La conception expérimentale est une méthode clé utilisée dans des matières telles que la biologie, la chimie, la physique, la psychologie et les sciences sociales. Cela nous aide à comprendre comment différents facteurs affectent ce que nous étudions, qu'il s'agisse des plantes, des produits chimiques, des lois physiques, du comportement humain ou du fonctionnement de la société. Fondamentalement, c'est une façon de mettre en place des expériences afin que nous puissions tester des idées, voir ce qui se passe et donner un sens à nos résultats. C'est extrêmement important pour les étudiants et les chercheurs qui souhaitent répondre à de grandes questions scientifiques et mieux comprendre le monde. Les compétences en conception expérimentale peuvent être appliquées dans des situations allant de la résolution de problèmes à l'analyse de données ; ils ont une vaste portée et peuvent fréquemment être appliqués en dehors de la salle de classe. L’enseignement de ces compétences constitue une partie très importante de l’enseignement scientifique, mais il est souvent négligé lorsqu’on se concentre sur l’enseignement du contenu. En tant qu’enseignants de sciences, nous avons tous constaté les avantages du travail pratique pour l’engagement et la compréhension des étudiants. Cependant, en raison des contraintes de temps imposées au programme, le temps nécessaire aux étudiants pour développer ces compétences en matière de conception de recherche expérimentale et d'investigation peut être réduit. Trop souvent, ils ont une « recette » à suivre, qui ne leur permet pas de s'approprier leur travail pratique. Dès leur plus jeune âge, ils commencent à réfléchir au monde qui les entoure. Ils posent des questions puis utilisent des observations et des preuves pour y répondre. Les étudiants ont tendance à avoir des questions intelligentes, intéressantes et testables qu’ils aiment poser. En tant qu’éducateurs, nous devrions nous efforcer d’encourager ces questions et, en retour, de nourrir cette curiosité naturelle pour le monde qui les entoure.
Enseigner la conception d’expériences et laisser les étudiants développer leurs propres questions et hypothèses prend du temps. Ces matériels ont été créés pour étayer et structurer le processus afin de permettre aux enseignants de se concentrer sur l'amélioration des idées clés de la conception expérimentale. Permettre aux étudiants de poser leurs propres questions, de rédiger leurs propres hypothèses et de planifier et mener leurs propres enquêtes est pour eux une expérience précieuse. Cela permettra aux étudiants de s’approprier davantage leur travail. Lorsque les élèves mettent en œuvre la méthode expérimentale pour répondre à leurs propres questions, ils réfléchissent à la manière dont les scientifiques sont historiquement parvenus à comprendre le fonctionnement de l’univers.
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Jetez un œil aux pages imprimables et aux modèles de feuilles de travail ci-dessous !
Se lancer dans le voyage de la découverte scientifique commence par la maîtrise des étapes de conception expérimentale. Ce processus fondamental est essentiel pour formuler des expériences qui donnent des résultats fiables et perspicaces, guidant les chercheurs et les étudiants tout au long de la planification détaillée, de la conception de la recherche expérimentale et de l'exécution de leurs études. En tirant parti d'un modèle de conception expérimentale, les participants peuvent garantir l'intégrité et la validité de leurs résultats. Que ce soit en concevant une expérience scientifique ou en s'engageant dans des activités de conception expérimentale, l'objectif est de favoriser une compréhension approfondie des principes fondamentaux : comment concevoir les expériences ? Quelles sont les 7 étapes de la conception expérimentale ? Comment pouvez-vous concevoir votre propre expérience ?
Il s'agit d'une exploration des sept étapes clés de la méthode expérimentale, des idées de conception expérimentale et des moyens d'intégrer la conception d'expériences. Les projets des étudiants peuvent grandement bénéficier de feuilles de travail supplémentaires et nous fournirons également des ressources telles que des feuilles de travail visant à enseigner efficacement la conception expérimentale. Plongeons dans les étapes essentielles qui sous-tendent le processus de conception d'une expérience, en dotant les apprenants des outils nécessaires pour explorer leur curiosité scientifique.
Il s’agit d’un élément clé de la méthode scientifique et du processus de conception expérimentale. Les étudiants aiment poser des questions. La formulation de questions est une activité profonde et significative qui peut permettre aux étudiants de s'approprier leur travail. Un excellent moyen d’amener les étudiants à réfléchir à la manière de visualiser leur question de recherche consiste à utiliser un storyboard de carte mentale.
