Experimentální design je klíčovou metodou používanou v předmětech, jako je biologie, chemie, fyzika, psychologie a společenské vědy. Pomáhá nám zjistit, jak různé faktory ovlivňují to, co studujeme, ať už jde o rostliny, chemikálie, fyzikální zákony, lidské chování nebo o fungování společnosti. V podstatě je to způsob, jak nastavit experimenty, abychom mohli testovat nápady, vidět, co se stane, a dát smysl našim výsledkům. Je to velmi důležité pro studenty a výzkumníky, kteří chtějí odpovědět na velké otázky ve vědě a lépe porozumět světu. Dovednosti experimentálního designu lze uplatnit v situacích od řešení problémů po analýzu dat; mají široký dosah a lze je často používat i mimo třídu. Výuka těchto dovedností je velmi důležitou součástí přírodovědného vzdělávání, ale je často přehlížena, pokud se zaměřuje na výuku obsahu. Jako přírodovědní pedagogové jsme všichni viděli výhody praktické práce pro zapojení a porozumění studentů. S časovým omezením kladeným na učební osnovy se však čas potřebný pro studenty k rozvoji těchto experimentálních výzkumných a vyšetřovacích dovedností může zkrátit. Příliš často dostávají „recept“, který mají následovat, což jim neumožňuje převzít odpovědnost za svou praktickou práci. Již od útlého věku začínají přemýšlet o světě kolem sebe. Kladou otázky a poté používají pozorování a důkazy, aby na ně odpověděli. Studenti mívají inteligentní, zajímavé a testovatelné otázky, které rádi kladou. Jako pedagogové bychom měli pracovat na podpoře těchto otázek a na oplátku pěstovat tuto přirozenou zvědavost ve světě kolem nich.
Výuka designu experimentů a ponechání studentů, aby si vytvořili své vlastní otázky a hypotézy, vyžaduje čas. Tyto materiály byly vytvořeny za účelem lešení a struktury procesu, aby se učitelé mohli soustředit na zlepšování klíčových myšlenek experimentálního designu. Umožnit studentům klást vlastní otázky, psát vlastní hypotézy a plánovat a provádět vlastní vyšetřování je pro ně cennou zkušeností. To povede k tomu, že studenti budou více vlastnit svou práci. Když studenti provádějí experimentální metodu pro své vlastní otázky, uvažují o tom, jak vědci historicky pochopili, jak vesmír funguje.
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
Podívejte se na níže uvedené stránky a šablony pracovních listů vhodné pro tisk!
Vydání se na cestu vědeckého objevování začíná zvládnutím experimentálních konstrukčních kroků. Tento základní proces je nezbytný pro formulování experimentů, které přinášejí spolehlivé a bystré výsledky a provádějí výzkumníky i studenty detailním plánováním, designem experimentálního výzkumu a prováděním jejich studií. Využitím šablony experimentálního návrhu mohou účastníci zajistit integritu a platnost svých zjištění. Ať už je to prostřednictvím navrhování vědeckého experimentu nebo zapojením se do aktivit experimentálního designu, cílem je podpořit hluboké porozumění základům: Jak by měly být experimenty navrženy? Jakých je 7 experimentálních kroků návrhu? Jak můžete navrhnout svůj vlastní experiment?
Toto je zkoumání sedmi klíčových kroků experimentální metody, nápadů na experimentální design a způsobů integrace designu experimentů. Studentské projekty mohou velmi těžit z doplňkových pracovních listů a my také poskytneme zdroje, jako jsou pracovní listy zaměřené na efektivní výuku experimentálního designu. Pojďme se ponořit do základních fází, které jsou základem procesu navrhování experimentu a vybavit studenty nástroji, aby mohli prozkoumat jejich vědeckou zvědavost.
Toto je klíčová část vědecké metody a procesu experimentálního návrhu. Studenty baví vymýšlet otázky. Formulování otázek je hluboká a smysluplná činnost, která může studentům poskytnout odpovědnost za jejich práci. Skvělý způsob, jak přimět studenty, aby přemýšleli o tom, jak vizualizovat svou výzkumnou otázku, je použití scénáře myšlenkové mapy.
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
Požádejte studenty, aby přemýšleli o jakýchkoli otázkách, které chtějí zodpovědět o vesmíru, nebo je přimějte, aby přemýšleli o otázkách, které mají na určité téma. Všechny otázky jsou dobré, ale některé se testují snadněji než jiné.
