Die Kunst des Experimentellen Designs Entdecken: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für Studenten und Lehrkräfte

Experimentelles Design für Studierende

Experimentelles Design ist eine Schlüsselmethode, die in Fächern wie Biologie, Chemie, Physik, Psychologie und Sozialwissenschaften verwendet wird. Es hilft uns herauszufinden, wie verschiedene Faktoren das beeinflussen, was wir studieren, ob es sich nun um Pflanzen, Chemikalien, physikalische Gesetze, menschliches Verhalten oder die Funktionsweise der Gesellschaft handelt. Im Grunde ist es eine Möglichkeit, Experimente durchzuführen, damit wir Ideen testen, sehen können, was passiert, und unsere Ergebnisse verstehen können. Es ist äußerst wichtig für Studenten und Forscher, die große Fragen in der Wissenschaft beantworten und die Welt besser verstehen möchten. Experimentelle Designfähigkeiten können in Situationen von der Problemlösung bis zur Datenanalyse angewendet werden; sie sind weitreichend und können häufig außerhalb des Klassenzimmers angewendet werden. Die Vermittlung dieser Fähigkeiten ist ein sehr wichtiger Teil der naturwissenschaftlichen Ausbildung, wird jedoch oft übersehen, wenn man sich auf die Vermittlung des Inhalts konzentriert. Als Naturwissenschaftslehrer haben wir alle gesehen, welche Vorteile praktische Arbeit für das Engagement und Verständnis der Studenten hat. Aufgrund der zeitlichen Beschränkungen des Lehrplans kann jedoch die Zeit, die die Studenten benötigen, um diese experimentellen Forschungsdesigns und Ermittlungsfähigkeiten zu entwickeln, knapp werden. Zu oft erhalten sie ein „Rezept“, dem sie folgen müssen, wodurch sie keine Verantwortung für ihre praktische Arbeit übernehmen können. Schon in sehr jungen Jahren beginnen sie, über die Welt um sie herum nachzudenken. Sie stellen Fragen und nutzen Beobachtungen und Beweise, um sie zu beantworten. Schüler haben in der Regel intelligente, interessante und überprüfbare Fragen, die sie gerne stellen. Als Pädagogen sollten wir darauf hinarbeiten, diese Fragen zu fördern und im Gegenzug diese natürliche Neugier auf die Welt um sie herum zu fördern.

Es braucht Zeit, den Versuchsaufbau zu lehren und die Schüler ihre eigenen Fragen und Hypothesen entwickeln zu lassen. Diese Materialien wurden entwickelt, um den Prozess zu strukturieren und zu unterstützen, damit sich die Lehrer auf die Verbesserung der Kernideen des Versuchsaufbaus konzentrieren können. Es ist eine wertvolle Erfahrung für die Schüler, ihre eigenen Fragen zu stellen, ihre eigenen Hypothesen zu schreiben und ihre eigenen Untersuchungen zu planen und durchzuführen. Dies führt dazu, dass die Schüler mehr Verantwortung für ihre Arbeit übernehmen. Wenn die Schüler die experimentelle Methode für ihre eigenen Fragen anwenden, denken sie darüber nach, wie Wissenschaftler im Laufe der Geschichte zu dem Verständnis gelangt sind, wie das Universum funktioniert.

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Was sind die Schritte des experimentellen Designs?

Der Beginn der Reise wissenschaftlicher Entdeckungen beginnt mit der Beherrschung der Schritte des experimentellen Designs. Dieser grundlegende Prozess ist für die Formulierung von Experimenten, die zuverlässige und aufschlussreiche Ergebnisse liefern, unerlässlich und führt Forscher und Studenten gleichermaßen durch die detaillierte Planung, das experimentelle Forschungsdesign und die Durchführung ihrer Studien. Durch die Nutzung einer Vorlage für experimentelles Design können die Teilnehmer die Integrität und Gültigkeit ihrer Ergebnisse sicherstellen. Ob durch das Entwerfen eines wissenschaftlichen Experiments oder die Teilnahme an experimentellen Designaktivitäten, das Ziel besteht darin, ein tiefes Verständnis der Grundlagen zu fördern: Wie sollten Experimente entworfen werden? Was sind die 7 Schritte des experimentellen Designs? Wie können Sie Ihr eigenes Experiment entwerfen?

Dies ist eine Erkundung der sieben wichtigsten Schritte der experimentellen Methode, der Ideen für experimentelles Design und der Möglichkeiten zur Integration des Versuchsdesigns. Schülerprojekte können von ergänzenden Arbeitsblättern stark profitieren, und wir werden auch Ressourcen wie Arbeitsblätter bereitstellen, die darauf abzielen, experimentelles Design effektiv zu lehren. Lassen Sie uns in die wesentlichen Phasen eintauchen, die dem Prozess des Entwerfens eines Experiments zugrunde liegen, und den Lernenden die Werkzeuge an die Hand geben, mit denen sie ihre wissenschaftliche Neugier erforschen können.

1. Frage

Dies ist ein wesentlicher Teil der wissenschaftlichen Methode und des experimentellen Designprozesses. Den Schülern macht es Spaß, Fragen zu stellen. Das Formulieren von Fragen ist eine tiefgründige und bedeutungsvolle Aktivität, die den Schülern Verantwortung für ihre Arbeit geben kann. Eine gute Möglichkeit, die Schüler dazu zu bringen, darüber nachzudenken, wie sie ihre Forschungsfrage visualisieren können, ist die Verwendung eines Mindmap-Storyboards.

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Bitten Sie die Schüler, sich Fragen zum Universum zu überlegen, die sie beantworten möchten, oder lassen Sie sie über Fragen nachdenken, die sie zu einem bestimmten Thema haben. Alle Fragen sind gute Fragen, aber manche sind leichter zu testen als andere.

2. Hypothese

Eine Hypothese ist eine fundierte Vermutung. Eine Hypothese sollte eine Aussage sein, die wissenschaftlich getestet werden kann. Schauen Sie am Ende des Experiments noch einmal nach, ob die Schlussfolgerung die Hypothese stützt oder nicht.

Das Aufstellen guter Hypothesen kann für Schüler eine Herausforderung sein. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass eine Hypothese keine Forschungsfrage, sondern eine überprüfbare Aussage ist . Eine Möglichkeit, eine Hypothese aufzustellen, besteht darin, sie als „Wenn..., dann...“-Aussage zu formulieren. Dies ist sicherlich nicht die einzige oder beste Möglichkeit, eine Hypothese aufzustellen, kann aber für Schüler zu Beginn eine sehr einfache Formel sein.

Eine „wenn... dann...“-Anweisung erfordert, dass die Schüler zuerst die Variablen identifizieren, und das kann die Reihenfolge ändern, in der sie die Schritte des visuellen Organizers absolvieren. Nach der Identifizierung der abhängigen und unabhängigen Variablen nimmt die Hypothese dann die Form an: wenn [Änderung der unabhängigen Variable], dann [Änderung der abhängigen Variable].

Wenn beispielsweise in einem Experiment die Wirkung von Koffein auf die Reaktionszeit untersucht wird, wäre die unabhängige Variable die Koffeinmenge und die abhängige Variable die Reaktionszeit. Die „Wenn-dann“-Hypothese könnte lauten: Wenn Sie die Menge des eingenommenen Koffeins erhöhen, verkürzt sich die Reaktionszeit.

3. Erklärung der Hypothese

Wie sind Sie auf diese Hypothese gekommen? Was ist der wissenschaftliche Hintergrund Ihrer Hypothese? Je nach Alter und Fähigkeit können die Schüler anhand ihres Vorwissens erklären, warum sie ihre Hypothese gewählt haben, oder alternativ in Büchern oder im Internet recherchieren. Dies könnte auch ein guter Zeitpunkt sein, um mit den Schülern zu besprechen, was eine zuverlässige Quelle ist.

Beispielsweise können Studierende auf frühere Studien verweisen, die die wachheitssteigernde Wirkung von Koffein belegen, um ihre Hypothese zu begründen, dass die Einnahme von Koffein die Reaktionszeit verkürzt.

4. Vorhersage

Die Vorhersage unterscheidet sich geringfügig von der Hypothese. Eine Hypothese ist eine überprüfbare Aussage, während die Vorhersage eher auf das Experiment bezogen ist. Bei der Entdeckung der Struktur der DNA ging die Hypothese davon aus, dass die DNA eine helikale Struktur hat. Die Vorhersage war, dass das Röntgenbeugungsmuster der DNA eine X-Form aufweisen würde.

Die Schüler sollten eine Vorhersage formulieren, die ein spezifisches, messbares Ergebnis auf der Grundlage ihrer Hypothese darstellt. Anstatt nur zu sagen, dass „Koffein die Reaktionszeit verkürzt“, könnten die Schüler vorhersagen, dass „das Trinken von 2 Dosen Limonade (90 mg Koffein) die durchschnittliche Reaktionszeit um 50 Millisekunden verkürzt, verglichen mit dem Trinken von keinem Koffein.“

5. Identifizierung der Variablen

Unten sehen Sie ein Beispiel für ein Diskussions-Storyboard, mit dem Sie Ihre Schüler dazu bringen können, über Variablen im experimentellen Design zu sprechen.

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6. Risikobewertung

Letztendlich muss dies von einem verantwortlichen Erwachsenen unterschrieben werden, aber es ist wichtig, die Schüler dazu zu bringen, darüber nachzudenken, wie sie sich selbst schützen können. In diesem Teil sollten die Schüler potenzielle Risiken identifizieren und dann erklären, wie sie das Risiko minimieren werden. Eine Aktivität, die den Schülern dabei hilft, diese Fähigkeiten zu entwickeln, besteht darin, sie dazu zu bringen, Risiken in verschiedenen Situationen zu identifizieren und zu handhaben. Lassen Sie die Schüler mithilfe des folgenden Storyboards die zweite Spalte des T-Diagramms ausfüllen, indem sie sagen: „Was ist Risiko?“ und dann erklären, wie sie dieses Risiko handhaben könnten. Dieses Storyboard könnte auch für eine Klassendiskussion projiziert werden.

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7. Materialien

In diesem Abschnitt listen die Schüler die Materialien auf, die sie für die Experimente benötigen, einschließlich der Sicherheitsausrüstung, die sie im Abschnitt zur Risikobewertung als erforderlich markiert haben. Dies ist ein guter Zeitpunkt, um mit den Schülern über die Auswahl geeigneter Werkzeuge für die Aufgabe zu sprechen. Sie werden ein anderes Werkzeug verwenden, um die Breite eines Haares zu messen, als um die Breite eines Fußballfeldes zu messen!

8. Allgemeiner Plan und Diagramm

Es ist wichtig, mit den Schülern über Reproduzierbarkeit zu sprechen. Sie sollten ein Verfahren aufschreiben, mit dem ihre experimentelle Methode von einem anderen Wissenschaftler problemlos reproduziert werden kann. Der einfachste und prägnanteste Weg für die Schüler, dies zu tun, ist, eine nummerierte Liste mit Anweisungen zu erstellen. Eine nützliche Aktivität könnte darin bestehen, die Schüler erklären zu lassen, wie man eine Tasse Tee oder ein Sandwich zubereitet. Spielen Sie den Vorgang nach und weisen Sie auf alle Schritte hin, die sie ausgelassen haben.

Für Englischlernende und Schüler, die mit geschriebenem Englisch Schwierigkeiten haben, können Schüler die Schritte ihres Experiments mit Storyboard That visuell beschreiben.

Nicht jedes Experiment erfordert ein Diagramm, aber manche Pläne werden durch die Einbeziehung eines solchen erheblich verbessert. Lassen Sie die Schüler sich darauf konzentrieren, klare und leicht verständliche Diagramme zu erstellen, die die Versuchsgruppe veranschaulichen.

Ein Verfahren zum Testen der Auswirkung von Sonnenlicht auf das Pflanzenwachstum unter Verwendung eines vollständig randomisierten Designs könnte beispielsweise Folgendes detailliert beschreiben:

1. Wählen Sie 10 ähnliche Setzlinge gleichen Alters und gleicher Sorte aus
2. Bereiten Sie 2 identische Schalen mit der gleichen Bodenmischung vor
3. Platzieren Sie 5 Pflanzen in jedem Behälter; beschriften Sie einen Satz mit „Sonnenlicht“ und einen Satz mit „Schatten“.
4. Positionieren Sie die Sonnenablage an einem nach Süden ausgerichteten Fenster und die Schattenablage in einem dunklen Schrank.
5. Beide Schalen alle 2 Tage mit 50 ml Wasser gießen
6. Nach 3 Wochen Pflanzen entfernen und Höhe in cm messen

9. Experiment durchführen

Sobald ihr Verfahren genehmigt ist, sollten die Schüler ihr geplantes Experiment sorgfältig durchführen und dabei ihre schriftlichen Anweisungen befolgen. Während die Daten gesammelt werden, sollten die Schüler die Rohergebnisse in Tabellen, Diagrammen, Fotos oder Zeichnungen organisieren. Dadurch entsteht eine klare Dokumentation zur Analyse von Trends.

Zu den Best Practices für die Datenerfassung gehören:

• Quantitative Daten numerisch mit Einheiten erfassen
• Notieren Sie qualitative Beobachtungen mit detaillierten Beschreibungen
• Aufnahme durch Illustrationen oder Fotos
• Schreiben Sie Beobachtungen unerwarteter Ereignisse
• Identifizieren Sie Datenausreißer und Fehlerquellen

Im Experiment zum Pflanzenwachstum könnten die Schüler beispielsweise Folgendes aufzeichnen: