Experimentelles Design ist eine zentrale Methode in Fächern wie Biologie, Chemie, Physik, Psychologie und Sozialwissenschaften. Es hilft uns herauszufinden, wie verschiedene Faktoren unser Untersuchungsobjekt beeinflussen – seien es Pflanzen, Chemikalien, physikalische Gesetze, menschliches Verhalten oder die Funktionsweise der Gesellschaft. Im Grunde ist es eine Möglichkeit, Experimente durchzuführen, um Ideen zu testen, zu beobachten, was passiert, und unsere Ergebnisse zu interpretieren. Es ist äußerst wichtig für Studierende und Forschende, die große wissenschaftliche Fragen beantworten und die Welt besser verstehen wollen. Experimentelle Designfähigkeiten können in verschiedenen Situationen eingesetzt werden, von der Problemlösung bis zur Datenanalyse; sie sind weitreichend und können häufig auch außerhalb des Unterrichts angewendet werden. Die Vermittlung dieser Fähigkeiten ist ein sehr wichtiger Bestandteil des naturwissenschaftlichen Unterrichts, wird aber oft vernachlässigt, wenn man sich auf die Vermittlung der Inhalte konzentriert. Als Lehrende in den Naturwissenschaften haben wir alle gesehen, wie sich praktische Arbeit auf das Engagement und das Verständnis der Studierenden auswirkt. Aufgrund der zeitlichen Beschränkungen im Lehrplan kann jedoch die Zeit, die die Studierenden für die Entwicklung dieser experimentellen Forschungsdesigns und Ermittlungsfähigkeiten benötigen, knapp werden. Zu oft erhalten sie ein „Rezept“, das ihnen die Eigenverantwortung für ihre praktische Arbeit verwehrt. Schon in jungen Jahren beginnen sie, über die Welt um sie herum nachzudenken. Sie stellen Fragen und nutzen Beobachtungen und Beweise, um diese zu beantworten. Schüler haben oft intelligente, interessante und überprüfbare Fragen, die sie gerne stellen. Als Pädagogen sollten wir darauf hinwirken, diese Fragen zu fördern und so ihre natürliche Neugier auf die Welt um sie herum zu fördern.
Das Unterrichten der Versuchsplanung und die Möglichkeit, dass Schüler eigene Fragen und Hypothesen entwickeln, braucht Zeit. Diese Materialien wurden entwickelt, um den Prozess zu unterstützen und zu strukturieren, damit sich Lehrkräfte auf die Verbesserung der Kernideen der Versuchsplanung konzentrieren können. Schüler selbst Fragen stellen, Hypothesen formulieren und eigene Untersuchungen planen und durchführen zu lassen, ist eine wertvolle Erfahrung für sie. Dies führt zu mehr Eigenverantwortung für ihre Arbeit. Wenn Schüler die experimentelle Methode für ihre eigenen Fragen anwenden, reflektieren sie, wie Wissenschaftler im Laufe der Geschichte zu ihrem Verständnis des Universums gelangt sind.
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Der Einstieg in die wissenschaftliche Entdeckungsreise beginnt mit der Beherrschung der Schritte des experimentellen Designs. Dieser grundlegende Prozess ist unerlässlich für die Formulierung von Experimenten, die zuverlässige und aufschlussreiche Ergebnisse liefern, und führt Forschende und Studierende gleichermaßen durch die detaillierte Planung, das experimentelle Forschungsdesign und die Durchführung ihrer Studien. Mithilfe einer Vorlage für experimentelles Design können Teilnehmer die Integrität und Gültigkeit ihrer Ergebnisse sicherstellen. Ob durch die Planung eines wissenschaftlichen Experiments oder die Durchführung experimenteller Designaktivitäten – Ziel ist es, ein tiefes Verständnis der Grundlagen zu fördern: Wie sollten Experimente gestaltet werden? Was sind die 7 Schritte des experimentellen Designs? Wie können Sie Ihr eigenes Experiment entwerfen?
Dies ist eine Untersuchung der sieben wichtigsten Schritte der experimentellen Methode, der Ideen für experimentelles Design und der Möglichkeiten zur Integration von Versuchsplanungen. Schülerprojekte können von ergänzenden Arbeitsblättern stark profitieren. Wir stellen außerdem Ressourcen wie Arbeitsblätter zur Verfügung, die auf eine effektive Vermittlung experimenteller Planung abzielen. Wir tauchen ein in die wesentlichen Schritte der Versuchsplanung und geben Lernenden die Werkzeuge an die Hand, um ihrer wissenschaftlichen Neugier nachzugehen.
Dies ist ein zentraler Bestandteil der wissenschaftlichen Methode und des experimentellen Designprozesses. Schülerinnen und Schüler entwickeln gerne Fragen. Das Formulieren von Fragen ist eine tiefgründige und bedeutungsvolle Tätigkeit, die Schülern Eigenverantwortung für ihre Arbeit vermittelt. Ein Mindmap-Storyboard ist eine hervorragende Möglichkeit, Schülerinnen und Schüler dazu zu bringen, über die Visualisierung ihrer Forschungsfrage nachzudenken.
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Bitten Sie die Schüler, sich Fragen zum Universum zu überlegen, die sie beantworten möchten, oder lassen Sie sie über Fragen zu einem bestimmten Thema nachdenken. Alle Fragen sind gute Fragen, aber manche sind leichter zu überprüfen als andere.
Eine Hypothese ist eine fundierte Vermutung. Sie sollte eine wissenschaftlich überprüfbare Aussage sein. Überprüfen Sie am Ende des Experiments, ob die Schlussfolgerung die Hypothese stützt oder nicht.