Hypotéza je známá jako kvalifikovaný odhad. Hypotéza by měla být tvrzení, které lze vědecky testovat. Na konci experimentu se podívejte zpět, abyste zjistili, zda závěr podporuje hypotézu, nebo ne.
Utváření dobrých hypotéz může být pro studenty náročné na pochopení. Je důležité si uvědomit, že hypotéza není výzkumná otázka, je to testovatelné tvrzení . Jedním ze způsobů, jak vytvořit hypotézu, je vytvořit ji jako prohlášení „pokud... pak...“. Toto rozhodně není jediný ani nejlepší způsob, jak vytvořit hypotézu, ale může to být pro studenty velmi snadný vzorec, který mohou použít, když začínají.
Výrok „jestliže... pak...“ vyžaduje, aby studenti nejprve identifikovali proměnné, což může změnit pořadí, ve kterém dokončí fáze vizuálního organizátoru. Po identifikaci závislých a nezávislých proměnných má hypotéza tvar if [změna nezávisle proměnné], pak [změna závislé proměnné].
Pokud by například experiment hledal vliv kofeinu na reakční dobu, nezávislou proměnnou by bylo množství kofeinu a závislou proměnnou by byla reakční doba. Hypotéza „pokud, pak“ by mohla znít: Pokud zvýšíte množství přijatého kofeinu, zkrátí se reakční doba.
Co vás k této hypotéze vedlo? Jaké vědecké pozadí stojí za vaší hypotézou? V závislosti na věku a schopnostech studenti používají své předchozí znalosti k vysvětlení, proč si zvolili své hypotézy, nebo alternativně k výzkumu pomocí knih nebo internetu. To by také mohla být vhodná chvíle prodiskutovat se studenty, co je spolehlivý zdroj.
Studenti mohou například odkazovat na předchozí studie ukazující účinky kofeinu na bdělost, aby vysvětlili, proč předpokládají, že příjem kofeinu zkrátí reakční dobu.
Předpověď se mírně liší od hypotézy. Hypotéza je testovatelné tvrzení, zatímco předpověď je specifičtější pro experiment. Při objevu struktury DNA hypotéza navrhla, že DNA má spirálovitou strukturu. Předpověď byla, že rentgenový difrakční obrazec DNA bude mít tvar X.
Studenti by měli na základě své hypotézy formulovat předpověď, která je konkrétním, měřitelným výsledkem. Spíše než jen konstatování „kofein zkrátí reakční dobu“, studenti by mohli předvídat, že „vypití 2 plechovek sody (90 mg kofeinu) zkrátí průměrnou reakční dobu o 50 milisekund ve srovnání s pitím bez kofeinu.“
Níže je uveden příklad diskusního scénáře, který lze použít k tomu, aby vaši studenti hovořili o proměnných v experimentálním designu.
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
Tři typy proměnných, které budete muset probrat se svými studenty, jsou závislé, nezávislé a řízené proměnné. Aby to zůstalo jednoduché, označujte je jako „co budete měřit“, „co změníte“ a „co ponecháte stejné“. S pokročilejšími studenty byste je měli povzbudit, aby používali správnou slovní zásobu.
Závislé proměnné jsou to, co vědec měří nebo pozoruje. Tato měření se budou často opakovat, protože opakovaná měření činí vaše data spolehlivějšími.
Nezávislé proměnné jsou proměnné, které se vědci rozhodnou změnit, aby viděli, jaký vliv to má na závislou proměnnou. Je vybrána pouze jedna, protože by bylo obtížné zjistit, která proměnná způsobuje jakoukoli změnu, kterou pozorujete.
Řízené proměnné jsou veličiny nebo faktory, které vědci chtějí, aby zůstaly stejné po celou dobu experimentu. Jsou řízeny tak, aby zůstaly konstantní, aby neovlivňovaly závisle proměnnou. Jejich ovládání umožňuje vědcům vidět, jak nezávislá proměnná ovlivňuje závislou proměnnou v rámci experimentální skupiny.
Použijte tento příklad níže ve svých lekcích nebo odstraňte odpovědi a nastavte to jako aktivitu, kterou mají studenti dokončit na Storyboard That.
| Jak teplota ovlivňuje množství cukru, které je možné rozpustit ve vodě | |
|---|---|
| Nezávislé proměnné | Teplota vody
(Rozsah 5 různých vzorků při 10 °C, 20 °C, 30 °C, 40 °C a 50 °C) |
| Závislá proměnná | Množství cukru, které lze rozpustit ve vodě, měřeno v čajových lžičkách. |
| Řízené proměnné |
|
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
Nakonec to musí podepsat odpovědná dospělá osoba, ale je důležité přimět studenty, aby přemýšleli o tom, jak se uchovat v bezpečí. V této části by studenti měli identifikovat potenciální rizika a poté vysvětlit, jak budou riziko minimalizovat. Činnost, která má studentům pomoci tyto dovednosti rozvíjet, je přimět je identifikovat a zvládat rizika v různých situacích. Pomocí scénáře níže požádejte studenty, aby dokončili druhý sloupec T-grafu tím, že řeknou: „Co je riziko?“ a poté vysvětlete, jak mohou toto riziko zvládnout. Tento scénář lze také promítnout pro třídní diskusi.
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
V této části studenti uvedou materiály, které potřebují pro experimenty, včetně jakéhokoli bezpečnostního vybavení, které jako potřebné označili v části hodnocení rizik. Toto je skvělý čas promluvit si se studenty o výběru nástrojů, které jsou pro danou práci vhodné. K měření šířky vlasu použijete jiný nástroj než k měření šířky fotbalového hřiště!
Je důležité mluvit se studenty o reprodukovatelnosti. Měli by napsat postup, který by umožnil jejich experimentální metodu snadno reprodukovat jiným vědcem. Nejjednodušší a nejstručnější způsob, jak toho mohou studenti udělat, je vytvořit očíslovaný seznam pokynů. Užitečnou aktivitou zde může být přimět studenty, aby vysvětlili, jak připravit šálek čaje nebo sendvič. Předveďte proces a upozorněte na všechny kroky, které vynechali.
Pro studenty anglického jazyka a studenty, kteří mají problémy s psanou angličtinou, mohou studenti popsat kroky svého experimentu vizuálně pomocí Storyboard That.
Ne každý experiment bude potřebovat diagram, ale některé plány budou jeho zařazením výrazně vylepšeny. Požádejte studenty, aby se zaměřili na vytváření jasných a snadno srozumitelných diagramů, které ilustrují experimentální skupinu.
Například postup pro testování vlivu slunečního záření na růst rostlin s využitím zcela náhodného designu by mohl podrobně popsat:
Jakmile je jejich postup schválen, měli by studenti pečlivě provést plánovaný experiment podle jejich písemných pokynů. Při shromažďování dat by studenti měli uspořádat nezpracované výsledky do tabulek, grafů, fotografií nebo nákresů. To vytváří jasnou dokumentaci pro analýzu trendů.
Některé osvědčené postupy pro sběr dat zahrnují:
Například v experimentu s růstem rostlin mohli studenti zaznamenat:
| Skupina | Sluneční světlo | Sluneční světlo | Sluneční světlo | Odstín | Odstín |
|---|---|---|---|---|---|
| ID rostliny | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Počáteční výška | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Výška konce | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
Vizuálně nebo písemně by také popsali pozorování, jako je změna barvy listů nebo směrové ohýbání.
Je důležité, aby studenti procvičovali bezpečné vědecké postupy. Pro experimentování je nutný dohled dospělé osoby spolu s řádným posouzením rizik.
Dobře zdokumentovaný sběr dat umožňuje hlubší analýzu po dokončení experimentu s cílem určit, zda byly hypotézy a předpovědi podpořeny.
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
Použití vizuálních organizérů je efektivní způsob, jak přimět své studenty, aby ve třídě pracovali jako vědci.
Existuje mnoho způsobů, jak využít tyto nástroje pro plánování vyšetřování k lešení a strukturování práce studentů, když pracují jako vědci. Studenti mohou dokončit fázi plánování na Storyboard That pomocí textových polí a diagramů, nebo je můžete vytisknout a nechat studenty, aby je dokončili ručně. Dalším skvělým způsobem, jak je použít, je promítnout plánovací list na interaktivní tabuli a společně propracovat plánovací materiály. Promítněte jej na plátno a požádejte studenty, aby své odpovědi napsali na lepicí papírky a své nápady vložili do správné části plánovacího dokumentu.
Velmi mladí studenti mohou stále začít myslet jako vědci! Mají spoustu otázek o světě kolem sebe a vy si je můžete začít zapisovat do myšlenkové mapy. Někdy můžete dokonce začít 'zkoumat' tyto otázky prostřednictvím hry.
Nadační zdroj je určen pro žáky základních škol nebo studenty, kteří potřebují větší podporu. Je navržen tak, aby sledoval přesně stejný proces jako vyšší zdroje, ale je o něco jednodušší. Klíčovým rozdílem mezi těmito dvěma zdroji jsou detaily, o kterých musí studenti přemýšlet, a použitá technická slovní zásoba. Například je důležité, aby studenti identifikovali proměnné, když navrhují svá šetření. Ve vyšší verzi musí studenti nejen identifikovat proměnné, ale uvádět další poznámky, například jak budou měřit závislou proměnnou nebo využívají zcela náhodný design. Kromě rozdílu v lešení mezi dvěma úrovněmi zdrojů můžete chtít dále rozlišovat podle toho, jak jsou studenti podporováni učiteli a asistenty v místnosti.
Studenti by také mohli být povzbuzováni k tomu, aby jejich experimentální plán snáze pochopili pomocí grafiky, a to by také mohlo být použito k podpoře ELL.
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
Studenti musí být hodnoceni na základě jejich dovedností v oblasti vědeckého bádání spolu s hodnocením jejich znalostí. Nejen, že to umožní studentům soustředit se na rozvoj svých dovedností, ale také jim to umožní využívat informace z hodnocení způsobem, který jim pomůže zlepšit jejich vědecké dovednosti. Pomocí Quick Rubric můžete vytvořit rychlý a snadný rámec hodnocení a sdílet jej se studenty, aby věděli, jak uspět v každé fázi. Kromě poskytování formativního hodnocení, které bude stimulovat učení, může být také použito k hodnocení práce studentů na konci vyšetřování a stanovení cílů, kdy se příště pokusí naplánovat vlastní vyšetřování. Rubriky byly napsány tak, aby k nim studenti měli snadný přístup. Tímto způsobem je lze sdílet se studenty, kteří procházejí procesem plánování, aby studenti věděli, jak vypadá dobrý experimentální návrh.
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
(Spustí se zkušební test zdarma na 2 týdny - není potřeba žádná kreditní karta)
Pokud chcete přidat další projekty nebo pokračovat v přizpůsobení pracovních listů, podívejte se na několik stránek šablon, které jsme pro vás sestavili níže. Každý pracovní list lze zkopírovat a přizpůsobit vašim projektům nebo studentům! Studenti mohou být také vyzváni, aby si vytvořili vlastní, pokud si chtějí vyzkoušet organizovat informace snadno srozumitelným způsobem.
Mezi běžné experimentální nástroje a techniky, které mohou studenti používat, patří náhodné přiřazení, kontrolní skupiny, zaslepení, replikace a statistická analýza. Studenti mohou také využít pozorovací studie, průzkumy a experimenty s přírodními nebo kvaziexperimentálními vzory. Mohou také používat nástroje pro vizualizaci dat k analýze a prezentaci svých výsledků.
Experimentální design pomáhá studentům rozvíjet dovednosti kritického myšlení tím, že je povzbuzuje k systematickému a logickému myšlení o vědeckých problémech. Vyžaduje, aby studenti analyzovali data, identifikovali vzorce a vyvozovali závěry na základě důkazů. Pomáhá také studentům rozvíjet dovednosti při řešení problémů tím, že poskytuje příležitosti k navrhování a provádění experimentů k testování hypotéz.
Experimentální design lze použít k řešení problémů reálného světa identifikací proměnných, které přispívají ke konkrétnímu problému, a testováním intervencí, aby se zjistilo, zda jsou účinné při řešení problému. Experimentální design lze například použít k testování účinnosti nových léčebných postupů nebo k hodnocení dopadu sociálních intervencí na snižování chudoby nebo zlepšování výsledků vzdělávání.
Mezi běžná úskalí experimentálního designu, kterým by se studenti měli vyhnout, patří selhání při kontrole proměnných, používání zkreslených vzorků, spoléhání se na neoficiální důkazy a neschopnost přesně měřit závislé proměnné. Studenti by si také měli být vědomi etických ohledů při provádění experimentů, jako je získávání informovaného souhlasu a ochrana soukromí subjektů výzkumu.