يعد التصميم التجريبي طريقة رئيسية تستخدم في مواضيع مثل الأحياء والكيمياء والفيزياء وعلم النفس والعلوم الاجتماعية. فهو يساعدنا على معرفة كيفية تأثير العوامل المختلفة على ما ندرسه، سواء كان ذلك النباتات، أو المواد الكيميائية، أو القوانين الفيزيائية، أو السلوك البشري، أو كيفية عمل المجتمع. في الأساس، إنها طريقة لإعداد التجارب حتى نتمكن من اختبار الأفكار، ورؤية ما يحدث، وفهم نتائجنا. إنه أمر مهم للغاية للطلاب والباحثين الذين يرغبون في الإجابة على الأسئلة الكبيرة في العلوم وفهم العالم بشكل أفضل. يمكن تطبيق مهارات التصميم التجريبي في مواقف تتراوح من حل المشكلات إلى تحليل البيانات؛ فهي واسعة النطاق ويمكن تطبيقها بشكل متكرر خارج الفصل الدراسي. يعد تدريس هذه المهارات جزءًا مهمًا جدًا من تعليم العلوم، ولكن غالبًا ما يتم تجاهله عند التركيز على تدريس المحتوى. باعتبارنا معلمين للعلوم، فقد رأينا جميعًا الفوائد التي يجلبها العمل العملي لمشاركة الطلاب وفهمهم. ومع ذلك، مع ضيق الوقت المفروض على المنهج الدراسي، يمكن أن يتم تقليص الوقت اللازم للطلاب لتطوير مهارات التحقيق هذه. وفي كثير من الأحيان يحصلون على "وصفة" ليتبعوها، الأمر الذي لا يسمح لهم بأخذ ملكية عملهم العملي. منذ سن مبكرة جدًا، يبدأون في التفكير في العالم من حولهم. يطرحون الأسئلة ثم يستخدمون الملاحظات والأدلة للإجابة عليها. يميل الطلاب إلى طرح أسئلة ذكية ومثيرة للاهتمام وقابلة للاختبار ويحبون طرحها. كمعلمين، يجب علينا أن نعمل على تشجيع هذه الأسئلة وبالتالي رعاية هذا الفضول الطبيعي في العالم من حولهم.
إن تدريس تصميم التجارب والسماح للطلاب بتطوير أسئلتهم وافتراضاتهم يستغرق وقتًا طويلاً. تم إنشاء هذه المواد لدعم وهيكلة العملية للسماح للمعلمين بالتركيز على تحسين الأفكار الرئيسية في التصميم التجريبي. إن السماح للطلاب بطرح أسئلتهم الخاصة، وكتابة فرضياتهم الخاصة، والتخطيط وتنفيذ تحقيقاتهم الخاصة يعد تجربة قيمة بالنسبة لهم. سيؤدي هذا إلى حصول الطلاب على ملكية أكبر لعملهم. عندما ينفذ الطلاب المنهج التجريبي لأسئلتهم الخاصة، فإنهم يفكرون في كيفية توصل العلماء تاريخيًا إلى فهم كيفية عمل الكون.
ألقِ نظرة على الصفحات الملائمة للطباعة وقوالب أوراق العمل أدناه!
الشروع في رحلة الاكتشاف العلمي يبدأ بإتقان خطوات التصميم التجريبي. هذه العملية التأسيسية ضرورية لصياغة التجارب التي تسفر عن نتائج موثوقة وثاقبة، وتوجيه الباحثين والطلاب على حد سواء من خلال التخطيط التفصيلي وتنفيذ دراساتهم. ومن خلال الاستفادة من قالب التصميم التجريبي، يمكن للمشاركين ضمان سلامة وصحة النتائج التي توصلوا إليها. سواء كان ذلك من خلال تصميم تجربة علمية أو الانخراط في أنشطة التصميم التجريبي، فإن الهدف هو تعزيز الفهم العميق للأساسيات: كيف ينبغي تصميم التجارب؟ ما هي الخطوات السبع للتصميم التجريبي؟ كيف يمكنك تصميم تجربتك الخاصة؟
هذا هو استكشاف لخطوات الطريقة التجريبية السبعة الرئيسية، وأفكار التصميم التجريبي، وطرق دمج تصميم التجارب. يمكن أن تستفيد مشاريع الطلاب بشكل كبير من أوراق العمل التكميلية وسنوفر أيضًا موارد مثل أوراق العمل التي تهدف إلى تدريس التصميم التجريبي بشكل فعال. دعونا نتعمق في المراحل الأساسية التي تقوم عليها عملية تصميم التجربة، وتزويد المتعلمين بالأدوات اللازمة لاستكشاف فضولهم العلمي.
وهذا جزء أساسي من المنهج العلمي وعملية التصميم التجريبي. يستمتع الطلاب بطرح الأسئلة. تعد صياغة الأسئلة نشاطًا عميقًا وهادفًا يمكن أن يمنح الطلاب ملكية عملهم. هناك طريقة رائعة لجعل الطلاب يفكرون في كيفية تصور أسئلتهم وهي استخدام لوحة القصة للخريطة الذهنية.
اطلب من الطلاب أن يفكروا في أي أسئلة يريدون الإجابة عليها حول الكون أو اجعلهم يفكرون في الأسئلة التي لديهم حول موضوع معين. جميع الأسئلة هي أسئلة جيدة، ولكن بعضها أسهل في الاختبار من غيرها.
تُعرف الفرضية بالتخمين المتعلم. يجب أن تكون الفرضية بيانًا يمكن اختباره علميًا. في نهاية التجربة، انظر إلى الوراء لترى ما إذا كان الاستنتاج يدعم الفرضية أم لا.
قد يكون تكوين فرضيات جيدة أمرًا صعبًا بالنسبة للطلاب لفهمه. ومن المهم أن نتذكر أن الفرضية ليست سؤالا، بل هي عبارة قابلة للاختبار . إحدى طرق تشكيل الفرضية هي تشكيلها على شكل عبارة "إذا... إذن...". هذه بالتأكيد ليست الطريقة الوحيدة أو الأفضل لتكوين فرضية، ولكنها يمكن أن تكون صيغة سهلة للغاية يمكن للطلاب استخدامها عند البدء لأول مرة.
تتطلب عبارة "إذا... إذن..." من الطلاب تحديد المتغيرات أولاً، وقد يؤدي ذلك إلى تغيير الترتيب الذي يكملون به مراحل المنظم المرئي. وبعد تحديد المتغيرات تأخذ الفرضية شكل إذا كان [تغير في المتغير المستقل]، ثم [تغير في المتغير التابع].
على سبيل المثال، إذا كانت التجربة تبحث عن تأثير الكافيين على وقت رد الفعل، فإن المتغير المستقل سيكون كمية الكافيين والمتغير التابع سيكون وقت رد الفعل. يمكن أن تكون فرضية "إذا، إذن": إذا قمت بزيادة كمية الكافيين التي تتناولها، فسوف ينخفض وقت رد الفعل.
ما الذي دفعك إلى هذه الفرضية؟ ما هي الخلفية العلمية وراء فرضيتك؟ اعتمادًا على العمر والقدرة، يستخدم الطلاب معرفتهم السابقة لشرح سبب اختيارهم لفرضياتهم، أو بدلاً من ذلك، البحث باستخدام الكتب أو الإنترنت. قد يكون هذا أيضًا وقتًا مناسبًا للمناقشة مع الطلاب حول ماهية المصدر الموثوق.
على سبيل المثال، يمكن للطلاب الرجوع إلى الدراسات السابقة التي توضح تأثيرات الكافيين على اليقظة لشرح سبب افتراضهم أن تناول الكافيين سيقلل من وقت رد الفعل.
التنبؤ يختلف قليلا عن الفرضية. الفرضية هي عبارة قابلة للاختبار، في حين أن التنبؤ أكثر تحديدًا للتجربة. عند اكتشاف بنية الحمض النووي، اقترحت الفرضية أن الحمض النووي له بنية حلزونية. كان التنبؤ هو أن نمط حيود الأشعة السينية للحمض النووي سيكون على شكل X.