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Demandez aux élèves de réfléchir à toutes les questions auxquelles ils souhaitent répondre sur l’univers ou amenez-les à réfléchir aux questions qu’ils se posent sur un sujet particulier. Toutes les questions sont de bonnes questions, mais certaines sont plus faciles à tester que d’autres.
Une hypothèse est connue sous le nom de supposition éclairée. Une hypothèse doit être une affirmation qui peut être testée scientifiquement. À la fin de l’expérience, regardez en arrière pour voir si la conclusion soutient ou non l’hypothèse.
Formuler de bonnes hypothèses peut être difficile à comprendre pour les élèves. Il est important de se rappeler que l’ hypothèse n’est pas une question de recherche, c’est une affirmation testable . Une façon de formuler une hypothèse est de la formuler sous la forme d'un énoncé « si... alors... ». Ce n'est certainement pas la seule ni la meilleure façon de formuler une hypothèse, mais cela peut être une formule très simple à utiliser pour les étudiants qui débutent.
Un énoncé « si... alors... » exige que les élèves identifient d'abord les variables, ce qui peut modifier l'ordre dans lequel ils franchissent les étapes de l'organisateur visuel. Après avoir identifié les variables dépendantes et indépendantes, l'hypothèse prend alors la forme si [changement de variable indépendante], puis [changement de variable dépendante].
Par exemple, si une expérience recherchait l’effet de la caféine sur le temps de réaction, la variable indépendante serait la quantité de caféine et la variable dépendante serait le temps de réaction. L’hypothèse « si, alors » pourrait être la suivante : si vous augmentez la quantité de caféine consommée, le temps de réaction diminuera.
Qu’est-ce qui vous a amené à cette hypothèse ? Quel est le contexte scientifique derrière votre hypothèse ? En fonction de leur âge et de leurs capacités, les élèves utilisent leurs connaissances antérieures pour expliquer pourquoi ils ont choisi leurs hypothèses, ou bien effectuent des recherches à l'aide de livres ou d'Internet. Cela pourrait également être le bon moment pour discuter avec les étudiants de ce qu’est une source fiable.
Par exemple, les élèves peuvent faire référence à des études antérieures démontrant les effets de la caféine sur la vigilance pour expliquer pourquoi ils émettent l’hypothèse que la consommation de caféine réduira le temps de réaction.
La prédiction est légèrement différente de l’hypothèse. Une hypothèse est une affirmation testable, alors que la prédiction est plus spécifique à l’expérience. Lors de la découverte de la structure de l’ADN, l’hypothèse a été proposée selon laquelle l’ADN aurait une structure hélicoïdale. La prédiction était que le diagramme de diffraction des rayons X de l’ADN aurait la forme d’un X.
Les élèves doivent formuler une prédiction qui constitue un résultat spécifique et mesurable en fonction de leur hypothèse. Plutôt que de simplement déclarer « la caféine réduira le temps de réaction », les élèves pourraient prédire que « boire 2 canettes de soda (90 mg de caféine) réduira le temps de réaction moyen de 50 millisecondes par rapport à ne pas boire de caféine ».
Vous trouverez ci-dessous un exemple de storyboard de discussion qui peut être utilisé pour amener vos élèves à parler des variables dans la conception expérimentale.
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Les trois types de variables dont vous devrez discuter avec vos élèves sont les variables dépendantes, indépendantes et contrôlées . Pour faire simple, référez-vous à ces termes comme « ce que vous allez mesurer », « ce que vous allez changer » et « ce que vous allez garder pareil ». Avec des élèves plus avancés, vous devez les encourager à utiliser le vocabulaire correct.
Les variables dépendantes sont ce qui est mesuré ou observé par le scientifique. Ces mesures seront souvent répétées car des mesures répétées rendent vos données plus fiables.
Les variables indépendantes sont des variables que les scientifiques décident de modifier pour voir quel effet cela a sur la variable dépendante. Une seule est choisie car il serait difficile de déterminer quelle variable est à l’origine du changement que vous observez.
Les variables contrôlées sont des quantités ou des facteurs que les scientifiques souhaitent conserver les mêmes tout au long de l'expérience. Ils sont contrôlés pour rester constants, afin de ne pas affecter la variable dépendante. Les contrôler permet aux scientifiques de voir comment la variable indépendante affecte la variable dépendante au sein du groupe expérimental.
