Experimentelles Design ist eine Schlüsselmethode, die in Fächern wie Biologie, Chemie, Physik, Psychologie und Sozialwissenschaften verwendet wird. Es hilft uns herauszufinden, wie verschiedene Faktoren das beeinflussen, was wir studieren, ob es sich nun um Pflanzen, Chemikalien, physikalische Gesetze, menschliches Verhalten oder die Funktionsweise der Gesellschaft handelt. Im Grunde ist es eine Möglichkeit, Experimente durchzuführen, damit wir Ideen testen, sehen können, was passiert, und unsere Ergebnisse verstehen können. Es ist äußerst wichtig für Studenten und Forscher, die große Fragen in der Wissenschaft beantworten und die Welt besser verstehen möchten. Experimentelle Designfähigkeiten können in Situationen von der Problemlösung bis zur Datenanalyse angewendet werden; sie sind weitreichend und können häufig außerhalb des Klassenzimmers angewendet werden. Die Vermittlung dieser Fähigkeiten ist ein sehr wichtiger Teil der naturwissenschaftlichen Ausbildung, wird jedoch oft übersehen, wenn man sich auf die Vermittlung des Inhalts konzentriert. Als Naturwissenschaftslehrer haben wir alle gesehen, welche Vorteile praktische Arbeit für das Engagement und Verständnis der Studenten hat. Aufgrund der zeitlichen Beschränkungen des Lehrplans kann jedoch die Zeit, die die Studenten benötigen, um diese experimentellen Forschungsdesigns und Ermittlungsfähigkeiten zu entwickeln, knapp werden. Zu oft erhalten sie ein „Rezept“, dem sie folgen müssen, wodurch sie keine Verantwortung für ihre praktische Arbeit übernehmen können. Schon in sehr jungen Jahren beginnen sie, über die Welt um sie herum nachzudenken. Sie stellen Fragen und nutzen Beobachtungen und Beweise, um sie zu beantworten. Schüler haben in der Regel intelligente, interessante und überprüfbare Fragen, die sie gerne stellen. Als Pädagogen sollten wir darauf hinarbeiten, diese Fragen zu fördern und im Gegenzug diese natürliche Neugier auf die Welt um sie herum zu fördern.
Es braucht Zeit, den Versuchsaufbau zu lehren und die Schüler ihre eigenen Fragen und Hypothesen entwickeln zu lassen. Diese Materialien wurden entwickelt, um den Prozess zu strukturieren und zu unterstützen, damit sich die Lehrer auf die Verbesserung der Kernideen des Versuchsaufbaus konzentrieren können. Es ist eine wertvolle Erfahrung für die Schüler, ihre eigenen Fragen zu stellen, ihre eigenen Hypothesen zu schreiben und ihre eigenen Untersuchungen zu planen und durchzuführen. Dies führt dazu, dass die Schüler mehr Verantwortung für ihre Arbeit übernehmen. Wenn die Schüler die experimentelle Methode für ihre eigenen Fragen anwenden, denken sie darüber nach, wie Wissenschaftler im Laufe der Geschichte zu dem Verständnis gelangt sind, wie das Universum funktioniert.
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Der Beginn der Reise wissenschaftlicher Entdeckungen beginnt mit der Beherrschung der Schritte des experimentellen Designs. Dieser grundlegende Prozess ist für die Formulierung von Experimenten, die zuverlässige und aufschlussreiche Ergebnisse liefern, unerlässlich und führt Forscher und Studenten gleichermaßen durch die detaillierte Planung, das experimentelle Forschungsdesign und die Durchführung ihrer Studien. Durch die Nutzung einer Vorlage für experimentelles Design können die Teilnehmer die Integrität und Gültigkeit ihrer Ergebnisse sicherstellen. Ob durch das Entwerfen eines wissenschaftlichen Experiments oder die Teilnahme an experimentellen Designaktivitäten, das Ziel besteht darin, ein tiefes Verständnis der Grundlagen zu fördern: Wie sollten Experimente entworfen werden? Was sind die 7 Schritte des experimentellen Designs? Wie können Sie Ihr eigenes Experiment entwerfen?
Dies ist eine Erkundung der sieben wichtigsten Schritte der experimentellen Methode, der Ideen für experimentelles Design und der Möglichkeiten zur Integration des Versuchsdesigns. Schülerprojekte können von ergänzenden Arbeitsblättern stark profitieren, und wir werden auch Ressourcen wie Arbeitsblätter bereitstellen, die darauf abzielen, experimentelles Design effektiv zu lehren. Lassen Sie uns in die wesentlichen Phasen eintauchen, die dem Prozess des Entwerfens eines Experiments zugrunde liegen, und den Lernenden die Werkzeuge an die Hand geben, mit denen sie ihre wissenschaftliche Neugier erforschen können.
Dies ist ein wesentlicher Teil der wissenschaftlichen Methode und des experimentellen Designprozesses. Den Schülern macht es Spaß, Fragen zu stellen. Das Formulieren von Fragen ist eine tiefgründige und bedeutungsvolle Aktivität, die den Schülern Verantwortung für ihre Arbeit geben kann. Eine gute Möglichkeit, die Schüler dazu zu bringen, darüber nachzudenken, wie sie ihre Forschungsfrage visualisieren können, ist die Verwendung eines Mindmap-Storyboards.
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Bitten Sie die Schüler, sich Fragen zum Universum zu überlegen, die sie beantworten möchten, oder lassen Sie sie über Fragen nachdenken, die sie zu einem bestimmten Thema haben. Alle Fragen sind gute Fragen, aber manche sind leichter zu testen als andere.
Eine Hypothese ist eine fundierte Vermutung. Eine Hypothese sollte eine Aussage sein, die wissenschaftlich getestet werden kann. Schauen Sie am Ende des Experiments noch einmal nach, ob die Schlussfolgerung die Hypothese stützt oder nicht.
Das Aufstellen guter Hypothesen kann für Schüler eine Herausforderung sein. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass eine Hypothese keine Forschungsfrage, sondern eine überprüfbare Aussage ist . Eine Möglichkeit, eine Hypothese aufzustellen, besteht darin, sie als „Wenn..., dann...“-Aussage zu formulieren. Dies ist sicherlich nicht die einzige oder beste Möglichkeit, eine Hypothese aufzustellen, kann aber für Schüler zu Beginn eine sehr einfache Formel sein.
Eine „wenn... dann...“-Anweisung erfordert, dass die Schüler zuerst die Variablen identifizieren, und das kann die Reihenfolge ändern, in der sie die Schritte des visuellen Organizers absolvieren. Nach der Identifizierung der abhängigen und unabhängigen Variablen nimmt die Hypothese dann die Form an: wenn [Änderung der unabhängigen Variable], dann [Änderung der abhängigen Variable].
Wenn beispielsweise in einem Experiment die Wirkung von Koffein auf die Reaktionszeit untersucht wird, wäre die unabhängige Variable die Koffeinmenge und die abhängige Variable die Reaktionszeit. Die „Wenn-dann“-Hypothese könnte lauten: Wenn Sie die Menge des eingenommenen Koffeins erhöhen, verkürzt sich die Reaktionszeit.
Wie sind Sie auf diese Hypothese gekommen? Was ist der wissenschaftliche Hintergrund Ihrer Hypothese? Je nach Alter und Fähigkeit können die Schüler anhand ihres Vorwissens erklären, warum sie ihre Hypothese gewählt haben, oder alternativ in Büchern oder im Internet recherchieren. Dies könnte auch ein guter Zeitpunkt sein, um mit den Schülern zu besprechen, was eine zuverlässige Quelle ist.
Beispielsweise können Studierende auf frühere Studien verweisen, die die wachheitssteigernde Wirkung von Koffein belegen, um ihre Hypothese zu begründen, dass die Einnahme von Koffein die Reaktionszeit verkürzt.
Die Vorhersage unterscheidet sich geringfügig von der Hypothese. Eine Hypothese ist eine überprüfbare Aussage, während die Vorhersage eher auf das Experiment bezogen ist. Bei der Entdeckung der Struktur der DNA ging die Hypothese davon aus, dass die DNA eine helikale Struktur hat. Die Vorhersage war, dass das Röntgenbeugungsmuster der DNA eine X-Form aufweisen würde.
