なぜ、実験課題があるのか
ここでは、学校側が学生に実験を求める意図を解説しよう。
ただし、ここでの解説は主に「たてまえ論」だ。
本音や実態は、これと異なる場合が多い。
しかし、この「たてまえ論」を押さえておかないと、単位に結びつくレポートを書くことができない。
理工学にとっての実験の意義
古代ギリシアの科学は思索が中心であった。
自然現象の原理原則を究明しようとする試みは、思索によってなされた。
「万物の根源は水である」という説があった。
提唱者タレスはまったくの思いつきで言ったのではない。
自然現象をよく見て思索し、そのように考えるのが妥当だと判断したからこの説を提唱したのだ。
この時代、すぐれた説はより大勢を説得できる説であり、より多数を説得できる説が真実とされた。
だから古代の科学者は論説や弁舌にも優れていた。
あらゆる物質の根源が水であるか、古代ギリシアの人々は実験で確かめようとはしなかった。
実験するための機材がなかったからではない。
実験で検証しようとする発想がこの時代になかったのだ。
自然を思索のみで理解しようとする試みは中世まで継続した。
科学に実験による検証を持ち込んだのはガリレオであった。
ガリレオ以後の科学・理工学は、仮説を実験・観測で検証し真理を導くことによって、その内容を蓄積してきた。
実験事実、観測事実と一致する説が、すぐれた説であり、誰がいつやっても理論通りの結果が再現する説が正しい説とされた。
これを真理という。そこには弁舌の上手下手はない。
仮説が、真理として認知されるためには「実験による検証」という試練を乗り越えなくてはならない。
試練に耐えられない仮説は、修正され再度検証に臨むか、もともと誤りであったため落伍していくことになる。
燃素説、エーテル説などは、多くの支持者を得ながらも、科学からの退場を余儀なくされた。
検証をパスできなかったからだ。
「実験による検証」は極めて非情なプロセスだといえる。
しかし、この仕組みがあるからこそ、科学・理工学を健全に保つことができる。
誤った仮説の暴走を食い止める作用があるからだ。
真理は弁舌ではなく、客観的な事実によってのみ導かれる。
このような厳格な運用があるため、科学には排他的な印象がつきまとうが、それは誤解である。
「実験による検証」という最低限のルールを守れば、誰でも仮説を提案できるし、議論に加わることが可能なのだ。
しかし、ルールに準拠できない者には、極めて冷たい。
「ルールは守れないが試合に出たい」という要望を認める競技はない。スポーツも科学も同じである。
ガリレオ以前の科学は遅滞していたが、ガリレオ後に急速に発展した。
この違いは「実証を経たものを、真理として受け入れる」というスタンスの有無に起因する。
現代の科学・理工学は実証を重んじているのだ。実証の有効な手段が「実験」なのである。
実験による検証のプロセス
実証されていない理論を仮説といい、仮説が真理かどうか判定する手段が実験である。
科学・理工学といってもその現場は多岐に渡る。仮説の捉え方は現場ごとに異なる。
しかし、どの仮説も実験(観測を含む)により検証を経て真理となることには変わりはない。
ここでは、代表的な現場として、以下の二つを例示する。
| 現場 | 仮説の捉え方 |
| 学術研究・基礎研究 | 理学の未知の現象(未検証の現象)を説明するために設定する仮定を仮説という。 |
| 技術開発・製品開発 | 目標の性能、機能を達するための、設計や技術選択を仮説という。 |
仮説が「実験による検証のプロセス」を経て真理と認められる過程を図示しよう。
物理史を塗り替えるような新理論であっても、メーカーが行う製品化のための技術開発であっても、このプロセスは変わらない。
科学・理工学の現場での実験
学術研究・基礎研究
「未知の現象(未検証の現象)を説明するために設定する仮定」が正しいかどうかを検証するのが、学術研究・基礎研究における実験である。
上記のような仮定を仮説という。
その仮説が正しい場合、コレコレの実験を施したら、コレコレの結果が得られるであろうという見込みがある。
これを具体的にしたものが実験計画だ。
その実験計画に基づいて得られた実験結果が、その実験計画から予測される結果と一致する場合、その仮説は正しい（つまり真理）と判断できる。
実験結果に対し、別の人がまったく同じ実験をして同じ結果になるかどうかを確認する場合がある。
これを追試という。(テストの点が悪くて再試験の追試とは違う)
追試では、仮説も実験計画も、オリジナルの実験と同等である。
技術開発・製品開発
メーカーの場合は、製品開発の各段階で実験を行う。
このように設計すれば、この性能が出るはずだという理論（見込み）がある。
これが仮説だ。
それを実験で検証するのだ。
繰り返すと「目標の性能、機能を達するための、設計や技術選択」が正しいかどうかを検証するのが、技術開発・製品開発における実験である。
例えば、装置の防音設計をする場合、最終的に騒音は□□dB以下にするという性能目標がある。
この性能目標を達成するために開発技術者は、防音材の選定や、部品配置の検討などを繰り返し、設計を進めるのだ。
これが仮説に相当する。仮説の段階ではまだ設計は完了していない。
設計が未完了の段階にある製品を一般に試作機、試作品という。
仮説が正しければ(設計が妥当であれば)、騒音は□□dB以下となるはずである。
これを検証するための、実験計画を立案する。
実験は、試作機の騒音が性能目標を満たしているかどうか、判定できるように計画しなくてはならない。
多くのメーカーでは、実験計画そのものが標準化されている。
試作機を実験する都度、計画をゼロから作成するとしたら能率が悪いし、実験方法が毎回異なれば、前任機や競合機との性能比較ができなくなるからだ。
騒音の実験であれば、試作機を音波試験用の無響室に入れ動作させ、その騒音を測定することになる。
試作機を動作させる時間や、集音マイクの位置、サンプリング回数などは標準に従うのだ。
実験の結果がでたら、性能目標と比較する。
目標を満たしていれば、設計は妥当であり、製品化に向けて一歩進んだことになる。
もし、目標を満たしていなければ、設計(仮説)に不備があるか、実験実施時の作業に誤りがあったかである。
この場合、実験計画の誤りは考えにくい。実験計画として信頼度が高いので全社で標準化したのであるからだ。
再度、実験し、同様の結果がでれば設計のやり直しとなる。
実験を求める意図
見てきたように、科学・理工学の現場では、実験がついて回る。
教職員の仕事は、科学・理工学で基本となる知識・技能を学生に修得させることである。
だから、学生に講義で法則を理解させただけでは、科学・理工学の教育を完了したことにはならない。
「実験による検証」を体得させることも必要なのだ。
決して、実験を通して、実験の作業に熟練して欲しいのではない。
実験の機材の使用方法や、有効数字の取扱いだけを教えたいのではない。
それらを含めた、「実験による検証プロセス」を体得させたいのだ。
「実験による検証」のプロセスに則して実験し、仮説の真偽を判定する感覚を身につけて欲しいのだ。
学生の中には、「なぜ、わざわざ真理を実験させるのだろう。結果は分かっているのに」という疑問を持つ人もいる。
教職員は、新発見を期待して実験を指示するのではないのだ。
すでに真理となっている現象を仮説に見立てて、検証するプロセスを習得させようとしているのだ。
未知の現象を実験させるより、真理を追試させるほうが、指導しやすいし、レポートも公平に評価できるからだ。
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2005/09/04
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