Exploring the Art of Experimental Design: En Trin-for-trin Guide til Studerende og Undervisere

Eksperimentelt design for studerende

Eksperimentelt design er en nøglemetode, der bruges i fag som biologi, kemi, fysik, psykologi og samfundsvidenskab. Det hjælper os med at finde ud af, hvordan forskellige faktorer påvirker det, vi studerer, uanset om det er planter, kemikalier, fysiske love, menneskelig adfærd, eller hvordan samfundet fungerer. Grundlæggende er det en måde at opsætte eksperimenter på, så vi kan teste ideer, se, hvad der sker, og få mening i vores resultater. Det er super vigtigt for studerende og forskere, der ønsker at besvare store spørgsmål inden for naturvidenskab og forstå verden bedre. Eksperimentelle designfærdigheder kan anvendes i situationer lige fra problemløsning til dataanalyse; de rækker vidt og kan ofte anvendes uden for klasseværelset. Undervisningen i disse færdigheder er en meget vigtig del af naturfagsundervisningen, men bliver ofte overset, når man fokuserer på undervisning i indholdet. Som naturvidenskabelige undervisere har vi alle set de fordele, praktisk arbejde har for elevernes engagement og forståelse. Men med de tidsbegrænsninger, der er lagt på læseplanen, kan den tid, der kræves for eleverne til at udvikle disse eksperimentelle forskningsdesign og undersøgende færdigheder, blive presset ud. Alt for ofte får de en 'opskrift' at følge, som ikke tillader dem at tage ejerskab over deres praktiske arbejde. Fra en meget ung alder begynder de at tænke på verden omkring dem. De stiller spørgsmål og bruger derefter observationer og beviser til at besvare dem. Elever har tendens til at have intelligente, interessante og testbare spørgsmål, som de elsker at stille. Som undervisere bør vi arbejde på at opmuntre til disse spørgsmål og til gengæld nære denne naturlige nysgerrighed i verden omkring dem.

At undervise i design af eksperimenter og lade eleverne udvikle deres egne spørgsmål og hypoteser tager tid. Disse materialer er blevet skabt for at stilladsere og strukturere processen, så lærerne kan fokusere på at forbedre nøgleideerne i eksperimentelt design. At lade eleverne stille deres egne spørgsmål, skrive deres egne hypoteser og planlægge og udføre deres egne undersøgelser er en værdifuld oplevelse for dem. Dette vil føre til, at eleverne får mere ejerskab til deres arbejde. Når eleverne udfører den eksperimentelle metode til deres egne spørgsmål, reflekterer de over, hvordan videnskabsmænd historisk set er kommet til at forstå, hvordan universet fungerer.

Flere muligheder

Kopier Dette Storyboard

Start Free Trial

Tag et kig på de printervenlige sider og regnearksskabeloner nedenfor!

Hvad er trinene i eksperimentelt design?

At begive sig ud på den videnskabelige opdagelsesrejse begynder med at mestre eksperimentelle designtrin. Denne grundlæggende proces er afgørende for at formulere eksperimenter, der giver pålidelige og indsigtsfulde resultater, der vejleder forskere og studerende gennem den detaljerede planlægning, eksperimentelle forskningsdesign og udførelse af deres studier. Ved at udnytte en eksperimentel designskabelon kan deltagerne sikre integriteten og validiteten af ​​deres resultater. Uanset om det er gennem at designe et videnskabeligt eksperiment eller engagere sig i eksperimentelle designaktiviteter, er målet at fremme en dyb forståelse af det grundlæggende: Hvordan skal eksperimenter designes? Hvad er de 7 eksperimentelle designtrin? Hvordan kan du designe dit eget eksperiment?

Dette er en udforskning af de syv centrale eksperimentelle metodetrin, eksperimentelle designideer og måder at integrere design af eksperimenter på. Elevprojekter kan have stor gavn af supplerende arbejdsark, og vi vil også levere ressourcer såsom arbejdsark, der har til formål at undervise i eksperimentelt design effektivt. Lad os dykke ned i de væsentlige stadier, der understøtter processen med at designe et eksperiment, og udstyre eleverne med værktøjerne til at udforske deres videnskabelige nysgerrighed.

1. Spørgsmål

Dette er en central del af den videnskabelige metode og den eksperimentelle designproces. Eleverne nyder at komme med spørgsmål. At formulere spørgsmål er en dyb og meningsfuld aktivitet, der kan give eleverne ejerskab over deres arbejde. En god måde at få eleverne til at tænke over, hvordan de kan visualisere deres forskningsspørgsmål, er at bruge et mindmap-storyboard.

Kopier Dette Storyboard

Kopier Dette Storyboard

Kopier Dette Storyboard

Bed eleverne om at tænke på spørgsmål, de vil besvare om universet, eller få dem til at tænke over spørgsmål, de har om et bestemt emne. Alle spørgsmål er gode spørgsmål, men nogle er nemmere at teste end andre.

2. Hypotese

En hypotese er kendt som et uddannet gæt. En hypotese bør være et udsagn, der kan testes videnskabeligt. I slutningen af ​​eksperimentet, se tilbage for at se, om konklusionen understøtter hypotesen eller ej.

At danne gode hypoteser kan være udfordrende for eleverne at forstå. Det er vigtigt at huske, at hypotesen ikke er et forskningsspørgsmål, det er et testbart udsagn . En måde at danne en hypotese på er at danne den som et "hvis... så..."-udsagn. Dette er bestemt ikke den eneste eller bedste måde at danne en hypotese på, men det kan være en meget nem formel for eleverne at bruge, når de først starter.

En "hvis... så..."-udsagn kræver, at eleverne identificerer variablerne først, og det kan ændre rækkefølgen, hvori de fuldfører stadierne i den visuelle arrangør. Efter at have identificeret de afhængige og uafhængige variable, antager hypotesen derefter formen hvis [ændring i uafhængig variabel], derefter [ændring i afhængig variabel].

For eksempel, hvis et eksperiment ledte efter effekten af ​​koffein på reaktionstiden, ville den uafhængige variabel være mængden af ​​koffein, og den afhængige variabel ville være reaktionstiden. "Hvis, så"-hypotesen kunne være: Hvis du øger mængden af ​​koffein, der tages, så vil reaktionstiden falde.

3. Forklaring af hypotese

Hvad førte dig til denne hypotese? Hvad er den videnskabelige baggrund bag din hypotese? Afhængigt af alder og evner bruger eleverne deres forhåndsviden til at forklare, hvorfor de har valgt deres hypoteser, eller alternativt research ved hjælp af bøger eller internettet. Dette kunne også være et godt tidspunkt at diskutere med eleverne, hvad en pålidelig kilde er.

For eksempel kan eleverne henvise til tidligere undersøgelser, der viser koffeins årvågenhedsvirkninger for at forklare, hvorfor de antager, at koffeinindtag vil reducere reaktionstiden.

4. Forudsigelse

Forudsigelsen er lidt anderledes end hypotesen. En hypotese er en testbar erklæring, hvorimod forudsigelsen er mere specifik for eksperimentet. I opdagelsen af ​​DNA-strukturen foreslog hypotesen, at DNA har en spiralformet struktur. Forudsigelsen var, at røntgendiffraktionsmønsteret af DNA ville være en X-form.

Eleverne skal formulere en forudsigelse, der er et specifikt, målbart resultat baseret på deres hypotese. I stedet for blot at sige "koffein vil mindske reaktionstiden", kunne eleverne forudsige, at "at drikke 2 dåser sodavand (90 mg koffein) vil reducere den gennemsnitlige reaktionstid med 50 millisekunder sammenlignet med at drikke ingen koffein."

5. Identifikation af variabler

Nedenfor er et eksempel på et Discussion Storyboard, der kan bruges til at få dine elever til at tale om variabler i eksperimentelt design.

Flere muligheder

Kopier Dette Storyboard

Flere muligheder

Kopier Dette Storyboard

6. Risikovurdering

I sidste ende skal dette underskrives af en ansvarlig voksen, men det er vigtigt at få eleverne til at tænke over, hvordan de vil beskytte sig selv. I denne del skal eleverne identificere potentielle risici og derefter forklare, hvordan de vil minimere risikoen. En aktivitet, der skal hjælpe eleverne med at udvikle disse færdigheder, er at få dem til at identificere og håndtere risici i forskellige situationer. Brug storyboardet nedenfor til at få eleverne til at fuldføre den anden kolonne i T-diagrammet ved at sige, "Hvad er risiko?", og derefter forklare, hvordan de kunne håndtere denne risiko. Dette storyboard kan også projekteres til en klassediskussion.

Flere muligheder

Kopier Dette Storyboard

7. Materialer

I dette afsnit vil eleverne angive de materialer, de har brug for til eksperimenterne, inklusive sikkerhedsudstyr, som de har fremhævet som nødvendigt i risikovurderingsafsnittet. Det er et godt tidspunkt at tale med eleverne om at vælge værktøjer, der passer til jobbet. Du kommer til at bruge et andet værktøj til at måle bredden af ​​et hår end til at måle bredden af ​​en fodboldbane!

8. Overordnet plan og diagram

Det er vigtigt at tale med eleverne om reproducerbarhed. De bør skrive en procedure, der gør det muligt at gengive deres eksperimentelle metode let af en anden videnskabsmand. Den nemmeste og mest kortfattede måde for eleverne at gøre dette på er ved at lave en nummereret liste med instruktioner. En nyttig aktivitet her kunne være at få eleverne til at forklare, hvordan man laver en kop te eller en sandwich. Udfør processen ved at påpege eventuelle trin, de har overset.

For engelsksprogede elever og studerende, der kæmper med skriftlig engelsk, kan eleverne beskrive trinene i deres eksperiment visuelt ved hjælp af Storyboard That.

Ikke alle eksperimenter har brug for et diagram, men nogle planer vil blive væsentligt forbedret ved at inkludere et. Lad eleverne fokusere på at fremstille klare og letforståelige diagrammer, der illustrerer forsøgsgruppen.

For eksempel kan en procedure til at teste effekten af ​​sollys på plantevækst ved hjælp af fuldstændigt randomiseret design detaljere:

1. Vælg 10 ens frøplanter af samme alder og sort
2. Forbered 2 identiske bakker med den samme jordblanding
3. Placer 5 planter i hver bakke; mærke et sæt "sollys" og et sæt "skygge"
4. Placer sollysbakke ved et sydvendt vindue, og skyggebakke i et mørkt skab
5. Vand begge bakker med 50 ml vand hver anden dag
6. Efter 3 uger fjernes planterne og højderne måles i cm

9. Udfør eksperiment

Når deres procedure er godkendt, skal eleverne omhyggeligt udføre deres planlagte eksperiment efter deres skriftlige instruktioner. Efterhånden som data indsamles, bør eleverne organisere de rå resultater i tabeller, grafer, fotos eller tegninger. Dette skaber klar dokumentation for at analysere trends.

Nogle bedste fremgangsmåder til dataindsamling omfatter:

• Registrer kvantitative data numerisk med enheder
• Bemærk kvalitative observationer med detaljerede beskrivelser
• Optag opsat gennem illustrationer eller fotos
• Skriv observationer af uventede hændelser
• Identificer dataudlignere og fejlkilder

For eksempel i plantevæksteksperimentet kunne eleverne registrere: