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Experimentelles Design

Unterrichten Sie Studenten die Gestaltung der Experimente

Von Oliver Smith

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Experimentelles Design für Studierende


Wissenschaft ist eine Mischung aus historisch angesammeltem Wissen und Können. Diese praktischen Fähigkeiten reichen von der Problemlösung bis zur Datenanalyse. Sie sind weitreichend und können häufig außerhalb des Klassenzimmers angewendet werden. Das Unterrichten dieser Fähigkeiten ist ein sehr wichtiger Bestandteil des naturwissenschaftlichen Unterrichts, wird jedoch häufig übersehen, wenn der Schwerpunkt auf dem Unterrichten der Inhalte liegt. Als Pädagogen für Naturwissenschaften haben wir alle die Vorteile gesehen, die die praktische Arbeit für das Engagement und das Verständnis der Schüler hat. Angesichts der zeitlichen Beschränkungen des Lehrplans kann die Zeit, die die Schüler für die Entwicklung dieser Ermittlungsfähigkeiten benötigen, knapp werden. Zu oft geben wir den Schülern ein „Rezept“, nach dem sie ihre praktische Arbeit nicht selbst in die Hand nehmen können. Schon in jungen Jahren denken die Schüler über die Welt um sie herum nach. Sie stellen Fragen und verwenden Beobachtungen und Beweise, um sie zu beantworten. Die Schüler neigen dazu, intelligente, interessante und überprüfbare Fragen zu haben, die sie gerne stellen. Als Pädagogen sollten wir darauf hinarbeiten, diese Fragen anzuregen und diese natürliche Neugier in der Welt um sie herum zu fördern.

Es braucht Zeit, die Gestaltung von Experimenten zu lehren und die Schüler ihre eigenen Fragen und Hypothesen entwickeln zu lassen. Diese Materialien wurden erstellt, um den Prozess so zu strukturieren, dass sich die Lehrer auf die Verbesserung der Schlüsselideen im experimentellen Design konzentrieren können. Es ist eine wertvolle Erfahrung für die Schüler, ihre eigenen Fragen zu stellen, ihre eigenen Hypothesen aufzustellen und ihre eigenen Untersuchungen zu planen und durchzuführen. Dies wird dazu führen, dass die Schüler mehr Eigenverantwortung für ihre Arbeit haben. Wenn Schüler die experimentelle Methode für ihre eigenen Fragen anwenden, reflektieren sie, wie Wissenschaftler historisch gesehen verstanden haben, wie das Universum funktioniert.



Design an Experiment  

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Experimentelle Entwurfsschritte

1. Frage

Dies ist ein wesentlicher Bestandteil der wissenschaftlichen Methode und des experimentellen Entwurfsprozesses. Die Schüler freuen sich, Fragen zu stellen. Das Formulieren von Fragen ist eine tiefe und bedeutungsvolle Aktivität, die den Schülern die Verantwortung für ihre Arbeit übertragen kann. Eine großartige Möglichkeit, die Schüler dazu zu bringen, sich ihre Fragen vorzustellen, ist die Verwendung eines Mind-Map-Storyboards.




Design an Experiment  

Bitten Sie die Schüler, über alle Fragen nachzudenken, die sie zum Universum beantworten möchten, oder über Fragen, die sie zu einem bestimmten Thema haben. Alle Fragen sind gute Fragen, aber einige sind einfacher zu testen als andere.


2. Hypothese

Eine Hypothese ist als fundierte Vermutung bekannt. Eine Hypothese sollte eine Aussage sein, die wissenschaftlich überprüft werden kann. Sehen Sie am Ende des Experiments noch einmal nach, ob die Schlussfolgerung die Hypothese stützt oder nicht. Gute Hypothesen aufzustellen, kann für die Schüler eine Herausforderung sein. Es ist wichtig sich daran zu erinnern, dass die Hypothese keine Frage ist, sondern eine überprüfbare Aussage .

Eine Möglichkeit, eine Hypothese zu formulieren, besteht darin, sie als „wenn ... dann ...“ - Aussage zu formulieren. Dies ist sicherlich nicht der einzige oder beste Weg, um eine Hypothese zu erstellen, aber es kann eine sehr einfache Formel sein, die die Schüler verwenden können, wenn sie zum ersten Mal anfangen. Bei einer if ... then ... -Anweisung müssen die Schüler zuerst die Variablen identifizieren. Dies kann die Reihenfolge ändern, in der sie die Phasen des visuellen Organisators abschließen.

Nach dem Identifizieren der Variablen nimmt die Hypothese die Form an, wenn [Änderung der unabhängigen Variablen], dann [Änderung der abhängigen Variablen]. Wenn zum Beispiel in einem Experiment nach der Auswirkung von Koffein auf die Reaktionszeit gesucht würde, wäre die unabhängige Variable die Menge an Koffein und die abhängige Variable die Reaktionszeit. Die Wenn-Dann-Hypothese könnte lauten: Wenn Sie die Menge des eingenommenen Koffeins erhöhen, verringert sich die Reaktionszeit.


3. Erklärung der Hypothese

Was hat Sie zu dieser Hypothese geführt? Was ist der wissenschaftliche Hintergrund Ihrer Hypothese? Je nach Alter und Können erklären die Schüler anhand ihrer Vorkenntnisse, warum sie ihre Hypothesen gewählt haben, oder recherchieren alternativ mit Büchern oder über das Internet. Dies könnte auch ein guter Zeitpunkt sein, um mit den Schülern zu diskutieren, was eine zuverlässige Quelle ist.


4. Vorhersage

Die Vorhersage unterscheidet sich geringfügig von der Hypothese. Eine Hypothese ist eine überprüfbare Aussage, während die Vorhersage spezifischer für das Experiment ist. Bei der Entdeckung der DNA-Struktur schlug die Hypothese vor, dass DNA eine helikale Struktur aufweist. Die Vorhersage war, dass das Röntgenbeugungsmuster der DNA eine X-Form sein würde.


5. Identifizierung von Variablen

Im Folgenden finden Sie ein Beispiel für ein Diskussions-Storyboard, mit dem Ihre Schüler über Variablen im experimentellen Design sprechen können.



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Die drei Arten von Variablen, die Sie mit Ihren Schülern besprechen müssen, sind abhängige, unabhängige und kontrollierte Variablen. Um dies einfach zu halten, bezeichnen Sie diese als "was Sie messen werden", "was Sie ändern werden" und "was Sie gleich halten werden". Bei fortgeschrittenen Schülern sollten Sie sie ermutigen, den richtigen Wortschatz zu verwenden.

Abhängige Variablen sind das, was der Wissenschaftler misst oder beobachtet. Diese Messungen werden häufig wiederholt, da durch wiederholte Messungen die Zuverlässigkeit Ihrer Daten erhöht wird.

Die unabhängige Variable ist eine Variable, die Wissenschaftler ändern möchten, um festzustellen, welche Auswirkung sie auf die abhängige Variable hat. Es wird nur eine ausgewählt, da es schwierig ist, herauszufinden, welche Variable eine Änderung verursacht, die Sie beobachten.

Kontrollierte Variablen sind Größen oder Faktoren, die Wissenschaftler während des gesamten Experiments beibehalten möchten. Sie werden so gesteuert, dass sie konstant bleiben, um die abhängige Variable nicht zu beeinflussen. Durch die Steuerung dieser Parameter können Wissenschaftler sehen, wie sich die unabhängige Variable auf die abhängige Variable auswirkt.

Verwenden Sie dieses Beispiel unten in Ihrem Unterricht, oder löschen Sie die Antworten und legen Sie sie als Aktivität fest, die die Schüler in Storyboard That.

Wie die Temperatur die Menge an Zucker beeinflusst, die in Wasser gelöst werden kann
Unabhängige Variable Wassertemperatur
(Bereich 5 verschiedene Proben bei 10 ° C, 20 ° C, 30 ° C, 40 ° C und 50 ° C)
Abhängige Variable Die Menge an Zucker, die im Wasser gelöst werden kann, gemessen in Teelöffeln.
Kontrollierte Variablen
  • Wasservolumen (500 ml - gemessen mit einem Messzylinder)
  • Art des Wassers (holen Sie sich das Wasser aus dem gleichen Wasserhahn)
  • Ob das Wasser gerührt wird oder nicht
  • Art des Zuckers
  • Korngröße des Zuckers



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6. Risikobewertung

Letztendlich muss dies von einem verantwortlichen Erwachsenen genehmigt werden, aber es ist wichtig, dass die Schüler darüber nachdenken, wie sie sich selbst schützen können. In diesem Teil sollten die Schüler potenzielle Risiken identifizieren und anschließend erläutern, wie sie das Risiko minimieren. Eine Aktivität, die den Schülern hilft, diese Fähigkeiten zu entwickeln, besteht darin, sie dazu zu bringen, Risiken in verschiedenen Situationen zu identifizieren und zu managen. Lassen Sie die Schüler mithilfe des unten stehenden Storyboards die zweite Spalte des T-Charts ausfüllen, indem Sie sagen: "Was ist Risiko?" Und anschließend erläutern, wie sie mit diesem Risiko umgehen können. 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 hervorgehoben haben. Dies ist eine großartige Zeit, um mit den Schülern darüber zu sprechen, welche Tools für den Job geeignet sind. Sie werden ein anderes Werkzeug verwenden, um die Breite eines Haares zu messen, als um die Breite eines Fußballfeldes zu messen!


8. Übersichtsplan und Diagramm

Es ist wichtig, mit den Schülern über die Reproduzierbarkeit zu sprechen. Sie sollten eine Prozedur schreiben, mit der ihre experimentelle Methode von einem anderen Wissenschaftler leicht reproduziert werden kann. Die einfachste und übersichtlichste Art, dies zu tun, besteht darin, eine nummerierte Liste von Anweisungen zu erstellen. Eine nützliche Aktivität könnte darin bestehen, die Schüler dazu zu bringen, eine Tasse Tee oder ein Sandwich zuzubereiten. Führen Sie den Prozess aus und weisen Sie auf die Schritte hin, die Sie verpasst haben.

Englischlernende und Studenten, die mit schriftlichem Englisch zu kämpfen haben, können die Schritte ihres Experiments mit Storyboard That visuell beschreiben.

Nicht für jedes Experiment wird ein Diagramm benötigt, aber einige Pläne werden durch die Aufnahme eines Diagramms erheblich verbessert. Lassen Sie die Schüler sich darauf konzentrieren, klare und leicht verständliche Diagramme zu erstellen.


9. Experiment durchführen

Die Schüler folgen dann ihrem Plan und führen das Experiment durch. Es ist wichtig, dass die Schüler ihre Ergebnisse auf sinnvolle und leicht verständliche Weise sammeln. Daten werden häufig in einer Tabelle aufgezeichnet, können aber auch mit Fotos, Beobachtungszeichnungen oder einer Kombination erstellt werden. Es kann hilfreich sein, die Schüler Schwierigkeiten und Probleme aufschreiben zu lassen, die sie bei der Durchführung des Experiments hatten. Dies könnte später bei der Bewertung ihrer experimentellen Methode helfen.

Es ist wichtig zu erwähnen, dass alle Experimente, die von Schülern entworfen werden, vom verantwortlichen Erwachsenen gründlich auf ihr Risiko geprüft werden sollten, bevor sie von Schülern durchgeführt werden.


Nach Abschluss des Versuchs analysieren die Schüler die Daten, ziehen Schlussfolgerungen und teilen dann ihre Ergebnisse mit. Je nach Schülerniveau kann dies ein formeller Laborbericht, eine Grafik, eine Klassendiskussion oder eine andere Methode sein.


Abgeschlossene Beispiele




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Ressourcen und experimentelle Designbeispiele

Die Verwendung visueller Organisatoren ist eine effektive Methode, um Ihre Schüler als Wissenschaftler im Klassenzimmer zum Arbeiten zu bringen.

Es gibt viele Möglichkeiten, diese Untersuchungsplanungstools zu verwenden, um die Arbeit der Studenten während ihrer Arbeit als Wissenschaftler zu strukturieren. Die Schüler können die Planungsphase in Storyboard That mit den Textfeldern und Diagrammen abschließen, oder Sie können sie ausdrucken und die Schüler von Hand ausfüllen lassen. Eine weitere großartige Möglichkeit, sie zu verwenden, besteht darin, das Planungsblatt auf ein interaktives Whiteboard zu projizieren und zu erarbeiten, wie die Planungsmaterialien als Gruppe vervollständigt werden. Projizieren Sie es auf eine Leinwand und lassen Sie die Schüler ihre Antworten auf Haftnotizen schreiben und ihre Ideen in den richtigen Abschnitt des Planungsdokuments einfügen.

Sehr junge Lernende können noch anfangen, als Wissenschaftler zu denken! Sie haben jede Menge Fragen über die Welt um sich herum und Sie können diese in einer Mind Map notieren. Manchmal kann man sogar anfangen, diese Fragen spielerisch zu „untersuchen“.

Die Stiftungsressource ist für Grundschüler oder Studenten gedacht, die mehr Unterstützung benötigen. Es ist so konzipiert, dass es genau dem gleichen Prozess wie die höheren Ressourcen folgt, jedoch etwas einfacher ist. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Ressourcen liegt in den Details, über die die Schüler nachdenken müssen, und im verwendeten technischen Vokabular. Zum Beispiel ist es wichtig, dass die Schüler Variablen identifizieren, wenn sie ihre Untersuchungen entwerfen. In der höheren Version müssen die Schüler nicht nur die Variablen identifizieren, sondern auch andere Kommentare abgeben, z. B. wie die abhängige Variable gemessen werden soll. Neben dem Unterschied im Gerüst zwischen den beiden Ressourcenebenen möchten Sie möglicherweise noch weiter differenzieren, wie die Lernenden von Lehrern und Assistenten im Raum unterstützt werden.

Die Schüler könnten auch ermutigt werden, ihren Versuchsplan mithilfe von Grafiken verständlicher zu gestalten, und dies könnte auch zur Unterstützung von ELLs verwendet werden.




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Bewertung

Die Studierenden müssen neben der Einschätzung ihres Wissens auch auf ihre naturwissenschaftlichen Fähigkeiten hin beurteilt werden. Dadurch können sich die Schüler nicht nur auf die Entwicklung ihrer Fähigkeiten konzentrieren, sondern auch ihre Bewertungsinformationen so verwenden, dass sie ihre wissenschaftlichen Fähigkeiten verbessern können. Mit Quick Rubric können Sie ein schnelles und einfaches Bewertungsframework erstellen und mit den Schülern teilen, damit diese wissen, wie sie in jeder Phase erfolgreich sind. Dies bietet nicht nur eine formative Bewertung, die das Lernen fördert, sondern kann auch dazu verwendet werden, die Schülerarbeit am Ende einer Untersuchung zu bewerten und Ziele für den nächsten Versuch festzulegen, ihre eigene Untersuchung zu planen. Die Rubriken wurden so geschrieben, dass die Schüler leicht darauf zugreifen können. Auf diese Weise können sie während des Planungsprozesses mit den Schülern geteilt werden, damit die Schüler wissen, wie ein guter experimenteller Entwurf aussieht.




Druckbare Ressourcen

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Zusätzliche Arbeitsblätter

Wenn Sie weitere Projekte hinzufügen oder Arbeitsblätter anpassen möchten, sehen Sie sich einige Vorlagenseiten an, die wir unten für Sie zusammengestellt haben. Jedes Arbeitsblatt kann kopiert und auf Ihre Projekte oder Schüler zugeschnitten werden! Die Schüler können auch dazu ermutigt werden, ihre eigenen Informationen zu erstellen, wenn sie versuchen möchten, Informationen auf leicht verständliche Weise zu organisieren.



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