La progettazione sperimentale è un metodo chiave utilizzato in materie come biologia, chimica, fisica, psicologia e scienze sociali. Ci aiuta a capire in che modo diversi fattori influenzano ciò che stiamo studiando, che si tratti di piante, sostanze chimiche, leggi fisiche, comportamento umano o come funziona la società. Fondamentalmente, è un modo per impostare esperimenti in modo da poter testare le idee, vedere cosa succede e dare un senso ai nostri risultati. È estremamente importante per studenti e ricercatori che vogliono rispondere a grandi domande scientifiche e comprendere meglio il mondo. Le capacità di progettazione sperimentale possono essere applicate in situazioni che vanno dalla risoluzione dei problemi all'analisi dei dati; sono di ampia portata e possono essere spesso applicati al di fuori della classe. L’insegnamento di queste competenze è una parte molto importante dell’educazione scientifica, ma viene spesso trascurato quando si concentra sull’insegnamento dei contenuti. Come insegnanti di scienze, abbiamo tutti visto i vantaggi che il lavoro pratico apporta al coinvolgimento e alla comprensione degli studenti. Tuttavia, con i limiti di tempo imposti al curriculum, il tempo necessario agli studenti per sviluppare questo progetto di ricerca sperimentale e le capacità investigative può essere ridotto. Troppo spesso ricevono una “ricetta” da seguire, che non consente loro di assumersi la responsabilità del proprio lavoro pratico. Fin da piccoli iniziano a pensare al mondo che li circonda. Fanno domande e poi usano osservazioni e prove per rispondere. Gli studenti tendono ad avere domande intelligenti, interessanti e verificabili che amano porre. Come educatori, dovremmo lavorare per incoraggiare queste domande e, a sua volta, coltivare questa naturale curiosità per il mondo che li circonda.
Insegnare la progettazione degli esperimenti e lasciare che gli studenti sviluppino le proprie domande e ipotesi richiede tempo. Questi materiali sono stati creati per sostenere e strutturare il processo e consentire agli insegnanti di concentrarsi sul miglioramento delle idee chiave nella progettazione sperimentale. Consentire agli studenti di porre le proprie domande, scrivere le proprie ipotesi e pianificare e svolgere le proprie indagini è per loro un'esperienza preziosa. Ciò porterà gli studenti ad avere maggiore proprietà del proprio lavoro. Quando gli studenti applicano il metodo sperimentale per le loro domande, riflettono su come gli scienziati sono storicamente arrivati a comprendere il funzionamento dell'universo.
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L'intraprendere il viaggio della scoperta scientifica inizia con la padronanza delle fasi di progettazione sperimentale. Questo processo fondamentale è essenziale per formulare esperimenti che producano risultati affidabili e approfonditi, guidando ricercatori e studenti attraverso la pianificazione dettagliata, la progettazione della ricerca sperimentale e l'esecuzione dei loro studi. Sfruttando un modello di progettazione sperimentale, i partecipanti possono garantire l'integrità e la validità dei loro risultati. Che si tratti di progettare un esperimento scientifico o di impegnarsi in attività di progettazione sperimentale, l'obiettivo è favorire una profonda comprensione dei fondamenti: come dovrebbero essere progettati gli esperimenti? Quali sono le 7 fasi della progettazione sperimentale? Come puoi progettare il tuo esperimento?
Questa è un'esplorazione delle sette fasi chiave del metodo sperimentale, delle idee di progettazione sperimentale e dei modi per integrare la progettazione degli esperimenti. I progetti degli studenti possono trarre grandi vantaggi da fogli di lavoro supplementari e forniremo anche risorse come fogli di lavoro volti a insegnare in modo efficace la progettazione sperimentale. Immergiamoci nelle fasi essenziali che sono alla base del processo di progettazione di un esperimento, fornendo agli studenti gli strumenti per esplorare la loro curiosità scientifica.
Questa è una parte fondamentale del metodo scientifico e del processo di progettazione sperimentale. Agli studenti piace porre domande. Formulare domande è un'attività profonda e significativa che può dare agli studenti la responsabilità del proprio lavoro. Un ottimo modo per convincere gli studenti a pensare a come visualizzare la loro domanda di ricerca è utilizzare uno storyboard con mappa mentale.
Chiedi agli studenti di pensare a tutte le domande a cui vogliono rispondere sull'universo o di pensare alle domande che hanno su un particolare argomento. Tutte le domande sono buone domande, ma alcune sono più facili da testare rispetto ad altre.
Un'ipotesi è nota come ipotesi plausibile. Un’ipotesi dovrebbe essere un’affermazione che può essere verificata scientificamente. Alla fine dell'esperimento, guarda indietro per vedere se la conclusione supporta l'ipotesi o meno.
Formare buone ipotesi può essere difficile da comprendere per gli studenti. È importante ricordare che l’ ipotesi non è una domanda di ricerca, è un’affermazione verificabile . Un modo per formare un'ipotesi è formarla come un'affermazione "se... allora...". Questo certamente non è l'unico o il modo migliore per formulare un'ipotesi, ma può essere una formula molto semplice da utilizzare per gli studenti quando iniziano per la prima volta.
Un'affermazione "se... allora..." richiede che gli studenti identifichino prima le variabili e ciò potrebbe modificare l'ordine in cui completano le fasi dell'organizzatore visivo. Dopo aver identificato le variabili dipendenti e indipendenti, l'ipotesi assume la forma se [cambiamento nella variabile indipendente], allora [cambiamento nella variabile dipendente].
Ad esempio, se un esperimento cercasse l'effetto della caffeina sul tempo di reazione, la variabile indipendente sarebbe la quantità di caffeina e la variabile dipendente sarebbe il tempo di reazione. L’ipotesi “se, allora” potrebbe essere: se aumenti la quantità di caffeina assunta, il tempo di reazione diminuirà.
Cosa ti ha portato a questa ipotesi? Qual è il background scientifico dietro la tua ipotesi? A seconda dell'età e delle capacità, gli studenti utilizzano le loro conoscenze pregresse per spiegare perché hanno scelto le loro ipotesi o, in alternativa, effettuano ricerche utilizzando libri o Internet. Questo potrebbe anche essere un buon momento per discutere con gli studenti cosa sia una fonte affidabile.
Ad esempio, gli studenti possono fare riferimento a studi precedenti che mostrano gli effetti della caffeina sulla vigilanza per spiegare perché ipotizzano che l’assunzione di caffeina ridurrà i tempi di reazione.
La previsione è leggermente diversa dall’ipotesi. Un'ipotesi è un'affermazione verificabile, mentre la previsione è più specifica per l'esperimento. Nella scoperta della struttura del DNA, l'ipotesi proposta è che il DNA abbia una struttura elicoidale. La previsione era che il modello di diffrazione dei raggi X del DNA avrebbe avuto una forma a X.
Gli studenti dovrebbero formulare una previsione che sia un risultato specifico e misurabile basato sulla loro ipotesi. Invece di limitarsi ad affermare che "la caffeina diminuirà il tempo di reazione", gli studenti potrebbero prevedere che "bere 2 lattine di soda (90 mg di caffeina) ridurrà il tempo di reazione medio di 50 millisecondi rispetto a bere senza caffeina".
Di seguito è riportato un esempio di Storyboard di discussione che può essere utilizzato per far parlare gli studenti sulle variabili nella progettazione sperimentale.
I tre tipi di variabili che dovrai discutere con i tuoi studenti sono variabili dipendenti, indipendenti e controllate . Per mantenerlo semplice, riferisciti a questi come "cosa misurerai", "cosa cambierai" e "cosa manterrai lo stesso". Con gli studenti più avanzati, dovresti incoraggiarli a utilizzare il vocabolario corretto.
Le variabili dipendenti sono ciò che viene misurato o osservato dallo scienziato. Queste misurazioni verranno spesso ripetute perché misurazioni ripetute rendono i dati più affidabili.
Le variabili indipendenti sono variabili che gli scienziati decidono di modificare per vedere quale effetto ha sulla variabile dipendente. Ne viene scelto solo uno perché sarebbe difficile capire quale variabile sta causando qualsiasi cambiamento osservato.
Le variabili controllate sono quantità o fattori che gli scienziati vogliono che rimangano gli stessi durante l'esperimento. Sono controllati per rimanere costanti, in modo da non influenzare la variabile dipendente. Il controllo di questi consente agli scienziati di vedere come la variabile indipendente influenza la variabile dipendente all'interno del gruppo sperimentale.
