wird. Mit der reinen Wissensvermittlung würde er allerdings den wissenschaftlichen Prozess und den damit verbundenen erlebnisorientierten Erkenntnisgewinn (das Aha-Erlebnis) bei den Studierenden umgehen. Deshalb informiert er die Studierenden nicht gleich über das Gasthaus und das gute Essen, sondern regt zur kritischen, analytischen und forschenden Betrachtung an.

Die kritische Betrachtung hinterfragt die Selbstverständlichkeit, dass alles Stall und Stadl sei; die analytische Betrachtung klärt, aus wie vielen Hausseiten ein Haus mindestens besteht und was so ein Hof alles an Eigenschaften erwarten lässt (z.B. Wohnen, Verarbeitung und Vermarktung landwirtschaftlicher Produkte, etc.) und die empirische Forschung widmet sich der Erforschung der unbekannten Seiten.

Wissenschaftlich könnte man hier eine Nullhypothese und eine Alternativhypothese aufstellen:

Dieses Beispiel stellt zwar nur ein Gleichnis für das empirische Entdecken unbekannter Seiten der Welt dar. Aber es sind genau Fälle dieser Art, die manche Wanderer hungrig und durstig an ihr Ziel schleppen lässt, während andere, die nicht nur ihre Augen offen haben, sondern auch ihren Geist, gut versorgt durchs Leben wandern.

Wissenschaftliches Denken und Arbeiten in der medizinischen Wissenschaft

In der medizinischen Wissenschaft ist die Beziehung zwischen Ursache und Wirkung (Kausalität) von besonderer Bedeutung. Ein sehr einfaches Beispiel der Erforschung des Ursache-Wirkungs-Zusammenhangs ist die Überprüfung der überlieferten bekannten Annahme über die Wirkung von Hühnersuppe bei grippalem Infekt. Die nicht-wissenschaftliche Betrachtungsweise würde jetzt vorschlagen, diese Auffassung anzunehmen, wenn doch fast alle sagen, dass bei einer Erkältung eine Hühnersuppe wahre Wunder bewirkt.

Der kritische Beobachter lässt sich allerdings nicht beeinflussen oder irritieren von dem, was alle meinen und sagen, sondern zieht in Betracht, dass das subjektive Empfinden einer Wirkung auch auf Einbildung, Wunschdenken und anderen kausalen Effekten (z.B. Bettruhe- und Erholungseffekte) zurückzuführen sein könnte.

Die detaillierte Analyse der Zutaten findet jedoch Wirkstoffe, die unter Umständen das Immunsystem unterstützen, Entzündungen hemmen und die Schleimhäute abschwellen lassen. Diese analytische Erkenntnis regt dazu an, die Wirkung der Suppe wissenschaftlich auf einen Effekt bezüglich der Krankheitsdauer durch Beobachtungen empirisch zu überprüfen:

wobei μ₁ die Krankheitsdauer mit der Hühnersuppe und μ₂ die Krankheitsdauer mit einer Plazebosuppe mit Hühnergeschmack ist. Dabei wird der wahre Mittelwert der Population (Erwartungswert) μ durch den berechneten Mittelwert der Stichprobe x̄ einschließlich einer Standardabweichung s in Abhängigkeit vom Umfang der Stichprobe n geschätzt.

Die Nullhypothese H₀  kann nur mit einer bestimmten Sicherheits­wahrscheinlich­keit 1−α verworfen werden bzw. die Alternativhypothese H₁  nur mit einer bestimmen Irrtumswahrscheinlichkeit α angenommen werden. Meist wird eine statistische Sicherheit von 95% gefordert.

Zu beachten ist außerdem, ob die Krankheitsdauer einer Normalverteilung folgt, ansonsten kann der Schätzer x̄ nicht für statistische Tests herangezogen werden, sondern es wäre ein verteilungsunabhängiger Test (auch nichtparatmetrische oder parameterfreie Verfahren genannt) erforderlich, z.B. der Median-Test.

Hier zeigt sich, wie wichtig in den meisten Forschungsgebieten umfassende Kennnisse der Statistik sind. Eine gute Online-Einführung in die Wahrscheinlichkeits­rechnung und Statistik finde Sie auf der Website www.crashkurs-statistik.de.

Psychotherapieforschung

In der Psychotherapie geht man davon aus, dass innere Konflikte, Traumatisierungen und falsch eingelernte Verhaltens- und Denkweisen eine psychische Problematik verursachen. Durch die Bearbeitung dieser Ursachen und Hintergründe unter Berücksichtigung der Beziehungsdynamik zu wichtigen Bezugspersonen der Kindheit wird die psychische Problematik aufgelöst. Dabei spielt vor allem die psychotherapeutische Beziehung eine wesentliche Rolle für den Therapieerfolg.

Kritsch betrachtet fragt es sich allerdings, ob es nicht bei bestimmten Störungen eine Spezialisierung und Abstimmung auf das Krankheitsbild bräuchte, z.B. bei Essstörungen. Bei genauerer Betrachtung von Essstörungen werden deren Komplexität und Besonderheiten offenbar. In der Folge können die spezifischen Erfordernisse einer möglichst erfolgreichen Therapie von Essstörungen analysiert werden.

Nach dem Herausfinden und Aufstellen essstörungsspezifischer Behandlungsstrategien soll nun die Wirksamkeit von den daraus entwickelten psychotherapeutischen Ansätzen verglichen werden. Dabei werden die Patienten nach Zufallsprinzip folgenden Behandlungsgruppen zugeteilt:

Die Aufteilung der Patienten zu den Behandlungsgruppen nach dem Zufallsprinzip ist eine grundlegende Voraussetzung für inferenzstatistische Analysen. Die Inferenzstatistik, auch induktive oder schließende Statistik genannt, beruht auf den Grundlagen der Wahrscheinlichkeitstheorie, die wiederum auf Zufallsstichproben basiert. Eine Zuordnung der Patienten z.B. nach Sympathie und Interesse oder gar nach Ausprägung des Störungsbildes würde eine maßgebliche Verzerrung (Bias) der Ergebnisse verursachen.

Zu beachten ist auch, dass es aus ethischen Gründen keine Kontrollgruppe gibt, die gar keine psychotherapeutische Behandlung erhält. D.h. Wissenschaft hat immer auch ethische Aspekte abzuwägen und muss eventuell auf Erkenntnisse verzichten, wenn deren Erforschung unseren ethischen, gesellschaftlichen und humanistischen Werten widerspricht.

Aus den Forschungsfragen ergeben sich nun folgende wissenschaftliche Hypothesen:

wobei π₁ der Anteil der erfolgreich behandelten Patienten in der Behandlungsgruppe 1, π₂ der Anteil der erfolgreich behandelten Patienten in Behandlungsgruppe 2 und π₃ der Anteil der erfolgreich behandelten Patienten in Behandlungsgruppe 3 ist.

Der wahre Anteil π der erfolgreich behandelten Patienten wird mit dem berechneten Anteil der Stichprobe p geschätzt, wobei der Behandlungserfolg aus exakt festgelegten Kriterien besteht, die bereits bei der Studienplanung festgelegt werden müssen.

Im Nachhinein erstellte oder geänderte Kriterien für den Behandlungserfolg können offiziell nicht berücksichtigt werden bzw. müssen in der Studie genannt und diskutiert werden, denn sie würden den Verdacht auf Manipulation der Studie hervorrufen. Z.B. nur jene Merkmale für den Behandlungserfolg heranzuziehen, die ein gewünschtes Ergebnis liefern.

Die einzelnen erhobenen Merkmale sowie Zusammenhänge von Merkmalen können jedoch auch im Nachhinein deskriptiv (beschreibend mit Maßzahlen und Graphiken) sowie induktiv analysiert werden. Häufig ergeben sich später, aus der Betrachtung der Daten heraus, zusätzliche Forschungsfragen. Z.B. ob der Behandlungserfolg auch vom Alter der Patienten abhängt. Eine unwissenschaftliche und verwerfliche Vorgangsweise ist allerdings, wenn die Daten nach Effekten durchsucht und danach erst Hypothesen aufgestellt werden.

Higgs-Boson

In der Physik dauert die Überprüfung eines theoretischen Modells manchmal sehr lange. Der britische Physiker Peter Higgs hat in den 1960er Jahren für das Standardmodell der Elementarteilchenphysik ein Teilchen vorhergesagt, das erst Juli 2012 mit dem Teilchenbeschleuniger in CERN nachgewiesen werden konnte.

Auch hier wurde erst das bestehende Modell kritisch betrachtet und analysiert und in der Folge mit einer Theorie erweitert, die in weiterer Folge durch Beobachtungen wissenschaftlich überprüft werden konnte.

Hingegen wird es z.B. bei der sogenannten M-Theorie bzw. String-Theorie wahrscheinlich nie möglich sein, den wissenschaftlichen Nachweis zu erbringen, weil diese Strings derart klein sind, dass die Energie für einen entsprechenden Teilchenbeschleuniger praktisch nicht aufgebracht werden kann. Hier wird man wohl in der Theorie verbleiben. Aber nichtsdestotrotz ist es spannend, sich mit diesen Theorien, die in sich stimmig und sehr elegant sind, zu befassen.

Arten der Hypothesenbildung

In der Wissenschaft wird nach neuen Erkenntnissen gesucht, indem Phänomene und Zusammenhange von Faktoren kritisch betrachtet, analysiert und in der Folge durch Beobachtungen überprüft werden. Die Vermutung bzw. Annahme wie verschiedene Faktoren miteinander in Beziehung stehen oder Phänomene funktionieren wird in Forschungsfragen formuliert und durch wissenschaftliche Hypothesen konkretisiert.

In den meisten Fällen wissenschaftlicher Hypothesen kann ein Sachverhalt nur mit einer bestimmten Sicherheit angenommen werden bzw. eine Aussage nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit gemacht werden. Es gibt aber auch viele Phänomene, bei dem ein Ereignis unter bestimmten Voraussetzungen immer eintritt.

Demzufolge können je nach Natur der Forschungsfrage folgende Arten von Hypothesen gebildet werden:

Null- und Alternativhypothese

Bei zwei Ereignissen, die sich gegenseitig ausschließen, also entweder gilt das eine oder das andere, bietet sich das Aufstellen einer Null- und Alternativhypothese an. Z.B. Hühnersuppe reduziert entweder die Krankheitsdauer statistisch signifikant oder sie hat keine statistisch signifikante Auswirkung auf die Krankheitsdauer.

In Statistikprogrammen erfolgt dazu die Berechnung einer Fehlerwahrscheinlichkeit. Wird eine statistische Sicherheit von 95% gefordert, dann kann bei einer berechneten Fehlerwahrscheinlichkeit kleiner als 5% die Alternativhypothese angenommen werden.

Probabilistische Aussage

Probabilistische Hypothesen sind Wahrscheinlichkeitsaussagen über ein Ereignis, das mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit eintritt bzw. über einen Sachverhalt, der mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit vorhergesagt werden kann. Man spricht hier weniger von Hypothese sondern eher von Aussage.

Besonders bekannt sind probabilistische Aussagen bei Wahlumfragen: Partei XPÖ erhält mit 95% statistischer Sicherheit zwischen pu und po Prozent der Stimmen. Häufiger wird folgende Aussage gemacht: Würde jetzt gewählt werden, dann würde die Partei XPÖ p Prozent der Stimmen erhalten mit einer Schwankungsbreite von ppu Prozentpunkten. Die statistische Sicherheit bzw. das Konfidenzintervall wird dabei meist mit 95% festgelegt, d.h. mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 5% liegt der wahre Wert außerhalb des Konfidenzintervalls.

