Exploring the Art of Experimental Design: En Trinn-for-trinn-veiledning for Studenter og Lærere

Eksperimentell design for studenter

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.

Flere valg

Kopier Dette Storyboardet

Start Free Trial

Ta en titt på de utskriftsvennlige sidene og regnearkmalene nedenfor!

Hva er trinnene i eksperimentell design?

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.

1. Spørsmål

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.

Kopier Dette Storyboardet

Kopier Dette Storyboardet

Kopier Dette Storyboardet

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.

2. Hypotese

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.

3. Forklaring av hypotese

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.

4. Prediksjon

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."

5. Identifikasjon av variabler

Nedenfor er et eksempel på et diskusjonsstoryboard som kan brukes til å få elevene til å snakke om variabler i eksperimentell design.

Flere valg

Kopier Dette Storyboardet

Flere valg

Kopier Dette Storyboardet

6. Risikovurdering

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.

Flere valg

Kopier Dette Storyboardet

7. Materialer

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!

8. Oversiktsplan og diagram

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:

1. Velg 10 like frøplanter av samme alder og variasjon
2. Forbered 2 identiske brett med samme jordblanding
3. Plasser 5 planter i hvert brett; merke ett sett "sollys" og ett sett "skygge"
4. Plasser sollysbrett ved et sørvendt vindu, og skyggebrett i et mørkt skap
5. Vann begge brettene med 50 ml vann hver 2. dag
6. Etter 3 uker, fjern planter og mål høyden i cm

9. Gjennomfør eksperiment

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:

• Registrer kvantitative data numerisk med enheter
• Legg merke til kvalitative observasjoner med detaljerte beskrivelser
• Fang oppsett gjennom illustrasjoner eller bilder
• Skriv observasjoner av uventede hendelser
• Identifiser dataavvik og feilkilder

For eksempel, i planteveksteksperimentet, kunne elevene registrere: