Eksperimentelt design er en nøglemetode, der bruges i fag som biologi, kemi, fysik, psykologi og samfundsvidenskab. Det hjælper os med at finde ud af, hvordan forskellige faktorer påvirker det, vi studerer, uanset om det er planter, kemikalier, fysiske love, menneskelig adfærd, eller hvordan samfundet fungerer. Grundlæggende er det en måde at opsætte eksperimenter på, så vi kan teste ideer, se, hvad der sker, og få mening i vores resultater. Det er super vigtigt for studerende og forskere, der ønsker at besvare store spørgsmål inden for naturvidenskab og forstå verden bedre. Eksperimentelle designfærdigheder kan anvendes i situationer lige fra problemløsning til dataanalyse; de rækker vidt og kan ofte anvendes uden for klasseværelset. Undervisningen i disse færdigheder er en meget vigtig del af naturfagsundervisningen, men bliver ofte overset, når man fokuserer på undervisning i indholdet. Som naturvidenskabelige undervisere har vi alle set de fordele, praktisk arbejde har for elevernes engagement og forståelse. Men med de tidsbegrænsninger, der er lagt på læseplanen, kan den tid, det tager for eleverne at udvikle disse efterforskningsevner, blive presset ud. Alt for ofte får de en 'opskrift' at følge, som ikke tillader dem at tage ejerskab over deres praktiske arbejde. Fra en meget ung alder begynder de at tænke på verden omkring dem. De stiller spørgsmål og bruger derefter observationer og beviser til at besvare dem. Elever har tendens til at have intelligente, interessante og testbare spørgsmål, som de elsker at stille. Som undervisere bør vi arbejde på at opmuntre disse spørgsmål og til gengæld nære denne naturlige nysgerrighed i verden omkring dem.
At undervise i design af eksperimenter og lade eleverne udvikle deres egne spørgsmål og hypoteser tager tid. Disse materialer er blevet skabt for at stilladsere og strukturere processen, så lærerne kan fokusere på at forbedre nøgleideerne i eksperimentelt design. At lade eleverne stille deres egne spørgsmål, skrive deres egne hypoteser og planlægge og udføre deres egne undersøgelser er en værdifuld oplevelse for dem. Dette vil føre til, at eleverne får mere ejerskab til deres arbejde. Når eleverne udfører den eksperimentelle metode til deres egne spørgsmål, reflekterer de over, hvordan videnskabsmænd historisk set er kommet til at forstå, hvordan universet fungerer.
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
Tag et kig på de printervenlige sider og regnearksskabeloner nedenfor!
At begive sig ud på den videnskabelige opdagelsesrejse begynder med at mestre trinene i eksperimentelt design. Denne grundlæggende proces er afgørende for at formulere eksperimenter, der giver pålidelige og indsigtsfulde resultater, og vejleder både forskere og studerende gennem den detaljerede planlægning og udførelse af deres studier. Ved at udnytte en eksperimentel designskabelon kan deltagerne sikre integriteten og validiteten af deres resultater. Uanset om det er gennem at designe et videnskabeligt eksperiment eller engagere sig i eksperimentelle designaktiviteter, er målet at fremme en dyb forståelse af det grundlæggende: Hvordan skal eksperimenter designes? Hvad er de 7 trin i eksperimentelt design? Hvordan kan du designe dit eget eksperiment?
Dette er en udforskning af de syv centrale eksperimentelle metodetrin, eksperimentelle designideer og måder at integrere design af eksperimenter på. Elevprojekter kan have stor gavn af supplerende arbejdsark, og vi vil også levere ressourcer såsom arbejdsark, der har til formål at undervise i eksperimentelt design effektivt. Lad os dykke ned i de væsentlige stadier, der understøtter processen med at designe et eksperiment, og udstyre eleverne med værktøjerne til at udforske deres videnskabelige nysgerrighed.
Dette er en central del af den videnskabelige metode og den eksperimentelle designproces. Eleverne nyder at komme med spørgsmål. At formulere spørgsmål er en dyb og meningsfuld aktivitet, der kan give eleverne ejerskab over deres arbejde. En god måde at få eleverne til at tænke over, hvordan de kan visualisere deres spørgsmål, er at bruge et mindmap-storyboard.
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
Bed eleverne om at tænke på spørgsmål, de vil besvare om universet, eller få dem til at tænke over spørgsmål, de har om et bestemt emne. Alle spørgsmål er gode spørgsmål, men nogle er nemmere at teste end andre.
En hypotese er kendt som et uddannet gæt. En hypotese bør være et udsagn, der kan testes videnskabeligt. I slutningen af eksperimentet, se tilbage for at se, om konklusionen understøtter hypotesen eller ej.
At danne gode hypoteser kan være udfordrende for eleverne at forstå. Det er vigtigt at huske, at hypotesen ikke er et spørgsmål, det er en testbar udsagn . En måde at danne en hypotese på er at danne den som et "hvis... så..."-udsagn. Dette er bestemt ikke den eneste eller bedste måde at danne en hypotese på, men det kan være en meget nem formel for eleverne at bruge, når de først starter.
En "hvis... så..."-udsagn kræver, at eleverne identificerer variablerne først, og det kan ændre rækkefølgen, hvori de fuldfører stadierne i den visuelle arrangør. Efter at have identificeret variablerne, antager hypotesen derefter formen hvis [ændring i uafhængig variabel], derefter [ændring i afhængig variabel].
For eksempel, hvis et eksperiment ledte efter effekten af koffein på reaktionstiden, ville den uafhængige variabel være mængden af koffein, og den afhængige variabel ville være reaktionstiden. "Hvis, så"-hypotesen kunne være: Hvis du øger mængden af koffein, der tages, så vil reaktionstiden falde.
Hvad førte dig til denne hypotese? Hvad er den videnskabelige baggrund bag din hypotese? Afhængigt af alder og evner bruger eleverne deres forhåndsviden til at forklare, hvorfor de har valgt deres hypoteser, eller alternativt research ved hjælp af bøger eller internettet. Dette kunne også være et godt tidspunkt at diskutere med eleverne, hvad en pålidelig kilde er.
For eksempel kan eleverne henvise til tidligere undersøgelser, der viser koffeins årvågenhedsvirkninger for at forklare, hvorfor de antager, at koffeinindtag vil reducere reaktionstiden.
Forudsigelsen er lidt anderledes end hypotesen. En hypotese er en testbar erklæring, hvorimod forudsigelsen er mere specifik for eksperimentet. I opdagelsen af DNA-strukturen foreslog hypotesen, at DNA har en spiralformet struktur. Forudsigelsen var, at røntgendiffraktionsmønsteret af DNA ville være en X-form.
Eleverne skal formulere en forudsigelse, der er et specifikt, målbart resultat baseret på deres hypotese. I stedet for blot at sige "koffein vil mindske reaktionstiden", kunne eleverne forudsige, at "at drikke 2 dåser sodavand (90 mg koffein) vil reducere den gennemsnitlige reaktionstid med 50 millisekunder sammenlignet med at drikke ingen koffein."
Nedenfor er et eksempel på et Discussion Storyboard, der kan bruges til at få dine elever til at tale om variabler i eksperimentelt design.
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
De tre typer variabler, du skal diskutere med dine elever, er afhængige, uafhængige og kontrollerede variable. For at holde dette enkelt, referer til disse som "hvad du vil måle", "hvad du vil ændre" og "hvad du vil beholde det samme". Med mere avancerede elever bør du opmuntre dem til at bruge det korrekte ordforråd.
Afhængige variabler er det, der måles eller observeres af videnskabsmanden. Disse målinger vil ofte blive gentaget, fordi gentagne målinger gør dine data mere pålidelige.
Den uafhængige variabel er en variabel, som forskere beslutter at ændre for at se, hvilken effekt den har på den afhængige variabel. Kun én er valgt, fordi det ville være svært at finde ud af, hvilken variabel der forårsager enhver ændring, du observerer.
Kontrollerede variabler er mængder eller faktorer, som forskere ønsker at forblive de samme gennem hele eksperimentet. De styres til at forblive konstante for ikke at påvirke den afhængige variabel. Ved at kontrollere disse kan videnskabsmænd se, hvordan den uafhængige variabel påvirker den afhængige variabel.
Brug dette eksempel nedenfor i dine lektioner, eller slet svarene og indstil det som en aktivitet, som eleverne kan gennemføre på Storyboard That.
| Hvordan temperaturen påvirker mængden af sukker, der kan opløses i vand | |
|---|---|
| Uafhængige variabel | Vandtemperatur
(Interval 5 forskellige prøver ved 10°C, 20°C, 30°C, 40°C og 50°C) |
| Afhængig variabel | Mængden af sukker, der kan opløses i vandet, målt i teskefulde. |
| Styrede variabler |
|
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
I sidste ende skal dette underskrives af en ansvarlig voksen, men det er vigtigt at få eleverne til at tænke over, hvordan de vil beskytte sig selv. I denne del skal eleverne identificere potentielle risici og derefter forklare, hvordan de vil minimere risikoen. En aktivitet, der skal hjælpe eleverne med at udvikle disse færdigheder, er at få dem til at identificere og håndtere risici i forskellige situationer. Brug storyboardet nedenfor til at få eleverne til at fuldføre den anden kolonne i T-diagrammet ved at sige, "Hvad er risiko?", og derefter forklare, hvordan de kunne håndtere denne risiko. Dette storyboard kan også projekteres til en klassediskussion.
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
I dette afsnit vil eleverne angive de materialer, de har brug for til eksperimenterne, inklusive sikkerhedsudstyr, som de har fremhævet som nødvendigt i risikovurderingsafsnittet. Det er et godt tidspunkt at tale med eleverne om at vælge værktøjer, der passer til jobbet. Du kommer til at bruge et andet værktøj til at måle bredden af et hår end til at måle bredden af en fodboldbane!
Det er vigtigt at tale med eleverne om reproducerbarhed. De bør skrive en procedure, der gør det muligt at gengive deres eksperimentelle metode let af en anden videnskabsmand. Den nemmeste og mest kortfattede måde for eleverne at gøre dette på er ved at lave en nummereret liste med instruktioner. En nyttig aktivitet her kunne være at få eleverne til at forklare, hvordan man laver en kop te eller en sandwich. Udfør processen ved at påpege eventuelle trin, de har overset.
For engelsksprogede elever og studerende, der kæmper med skriftlig engelsk, kan eleverne beskrive trinene i deres eksperiment visuelt ved hjælp af Storyboard That.
Ikke alle eksperimenter har brug for et diagram, men nogle planer vil blive væsentligt forbedret ved at inkludere et. Lad eleverne fokusere på at fremstille klare og letforståelige diagrammer.
For eksempel kan en procedure til at teste effekten af sollys på plantevækst detaljer:
Når deres procedure er godkendt, skal eleverne omhyggeligt udføre deres planlagte eksperiment efter deres skriftlige instruktioner. Efterhånden som data indsamles, bør eleverne organisere de rå resultater i tabeller, grafer, fotos eller tegninger. Dette skaber klar dokumentation for at analysere trends.
Nogle bedste fremgangsmåder til dataindsamling omfatter:
For eksempel i plantevæksteksperimentet kunne eleverne registrere:
| Gruppe | Sollys | Sollys | Sollys | Skygge | Skygge |
|---|---|---|---|---|---|
| Plant ID | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Starthøjde | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Sluthøjde | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
De vil også beskrive observationer som bladfarveændring eller retningsbestemt bøjning visuelt eller skriftligt.
Det er afgørende, at eleverne praktiserer sikre videnskabelige procedurer. Voksenopsyn er påkrævet for at eksperimentere sammen med korrekt risikovurdering.
Veldokumenteret dataindsamling giver mulighed for dybere analyse efter eksperimentafslutning for at bestemme, om hypoteser og forudsigelser blev understøttet.
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
Brug af visuelle arrangører er en effektiv måde at få dine elever til at arbejde som videnskabsmænd i klasseværelset.
Der er mange måder at bruge disse undersøgelsesplanlægningsværktøjer til at stilladsere og strukturere elevernes arbejde, mens de arbejder som videnskabsmænd. Elever kan fuldføre planlægningsfasen på Storyboard That ved hjælp af tekstbokse og diagrammer, eller du kan printe dem ud og få eleverne til at færdiggøre dem i hånden. En anden god måde at bruge dem på er at projicere planlægningsarket på en interaktiv tavle og arbejde igennem, hvordan man færdiggør planlægningsmaterialerne som en gruppe. Projicér det på en skærm, og lad eleverne skrive deres svar på sedler og lægge deres ideer i den rigtige del af planlægningsdokumentet.
Meget unge elever kan stadig begynde at tænke som videnskabsmænd! De har masser af spørgsmål om verden omkring dem, og du kan begynde at notere dem i et mindmap. Nogle gange kan du endda begynde at 'undersøge' disse spørgsmål gennem leg.
Fondsressourcen er beregnet til grundskoleelever eller elever, der har brug for mere støtte. Det er designet til at følge nøjagtig den samme proces som de højere ressourcer, men gjort lidt lettere. Den vigtigste forskel mellem de to ressourcer er de detaljer, som eleverne skal tænke over, og det anvendte tekniske ordforråd. For eksempel er det vigtigt, at eleverne identificerer variabler, når de designer deres undersøgelser. I den højere version skal eleverne ikke kun identificere variablerne, men komme med andre kommentarer, såsom hvordan de skal måle den afhængige variabel. Ud over forskellen i stilladser mellem de to niveauer af ressourcer, kan det være en god ide at differentiere yderligere ved, hvordan eleverne støttes af lærere og assistenter i lokalet.
Studerende kan også opmuntres til at gøre deres eksperimentelle plan lettere at forstå ved at bruge grafik, og dette kan også bruges til at understøtte ELL'er.
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
Studerende skal vurderes på deres videnskabelige undersøgelsesfærdigheder sammen med vurderingen af deres viden. Det vil ikke kun lade eleverne fokusere på at udvikle deres færdigheder, men det vil også give dem mulighed for at bruge deres vurderingsoplysninger på en måde, der hjælper dem med at forbedre deres naturvidenskabelige færdigheder. Ved at bruge Quick Rubric kan du oprette en hurtig og nem vurderingsramme og dele den med eleverne, så de ved, hvordan de skal lykkes på hvert trin. Ud over at give formativ vurdering, som vil drive læringen, kan dette også bruges til at vurdere elevernes arbejde i slutningen af en undersøgelse og sætte mål for, hvornår de næste gang forsøger at planlægge deres egen undersøgelse. Rubrikkerne er skrevet på en måde, så eleverne nemt kan få adgang til dem. På denne måde kan de deles med eleverne, mens de arbejder gennem planlægningsprocessen, så eleverne ved, hvordan et godt eksperimentelt design ser ud.
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
(Dette vil starte en 2 ugers gratis prøveperiode - ingen kreditkort nødvendig)
Hvis du ønsker at tilføje yderligere projekter eller fortsætte med at tilpasse regneark, så tag et kig på flere skabelonsider, vi har samlet til dig nedenfor. Hvert regneark kan kopieres og skræddersyes til dine projekter eller elever! Elever kan også opfordres til at skabe deres egne, hvis de vil prøve at organisere information på en letforståelig måde.
Almindelige eksperimentelle designværktøjer og -teknikker, som eleverne kan bruge, omfatter tilfældig tildeling, kontrolgrupper, blinding, replikering og statistisk analyse. Studerende kan også bruge observationsstudier, undersøgelser og eksperimenter med naturlige eller kvasi-eksperimentelle designs. De kan også bruge datavisualiseringsværktøjer til at analysere og præsentere deres resultater.
Eksperimentelt design hjælper eleverne med at udvikle kritisk tænkning ved at opmuntre dem til at tænke systematisk og logisk om videnskabelige problemer. Det kræver, at eleverne analyserer data, identificerer mønstre og drager konklusioner baseret på evidens. Det hjælper også eleverne med at udvikle problemløsningsevner ved at give muligheder for at designe og udføre eksperimenter for at teste hypoteser.
Eksperimentelt design kan bruges til at løse problemer i den virkelige verden ved at identificere variabler, der bidrager til et bestemt problem, og teste interventioner for at se, om de er effektive til at løse problemet. For eksempel kan eksperimentelt design bruges til at teste effektiviteten af nye medicinske behandlinger eller til at evaluere virkningen af sociale interventioner på at reducere fattigdom eller forbedre uddannelsesresultater.
Almindelige faldgruber i eksperimentelt design, som eleverne bør undgå, omfatter manglende kontrol af variabler, brug af skæve prøver, afhængighed af anekdotisk evidens og undladelse af at måle afhængige variabler nøjagtigt. Studerende bør også være opmærksomme på etiske overvejelser, når de udfører eksperimenter, såsom indhentning af informeret samtykke og beskyttelse af forskningspersoners privatliv.