Die Schüler sollten eine Vorhersage formulieren, die ein spezifisches, messbares Ergebnis auf der Grundlage ihrer Hypothese darstellt. Anstatt nur zu sagen, dass „Koffein die Reaktionszeit verkürzt“, könnten die Schüler vorhersagen, dass „das Trinken von 2 Dosen Limonade (90 mg Koffein) die durchschnittliche Reaktionszeit um 50 Millisekunden verkürzt, verglichen mit dem Trinken von keinem Koffein.“
Unten sehen Sie ein Beispiel für ein Diskussions-Storyboard, mit dem Sie Ihre Schüler dazu bringen können, über Variablen im experimentellen Design zu sprechen.
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Die drei Variablentypen, die Sie mit Ihren Schülern besprechen müssen, sind abhängige, unabhängige und kontrollierte Variablen. Um es einfach zu halten, bezeichnen Sie diese als „was Sie messen werden“, „was Sie ändern werden“ und „was Sie beibehalten werden“. Bei fortgeschritteneren Schülern sollten Sie sie ermutigen, das richtige Vokabular zu verwenden.
Abhängige Variablen sind das, was der Wissenschaftler misst oder beobachtet. Diese Messungen werden oft wiederholt, da wiederholte Messungen Ihre Daten zuverlässiger machen.
Die unabhängigen Variablen sind Variablen, die Wissenschaftler ändern, um zu sehen, welche Auswirkungen dies auf die abhängige Variable hat. Es wird nur eine ausgewählt, da es schwierig wäre, herauszufinden, welche Variable die beobachtete Änderung verursacht.
Kontrollierte Variablen sind Mengen oder Faktoren, die Wissenschaftler während des gesamten Experiments gleich halten möchten. Sie werden so kontrolliert, dass sie konstant bleiben, um die abhängige Variable nicht zu beeinflussen. Durch die Kontrolle dieser Variablen können Wissenschaftler sehen, wie die unabhängige Variable die abhängige Variable innerhalb der Versuchsgruppe beeinflusst.
Verwenden Sie das folgende Beispiel in Ihrem Unterricht oder löschen Sie die Antworten und legen Sie es als Aktivität fest, die die Schüler auf Storyboard That erledigen sollen.
| Wie die Temperatur die Menge an Zucker beeinflusst, die sich in Wasser auflösen kann | |
|---|---|
| Unabhängige Variable | Wassertemperatur
(Bereich: 5 verschiedene Proben bei 10 °C, 20 °C, 30 °C, 40 °C und 50 °C) |
| Abhängige Variable | Die Menge an Zucker, die sich im Wasser auflösen kann, gemessen in Teelöffeln. |
| Kontrollierte Variablen |
|
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Letztendlich muss dies von einem verantwortlichen Erwachsenen unterschrieben werden, aber es ist wichtig, die Schüler dazu zu bringen, darüber nachzudenken, wie sie sich selbst schützen können. In diesem Teil sollten die Schüler potenzielle Risiken identifizieren und dann erklären, wie sie das Risiko minimieren werden. Eine Aktivität, die den Schülern dabei hilft, diese Fähigkeiten zu entwickeln, besteht darin, sie dazu zu bringen, Risiken in verschiedenen Situationen zu identifizieren und zu handhaben. Lassen Sie die Schüler mithilfe des folgenden Storyboards die zweite Spalte des T-Diagramms ausfüllen, indem sie sagen: „Was ist Risiko?“ und dann erklären, wie sie dieses Risiko handhaben könnten. Dieses Storyboard könnte auch für eine Klassendiskussion projiziert werden.
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In diesem Abschnitt listen die Schüler die Materialien auf, die sie für die Experimente benötigen, einschließlich der Sicherheitsausrüstung, die sie im Abschnitt zur Risikobewertung als erforderlich markiert haben. Dies ist ein guter Zeitpunkt, um mit den Schülern über die Auswahl geeigneter Werkzeuge für die Aufgabe zu sprechen. Sie werden ein anderes Werkzeug verwenden, um die Breite eines Haares zu messen, als um die Breite eines Fußballfeldes zu messen!
Es ist wichtig, mit den Schülern über Reproduzierbarkeit zu sprechen. Sie sollten ein Verfahren aufschreiben, mit dem ihre experimentelle Methode von einem anderen Wissenschaftler problemlos reproduziert werden kann. Der einfachste und prägnanteste Weg für die Schüler, dies zu tun, ist, eine nummerierte Liste mit Anweisungen zu erstellen. Eine nützliche Aktivität könnte darin bestehen, die Schüler erklären zu lassen, wie man eine Tasse Tee oder ein Sandwich zubereitet. Spielen Sie den Vorgang nach und weisen Sie auf alle Schritte hin, die sie ausgelassen haben.
Für Englischlernende und Schüler, die mit geschriebenem Englisch Schwierigkeiten haben, können Schüler die Schritte ihres Experiments mit Storyboard That visuell beschreiben.
Nicht jedes Experiment erfordert ein Diagramm, aber manche Pläne werden durch die Einbeziehung eines solchen erheblich verbessert. Lassen Sie die Schüler sich darauf konzentrieren, klare und leicht verständliche Diagramme zu erstellen, die die Versuchsgruppe veranschaulichen.
Ein Verfahren zum Testen der Auswirkung von Sonnenlicht auf das Pflanzenwachstum unter Verwendung eines vollständig randomisierten Designs könnte beispielsweise Folgendes detailliert beschreiben:
Sobald ihr Verfahren genehmigt ist, sollten die Schüler ihr geplantes Experiment sorgfältig durchführen und dabei ihre schriftlichen Anweisungen befolgen. Während die Daten gesammelt werden, sollten die Schüler die Rohergebnisse in Tabellen, Diagrammen, Fotos oder Zeichnungen organisieren. Dadurch entsteht eine klare Dokumentation zur Analyse von Trends.
Zu den Best Practices für die Datenerfassung gehören:
Im Experiment zum Pflanzenwachstum könnten die Schüler beispielsweise Folgendes aufzeichnen:
| Gruppe | Sonnenlicht | Sonnenlicht | Sonnenlicht | Schatten | Schatten |
|---|---|---|---|---|---|
| Werks-ID | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Starthöhe | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Endhöhe | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
Sie würden auch Beobachtungen wie Blattfarbveränderungen oder Richtungskrümmungen visuell oder schriftlich beschreiben.
Es ist wichtig, dass die Schüler sichere wissenschaftliche Verfahren anwenden. Bei Experimenten ist die Aufsicht eines Erwachsenen erforderlich, und es ist eine ordnungsgemäße Risikobewertung erforderlich.
Eine gut dokumentierte Datensammlung ermöglicht nach Abschluss des Experiments eine tiefergehende Analyse, um festzustellen, ob Hypothesen und Vorhersagen bestätigt wurden.
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Die Verwendung visueller Hilfsmittel ist eine effektive Methode, um Ihre Schüler im Unterricht dazu zu bringen, wie Wissenschaftler zu arbeiten.
Es gibt viele Möglichkeiten, diese Untersuchungsplanungstools zu verwenden, um die Arbeit der Schüler während ihrer Tätigkeit als Wissenschaftler zu strukturieren und zu strukturieren. Die Schüler können die Planungsphase auf Storyboard That mithilfe der Textfelder und Diagramme abschließen, oder Sie können sie ausdrucken und die Schüler sie von Hand ausfüllen lassen. Eine weitere großartige Möglichkeit, sie zu verwenden, besteht darin, das Planungsblatt auf ein interaktives Whiteboard zu projizieren und gemeinsam durchzuarbeiten, wie die Planungsmaterialien ausgefüllt werden. Projizieren Sie es auf einen Bildschirm und lassen Sie die Schüler ihre Antworten auf Haftnotizen schreiben und ihre Ideen in den richtigen Abschnitt des Planungsdokuments eintragen.
Schon sehr junge Lernende können anfangen, wie Wissenschaftler zu denken! Sie haben viele Fragen über die Welt um sie herum und Sie können anfangen, diese in einer Mindmap zu notieren. Manchmal können Sie diese Fragen sogar spielerisch „untersuchen“.
Die Grundressource ist für Grundschüler oder Schüler gedacht, die mehr Unterstützung benötigen. Sie ist so konzipiert, dass sie genau dem gleichen Prozess folgt wie die höheren Ressourcen, aber etwas einfacher ist. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Ressourcen sind die Details, über die die Schüler nachdenken müssen, und das verwendete Fachvokabular. Beispielsweise ist es wichtig, dass die Schüler Variablen identifizieren, wenn sie ihre Untersuchungen entwerfen. In der höheren Version müssen die Schüler nicht nur die Variablen identifizieren, sondern auch andere Kommentare abgeben, z. B. wie sie die abhängige Variable messen oder ein vollständig randomisiertes Design verwenden werden. Neben dem Unterschied in der Unterstützung zwischen den beiden Ressourcenebenen möchten Sie möglicherweise noch weiter differenzieren, indem Sie die Lernenden durch Lehrer und Assistenten im Raum unterstützen.
Die Schüler könnten auch dazu angehalten werden, ihren Versuchsplan durch die Verwendung von Grafiken verständlicher zu gestalten, was auch zur Unterstützung des ELLs genutzt werden könnte.
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Neben der Bewertung ihres Wissens müssen auch die wissenschaftlichen Untersuchungsfähigkeiten der Schüler bewertet werden. Dadurch können sich die Schüler nicht nur auf die Entwicklung ihrer Fähigkeiten konzentrieren, sondern die Bewertungsinformationen auch so nutzen, dass sie ihre wissenschaftlichen Kenntnisse verbessern. Mit Quick Rubric können Sie schnell und einfach einen Bewertungsrahmen erstellen und ihn mit den Schülern teilen, damit diese wissen, wie sie in jeder Phase erfolgreich sein können. Dies bietet nicht nur eine formative Bewertung, die das Lernen fördert, sondern kann auch verwendet werden, um die Arbeit der Schüler am Ende einer Untersuchung zu bewerten und Ziele für den nächsten Versuch festzulegen, ihre eigene Untersuchung zu planen. Die Rubriken wurden so verfasst, dass die Schüler leicht darauf zugreifen können. Auf diese Weise können sie mit den Schülern geteilt werden, während diese den Planungsprozess durchlaufen, damit die Schüler wissen, wie ein gutes experimentelles Design aussieht.
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Wenn Sie weitere Projekte hinzufügen oder Arbeitsblätter weiter anpassen möchten, sehen Sie sich die Vorlagenseiten an, die wir unten für Sie zusammengestellt haben. Jedes Arbeitsblatt kann kopiert und an Ihre Projekte oder Schüler angepasst werden! Schüler können auch ermutigt werden, eigene Arbeitsblätter zu erstellen, wenn sie versuchen möchten, Informationen auf leicht verständliche Weise zu organisieren.
Übliche experimentelle Design-Tools und -Techniken, die Studenten verwenden können, umfassen zufällige Zuweisung, Kontrollgruppen, Verblindung, Replikation und statistische Analyse. Die Studierenden können auch Beobachtungsstudien, Umfragen und Experimente mit natürlichen oder quasi-experimentellen Designs verwenden. Sie können auch Datenvisualisierungstools verwenden, um ihre Ergebnisse zu analysieren und zu präsentieren.
Experimentelles Design hilft den Schülern, Fähigkeiten zum kritischen Denken zu entwickeln, indem sie ermutigt werden, systematisch und logisch über wissenschaftliche Probleme nachzudenken. Es erfordert von den Schülern, Daten zu analysieren, Muster zu identifizieren und Schlussfolgerungen auf der Grundlage von Beweisen zu ziehen. Es hilft den Schülern auch, Problemlösungsfähigkeiten zu entwickeln, indem es Möglichkeiten bietet, Experimente zu entwerfen und durchzuführen, um Hypothesen zu testen.
Experimentelles Design kann verwendet werden, um reale Probleme anzugehen, indem Variablen identifiziert werden, die zu einem bestimmten Problem beitragen, und Interventionen getestet werden, um zu sehen, ob sie bei der Lösung des Problems wirksam sind. Experimentelles Design kann beispielsweise verwendet werden, um die Wirksamkeit neuer medizinischer Behandlungen zu testen oder die Auswirkungen sozialer Interventionen auf die Verringerung der Armut oder die Verbesserung der Bildungsergebnisse zu bewerten.
Häufige Fallstricke beim experimentellen Design, die Schüler vermeiden sollten, sind das Versäumnis, Variablen zu kontrollieren, die Verwendung voreingenommener Stichproben, das Verlassen auf anekdotische Beweise und das Versäumnis, abhängige Variablen genau zu messen. Die Studierenden sollten sich bei der Durchführung von Experimenten auch ethischer Überlegungen bewusst sein, wie z. B. das Einholen einer informierten Zustimmung und der Schutz der Privatsphäre von Forschungsteilnehmern.