Utilizza questo esempio di seguito nelle tue lezioni oppure elimina le risposte e impostalo come attività da completare per gli studenti su Storyboard That.
| In che modo la temperatura influisce sulla quantità di zucchero che può essere sciolto nell'acqua | |
|---|---|
| Variabile indipendente | Temperatura dell'acqua
(Intervallo 5 campioni diversi a 10°C, 20°C, 30°C, 40°C e 50°C) |
| Variabile dipendente | La quantità di zucchero che può essere sciolta nell'acqua, misurata in cucchiaini. |
| Variabili controllate |
|
Alla fine, questo deve essere approvato da un adulto responsabile, ma è importante convincere gli studenti a pensare a come si manterranno al sicuro. In questa parte, gli studenti dovrebbero identificare i rischi potenziali e quindi spiegare come ridurli al minimo. Un'attività per aiutare gli studenti a sviluppare queste abilità è far sì che identifichino e gestiscano i rischi in diverse situazioni. Utilizzando lo storyboard seguente, chiedi agli studenti di completare la seconda colonna della tabella a T dicendo: "Cos'è il rischio?", quindi spiegando come potrebbero gestire tale rischio. Questo storyboard potrebbe anche essere progettato per una discussione in classe.
In questa sezione, gli studenti elencheranno i materiali di cui hanno bisogno per gli esperimenti, comprese le eventuali attrezzature di sicurezza che hanno evidenziato come necessarie nella sezione di valutazione del rischio. Questo è un ottimo momento per parlare con gli studenti della scelta degli strumenti adatti al lavoro. Utilizzerai uno strumento diverso per misurare la larghezza di un capello rispetto a quello per misurare la larghezza di un campo di calcio!
È importante parlare agli studenti della riproducibilità. Dovrebbero scrivere una procedura che permetta al loro metodo sperimentale di essere riprodotto facilmente da un altro scienziato. Il modo più semplice e conciso per farlo è creare un elenco numerato di istruzioni. Un'attività utile in questo caso potrebbe essere quella di chiedere agli studenti di spiegare come preparare una tazza di tè o un panino. Mettete in scena il processo, sottolineando tutti i passaggi che hanno mancato.
Per gli studenti di lingua inglese e gli studenti che hanno difficoltà con l'inglese scritto, gli studenti possono descrivere visivamente i passaggi del loro esperimento utilizzando Storyboard That.
Non tutti gli esperimenti avranno bisogno di un diagramma, ma alcuni piani saranno notevolmente migliorati includendone uno. Chiedi agli studenti di concentrarsi sulla produzione di diagrammi chiari e di facile comprensione che illustrino il gruppo sperimentale.
Ad esempio, una procedura per testare l'effetto della luce solare sulla crescita delle piante utilizzando un design completamente randomizzato potrebbe dettagliare:
Una volta approvata la procedura, gli studenti dovranno eseguire attentamente l'esperimento pianificato, seguendo le istruzioni scritte. Man mano che i dati vengono raccolti, gli studenti dovrebbero organizzare i risultati grezzi in tabelle, grafici, foto o disegni. Ciò crea una documentazione chiara per l'analisi delle tendenze.
Alcune migliori pratiche per la raccolta dei dati includono:
Ad esempio, nell’esperimento sulla crescita delle piante, gli studenti potrebbero registrare:
| Gruppo | Luce del sole | Luce del sole | Luce del sole | Ombra | Ombra |
|---|---|---|---|---|---|
| Identificativo dell'impianto | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Altezza iniziale | 5 cm | 4cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Altezza finale | 18cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
Descriverebbero anche osservazioni come il cambiamento di colore delle foglie o la flessione direzionale visivamente o per iscritto.
È fondamentale che gli studenti pratichino procedure scientifiche sicure. Per la sperimentazione è necessaria la supervisione di un adulto, insieme a un'adeguata valutazione del rischio.
Una raccolta dati ben documentata consente un'analisi più approfondita dopo il completamento dell'esperimento per determinare se le ipotesi e le previsioni sono state supportate.
L'uso degli organizzatori visivi è un modo efficace per far sì che i tuoi studenti lavorino come scienziati in classe.
Esistono molti modi per utilizzare questi strumenti di pianificazione delle indagini per sostenere e strutturare il lavoro degli studenti mentre lavorano come scienziati. Gli studenti possono completare la fase di pianificazione su Storyboard That utilizzando le caselle di testo e i diagrammi, oppure è possibile stamparli e chiedere agli studenti di completarli a mano. Un altro ottimo modo per utilizzarli è proiettare il foglio di pianificazione su una lavagna interattiva e capire come completare i materiali di pianificazione in gruppo. Proiettalo su uno schermo e chiedi agli studenti di scrivere le loro risposte su foglietti adesivi e di inserire le loro idee nella sezione corretta del documento di pianificazione.