Utilisez cet exemple ci-dessous dans vos leçons, ou supprimez les réponses et définissez-le comme activité que les élèves doivent réaliser sur Storyboard That.
| Comment la température affecte la quantité de sucre pouvant être dissoute dans l'eau | |
|---|---|
| Variable indépendante | La température de l'eau
(Plage 5 échantillons différents à 10°C, 20°C, 30°C, 40°C et 50°C) |
| Variable dépendante | La quantité de sucre pouvant être dissoute dans l’eau, mesurée en cuillères à café. |
| Variables contrôlées |
|
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En fin de compte, cela doit être signé par un adulte responsable, mais il est important d’amener les élèves à réfléchir à la manière dont ils assureront leur sécurité. Dans cette partie, les élèves doivent identifier les risques potentiels, puis expliquer comment ils vont les minimiser. Une activité pour aider les élèves à développer ces compétences consiste à les amener à identifier et à gérer les risques dans différentes situations. À l'aide du storyboard ci-dessous, demandez aux élèves de compléter la deuxième colonne du tableau en T en disant « Qu'est-ce que le risque ? », puis en expliquant comment ils pourraient gérer ce risque. Ce storyboard pourrait également être projeté pour une discussion en classe.
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Dans cette section, les élèves énuméreront le matériel dont ils ont besoin pour les expériences, y compris tout équipement de sécurité qu'ils ont souligné comme étant nécessaire dans la section d'évaluation des risques. C’est le moment idéal pour discuter avec les étudiants du choix des outils adaptés au travail. Vous allez utiliser un outil différent pour mesurer la largeur d’un cheveu que pour mesurer la largeur d’un terrain de football !
Il est important de parler aux étudiants de reproductibilité. Ils devraient rédiger une procédure qui permettrait à leur méthode expérimentale d’être facilement reproduite par un autre scientifique. La manière la plus simple et la plus concise pour les élèves de procéder consiste à dresser une liste numérotée d’instructions. Une activité utile pourrait consister à demander aux élèves d’expliquer comment préparer une tasse de thé ou un sandwich. Mettez en scène le processus, en soulignant toutes les étapes qu'ils ont manquées.
Pour les apprenants de l'anglais et les étudiants qui ont des difficultés avec l'anglais écrit, les étudiants peuvent décrire visuellement les étapes de leur expérience à l'aide Storyboard That.
Toutes les expériences n'auront pas besoin d'un diagramme, mais certains plans seront grandement améliorés en en incluant un. Demandez aux élèves de se concentrer sur la production de diagrammes clairs et faciles à comprendre qui illustrent le groupe expérimental.
Par exemple, une procédure visant à tester l’effet de la lumière du soleil sur la croissance des plantes en utilisant une conception entièrement aléatoire pourrait détailler :
Une fois leur procédure approuvée, les étudiants doivent réaliser soigneusement l’expérience prévue, en suivant leurs instructions écrites. Au fur et à mesure que les données sont collectées, les élèves doivent organiser les résultats bruts sous forme de tableaux, de graphiques, de photos ou de dessins. Cela crée une documentation claire pour analyser les tendances.
Voici quelques bonnes pratiques en matière de collecte de données :
Par exemple, dans l’expérience sur la croissance des plantes, les élèves pourraient noter :
| Groupe | Lumière du soleil | Lumière du soleil | Lumière du soleil | Ombre | Ombre |
|---|---|---|---|---|---|
| ID de l'usine | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Hauteur de départ | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Hauteur de fin | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
Ils décriraient également des observations telles que le changement de couleur des feuilles ou la courbure directionnelle, visuellement ou par écrit.
Il est essentiel que les étudiants mettent en pratique des procédures scientifiques sûres. La supervision d’un adulte est requise pour l’expérimentation, ainsi qu’une évaluation appropriée des risques.
Une collecte de données bien documentée permet une analyse plus approfondie une fois l'expérience terminée afin de déterminer si les hypothèses et les prédictions étaient étayées.
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L’utilisation d’organisateurs visuels est un moyen efficace d’amener vos élèves à travailler en tant que scientifiques en classe.
Il existe de nombreuses façons d'utiliser ces outils de planification d'enquête pour étayer et structurer le travail des étudiants pendant qu'ils travaillent en tant que scientifiques. Les étudiants peuvent terminer la phase de planification sur Storyboard That en utilisant les zones de texte et les diagrammes, ou vous pouvez les imprimer et demander aux étudiants de les compléter à la main. Une autre excellente façon de les utiliser est de projeter la feuille de planification sur un tableau blanc interactif et de travailler en groupe sur la manière de compléter le matériel de planification. Projetez-le sur un écran et demandez aux élèves d’écrire leurs réponses sur des notes autocollantes et de mettre leurs idées dans la bonne section du document de planification.
Les très jeunes apprenants peuvent encore commencer à penser comme des scientifiques ! Ils ont beaucoup de questions sur le monde qui les entoure et vous pouvez commencer à les noter sur une carte mentale. Parfois, vous pouvez même commencer à « enquêter » sur ces questions par le jeu.
La ressource de base s'adresse aux élèves du primaire ou aux élèves qui ont besoin de plus de soutien. Il est conçu pour suivre exactement le même processus que les ressources supérieures, mais légèrement plus simple. La principale différence entre les deux ressources réside dans les détails auxquels les étudiants doivent réfléchir et dans le vocabulaire technique utilisé. Par exemple, il est important que les élèves identifient les variables lorsqu'ils conçoivent leurs enquêtes. Dans la version supérieure, les étudiants doivent non seulement identifier les variables, mais aussi faire d'autres commentaires, tels que la manière dont ils vont mesurer la variable dépendante ou utiliser un plan complètement aléatoire. Outre la différence d'échafaudage entre les deux niveaux de ressources, vous souhaiterez peut-être différencier davantage par la manière dont les apprenants sont soutenus par les enseignants et les assistants dans la salle.
Les étudiants pourraient également être encouragés à rendre leur plan expérimental plus facile à comprendre en utilisant des graphiques, ce qui pourrait également être utilisé pour soutenir les ELL.
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Les étudiants doivent être évalués sur leurs compétences en recherche scientifique parallèlement à l’évaluation de leurs connaissances. Non seulement cela permettra aux étudiants de se concentrer sur le développement de leurs compétences, mais cela leur permettra également d’utiliser les informations obtenues lors de leur évaluation d’une manière qui les aidera à améliorer leurs compétences scientifiques. Grâce à Quick Rubric , vous pouvez créer un cadre d'évaluation rapide et simple et le partager avec les étudiants afin qu'ils sachent comment réussir à chaque étape. En plus de fournir une évaluation formative qui stimulera l'apprentissage, cela peut également être utilisé pour évaluer le travail des étudiants à la fin d'une enquête et fixer des objectifs pour la prochaine tentative de planifier leur propre enquête. Les rubriques ont été rédigées de manière à permettre aux étudiants d'y accéder facilement. De cette façon, ils peuvent être partagés avec les étudiants pendant qu'ils travaillent sur le processus de planification afin que les étudiants sachent à quoi ressemble un bon plan expérimental.
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Si vous souhaitez ajouter des projets supplémentaires ou continuer à personnaliser des feuilles de calcul, jetez un œil à plusieurs modèles de pages que nous avons compilés pour vous ci-dessous. Chaque feuille de travail peut être copiée et adaptée à vos projets ou étudiants ! Les étudiants peuvent également être encouragés à créer le leur s’ils souhaitent essayer d’organiser les informations de manière facile à comprendre.
Les outils et techniques de conception expérimentale courants que les étudiants peuvent utiliser comprennent l'assignation aléatoire, les groupes de contrôle, la mise en aveugle, la réplication et l'analyse statistique. Les élèves peuvent également utiliser des études d'observation, des enquêtes et des expériences avec des plans naturels ou quasi expérimentaux. Ils peuvent également utiliser des outils de visualisation de données pour analyser et présenter leurs résultats.
La conception expérimentale aide les élèves à développer des compétences de pensée critique en les encourageant à réfléchir systématiquement et logiquement aux problèmes scientifiques. Cela demande aux élèves d'analyser des données, d'identifier des modèles et de tirer des conclusions fondées sur des preuves. Il aide également les élèves à développer des compétences en résolution de problèmes en leur offrant la possibilité de concevoir et de mener des expériences pour tester des hypothèses.
La conception expérimentale peut être utilisée pour résoudre les problèmes du monde réel en identifiant les variables qui contribuent à un problème particulier et en testant les interventions pour voir si elles sont efficaces pour résoudre le problème. Par exemple, la conception expérimentale peut être utilisée pour tester l'efficacité de nouveaux traitements médicaux ou pour évaluer l'impact des interventions sociales sur la réduction de la pauvreté ou l'amélioration des résultats scolaires.
Les pièges courants de la conception expérimentale que les étudiants doivent éviter incluent le fait de ne pas contrôler les variables, d'utiliser des échantillons biaisés, de s'appuyer sur des preuves anecdotiques et de ne pas mesurer avec précision les variables dépendantes. Les étudiants doivent également être conscients des considérations éthiques lors de la réalisation d'expériences, telles que l'obtention d'un consentement éclairé et la protection de la vie privée des sujets de recherche.