Экспериментальный дизайн — ключевой метод, используемый в таких предметах, как биология, химия, физика, психология и социальные науки. Это помогает нам понять, как различные факторы влияют на то, что мы изучаем, будь то растения, химические вещества, физические законы, поведение человека или то, как устроено общество. По сути, это способ поставить эксперименты, чтобы мы могли проверить идеи, посмотреть, что произойдет, и осмыслить полученные результаты. Это очень важно для студентов и исследователей, которые хотят ответить на важные вопросы науки и лучше понять мир. Навыки экспериментального проектирования могут применяться в самых разных ситуациях: от решения проблем до анализа данных; они широко распространены и часто могут применяться за пределами классной комнаты. Обучение этим навыкам является очень важной частью естественнонаучного образования, но его часто упускают из виду, когда основное внимание уделяется преподаванию содержания. Как преподаватели естественных наук, мы все видели преимущества практической работы для вовлечения и понимания учащихся. Однако из-за ограничений по времени, предусмотренных учебной программой, время, необходимое учащимся для развития навыков планирования экспериментальных исследований и проведения исследований, может быть сокращено. Слишком часто им приходится следовать «рецепту», который не позволяет им взять на себя ответственность за свою практическую работу. С самого раннего возраста они начинают задумываться об окружающем мире. Они задают вопросы, а затем используют наблюдения и доказательства, чтобы ответить на них. Студенты, как правило, задают умные, интересные и проверяемые вопросы, которые они любят задавать. Как педагоги, мы должны работать над тем, чтобы поощрять эти вопросы и, в свою очередь, развивать это естественное любопытство к окружающему миру.
Обучение планированию экспериментов и предоставление студентам возможности разрабатывать собственные вопросы и гипотезы требуют времени. Эти материалы были созданы для обоснования и структурирования процесса, позволяющего учителям сосредоточиться на совершенствовании ключевых идей в экспериментальном дизайне. Предоставление студентам возможности задавать собственные вопросы, писать собственные гипотезы, планировать и проводить собственные исследования — это для них ценный опыт. Это приведет к тому, что учащиеся будут больше владеть своей работой. Когда студенты применяют экспериментальный метод для решения своих собственных вопросов, они размышляют о том, как ученые исторически пришли к пониманию того, как устроена Вселенная.
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
Взгляните на страницы и шаблоны рабочих листов , пригодные для печати , ниже!
Путь к научным открытиям начинается с освоения этапов экспериментального проектирования. Этот основополагающий процесс важен для постановки экспериментов, которые дают надежные и содержательные результаты, помогая исследователям и студентам в равной степени детально планировать, планировать экспериментальные исследования и выполнять свои исследования. Используя шаблон экспериментального дизайна, участники могут обеспечить целостность и достоверность своих выводов. Будь то планирование научного эксперимента или участие в экспериментальной проектной деятельности, цель состоит в том, чтобы способствовать глубокому пониманию основ: как следует планировать эксперименты? Каковы 7 этапов экспериментального проектирования? Как можно спланировать собственный эксперимент?
Это исследование семи ключевых этапов экспериментального метода, идей планирования экспериментов и способов интеграции планирования экспериментов. Студенческие проекты могут получить большую пользу от дополнительных рабочих листов, и мы также предоставим такие ресурсы, как рабочие листы, предназначенные для эффективного обучения экспериментальному дизайну. Давайте углубимся в основные этапы, лежащие в основе процесса планирования эксперимента, предоставляя учащимся инструменты для раскрытия их научного любопытства.
Это ключевая часть научного метода и процесса планирования эксперимента. Студенты с удовольствием задают вопросы. Формулирование вопросов — это глубокая и содержательная деятельность, которая может дать учащимся право собственности на свою работу. Отличный способ заставить студентов задуматься о том, как визуализировать вопрос исследования, — это использовать раскадровку карты разума.
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
Попросите студентов подумать о любых вопросах, на которые они хотят ответить о Вселенной, или попросите их подумать о вопросах, которые у них есть по конкретной теме. Все вопросы хороши, но некоторые из них легче проверить, чем другие.
Гипотеза известна как обоснованное предположение. Гипотеза должна быть утверждением, которое можно проверить с научной точки зрения. В конце эксперимента оглянитесь назад и посмотрите, подтверждает ли вывод гипотезу или нет.
Формирование хороших гипотез может оказаться сложной задачей для учащихся. Важно помнить, что гипотеза – это не исследовательский вопрос, а проверяемое утверждение . Один из способов формирования гипотезы — это сформировать ее в виде утверждения «если… то…». Это, конечно, не единственный и не лучший способ сформировать гипотезу, но может стать очень простой формулой, которую студенты могут использовать в начале работы.
Утверждение «если... тогда...» требует, чтобы учащиеся сначала определили переменные, и это может изменить порядок, в котором они выполняют этапы визуального органайзера. После определения зависимых и независимых переменных гипотеза принимает форму: если [изменение независимой переменной], то [изменение зависимой переменной].
Например, если бы в эксперименте изучали влияние кофеина на время реакции, независимой переменной было бы количество кофеина, а зависимой переменной — время реакции. Гипотеза «если, то» может заключаться в следующем: если вы увеличите количество потребляемого кофеина, время реакции уменьшится.
Что привело вас к этой гипотезе? Какова научная подоплека вашей гипотезы? В зависимости от возраста и способностей учащиеся используют свои предыдущие знания, чтобы объяснить, почему они выбрали свои гипотезы, или, альтернативно, проводят исследования с использованием книг или Интернета. Это также может быть подходящим моментом для обсуждения со студентами того, что такое надежный источник.
Например, учащиеся могут сослаться на предыдущие исследования, показывающие влияние кофеина на концентрацию внимания, чтобы объяснить, почему, по их мнению, потребление кофеина сократит время реакции.
Прогноз немного отличается от гипотезы. Гипотеза — это проверяемое утверждение, тогда как предсказание более специфично для эксперимента. При открытии структуры ДНК была выдвинута гипотеза о том, что ДНК имеет спиральную структуру. Было предсказано, что картина дифракции рентгеновских лучей ДНК будет иметь X-образную форму.
Студенты должны сформулировать прогноз, который представляет собой конкретный измеримый результат, основанный на их гипотезе. Вместо того, чтобы просто заявить, что «кофеин уменьшает время реакции», студенты могли предсказать, что «выпивка 2 банок газировки (90 мг кофеина) сократит среднее время реакции на 50 миллисекунд по сравнению с употреблением без кофеина».
Ниже приведен пример раскадровки для обсуждения, которую можно использовать, чтобы ваши ученики говорили о переменных в экспериментальном дизайне.
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
Вам нужно будет обсудить со своими учениками три типа переменных: зависимые, независимые и контролируемые переменные. Для простоты называйте их «то, что вы собираетесь измерить», «что вы собираетесь изменить» и «что вы собираетесь оставить прежним». Более продвинутым учащимся следует поощрять их использовать правильный словарный запас.
Зависимые переменные — это то, что измеряется или наблюдается ученым. Эти измерения часто будут повторяться, поскольку повторные измерения делают ваши данные более надежными.
Независимые переменные — это переменные, которые ученые решают изменить, чтобы увидеть, какое влияние они окажут на зависимую переменную. Выбирается только один, потому что было бы сложно выяснить, какая переменная вызывает наблюдаемое вами изменение.
Контролируемые переменные — это величины или факторы, которые ученые хотят, чтобы они оставались неизменными на протяжении всего эксперимента. Они контролируются так, чтобы оставаться постоянными, чтобы не влиять на зависимую переменную. Контроль над ними позволяет ученым увидеть, как независимая переменная влияет на зависимую переменную в экспериментальной группе.
Используйте этот пример ниже в своих уроках или удалите ответы и установите его в качестве задания для учащихся на Storyboard That.
| Как температура влияет на количество сахара, растворяемого в воде | |
|---|---|
| Независимая переменная | Температура воды
(Диапазон 5 различных образцов при 10°C, 20°C, 30°C, 40°C и 50°C) |
| Зависимая переменная | Количество сахара, которое можно растворить в воде, измеряется чайными ложками. |
| Контролируемые переменные |
|
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
В конечном итоге это должно быть подписано ответственным взрослым, но важно заставить учащихся задуматься о том, как они обезопасят себя. В этой части учащиеся должны определить потенциальные риски, а затем объяснить, как они собираются минимизировать риск. Мероприятие, помогающее учащимся развить эти навыки, состоит в том, чтобы научить их выявлять риски и управлять ими в различных ситуациях. Используя приведенную ниже раскадровку, попросите учащихся заполнить второй столбец Т-диаграммы, сказав: «Что такое риск?», а затем объяснив, как они могут управлять этим риском. Эту раскадровку также можно спроектировать для обсуждения в классе.
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
В этом разделе учащиеся перечислят материалы, необходимые им для экспериментов, включая любое защитное оборудование, которое они отметили как необходимое в разделе оценки риска. Это прекрасное время, чтобы поговорить со студентами о выборе инструментов, подходящих для работы. Для измерения ширины волос вам понадобится другой инструмент, чем для измерения ширины футбольного поля!
Важно поговорить со студентами о воспроизводимости. Им следует написать процедуру, которая позволит легко воспроизвести их экспериментальный метод другим ученым. Самый простой и краткий способ сделать это для учащихся — составить пронумерованный список инструкций. Полезным занятием здесь может быть объяснение учащимся, как приготовить чашку чая или бутерброд. Разыграйте процесс, указывая на все шаги, которые они пропустили.
Изучающие английский язык и студенты, которые испытывают трудности с письменным английским языком, могут визуально описать этапы своего эксперимента с помощью Storyboard That.
Не для каждого эксперимента потребуется диаграмма, но некоторые планы можно значительно улучшить, включив ее. Попросите учащихся сосредоточиться на создании четких и простых для понимания диаграмм, иллюстрирующих экспериментальную группу.
Например, процедура проверки влияния солнечного света на рост растений с использованием полностью рандомизированной схемы может детализировать:
После утверждения процедуры учащиеся должны тщательно провести запланированный эксперимент, следуя письменным инструкциям. По мере сбора данных учащиеся должны систематизировать необработанные результаты в таблицах, графиках, фотографиях или рисунках. Это создает четкую документацию для анализа тенденций.
Некоторые передовые методы сбора данных включают в себя:
Например, в эксперименте по выращиванию растений учащиеся могли записать:
| Группа | Солнечный лучик | Солнечный лучик | Солнечный лучик | Оттенок | Оттенок |
|---|---|---|---|---|---|
| Идентификатор растения | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Начальная высота | 5 см | 4 см | 5 см | 6 см | 4 см |
| Конечная высота | 18 см | 17 см | 19 см | 9 см | 8 см |
Они также визуально или письменно описывали такие наблюдения, как изменение цвета листьев или изгиб в направлении.
Крайне важно, чтобы студенты практиковали безопасные научные процедуры. Для проведения экспериментов требуется наблюдение взрослых, а также надлежащая оценка риска.
Хорошо документированный сбор данных позволяет провести более глубокий анализ после завершения эксперимента, чтобы определить, подтвердились ли гипотезы и прогнозы.
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
Использование визуальных органайзеров — эффективный способ заставить ваших учеников работать в классе как ученые.
Существует много способов использовать эти инструменты планирования исследований для формирования и структурирования работы студентов, пока они работают в качестве ученых. Учащиеся могут завершить этап планирования в Storyboard That используя текстовые поля и диаграммы, или вы можете распечатать их и попросить учащихся заполнить их вручную. Еще один отличный способ их использования — спроецировать лист планирования на интерактивную доску и вместе работать над тем, как заполнить материалы планирования. Спроецируйте его на экран и предложите учащимся записать свои ответы на стикерах и поместить свои идеи в правильный раздел документа планирования.
Очень маленькие ученики еще могут начать мыслить как ученые! У них есть множество вопросов об окружающем мире, и вы можете начать записывать их на карте связей. Иногда вы даже можете начать «исследовать» эти вопросы в игровой форме.
Ресурс Foundation предназначен для учащихся начальной школы или учащихся, которым требуется дополнительная поддержка. Он разработан по тому же принципу, что и более высокие ресурсы, но немного проще. Ключевое различие между этими двумя ресурсами заключается в деталях, о которых учащиеся должны подумать, и в используемой технической лексике. Например, важно, чтобы учащиеся идентифицировали переменные при планировании своих исследований. В более высокой версии учащиеся должны не только идентифицировать переменные, но и делать другие комментарии, например, как они собираются измерять зависимую переменную или использовать полностью рандомизированный дизайн. Помимо разницы в строительных лесах между двумя уровнями ресурсов, вы можете дополнительно дифференцировать их по тому, как учащиеся поддерживаются учителями и помощниками в классе.
Студентам также можно было бы предложить сделать свой экспериментальный план более понятным, используя графику, и это также можно было бы использовать для поддержки ELL.
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
Студентам необходимо оценивать их навыки научных исследований наряду с оценкой их знаний. Это не только позволит учащимся сосредоточиться на развитии своих навыков, но также позволит им использовать информацию об оценивании таким образом, чтобы помочь им улучшить свои научные навыки. Используя Quick Rubric , вы можете создать быструю и простую систему оценивания и поделиться ею со студентами, чтобы они знали, как добиться успеха на каждом этапе. Помимо проведения формативной оценки, которая будет стимулировать обучение, ее также можно использовать для оценки работы учащихся в конце расследования и установления целей на следующую попытку спланировать собственное расследование. Рубрики составлены таким образом, чтобы студенты могли легко получить к ним доступ. Таким образом, ими можно будет поделиться со учащимися, пока они работают над процессом планирования, чтобы учащиеся знали, как выглядит хороший экспериментальный план.
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
(Это начнется с бесплатной пробной версии за 2 недели - без кредитной карты)
Если вы хотите добавить дополнительные проекты или продолжить настройку рабочих листов, взгляните на несколько страниц шаблонов, которые мы собрали для вас ниже. Каждый рабочий лист можно скопировать и адаптировать к вашим проектам или ученикам! Студентам также можно предложить создать свои собственные, если они хотят попытаться организовать информацию в простой для понимания форме.
Общие инструменты и методы планирования экспериментов, которые могут использовать учащиеся, включают случайное назначение, контрольные группы, ослепление, повторение и статистический анализ. Студенты также могут использовать наблюдательные исследования, опросы и эксперименты с естественным или квазиэкспериментальным дизайном. Они также могут использовать инструменты визуализации данных для анализа и представления результатов.
Экспериментальный дизайн помогает учащимся развивать навыки критического мышления, побуждая их систематически и логически мыслить о научных проблемах. Он требует, чтобы студенты анализировали данные, выявляли закономерности и делали выводы на основе доказательств. Это также помогает учащимся развивать навыки решения проблем, предоставляя возможность разрабатывать и проводить эксперименты для проверки гипотез.
Экспериментальный дизайн может использоваться для решения реальных проблем путем определения переменных, которые способствуют возникновению конкретной проблемы, и тестирования вмешательств, чтобы увидеть, эффективны ли они для решения проблемы. Например, план эксперимента можно использовать для проверки эффективности новых методов лечения или для оценки воздействия социальных вмешательств на сокращение бедности или улучшение результатов обучения.
Общие ошибки при планировании эксперимента, которых следует избегать учащимся, включают неспособность контролировать переменные, использование необъективных выборок, опора на неофициальные данные и неспособность точно измерить зависимые переменные. Студенты также должны знать об этических соображениях при проведении экспериментов, таких как получение информированного согласия и защита конфиденциальности субъектов исследования.