Probabilistische Aussagen können bei Gruppenvergleichen auch als Hypothesentest genutzt werden. Im Falle des obigen Beispiels mit der Hühnersuppe würde in publizierten Studien folgende probabilistische Aussage getroffen werden: Bei den Probanden mit der Hühnersuppe wurde eine mittlere Krankheitsdauer von x̄ Stunden (95% CI) gemessen, während die Versuchsgruppe mit der Placebosuppe eine mittlere Krankheitsdauer von x̄PL Stunden (95% CI) aufwies. Das Konfidenzintervall wird in Klammern gesetzt zum geschätzten Wert x̄ dazugeschrieben.

Aus den dabei angegebenen Konfidenzintervallen CI kann dann eine Aussage über einen eventuell vorliegenden statistisch signifikanten Unterschiend gemacht werden, also im Grunde die Null- und Alternativhypothese überprüft werden. Überschneiden sich die Konfidenzintervalle, liegt kein statistisch signifikanter Unterscheid vor und die Nullhypothese kann nicht verworfen werden.

Deterministisches Modell

Wenn ein Ereignis unter bestimmten Voraussetzungen immer eintritt, spricht man von einem deterministischen Modell. Der Sachverhalt ist also durch Naturgesetzte vorgegeben.

Die spektakulärsten empirischen Beweise betreffen wohl die von Albert Einstein aufgestellten deterministischen Modelle der allgemeinen und speziellen Relativitätstheorie. Mithilfe einer totalen Sonnenfinsternis konnte 1919 die durch die Allgemeine Relativitätstheorie vorausgesagte gravitative Ablenkung des Lichts überprüft werden.

Technisch viel aufwendiger war die Überprüfung der Relativität von Raum und Zeit, die erst 1971 von Joseph C. Hafele und Richard E. Keating mit vier Cäsium-Atomuhren in einem Flugzeug und einer stationären Atomuhr bewiesen wurde.

Die Relativitätstheorie ist auch ein Bespiel dafür, wie Ergebnisse theoretischer Grundlagenforschung zur Alltagsanwendung werden. Z.B. wäre ohne Einsteins Gleichungen keine exakte Satellitennavigation möglich.

Von der kritischen Betrachtung bis zur Publikation

Am Anfang steht der kritische oder fragende Gedanke, angeregt durch einen Beitrag in einem Forschungsjournal, durch eine irritierende Alltagsbeobachtung, durch die Aussage eines Kollegen auf einem wissenschaftlichen Kongress, durch eine Fragestellung bei der Behandlung eines Patienten, etc. Wenn ein tieferes Interesse daran besteht, kann diesem Gedanken näher nachgegangen werden und das Phänomen sowie Zusammenhänge eingehender betrachtet werden.

Daraus ergibt sich ein neues Modell, ein erweitertes Modell, eine Annahme, eine Vermutung. Zur Beantwortung der damit verbundenen Forschungsfrage benötigen wir ein Experiment, eine Erhebung oder eine bestätigende Beobachtung, wobei wir darauf hoffen, dass uns die daraus gewonnen Daten und deren Analyse eine Antwort auf unsere Forschungsfrage geben.

Experimentelles Design

Für die meisten Wissenschaftler sind der kritische Gedanke und die nähere Auseinandersetzung damit eine Alltagsbegegnung. Auch die dazugehörigen Forschungsfragen und daraus abgeleitete Hypothesen können meist problemlos formuliert werden.

Das Experiment zur Beantwortung der Forschungsfrage kann jedoch auch für die erfahrensten Forscher ein Problem darstellen. Manche Experimente und Erhebungen sind nur mit extrem hohen finanziellen, zeitlichen und technischen Aufwand möglich, wie z.B. der Teilchenbeschleuniger in Cern. Auch eine einfache epidemiologische Erhebung über den Gesundheitszustand der Bevölkerung oder die Erforschung eines neuen Medikaments kann enorme Ressourcen beanspruchen. Insbesondere in der medizinischen Forschung kommen auch noch ethische Aspekte und gesundheitliche Risiken dazu.

Zudem kann die akkurate Messung mit Schwierigkeiten verbunden sein, sogar wenn es sich um ein dichotomes (ja/nein) Merkmal handelt. Z.B. wie kann beim psychologischen Experiment der kindlichen Entwicklung zuverlässig feststellt werden, ob sich das Kleinkind im Spiegel selbst erkennt. Die Idee, man könnte dem Kind unbemerkt einen auffälligen Punkt ins Gesicht malen und in der Folge beobachten, ob das Kind bei Betrachtung im Spiegel den Punkt sich selbst zuordnen kann (Rouge Test), braucht es gewisses Maß an Kreativität. → Youtube-Video: Rouge Test.

Manchmal ist vor der eigentlichen Studie eine Pilotstudie mit wenigen Probanden erforderlich, um die Zuverlässigkeit des Experiments, des Studiendesigns oder eines Tests vorab zu prüfen.

Außerdem kann eine Studie mit gütiger Forschungsfrage und gelungenem Experiment zum Scheitern verurteilt sein, wenn nicht darauf geachtet wird, statistische Aussagen treffen zu können. Deshalb beschäftigen die meisten Forschungseinrichtungen Statistiker, die sich zuallererst um das statistische experimentelle Design (auch statistische Versuchsplanung genannt) und um die Berechnung des erforderlichen Stichprobenumfangs kümmern.

Für ein gelungenes experimentelles Design ist Kreativität, Können und Erfahrung erforderlich. In den meisten Fällen braucht es dazu ein multidisziplinäres Team. Beim Verfassen einer Diplomarbeit mit eigenen Experimenten bzw. Daten­erhebungen sind besonders die Betreuer und andere erfahrene wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut gefragt, dem Studierenden dabei zu helfen.

Reproduzierbarkeit

Die Reproduzierbarkeit eines Experiments ist eine Grundanforderung an wissenschaftliche Experimente, Messungen und Analysen. Dementsprechend werden im Methodenteil einer wissenschaftlichen Publikation experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung beschrieben.

In der Folge kann ein experimentelles Ergebnis von Forschern repliziert und überprüft werden. Als verlässlich gilt ein experimentelles Ergebnis erst dann, wenn es von anderen Forschern nachvollzogen worden ist.

Insbesondere in den Sozialwissenschaften gibt es jedoch Ausnahmen von der Reproduzierbarkeit eines Experiments. Z.B. kann das Experiment von geburtenstarken Jahrgängen in einer bestimmten Phase und unter bestimmten Umständen, wie die geburtenstarken Jahrgänge in den 1960er Jahren und den Umständen des sogenannten Wirtschaftswunders, nicht repliziert werden.

Hier handelt es sich ein einmaliges Ereignis und um ein gesellschaftliches Experiment, welches nie geplant wurde, sondern passierte. Sehr wohl sollten aber die Datenerhebungen und Datenanalysen nachvollziehbar sein und im Daten-/Methodenteil der wissenschaftlichen Arbeit beschrieben werden.

Kein Ergebnis ist auch ein Erkenntnisgewinn

Manchmal erhalten wir trotz gültiger Forschungsfrage und akkuratem experimentellen Design keine befriedigende Antwort und viele zusätzliche offene Fragen. Aber das ist kein Grund zu verzweifeln, sondern im Gegenteil ein wichtiger Erkenntnisschritt, der es wert ist, publiziert bzw. als wissenschaftliche Arbeit eingereicht zu werden.

Persönliches und akademisches Wachstum durch die Entwicklung der Fähigkeit des wissen­schaftlichen Denkens

Wissenschaftliches Denken ist nicht nur eine den Wissenschaftlern vorbehaltene Kompetenz, sondern eine nützliche Fähigkeit für alle Menschen und ein hilfreiches Instrument für viele Lebenslagen. Die Fähigkeit des kritischen, analytischen und forschenden Denkens: