Experimentell design är en nyckelmetod som används i ämnen som biologi, kemi, fysik, psykologi och samhällsvetenskap. Det hjälper oss att ta reda på hur olika faktorer påverkar det vi studerar, oavsett om det är växter, kemikalier, fysiska lagar, mänskligt beteende eller hur samhället fungerar. I grund och botten är det ett sätt att sätta upp experiment så att vi kan testa idéer, se vad som händer och förstå våra resultat. Det är superviktigt för studenter och forskare som vill svara på stora frågor inom naturvetenskap och förstå världen bättre. Experimentell designfärdighet kan tillämpas i situationer som sträcker sig från problemlösning till dataanalys; de är breda och kan ofta användas utanför klassrummet. Undervisningen i dessa färdigheter är en mycket viktig del av naturvetenskaplig utbildning, men förbises ofta när man fokuserar på att lära ut innehållet. Som vetenskapspedagoger har vi alla sett fördelarna med praktiskt arbete för elevernas engagemang och förståelse. Men med de tidsbegränsningar som läggs på läroplanen, kan den tid som behövs för eleverna att utveckla dessa experimentella forskningsdesign och undersökande färdigheter pressas ut. Alltför ofta får de ett "recept" att följa, vilket inte tillåter dem att ta ägarskap över sitt praktiska arbete. Från en mycket ung ålder börjar de tänka på världen omkring dem. De ställer frågor och använder sedan observationer och bevis för att besvara dem. Elever tenderar att ha intelligenta, intressanta och testbara frågor som de älskar att ställa. Som utbildare bör vi arbeta för att uppmuntra dessa frågor och i sin tur vårda denna naturliga nyfikenhet i världen omkring dem.
Att lära ut design av experiment och låta eleverna utveckla sina egna frågor och hypoteser tar tid. Dessa material har skapats för att bygga upp och strukturera processen så att lärare kan fokusera på att förbättra nyckelidéerna i experimentell design. Att låta eleverna ställa sina egna frågor, skriva sina egna hypoteser och planera och genomföra sina egna undersökningar är en värdefull erfarenhet för dem. Detta kommer att leda till att eleverna får mer egenansvar för sitt arbete. När eleverna utför den experimentella metoden för sina egna frågor reflekterar de över hur forskare historiskt sett har kommit att förstå hur universum fungerar.
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
Ta en titt på de utskriftsvänliga sidorna och kalkylbladsmallarna nedan!
Att ge sig ut på den vetenskapliga upptäcktsresan börjar med att bemästra experimentella designsteg. Denna grundläggande process är avgörande för att formulera experiment som ger tillförlitliga och insiktsfulla resultat, vägleder både forskare och studenter genom detaljerad planering, experimentell forskningsdesign och genomförande av sina studier. Genom att använda en experimentell designmall kan deltagarna säkerställa integriteten och giltigheten av sina resultat. Oavsett om det är genom att designa ett vetenskapligt experiment eller engagera sig i experimentell designaktiviteter, är syftet att främja en djup förståelse för grunderna: Hur ska experiment utformas? Vilka är de 7 experimentella designstegen? Hur kan du designa ditt eget experiment?
Detta är en utforskning av de sju viktiga experimentella metodstegen, experimentella designidéer och sätt att integrera design av experiment. Studentprojekt kan dra stor nytta av kompletterande arbetsblad och vi kommer också att tillhandahålla resurser som arbetsblad som syftar till att lära ut experimentell design effektivt. Låt oss dyka in i de väsentliga stadierna som ligger till grund för processen att designa ett experiment, och utrusta eleverna med verktygen för att utforska sin vetenskapliga nyfikenhet.
Detta är en viktig del av den vetenskapliga metoden och den experimentella designprocessen. Eleverna tycker om att ställa frågor. Att formulera frågor är en djup och meningsfull aktivitet som kan ge eleverna äganderätt över sitt arbete. Ett bra sätt att få eleverna att tänka på hur de ska visualisera sin forskningsfråga är att använda en tankekarta storyboard.
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
Be eleverna tänka på frågor de vill besvara om universum eller få dem att tänka på frågor de har om ett visst ämne. Alla frågor är bra frågor, men vissa är lättare att testa än andra.
En hypotes är känd som en utbildad gissning. En hypotes bör vara ett påstående som kan testas vetenskapligt. I slutet av experimentet, titta tillbaka för att se om slutsatsen stöder hypotesen eller inte.
Att skapa bra hypoteser kan vara en utmaning för eleverna att förstå. Det är viktigt att komma ihåg att hypotesen inte är en forskningsfråga, det är ett testbart påstående . Ett sätt att forma en hypotes är att forma den som ett "om... då..."-påstående. Detta är verkligen inte det enda eller bästa sättet att bilda en hypotes, men det kan vara en mycket enkel formel för elever att använda när de börjar.
En "om... då..."-sats kräver att eleverna identifierar variablerna först, och det kan ändra ordningen i vilken de slutför stadierna i den visuella organisatören. Efter att ha identifierat de beroende och oberoende variablerna tar hypotesen formen om [ändring i oberoende variabel], sedan [ändring i beroende variabel].
Till exempel, om ett experiment letade efter effekten av koffein på reaktionstiden, skulle den oberoende variabeln vara mängden koffein och den beroende variabeln skulle vara reaktionstiden. "Om, då"-hypotesen kan vara: Om du ökar mängden koffein som tas, kommer reaktionstiden att minska.
Vad ledde dig till denna hypotes? Vilken är den vetenskapliga bakgrunden bakom din hypotes? Beroende på ålder och förmåga använder eleverna sina förkunskaper för att förklara varför de har valt sina hypoteser, alternativt forskar med hjälp av böcker eller internet. Detta kan också vara ett bra tillfälle att diskutera med eleverna vad en pålitlig källa är.
Elever kan till exempel referera till tidigare studier som visar koffeins vakenhetseffekter för att förklara varför de antar att koffeinintag kommer att minska reaktionstiden.
Förutsägelsen skiljer sig något från hypotesen. En hypotes är ett testbart uttalande, medan förutsägelsen är mer specifik för experimentet. I upptäckten av DNA:s struktur föreslog hypotesen att DNA har en spiralformad struktur. Förutsägelsen var att röntgendiffraktionsmönstret för DNA skulle vara en X-form.
Eleverna bör formulera en förutsägelse som är ett specifikt, mätbart resultat baserat på deras hypotes. I stället för att bara säga "koffein kommer att minska reaktionstiden", kan eleverna förutsäga att "att dricka två burkar läsk (90 mg koffein) kommer att minska den genomsnittliga reaktionstiden med 50 millisekunder jämfört med att dricka inget koffein."
Nedan är ett exempel på en Discussion Storyboard som kan användas för att få dina elever att prata om variabler i experimentell design.
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
De tre typerna av variabler du måste diskutera med dina elever är beroende, oberoende och kontrollerade variabler. För att hålla detta enkelt, hänvisa till dessa som "vad du ska mäta", "vad du ska ändra" och "vad du ska behålla samma". Med mer avancerade elever bör du uppmuntra dem att använda rätt ordförråd.
Beroende variabler är vad som mäts eller observeras av forskaren. Dessa mätningar kommer ofta att upprepas eftersom upprepade mätningar gör din data mer tillförlitlig.
De oberoende variablerna är variabler som forskare bestämmer sig för att ändra för att se vilken effekt det har på den beroende variabeln. Endast en väljs eftersom det skulle vara svårt att ta reda på vilken variabel som orsakar någon förändring du observerar.
Kontrollerade variabler är kvantiteter eller faktorer som forskarna vill ska vara desamma under hela experimentet. De styrs så att de förblir konstanta för att inte påverka den beroende variabeln. Genom att kontrollera dessa kan forskare se hur den oberoende variabeln påverkar den beroende variabeln inom experimentgruppen.
Använd det här exemplet nedan på dina lektioner, eller ta bort svaren och ställ in det som en aktivitet som eleverna kan genomföra på Storyboard That.
| Hur temperaturen påverkar mängden socker som kan lösas i vatten | |
|---|---|
| Oberoende variabel | Vattentemperatur
(Spänn 5 olika prover vid 10°C, 20°C, 30°C, 40°C och 50°C) |
| Beroende variabel | Mängden socker som kan lösas i vattnet, mätt i teskedar. |
| Kontrollerade variabler |
|
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
I slutändan måste detta undertecknas av en ansvarig vuxen, men det är viktigt att få eleverna att tänka på hur de ska skydda sig själva. I den här delen ska eleverna identifiera potentiella risker och sedan förklara hur de ska minimera riskerna. En aktivitet för att hjälpa eleverna att utveckla dessa färdigheter är att få dem att identifiera och hantera risker i olika situationer. Använd storyboarden nedan och få eleverna att slutföra den andra kolumnen i T-diagrammet genom att säga "Vad är risk?", och sedan förklara hur de kunde hantera den risken. Denna storyboard kan också projiceras för en klassdiskussion.
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
I det här avsnittet kommer eleverna att lista det material de behöver för experimenten, inklusive all säkerhetsutrustning som de har markerat att de behöver i avsnittet om riskbedömning. Det här är ett bra tillfälle att prata med studenter om att välja verktyg som är lämpliga för jobbet. Du kommer att använda ett annat verktyg för att mäta bredden på ett hårstrå än att mäta bredden på en fotbollsplan!
Det är viktigt att prata med eleverna om reproducerbarhet. De bör skriva en procedur som gör att deras experimentella metod lätt kan reproduceras av en annan vetenskapsman. Det enklaste och mest kortfattade sättet för eleverna att göra detta är att göra en numrerad lista med instruktioner. En användbar aktivitet här kan vara att få eleverna att förklara hur man gör en kopp te eller en smörgås. Utför processen och peka på eventuella steg de har missat.
För engelska språkinlärare och elever som kämpar med skriftlig engelska kan eleverna beskriva stegen i sitt experiment visuellt med hjälp av Storyboard That.
Inte varje experiment behöver ett diagram, men vissa planer kommer att förbättras avsevärt genom att inkludera ett. Låt eleverna fokusera på att ta fram tydliga och lättförståeliga diagram som illustrerar experimentgruppen.
Till exempel, en procedur för att testa effekten av solljus på växttillväxt med helt randomiserad design kan detaljera:
När deras procedur har godkänts bör eleverna noggrant utföra sitt planerade experiment, följa deras skriftliga instruktioner. När data samlas in bör eleverna organisera de råa resultaten i tabeller, grafer, foton eller ritningar. Detta skapar tydlig dokumentation för att analysera trender.
Några bästa metoder för datainsamling inkluderar:
Till exempel, i växttillväxtexperimentet kunde eleverna spela in:
| Grupp | Solljus | Solljus | Solljus | Skugga | Skugga |
|---|---|---|---|---|---|
| Anläggnings-ID | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Starthöjd | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Sluthöjd | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
De skulle också beskriva observationer som bladfärgsförändring eller riktningsböjning visuellt eller skriftligt.
Det är avgörande att eleverna tränar på säkra vetenskapliga procedurer. Vuxen tillsyn krävs för experiment, tillsammans med korrekt riskbedömning.
Väldokumenterad datainsamling möjliggör djupare analys efter avslutat experiment för att avgöra om hypoteser och förutsägelser stöddes.
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
Att använda visuella organisatörer är ett effektivt sätt att få dina elever att arbeta som vetenskapsmän i klassrummet.
Det finns många sätt att använda dessa undersökningsplaneringsverktyg för att bygga upp och strukturera elevernas arbete medan de arbetar som vetenskapsmän. Eleverna kan slutföra planeringsstadiet på Storyboard That med hjälp av textrutorna och diagrammen, eller så kan du skriva ut dem och låta eleverna slutföra dem för hand. Ett annat bra sätt att använda dem är att projicera planeringsbladet på en interaktiv whiteboard och arbeta igenom hur man slutför planeringsmaterialet som en grupp. Projicera det på en skärm och låt eleverna skriva sina svar på lappar och lägga sina idéer i rätt del av planeringsdokumentet.
Mycket unga elever kan fortfarande börja tänka som vetenskapsmän! De har massor av frågor om världen omkring dem och du kan börja anteckna dessa i en tankekarta. Ibland kan du till och med börja "undersöka" dessa frågor genom lek.
Grundresursen är avsedd för grundskoleelever eller elever som behöver mer stöd. Det är utformat för att följa exakt samma process som de högre resurserna, men gjort något enklare. Den viktigaste skillnaden mellan de två resurserna är detaljerna som eleverna måste tänka på och det tekniska ordförrådet som används. Det är till exempel viktigt att eleverna identifierar variabler när de utformar sina undersökningar. I den högre versionen måste eleverna inte bara identifiera variablerna, utan göra andra kommentarer, till exempel hur de ska mäta den beroende variabeln eller använda helt randomiserad design. Förutom skillnaden i byggnadsställningar mellan de två nivåerna av resurser, kanske du vill skilja på hur eleverna får stöd av lärare och assistenter i rummet.
Elever kan också uppmuntras att göra sin experimentplan lättare att förstå genom att använda grafik, och detta kan också användas för att stödja ELL.
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
Studenter måste bedömas på sina vetenskapliga frågefärdigheter vid sidan av bedömningen av sina kunskaper. Det kommer inte bara att låta eleverna fokusera på att utveckla sina färdigheter, utan kommer också att tillåta dem att använda sin bedömningsinformation på ett sätt som hjälper dem att förbättra sina naturvetenskapliga färdigheter. Med hjälp av Quick Rubric kan du skapa en snabb och enkel bedömningsram och dela den med eleverna så att de vet hur de ska lyckas i varje steg. Förutom att ge formativ bedömning som kommer att driva lärande, kan detta också användas för att bedöma elevernas arbete i slutet av en undersökning och sätta upp mål för när de nästa gång försöker planera sin egen undersökning. Rubrikerna har skrivits på ett sätt så att eleverna enkelt kan komma åt dem. På så sätt kan de delas med eleverna när de arbetar genom planeringen så att eleverna vet hur en bra experimentell design ser ut.
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
(Detta kommer att starta en 2 veckors gratis prov - inget kreditkort behövs)
Om du vill lägga till ytterligare projekt eller fortsätta att anpassa arbetsblad, ta en titt på flera mallsidor som vi har sammanställt åt dig nedan. Varje arbetsblad kan kopieras och skräddarsys för dina projekt eller elever! Elever kan också uppmuntras att skapa sina egna om de vill försöka organisera information på ett lättförståeligt sätt.
Vanliga experimentella designverktyg och tekniker som eleverna kan använda inkluderar slumpmässig tilldelning, kontrollgrupper, blindning, replikering och statistisk analys. Studenter kan också använda observationsstudier, undersökningar och experiment med naturliga eller kvasi-experimentella design. De kan också använda datavisualiseringsverktyg för att analysera och presentera sina resultat.
Experimentell design hjälper eleverna att utveckla kritiskt tänkande genom att uppmuntra dem att tänka systematiskt och logiskt om vetenskapliga problem. Det kräver att eleverna analyserar data, identifierar mönster och drar slutsatser baserat på bevis. Det hjälper också eleverna att utveckla problemlösningsförmåga genom att ge möjligheter att designa och genomföra experiment för att testa hypoteser.
Experimentell design kan användas för att ta itu med verkliga problem genom att identifiera variabler som bidrar till ett visst problem och testa interventioner för att se om de är effektiva för att lösa problemet. Experimentell design kan till exempel användas för att testa effektiviteten av nya medicinska behandlingar eller för att utvärdera effekten av sociala insatser för att minska fattigdom eller förbättra utbildningsresultat.
Vanliga fallgropar för experimentell design som eleverna bör undvika inkluderar att misslyckas med att kontrollera variabler, använda partiska prover, förlita sig på anekdotiska bevis och att inte mäta beroende variabler korrekt. Studenter bör också vara medvetna om etiska överväganden när de utför experiment, såsom att erhålla informerat samtycke och skydda forskningspersoners integritet.