Eksperimentell design er en nøkkelmetode som brukes i fag som biologi, kjemi, fysikk, psykologi og samfunnsvitenskap. Det hjelper oss å finne ut hvordan ulike faktorer påvirker det vi studerer, enten det er planter, kjemikalier, fysiske lover, menneskelig atferd eller hvordan samfunnet fungerer. I bunn og grunn er det en måte å sette opp eksperimenter på slik at vi kan teste ideer, se hva som skjer og forstå resultatene våre. Det er superviktig for studenter og forskere som ønsker å svare på store spørsmål innen vitenskap og forstå verden bedre. Eksperimentelle designferdigheter kan brukes i situasjoner som spenner fra problemløsning til dataanalyse; de strekker seg vidt og kan ofte brukes utenfor klasserommet. Undervisningen i disse ferdighetene er en svært viktig del av realfagsundervisningen, men blir ofte oversett når man fokuserer på undervisning i innholdet. Som naturfaglærere har vi alle sett fordelene med praktisk arbeid for elevenes engasjement og forståelse. Men med tidsbegrensningene som er lagt på læreplanen, kan tiden som trengs for studentene til å utvikle disse eksperimentelle forskningsdesignene og undersøkende ferdighetene bli presset ut. Altfor ofte får de en "oppskrift" å følge, som ikke lar dem ta eierskap til det praktiske arbeidet sitt. Fra en veldig ung alder begynner de å tenke på verden rundt seg. De stiller spørsmål og bruker deretter observasjoner og bevis for å svare på dem. Elever har en tendens til å ha intelligente, interessante og testbare spørsmål som de elsker å stille. Som lærere bør vi jobbe for å oppmuntre disse spørsmålene og i sin tur pleie denne naturlige nysgjerrigheten i verden rundt dem.
Å undervise i design av eksperimenter og la elevene utvikle sine egne spørsmål og hypoteser tar tid. Disse materialene er laget for å stillas og strukturere prosessen slik at lærere kan fokusere på å forbedre nøkkelideene i eksperimentell design. Å la elevene stille sine egne spørsmål, skrive sine egne hypoteser og planlegge og gjennomføre sine egne undersøkelser er en verdifull erfaring for dem. Dette vil føre til at studentene får mer eierskap til arbeidet sitt. Når elevene utfører den eksperimentelle metoden for sine egne spørsmål, reflekterer de over hvordan forskere historisk sett har forstått hvordan universet fungerer.
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
Ta en titt på de utskriftsvennlige sidene og regnearkmalene nedenfor!
Å begi seg ut på reisen til vitenskapelig oppdagelse begynner med å mestre eksperimentelle designtrinn. Denne grunnleggende prosessen er avgjørende for å formulere eksperimenter som gir pålitelige og innsiktsfulle resultater, og veileder både forskere og studenter gjennom detaljert planlegging, eksperimentell forskningsdesign og gjennomføring av studiene. Ved å utnytte en eksperimentell designmal kan deltakerne sikre integriteten og gyldigheten til funnene deres. Enten det er gjennom å designe et vitenskapelig eksperiment eller delta i eksperimentelle designaktiviteter, er målet å fremme en dyp forståelse av det grunnleggende: Hvordan bør eksperimenter utformes? Hva er de 7 eksperimentelle designtrinnene? Hvordan kan du designe ditt eget eksperiment?
Dette er en utforskning av de syv nøkkeltrinnene for eksperimentelle metode, ideer om eksperimentell design og måter å integrere design av eksperimenter på. Studentprosjekter kan ha stor nytte av supplerende regneark, og vi vil også tilby ressurser som regneark rettet mot å undervise i eksperimentell design effektivt. La oss dykke ned i de essensielle stadiene som underbygger prosessen med å designe et eksperiment, og utstyre elevene med verktøyene til å utforske deres vitenskapelige nysgjerrighet.
Dette er en sentral del av den vitenskapelige metoden og den eksperimentelle designprosessen. Elevene liker å komme med spørsmål. Å formulere spørsmål er en dyp og meningsfull aktivitet som kan gi elevene eierskap over arbeidet sitt. En flott måte å få elevene til å tenke på hvordan de skal visualisere forskningsspørsmålet sitt, er å bruke et tankekart-storyboard.
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
Be elevene tenke på spørsmål de vil svare på om universet, eller få dem til å tenke på spørsmål de har om et bestemt emne. Alle spørsmål er gode spørsmål, men noen er lettere å teste enn andre.
En hypotese er kjent som en utdannet gjetning. En hypotese bør være et utsagn som kan testes vitenskapelig. På slutten av eksperimentet, se tilbake for å se om konklusjonen støtter hypotesen eller ikke.
Å danne gode hypoteser kan være utfordrende for elevene å forstå. Det er viktig å huske at hypotesen ikke er et forskningsspørsmål, det er en testbar påstand . En måte å danne en hypotese på er å forme den som en "hvis... da..."-utsagn. Dette er absolutt ikke den eneste eller beste måten å danne en hypotese på, men kan være en veldig enkel formel for studenter å bruke når de først starter.
En "hvis ... da ..."-utsagn krever at elevene identifiserer variablene først, og det kan endre rekkefølgen de fullfører stadiene i den visuelle arrangøren. Etter å ha identifisert de avhengige og uavhengige variablene, tar hypotesen formen hvis [endring i uavhengig variabel], deretter [endring i avhengig variabel].
For eksempel, hvis et eksperiment lette etter effekten av koffein på reaksjonstiden, ville den uavhengige variabelen være mengden koffein og den avhengige variabelen ville være reaksjonstid. "Hvis, da"-hypotesen kan være: Hvis du øker mengden koffein som tas, vil reaksjonstiden reduseres.
Hva førte deg til denne hypotesen? Hva er den vitenskapelige bakgrunnen bak hypotesen din? Avhengig av alder og evne, bruker elevene sine forkunnskaper til å forklare hvorfor de har valgt hypotesene sine, eller alternativt forsker ved hjelp av bøker eller internett. Dette kan også være et godt tidspunkt å diskutere med elevene hva en pålitelig kilde er.
For eksempel kan studenter referere til tidligere studier som viser våkenhetseffektene av koffein for å forklare hvorfor de antar at koffeininntak vil redusere reaksjonstiden.
Prediksjonen er litt annerledes enn hypotesen. En hypotese er en testbar påstand, mens prediksjonen er mer spesifikk for eksperimentet. I oppdagelsen av strukturen til DNA foreslo hypotesen at DNA har en spiralformet struktur. Forutsigelsen var at røntgendiffraksjonsmønsteret til DNA ville være en X-form.
Elevene skal formulere en prediksjon som er et spesifikt, målbart utfall basert på deres hypotese. I stedet for bare å si "koffein vil redusere reaksjonstiden", kan studentene forutsi at "å drikke 2 bokser brus (90 mg koffein) vil redusere gjennomsnittlig reaksjonstid med 50 millisekunder sammenlignet med å ikke drikke koffein."
Nedenfor er et eksempel på et diskusjonsstoryboard som kan brukes til å få elevene til å snakke om variabler i eksperimentell design.
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
De tre typene variabler du må diskutere med elevene dine er avhengige, uavhengige og kontrollerte variabler. For å holde dette enkelt, referer til disse som "hva du skal måle", "hva du skal endre" og "hva du skal beholde det samme". Med mer avanserte elever bør du oppmuntre dem til å bruke riktig ordforråd.
Avhengige variabler er det som måles eller observeres av forskeren. Disse målingene vil ofte bli gjentatt fordi gjentatte målinger gjør dataene dine mer pålitelige.
De uavhengige variablene er variabler som forskere bestemmer seg for å endre for å se hvilken effekt det har på den avhengige variabelen. Bare én er valgt fordi det ville være vanskelig å finne ut hvilken variabel som forårsaker enhver endring du observerer.
Kontrollerte variabler er mengder eller faktorer som forskere ønsker skal forbli de samme gjennom hele eksperimentet. De styres til å forbli konstante, for ikke å påvirke den avhengige variabelen. Ved å kontrollere disse kan forskere se hvordan den uavhengige variabelen påvirker den avhengige variabelen i den eksperimentelle gruppen.
Bruk dette eksemplet nedenfor i leksjonene dine, eller slett svarene og sett det som en aktivitet elevene kan fullføre på Storyboard That.
| Hvordan temperaturen påvirker mengden sukker som kan løses i vann | |
|---|---|
| Uavhengig variabel | Vanntemperatur
(Rekkevidde 5 forskjellige prøver ved 10°C, 20°C, 30°C, 40°C og 50°C) |
| Avhengig variabel | Mengden sukker som kan løses i vannet, målt i teskjeer. |
| Kontrollerte variabler |
|
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
Til syvende og sist må dette signeres av en ansvarlig voksen, men det er viktig å få studentene til å tenke over hvordan de skal holde seg trygge. I denne delen skal elevene identifisere potensielle risikoer og deretter forklare hvordan de skal minimere risikoen. En aktivitet for å hjelpe elevene med å utvikle disse ferdighetene er å få dem til å identifisere og håndtere risikoer i ulike situasjoner. Bruk storyboardet nedenfor til å få elevene til å fullføre den andre kolonnen i T-diagrammet ved å si "Hva er risiko?", og deretter forklare hvordan de kan håndtere denne risikoen. Dette storyboardet kan også projiseres for en klassediskusjon.
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
I denne delen vil elevene liste opp materialene de trenger for eksperimentene, inkludert sikkerhetsutstyr som de har fremhevet som behov i risikovurderingsdelen. Dette er en fin tid for å snakke med studenter om valg av verktøy som passer for jobben. Du skal bruke et annet verktøy for å måle bredden på et hår enn å måle bredden på en fotballbane!
Det er viktig å snakke med elevene om reproduserbarhet. De bør skrive en prosedyre som gjør at deres eksperimentelle metode enkelt kan reproduseres av en annen vitenskapsmann. Den enkleste og mest konsise måten for elevene å gjøre dette på er å lage en nummerert liste med instruksjoner. En nyttig aktivitet her kan være å få elevene til å forklare hvordan man lager en kopp te eller en sandwich. Utfør prosessen ved å peke på eventuelle trinn de har gått glipp av.
For engelskspråklige elever og studenter som sliter med skriftlig engelsk, kan elevene beskrive trinnene i eksperimentet deres visuelt ved å bruke Storyboard That.
Ikke hvert eksperiment vil trenge et diagram, men noen planer vil bli kraftig forbedret ved å inkludere en. La elevene fokusere på å lage klare og lettfattelige diagrammer som illustrerer forsøksgruppen.
For eksempel kan en prosedyre for å teste effekten av sollys på plantevekst ved å bruke fullstendig randomisert design detaljer:
Når prosedyren deres er godkjent, bør studentene nøye utføre sitt planlagte eksperiment, følge deres skriftlige instruksjoner. Etter hvert som data samles inn, bør elevene organisere råresultatene i tabeller, grafer, bilder eller tegninger. Dette skaper tydelig dokumentasjon for å analysere trender.
Noen beste fremgangsmåter for datainnsamling inkluderer:
For eksempel, i planteveksteksperimentet, kunne elevene registrere:
| Gruppe | Sollys | Sollys | Sollys | Skygge | Skygge |
|---|---|---|---|---|---|
| Plant ID | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Starthøyde | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Slutthøyde | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
De vil også beskrive observasjoner som bladfargeendring eller retningsbestemt bøyning visuelt eller skriftlig.
Det er avgjørende at studentene praktiserer sikre naturvitenskapelige prosedyrer. Voksentilsyn er nødvendig for eksperimentering, sammen med riktig risikovurdering.
Godt dokumentert datainnsamling gir mulighet for dypere analyse etter at eksperimentet er fullført for å avgjøre om hypoteser og spådommer ble støttet.
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
Å bruke visuelle arrangører er en effektiv måte å få elevene til å jobbe som forskere i klasserommet.
Det er mange måter å bruke disse undersøkelsesplanleggingsverktøyene til å stillas og strukturere studentenes arbeid mens de jobber som forskere. Elever kan fullføre planleggingsstadiet på Storyboard That ved å bruke tekstboksene og diagrammene, eller du kan skrive dem ut og la elevene fullføre dem for hånd. En annen fin måte å bruke dem på er å projisere planleggingsarket på en interaktiv tavle og jobbe gjennom hvordan du fullfører planleggingsmateriellet som en gruppe. Projiser det på en skjerm og la elevene skrive svarene sine på lapper og legge inn ideene sine i riktig del av planleggingsdokumentet.
Svært unge elever kan fortsatt begynne å tenke som forskere! De har massevis av spørsmål om verden rundt seg, og du kan begynne å notere disse i et tankekart. Noen ganger kan du til og med begynne å "undersøke" disse spørsmålene gjennom lek.
Grunnressursen er beregnet på grunnskoleelever eller elever som trenger mer støtte. Den er designet for å følge nøyaktig samme prosess som de høyere ressursene, men gjort litt enklere. Den viktigste forskjellen mellom de to ressursene er detaljene som elevene må tenke på og det tekniske vokabularet som brukes. For eksempel er det viktig at elevene identifiserer variabler når de utformer undersøkelsene sine. I den høyere versjonen må studentene ikke bare identifisere variablene, men komme med andre kommentarer, for eksempel hvordan de skal måle den avhengige variabelen eller bruke fullstendig randomisert design. I tillegg til forskjellen i stillas mellom de to ressursnivåene, kan det være lurt å differensiere ytterligere etter hvordan elevene støttes av lærere og assistenter i rommet.
Studentene kan også oppmuntres til å gjøre eksperimentelle planen deres lettere å forstå ved å bruke grafikk, og dette kan også brukes til å støtte ELL-er.
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
Studentene må vurderes på sine vitenskapelige undersøkelsesferdigheter sammen med vurderingen av kunnskapen deres. Det vil ikke bare la elevene fokusere på å utvikle ferdighetene sine, men vil også tillate dem å bruke vurderingsinformasjonen sin på en måte som vil hjelpe dem å forbedre sine naturvitenskapelige ferdigheter. Ved å bruke Quick Rubric , kan du lage et raskt og enkelt vurderingsrammeverk og dele det med elevene slik at de vet hvordan de skal lykkes på alle trinn. I tillegg til å gi formativ vurdering som vil drive læring, kan dette også brukes til å vurdere elevarbeid på slutten av en undersøkelse og sette mål for når de neste forsøker å planlegge sin egen undersøkelse. Rubrikkene er skrevet på en måte slik at elevene enkelt kan få tilgang til dem. På denne måten kan de deles med elevene mens de arbeider gjennom planleggingsprosessen, slik at elevene vet hvordan et godt eksperimentelt design ser ut.
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ukers gratis prøveversjon - ingen kredittkort nødvendig)
Hvis du ønsker å legge til flere prosjekter eller fortsette å tilpasse regneark, ta en titt på flere malsider vi har satt sammen for deg nedenfor. Hvert regneark kan kopieres og skreddersys til dine prosjekter eller studenter! Elever kan også oppmuntres til å lage sine egne hvis de vil prøve å organisere informasjon på en lettfattelig måte.
Vanlige eksperimentelle designverktøy og -teknikker som studentene kan bruke inkluderer tilfeldig tildeling, kontrollgrupper, blinding, replikering og statistisk analyse. Studentene kan også bruke observasjonsstudier, undersøkelser og eksperimenter med naturlige eller kvasi-eksperimentelle design. De kan også bruke datavisualiseringsverktøy for å analysere og presentere resultatene sine.
Eksperimentell design hjelper elevene med å utvikle kritisk tenkning ved å oppmuntre dem til å tenke systematisk og logisk om vitenskapelige problemer. Det krever at elevene analyserer data, identifiserer mønstre og trekker konklusjoner basert på bevis. Det hjelper også elevene til å utvikle problemløsningsferdigheter ved å gi muligheter til å designe og gjennomføre eksperimenter for å teste hypoteser.
Eksperimentell design kan brukes til å adressere virkelige problemer ved å identifisere variabler som bidrar til et bestemt problem og teste intervensjoner for å se om de er effektive i å løse problemet. Eksperimentell design kan for eksempel brukes til å teste effektiviteten av nye medisinske behandlinger eller for å evaluere effekten av sosiale intervensjoner på å redusere fattigdom eller forbedre utdanningsresultater.
Vanlige fallgruver for eksperimentelt design som studenter bør unngå inkluderer å unnlate å kontrollere variabler, bruke partiske prøver, stole på anekdotisk bevis og unnlate å måle avhengige variabler nøyaktig. Studentene bør også være oppmerksomme på etiske hensyn når de utfører eksperimenter, som å innhente informert samtykke og beskytte personvernet til forskningspersoner.