يجب على الطلاب صياغة تنبؤ بنتيجة محددة وقابلة للقياس بناءً على فرضيتهم. بدلاً من مجرد القول بأن "الكافيين سيقلل من وقت رد الفعل"، يمكن للطلاب أن يتوقعوا أن "شرب علبتين من الصودا (90 ملغ من الكافيين) سيقلل متوسط وقت رد الفعل بمقدار 50 مللي ثانية مقارنة بعدم شرب الكافيين".
فيما يلي مثال على لوحة المناقشة التي يمكن استخدامها لجعل طلابك يتحدثون عن المتغيرات في التصميم التجريبي.
الأنواع الثلاثة من المتغيرات التي ستحتاج إلى مناقشتها مع طلابك هي متغيرات تابعة ومستقلة ومتحكم فيها . ولتبسيط الأمر، قم بالإشارة إلى هذه العناصر مثل "ما ستقيسه"، و"ما ستغيره"، و"ما ستحتفظ به كما هو". مع الطلاب الأكثر تقدمًا، يجب عليك تشجيعهم على استخدام المفردات الصحيحة.
المتغيرات التابعة هي ما يقاسه أو يلاحظه العالم. غالبًا ما يتم تكرار هذه القياسات لأن القياسات المتكررة تجعل بياناتك أكثر موثوقية.
المتغير المستقل هو متغير يقرر العلماء تغييره لمعرفة مدى تأثيره على المتغير التابع. يتم اختيار واحد فقط لأنه سيكون من الصعب معرفة المتغير الذي يسبب أي تغيير تلاحظه.
المتغيرات المتحكم فيها هي الكميات أو العوامل التي يريد العلماء أن تظل كما هي طوال التجربة. ويتم التحكم بها لتظل ثابتة، حتى لا تؤثر على المتغير التابع. يتيح التحكم في هذه العناصر للعلماء معرفة كيفية تأثير المتغير المستقل على المتغير التابع.
استخدم هذا المثال أدناه في دروسك، أو احذف الإجابات وقم بتعيينها كنشاط للطلاب لإكماله في Storyboard That.
| كيف تؤثر درجة الحرارة على كمية السكر القابلة للذوبان في الماء | |
|---|---|
| متغير مستقل | درجة حرارة الماء
(نطاق 5 عينات مختلفة عند 10 درجة مئوية، 20 درجة مئوية، 30 درجة مئوية، 40 درجة مئوية و50 درجة مئوية) |
| المتغير التابع | كمية السكر التي يمكن إذابتها في الماء، تقاس بالملعقة الصغيرة. |
| المتغيرات التي تسيطر عليها |
|
في النهاية يجب أن يتم التوقيع على هذا من قبل شخص بالغ مسؤول، ولكن من المهم حث الطلاب على التفكير في كيفية الحفاظ على سلامتهم. في هذا الجزء، يجب على الطلاب تحديد المخاطر المحتملة ثم شرح كيفية تقليل المخاطر. أحد الأنشطة التي تساعد الطلاب على تطوير هذه المهارات هو حثهم على تحديد وإدارة المخاطر في المواقف المختلفة. باستخدام لوحة العمل أدناه، اطلب من الطلاب إكمال العمود الثاني من مخطط T بقول "ما هي المخاطر؟"، ثم شرح كيف يمكنهم إدارة هذه المخاطر. يمكن أيضًا عرض لوحة القصة هذه لمناقشة الفصل.
في هذا القسم، سيقوم الطلاب بإدراج المواد التي يحتاجونها للتجارب، بما في ذلك أي معدات سلامة أشاروا إليها على أنها ضرورية في قسم تقييم المخاطر. يعد هذا وقتًا رائعًا للتحدث مع الطلاب حول اختيار الأدوات المناسبة للوظيفة. ستستخدم أداة مختلفة لقياس عرض الشعرة بدلاً من قياس عرض ملعب كرة القدم!
من المهم التحدث مع الطلاب حول إمكانية التكرار. يجب عليهم كتابة إجراء يسمح بإعادة إنتاج طريقتهم التجريبية بسهولة من قبل عالم آخر. الطريقة الأسهل والأكثر إيجازًا للطلاب للقيام بذلك هي إنشاء قائمة مرقمة من التعليمات. يمكن أن يكون النشاط المفيد هنا هو حث الطلاب على شرح كيفية إعداد كوب من الشاي أو شطيرة. قم بتمثيل العملية، مع الإشارة إلى أي خطوات فاتتهم.
بالنسبة لمتعلمي اللغة الإنجليزية والطلاب الذين يعانون من صعوبة في اللغة الإنجليزية المكتوبة، يمكن للطلاب وصف الخطوات في تجربتهم بصريًا باستخدام Storyboard That.
لن تحتاج كل تجربة إلى رسم تخطيطي، ولكن سيتم تحسين بعض الخطط بشكل كبير من خلال تضمين واحد. اطلب من الطلاب التركيز على إنتاج رسوم بيانية واضحة وسهلة الفهم.
على سبيل المثال، يمكن إجراء تفصيلي لاختبار تأثير ضوء الشمس على نمو النبات:
بمجرد الموافقة على الإجراء الخاص بهم، يجب على الطلاب تنفيذ تجربتهم المخططة بعناية، باتباع تعليماتهم المكتوبة. أثناء جمع البيانات، يجب على الطلاب تنظيم النتائج الأولية في جداول أو رسوم بيانية أو صور أو رسومات. وهذا يخلق وثائق واضحة لتحليل الاتجاهات.
تتضمن بعض أفضل الممارسات لجمع البيانات ما يلي:
على سبيل المثال، في تجربة نمو النبات، يمكن للطلاب تسجيل:
| مجموعة | ضوء الشمس | ضوء الشمس | ضوء الشمس | الظل | الظل |
|---|---|---|---|---|---|
| معرف النبات | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| بداية الارتفاع | 5 سم | 4 سم | 5 سم | 6 سم | 4 سم |
| ارتفاع النهاية | 18 سم | 17 سم | 19 سم | 9 سم | 8 سم |
وقد يصفون أيضًا ملاحظات مثل تغير لون الأوراق أو انحناء الاتجاه بصريًا أو كتابيًا.
ومن الأهمية بمكان أن يمارس الطلاب إجراءات العلوم الآمنة. مطلوب إشراف الكبار للتجريب، جنبا إلى جنب مع تقييم المخاطر المناسبة.
يسمح جمع البيانات الموثقة جيدًا بإجراء تحليل أعمق بعد اكتمال التجربة لتحديد ما إذا كانت الفرضيات والتنبؤات مدعومة.
يعد استخدام المنظمات المرئية طريقة فعالة لجعل طلابك يعملون كعلماء في الفصل الدراسي.
هناك العديد من الطرق لاستخدام أدوات تخطيط التحقيق هذه لدعم وتنظيم عمل الطلاب أثناء عملهم كعلماء. يمكن للطلاب إكمال مرحلة التخطيط على Storyboard That باستخدام مربعات النص والرسوم البيانية، أو يمكنك طباعتها ومطالبة الطلاب بإكمالها يدويًا. هناك طريقة أخرى رائعة لاستخدامها وهي عرض ورقة التخطيط على السبورة التفاعلية والعمل على كيفية إكمال مواد التخطيط كمجموعة. اعرضه على الشاشة واطلب من الطلاب كتابة إجاباتهم على ملاحظات لاصقة ووضع أفكارهم في القسم الصحيح من وثيقة التخطيط.
لا يزال بإمكان المتعلمين الصغار جدًا البدء في التفكير كعلماء! لديهم الكثير من الأسئلة حول العالم من حولهم ويمكنك البدء في تدوين هذه الأسئلة في الخريطة الذهنية. في بعض الأحيان يمكنك البدء في "التحقيق" في هذه الأسئلة من خلال اللعب.
المورد الأساسي مخصص لطلاب المرحلة الابتدائية أو الطلاب الذين يحتاجون إلى مزيد من الدعم. لقد تم تصميمه ليتبع نفس العملية تمامًا مثل الموارد الأعلى، ولكنه أصبح أسهل قليلاً. يتمثل الاختلاف الرئيسي بين المصدرين في التفاصيل التي يتعين على الطلاب التفكير فيها والمفردات التقنية المستخدمة. على سبيل المثال، من المهم أن يقوم الطلاب بتحديد المتغيرات عندما يقومون بتصميم استقصائهم. في الإصدار الأعلى، لا يتعين على الطلاب تحديد المتغيرات فحسب، بل تقديم تعليقات أخرى، مثل كيفية قياس المتغير التابع. بالإضافة إلى الاختلاف في الدعم بين مستويي الموارد، قد ترغب في التمييز بشكل أكبر من خلال كيفية دعم المتعلمين من قبل المعلمين والمساعدين في الغرفة.
يمكن أيضًا تشجيع الطلاب على جعل خطتهم التجريبية أسهل للفهم باستخدام الرسومات، ويمكن استخدام ذلك أيضًا لدعم متعلمي اللغة الإنجليزية.
يحتاج الطلاب إلى تقييم مهاراتهم في البحث العلمي إلى جانب تقييم معرفتهم. ولن يسمح ذلك للطلاب بالتركيز على تطوير مهاراتهم فحسب، بل سيسمح لهم أيضًا باستخدام معلومات التقييم الخاصة بهم بطريقة تساعدهم على تحسين مهاراتهم العلمية. باستخدام Quick Rubric ، يمكنك إنشاء إطار تقييم سريع وسهل ومشاركته مع الطلاب حتى يعرفوا كيفية تحقيق النجاح في كل مرحلة. بالإضافة إلى توفير التقييم التكويني الذي سيقود التعلم، يمكن استخدامه أيضًا لتقييم عمل الطلاب في نهاية التحقيق وتحديد الأهداف عندما يحاولون في المرة التالية التخطيط لتحقيقهم الخاص. تمت كتابة نماذج التقييم بطريقة تتيح للطلاب الوصول إليها بسهولة. وبهذه الطريقة يمكن مشاركتها مع الطلاب أثناء عملهم خلال عملية التخطيط حتى يعرف الطلاب كيف يبدو التصميم التجريبي الجيد.
إذا كنت تتطلع إلى إضافة مشاريع إضافية أو الاستمرار في تخصيص أوراق العمل، فقم بإلقاء نظرة على العديد من صفحات النماذج التي قمنا بتجميعها لك أدناه. يمكن نسخ كل ورقة عمل وتصميمها لتناسب مشاريعك أو طلابك! يمكن أيضًا تشجيع الطلاب على إنشاء معلوماتهم الخاصة إذا كانوا يريدون محاولة تنظيم المعلومات بطريقة سهلة الفهم.
تتضمن أدوات وتقنيات التصميم التجريبي الشائعة التي يمكن للطلاب استخدامها التعيين العشوائي ومجموعات التحكم والتعمية والتكرار والتحليل الإحصائي. يمكن للطلاب أيضًا استخدام الدراسات القائمة على الملاحظة والاستطلاعات والتجارب مع التصميمات الطبيعية أو شبه التجريبية. يمكنهم أيضًا استخدام أدوات تصور البيانات لتحليل نتائجهم وتقديمها.
يساعد التصميم التجريبي الطلاب على تطوير مهارات التفكير النقدي من خلال تشجيعهم على التفكير بشكل منهجي ومنطقي في المشكلات العلمية. يتطلب من الطلاب تحليل البيانات وتحديد الأنماط واستخلاص النتائج بناءً على الأدلة. كما أنه يساعد الطلاب على تطوير مهارات حل المشكلات من خلال توفير الفرص لتصميم وإجراء التجارب لاختبار الفرضيات.
يمكن استخدام التصميم التجريبي لمعالجة مشاكل العالم الحقيقي من خلال تحديد المتغيرات التي تساهم في مشكلة معينة واختبار التدخلات لمعرفة ما إذا كانت فعالة في معالجة المشكلة. على سبيل المثال ، يمكن استخدام التصميم التجريبي لاختبار فعالية العلاجات الطبية الجديدة أو لتقييم تأثير التدخلات الاجتماعية على الحد من الفقر أو تحسين النتائج التعليمية.
تشمل عيوب التصميم التجريبي الشائعة التي يجب على الطلاب تجنبها الفشل في التحكم في المتغيرات ، واستخدام عينات متحيزة ، والاعتماد على الأدلة القصصية ، والفشل في قياس المتغيرات التابعة بدقة. يجب أن يكون الطلاب أيضًا على دراية بالاعتبارات الأخلاقية عند إجراء التجارب ، مثل الحصول على موافقة مستنيرة وحماية خصوصية الموضوعات البحثية.