המערך הבא של אלמנטים מתודולוגיים וארגון הפרוצדורות מאפיינים יותר את מדעי הטבע ופסיכולוגיה ניסויית, ופחות את מדעי החברה. במדעי החברה השיטות המתמטיות והסטטיסטיות של אימות ובחינת השערות עשויות להיות פחות נוקשות. בכל זאת, מחזור ההשערה, אימות וניסוח השערות חדשות ידמה למחזור המתואר בהמשך.
המרכיבים הבסיסיים של השיטה המדעית הם איטרציה (חזרה), רקורסיה, שילוב וסידור של הבאים:
כל מרכיב בשיטה המדעית נתון לביקורת עמיתים כדי למנוע שגיאות וזיופים. פעולות אלה אינן כל עבודתם של המדענים, וישימות בעיקר למדעים הניסיוניים (כמו כימיה ופיזיקה ). המרכיבים הללו נלמדים לעיתים במערכת החינוך.
השיטה המדעית אינה מתכון ותו לא; היא דורשת אינטליגנציה, דמיון ויצירתיות. השיטה גם מתקדמת ומשתנה ללא הרף, ומפתחת מודלים ושיטות יעילים, מדויקים ומקיפים יותר. לדוגמה, כאשר פיתח איינשטיין את תורת היחסות הפרטית ואת תורת היחסות הכללית, הן לא סתרו או הפריכו את "פרינציפיה" של ניוטון. למעשה, אם מתעלמים ממצבים של גדלים גדולים או קטנים במיוחד, או מהירות גבוהה במיוחד - תופעות שאותן ניוטון לא ראה, משוואות ניוטון נותרות על כנן. התאוריות של איינשטיין מרחיבות ומשכללות את התאוריות של ניוטון, ותצפיות המגדילות את ביטחוננו בהן גם מגדילות את ביטחוננו במשוואות המקורבות של ניוטון.
ניתן לסדר את השלבים הרשומים מעלה באופן הבא, כדרך פעולה:
המעגל האיטרטיבי בניסוח זה הוא בין שלב 3 עד 6, ובחזרה ל-3.
אף שדרך הפעולה לעיל מתארת שיטת השערה/בדיקה טיפוסית, מספר פילוסופים, היסטוריונים וסוציולוגים של המדע (הבולט שבהם - פול פייראבנד) טוענים כי לתיאורים מסוג זה של השיטה המדעית קשר קלוש לדרך שבה המדע פועל במציאות.
המודל ה"מבצעי" משלב את רעיונות ה"תעשייתיים" של עיבוד, הגדרה אופרטיבית, ואיכות היישום (Utility):
המרכיבים הבסיסיים של השיטה המדעית הם פעולות, תצפיות, פיתוח מודלים, ופונקציית יעילות להערכת המודלים:
פרויקט "אבני הבסיס של המדע", מטעם כתב העת Science, בחר מספר מאמרים מדעיים מכתב העת, והאיר בהם הארות, לביאור היישום של השיטה המדעית בכל חלק של המאמר. כאן ניתן לקרוא דוגמה לכך, במאמר תחת הכותרת: "Microbial Genes in the Human Genome: Lateral Transfer or Gene Loss?".
אפיון.
השיטה המדעית נשענת על אפיונים מתוחכמים יותר ויותר של נושאי המחקר (את ה"נושאים" ניתן גם לכנות "בעיות לא-פתורות" או "נעלמים"). לדוגמה, בנג'מין פרנקלין זיהה נכונה את אש אלמו הקדוש כתופעה חשמלית באופיה, אך רק לאחר סדרת ניסויים ארוכה בשילוב פיתוח תאורטי. חיפוש התכונות החשובות של הנושא משלב הגדרות ותצפיות; התצפיות דורשות לעיתים קרובות מדידות מדויקות, או ספירה.
האיסוף השיטתי והזהיר של מדידות או ספירות של הגדלים הרלוונטיים הוא בדרך כלל ההבדל הקריטי בין פסבדו-מדע, כמו אלכימיה, למדע, כמו כימיה או ביולוגיה. מדידות מדעיות עוברות בדרך כלל סידור כלשהו, בטבלה, בגרף, במפות, ועוברות ניתוחים סטטיסטיים, כמו קורלציה ורגרסיה. המדידות מבוצעות בסביבה מבוקרת, כמו מעבדה, או על נושאים פחות נגישים או ניתנים לשליטה, כמו הכוכבים, או אוכלוסיות אנושיות. המדידות דורשת בדרך כלל ציוד מדעי מיוחד, כמו מדחום, ספקטרוסקופ, או וולטמטר, והתקדמות התחום המדעי קשורה מאוד להמצאה ופיתוח של מכשירים מדעיים.
אי ודאות.
מדידות מדעיות מלוות בדרך כלל באומדן של אי-הוודאות בהן. אי-הוודאות מוערכת לעיתים קרובות על ידי ביצוע מדידות חוזרות ונשנות של אותו גודל נחקר. ניתן גם לחשב את אי-הוודאות תוך חישוב אי-הוודאויות במרכיבים הבסיסיים של אותה מדידה - לדוגמה, מדידת אורך בעזרת סרט מידה תושפע מצפיפות השנתות על סרט המידה, דיוק הדפסת השנתות, והדיוק בקביעת השנת הנכונה על ידי מבצע המדידה.
ספירות שונות, כמו מספר האנשים במדינה מסוימת בזמן כלשהו, עשויות להיות מושפעות גם ממגבלות השיטה שבה משתמשים. הספירות עשויות לייצג רק דגימה של הגודל הרצוי, עם אי-ודאות התלויה בשיטת הדגימה ובמספר הדגימות.
הגדרה.
מדידה דורשת שימוש ב"הגדרות אופרטיביות" של הגדלים הרלוונטיים. כלומר, גודל מדעי מתואר או מוגדר על ידי דרך מדידתו, בניגוד להגדרה יותר מעורפלת, לא מדויקת, או "אידיאלית". לדוגמה, זרם חשמלי, הנמדד באמפר, מוגדר אופרטיבית במושגים של מסת כסף המשוקע בפרק זמן מסוים על אלקטרודה במתקן אלקטרוכימי המתואר בפירוט. ההגדרה האופרטיבית מסתמכת לעיתים קרובות על השוואות לסטנדרטים: ההגדרה האופרטיבית של מסה מסתמכת, בסופו של דבר, על השימוש בחפץ מוגדר, כמו משקולת הקילוגרם מסגסוגת פלטינה-אירידיום, השמורה בלשכה הבינלאומית למידות ולמשקלות בפריז.
ההגדרה המדעית של מושג עשויה להיות שונה משמעותית מהשימוש בו בשפה יום יומית. לדוגמה, בדיבור למילים מסה ומשקל משמעויות חופפות, אך למעשה יש להן משמעויות נפרדות במכניקה. לעיתים קרובות מאפיינים גדלים מדעיים בעזרת יחידות המידה שלהם, שאותן ניתן להמיר מאוחר יותר ליחידות פיזיקליות מקובלות, למטרת פרסום העבודה.
לעיתים ההבנה כי גודל מסוים לא הוגדר בצורה ברורה יכולה להוביל לתאוריות חדשות. לדוגמה, המאמר הראשון של אלברט איינשטיין בנושא תורת היחסות הפרטית פותח בהגדרת סימולטניות ואורך. אייזק ניוטון דילג על רעיונות אלה, באומרו: "איני מגדיר זמן, חלל, מיקום ותנועה, כיוון שאלה ידועים לכל". מאמרו של איינשטיין מדגים כי אלה (רעיונות הזמן המוחלט, ואורך שאינו תלוי בתנועה) היו קירובים בלבד. פרנסיס קריק מזהיר אותנו כי כאשר מאפיינים נושא מחקר, יש להימנע מהגדרת דבר מה לפני הבנתו ברמה מספקת.
בחוקרו את התודעה, מצא קריק כי למעשה קל יותר לחקור מודעות במערכת הראייה, מאשר לחקור, לדוגמה, בחירה חופשית. הדוגמה בה הוא משתמש לצורך ההזהרה היא הגן; אופיו של הגן לא הובן היטב לפני עבודתם החלוצית של ווטסון וקריק לחקר מבנה ה-DNA; הקדשת זמן רב להגדרת הגן, לפני הבנת מבנהו, לא הייתה מועילה.
הפרצסיה של כוכב חמה.
אפיון נושא מסוים עשוי לדרוש מחקר נרחב וממושך, אפילו לאורך מאות שנים. נדרשו אלפי שנות מדידות, על ידי אסטרונומים כשׂדִיים (Chaldea), הודים, פרסים, יוונים, ערבים, ואירופאים, על מנת להגדיר את התנועה של כדור הארץ. ניוטון הצליח להשתמש בתוצאות אלה ולהסבירן כתוצאה של חוקי התנועה שלו. אך בפריהליון במסלולו של כוכב חמה ניתן לזהות נקיפה (פרצסיה) שאינה מוסברת במלואה על ידי חוקי התנועה הניוטוניים; הפער בינה לבין החיזוי על פי חוקי ניוטון עומד על 43 שניות-קשת לכל מאה שנים. ההסבר המלא לתופעה ניתן על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין, והיא הייתה אחד הרעיונות הראשונים שהעלה איינשטיין למבחן של נכונות התורה.
פיתוח השערה.
השערה היא הצעה להסבר של תופעה, או הצעה מנומקת לקשר אפשרי בין תופעות. לעיתים קרובות להשערות צורה של מודל מתמטי. לעיתים, אך לא תמיד, ניתן לנסחן כהצהרות אקזיסטנציאליות, לפיהן לפן מסוים של התופעה הנחקרת יש הסברים אופייניים וסיבתיים, להם צורה של הצהרות אוניברסליות, כלומר - לכל מופע של התופעה יש מאפיין מסוים.
לניסוח הסבר לתופעות, המדענים משתמשים בכל משאב לרשותם - דמיון, רעיונות מתחומים אחרים, אינדוקציה, היסקים בייסיאנים וכולי. צ'ארלס פרס, בהשראת "אנליטיקה קודמת" של אריסטו, תיאר את השלבים הראשונים של מחקר, כטיעון רטרודוקטיבי. ההיסטוריה של המדע מלאה בסיפורים של מדענים שסיפרו על "פרץ השראה", או תחושה, שגרמו להם לחפש ראיות שיתמכו או יפריכו את הרעיון שלהם. מיכאל פולני הפך את היצירתיות הזו לאבן היסוד בדיוניו אודות מתודולוגיה.
לפי ויליאם גלן:
באופן כללי, מדענים נוטים לחפש תאוריות "יפות", או "אלגנטיות". בניגוד לשימוש המקובל במילים אלה, כאן הכוונה היא לתאוריה המתיישבות עם העובדות הידועות, אך פשוטות יחסית, וקלות לטיפול. התער של אוקאם משמש כלל אצבע לקביעת עניינים מסוג זה - לפיו, כאשר קיימים מספר הסברים אפשריים, ובהיעדר מידע נוסף, יש להעדיף את ההסבר שדורש פחות הנחות. לעניין זה, כאשר קיים הסבר הסותר תאוריה מוכרת ובדוקה, פעולה לפי התער משמעותה - להניח שהתאוריה המוכרת שגויה בדרך כלשהי.
תחזיות על סמך ההשערה.
כל השערה מועילה תאפשר הפקת תחזיות, על ידי היסק לוגי, כולל דדוקציה. ההשערה תוכל לחזות תוצאת ניסוי במעבדה, או תצפית של התופעה בטבע; התחזית עשויה להיות סטטיסטית באופיה, ולדון רק בהסתברות.
תוצאת הניסוי יכולה לסייע לביסוס ההשערה רק אם התוצאה אינה ידועה בעת התחזית. אם התוצאה כבר ידועה, אין ערך לתחזית מסוג זה, וממילא התוצאה אמורה לשמש לניסוח ההשערה.
אם הניסויים המתבקשים לבדיקת התחזית אינם ניתנים לביצוע, ההשערה עדיין אינה שימושית לשיטה, ועליה לחכות לשלב מאוחר יותר, בו ייתכן כי טכנולוגיה או תאוריה חדשה יאפשרו בדיקת ההשערות.
תורת היחסות הכללית.
ניתן להפיק מספר תחזיות פרטניות מתורת היחסות הכללית של איינשטיין, לגבי המבנה הניתן לצפייה של מרחב-זמן; ביניהן, התחזית שאור מתכופף בשדה כבידה, ומידת הכיפוף תלויה באופן מדויק בעוצמת שדה הכבידה. תצפיותיו של ארתור אדינגטון בזמן ליקוי חמה בשנת 1919 תמכו בתורת היחסות הכללית, לעומת הכבידה הניוטונית.
ניסויים.