Gli studenti molto giovani possono ancora iniziare a pensare come scienziati! Hanno tantissime domande sul mondo che li circonda e puoi iniziare a prenderne nota in una mappa mentale. A volte puoi anche iniziare a "investigare" queste domande attraverso il gioco.
La risorsa della fondazione è destinata agli studenti delle elementari o agli studenti che necessitano di maggiore supporto. È progettato per seguire esattamente lo stesso processo delle risorse superiori, ma reso leggermente più semplice. La differenza fondamentale tra le due risorse sono i dettagli su cui gli studenti sono tenuti a riflettere e il vocabolario tecnico utilizzato. Ad esempio, è importante che gli studenti identifichino le variabili quando progettano le loro indagini. Nella versione superiore, gli studenti non devono solo identificare le variabili, ma fare altri commenti, ad esempio come misureranno la variabile dipendente o utilizzando un disegno completamente randomizzato. Oltre alla differenza nell'impalcatura tra i due livelli di risorse, potresti voler differenziare ulteriormente il modo in cui gli studenti sono supportati da insegnanti e assistenti nella stanza.
Gli studenti potrebbero anche essere incoraggiati a rendere il loro piano sperimentale più facile da comprendere utilizzando la grafica, e questo potrebbe essere utilizzato anche per supportare gli ELL.
Gli studenti devono essere valutati sulle loro capacità di indagine scientifica insieme alla valutazione delle loro conoscenze. Ciò non solo consentirà agli studenti di concentrarsi sullo sviluppo delle proprie competenze, ma consentirà loro anche di utilizzare le informazioni sulla valutazione in un modo che li aiuterà a migliorare le proprie competenze scientifiche. Utilizzando Quick Rubric , puoi creare un quadro di valutazione semplice e veloce e condividerlo con gli studenti in modo che sappiano come avere successo in ogni fase. Oltre a fornire una valutazione formativa che guiderà l'apprendimento, questo può anche essere utilizzato per valutare il lavoro degli studenti al termine di un'indagine e fissare obiettivi per il prossimo tentativo di pianificare la propria indagine. Le rubriche sono state scritte in modo da consentire agli studenti di accedervi facilmente. In questo modo possono essere condivisi con gli studenti mentre stanno lavorando al processo di pianificazione in modo che gli studenti sappiano come si presenta un buon progetto sperimentale.
Se stai cercando di aggiungere ulteriori progetti o continuare a personalizzare i fogli di lavoro, dai un'occhiata alle diverse pagine dei modelli che abbiamo compilato per te di seguito. Ogni foglio di lavoro può essere copiato e adattato ai tuoi progetti o studenti! Gli studenti possono anche essere incoraggiati a crearne di propri se vogliono provare a organizzare le informazioni in modo facile da comprendere.
Gli strumenti e le tecniche di progettazione sperimentale comuni che gli studenti possono utilizzare includono l'assegnazione casuale, i gruppi di controllo, l'accecamento, la replica e l'analisi statistica. Gli studenti possono anche utilizzare studi osservativi, sondaggi ed esperimenti con disegni naturali o quasi sperimentali. Possono anche utilizzare strumenti di visualizzazione dei dati per analizzare e presentare i loro risultati.
La progettazione sperimentale aiuta gli studenti a sviluppare capacità di pensiero critico incoraggiandoli a pensare in modo sistematico e logico ai problemi scientifici. Richiede agli studenti di analizzare i dati, identificare modelli e trarre conclusioni basate su prove. Aiuta anche gli studenti a sviluppare capacità di problem solving fornendo opportunità per progettare e condurre esperimenti per verificare ipotesi.
La progettazione sperimentale può essere utilizzata per affrontare i problemi del mondo reale identificando le variabili che contribuiscono a un particolare problema e testando gli interventi per vedere se sono efficaci nell'affrontare il problema. Ad esempio, il disegno sperimentale può essere utilizzato per testare l'efficacia di nuovi trattamenti medici o per valutare l'impatto degli interventi sociali sulla riduzione della povertà o sul miglioramento dei risultati scolastici.
Le insidie comuni del progetto sperimentale che gli studenti dovrebbero evitare includono il mancato controllo delle variabili, l'utilizzo di campioni distorti, l'affidamento a prove aneddotiche e la mancata misurazione accurata delle variabili dipendenti. Gli studenti dovrebbero anche essere consapevoli delle considerazioni etiche quando conducono esperimenti, come ottenere il consenso informato e proteggere la privacy dei soggetti di ricerca.