Damit Experimente gültige und verlässliche Ergebnisse liefern und so ihre Funktion im naturwissenschaftlichen Prozess erfüllen, müssen sie wesentliche Kriterien als Voraussetzungen erfüllen:
Objektivierbarkeit & Reproduzierbarkeit
Objektivierbarkeit bedeutet, dass die Ergebnisse eines Experiments unabhängig von der Person, die es durchführt, gleich bleiben sollten. Dies erfordert klare und präzise Methoden, die von anderen Wissenschaftlern nachvollzogen werden können. Ebenso müssen objektiv messbare Größen gefunden und genutzt werden.
Möchte man z.B. untersuchen, ob Pflanzen mit oder ohne Dünger besser wachsen, muss man geeignete Messgrößen für dieses "besser" finden. Der persönliche Eindruck der Forschenden, ob eine Pflanze gut oder nicht so gut wächst, wäre nicht objektiv. Besser geeignet sind Messgrößen, wie z.B. die Trockenmasse, um die eine Pflanze in einer bestimmten Zeit zunimmt, oder ihre Stoffwechselrate (z.B. in Form der CO2-Aufnahme oder O2-Abgabe.) Ferner müssen die Forschenden angeben, unter welchen weiteren Bedingungen die Pflanzen gewachsen sind und welcher Dünger genau verwendet wurde und wann und wie viel von ihm zugegeben wurde.
Wenn ein Experiment objektiv ist, können verschiedene Forscher unter denselben Bedingungen ähnliche Ergebnisse erzielen, d.h. sie können es reproduzieren. Dies ist wichtig, um subjektive Einflüsse oder persönliche Vorurteile auszuschließen.
Die von Beginn an im naturwissenschaftlichen Unterricht eingeübten Versuchsprotokolle sind im Grunde genau solche Dokumentationen von Versuchen, die der Reproduzierbarkeit dienen sollen. Auch Forschende an Universitäten protokollieren in ähnlicher Weise ihre Versuche, wenn sie ihre Ergebnisse veröffentlichen.
Mehrfache Wiederholung von Versuchen
Gerade in der Biologie, wo es um Lebewesen geht, können einzelne Experimente nicht-repräsentative Ergebnisse liefern und so einen irrtümlichen Eindruck erwecken. Damit ist gemeint, dass einzelne Ergebnisse nicht dem üblichen, "normalen" Fall entsprechen.
Untersucht man z.B. den Einfluss von Dünger auf das Pflanzenwachstum an nur einer Pflanze, kann die ein nicht-repräsentatives Ergebnis liefern, wenn die einzelne Pflanze sich untypisch verhält. Sie könnte beispielsweise krank sein oder aus anderen Gründen vorgeschädigt sein. Sie könnte auch auf den Dünger stärker reagieren als andere Pflanzen dieses üblicherweise machen.
Auch bei chemischen oder biochemischen Experimenten kann es im Einzelfall immer mal zu untypischen Beobachtungen kommen. Das kann auch daran liegen, dass zum Beispiel die benutzten Versuchsgefäße unrein waren oder bestimmte Chemikalien chargenabhängige Unterschiede aufweisen.
Ein gutes Experiment sollte daher immer so angelegt sein, dass der gleiche Ansatz mehrmals parallel durchgeführt wird. Dadurch können vom Normalfall abweichende "Ausreißer" erkannt oder Durchschnittswerte ermittelt werden. Umso häufiger, desto besser prinzipiell. Im Laboralltag muss hier von Fall zu Fall entschieden werden, wie viele Wiederholungen pragmatisch machbar sind.
Konstanthaltung des Variablengefüges & Variation eines Parameters
Die Konstanthaltung von Variablen oder Parametern ist entscheidend für ein Experiment. Unter Variablen/Parametern werden hier alle Umweltfaktoren verstanden, die Einfluss auf das Experiment nehmen könnten. Alle Faktoren, die nicht untersucht werden sollen, müssen konstant gehalten werden, um sicherzustellen, dass sie die Ergebnisse nicht beeinflussen. Nur ein gezielter Parameter, der im Mittelpunkt der Untersuchung steht, darf verändert werden.
Beispielsweise sollte bei einem Experiment zur Wirkung von Dünger auf Pflanzen die Lichtstärke, Temperatur und die Bewässerung konstant gehalten werden. Je nach genauem Versuch könnte es dazu sinnvoll sein, die wichtigsten weiteren Parameter zu messen und ihre Konstanz so sicherzustellen.
Werden die Pflanzen ansonsten z.B. unbemerkt unterschiedlichen Lichtstärken ausgesetzt, könnte dieses einen größeren Einfluss auf das Wachstum haben, als der untersuchte Dünger.
Die Variation eines einzelnen gezielten Parameters ist notwendig, um den Einfluss dieses spezifischen Faktors auf das Ergebnis des Experiments zu untersuchen. Durch das gezielte Ändern eines Parameters – wie der Menge an Dünger – während alle anderen Bedingungen konstant gehalten werden, kann der Forscher feststellen, wie sich dieser Parameter auf das Ergebnis auswirkt. Dies ermöglicht eine präzise Analyse der Ursache-Wirkung-Beziehungen.