Die Formulierung guter Hypothesen kann für Schülerinnen und Schüler eine Herausforderung sein. Wichtig ist, sich daran zu erinnern, dass eine Hypothese keine Forschungsfrage, sondern eine überprüfbare Aussage ist . Eine Möglichkeit, eine Hypothese zu formulieren, ist die Formulierung als „Wenn…, dann…“-Aussage. Dies ist sicherlich nicht die einzige oder beste Methode, eine Hypothese zu formulieren, kann aber für Schülerinnen und Schüler zu Beginn eine sehr einfache Formel sein.
Eine „Wenn…, dann…“-Anweisung erfordert, dass die Schüler zunächst die Variablen identifizieren. Dies kann die Reihenfolge ändern, in der sie die einzelnen Schritte des visuellen Organizers absolvieren. Nach der Identifizierung der abhängigen und unabhängigen Variablen nimmt die Hypothese 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: Erhöht man die Koffeinmenge, verkürzt sich die Reaktionszeit.
Wie bist du zu dieser Hypothese gekommen? Was ist der wissenschaftliche Hintergrund deiner Hypothese? Je nach Alter und Fähigkeit nutzen die Schüler ihr Vorwissen, um ihre Hypothesenwahl zu begründen, oder recherchieren alternativ in Büchern oder im Internet. Dies bietet sich auch an, 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.
Die Vorhersage unterscheidet sich geringfügig von der Hypothese. Eine Hypothese ist eine überprüfbare Aussage, während die Vorhersage eher experimenteller Natur ist. Bei der Entdeckung der DNA-Struktur ging die Hypothese davon aus, dass 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 konkretes, messbares Ergebnis basierend auf ihrer Hypothese darstellt. Anstatt nur zu behaupten, dass „Koffein die Reaktionszeit verkürzt“, könnten die Schüler vorhersagen, dass „das Trinken von zwei Dosen Limonade (90 mg Koffein) die durchschnittliche Reaktionszeit um 50 Millisekunden verkürzt, verglichen mit dem Trinken von keinem Koffein.“
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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Die drei Variablentypen, die Sie mit Ihren Schülern besprechen müssen, sind abhängige, unabhängige und kontrollierte Variablen. Um es einfach zu halten, bezeichnen Sie diese als „was Sie messen werden“, „was Sie ändern werden“ und „was Sie beibehalten werden“. Bei fortgeschritteneren Schülern sollten Sie sie ermutigen, die korrekte Terminologie zu verwenden.
Abhängige Variablen sind das, was der Wissenschaftler misst oder beobachtet. Diese Messungen werden oft wiederholt, da wiederholte Messungen die Zuverlässigkeit der Daten erhöhen.
Die unabhängigen Variablen sind Variablen, die Wissenschaftler ändern, um zu sehen, welche Auswirkungen dies auf die abhängige Variable hat. Es wird nur eine Variable ausgewählt, da es schwierig wäre, herauszufinden, welche Variable die beobachtete Änderung verursacht.
Kontrollierte Variablen sind Größen oder Faktoren, die Wissenschaftler während des gesamten Experiments unverändert lassen möchten. Sie werden so kontrolliert, dass sie konstant bleiben, um die abhängige Variable nicht zu beeinflussen. Durch die Kontrolle dieser Variablen können Wissenschaftler erkennen, wie sich die unabhängige Variable auf die abhängige Variable innerhalb der Versuchsgruppe auswirkt.
Verwenden Sie das folgende Beispiel in Ihrem Unterricht oder löschen Sie die Antworten und legen Sie es als Aktivität fest, die die Schüler auf Storyboard That erledigen sollen.
| Wie die Temperatur die Menge an Zucker beeinflusst, die sich in Wasser auflösen 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 sich im Wasser auflösen kann, gemessen in Teelöffeln. |
| Kontrollierte Variablen |
|
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Dies muss letztendlich von einem verantwortlichen Erwachsenen unterschrieben werden. Es ist jedoch wichtig, die Schüler zum Nachdenken über ihre eigene Sicherheit anzuregen. In diesem Teil sollen die Schüler potenzielle Risiken identifizieren und anschließend erklären, wie sie diese minimieren. Eine Aktivität, die Schüler dabei unterstützt, diese Fähigkeiten zu entwickeln, besteht darin, sie Risiken in verschiedenen Situationen erkennen und bewältigen zu lassen. Mithilfe des unten stehenden Storyboards sollen die Schüler die zweite Spalte des T-Charts ausfüllen, indem sie fragen: „Was ist Risiko?“ und anschließend erklären, wie sie dieses Risiko bewältigen können. Dieses Storyboard kann auch für eine Klassendiskussion projiziert werden.
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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 notwendig markiert haben. Dies ist ein guter Zeitpunkt, um mit den Schülern über die Auswahl geeigneter Werkzeuge zu sprechen. Zum Messen der Breite eines Haares wird ein anderes Werkzeug benötigt als zum Messen der Breite eines Fußballfeldes!
Es ist wichtig, mit den Schülern über Reproduzierbarkeit zu sprechen. Sie sollten eine Vorgehensweise formulieren, die es anderen Wissenschaftlern ermöglicht, ihre experimentelle Methode problemlos zu reproduzieren. Am einfachsten und prägnantesten gelingt dies durch eine nummerierte Anleitung. Eine hilfreiche Aktivität könnte darin bestehen, die Schüler zu bitten, die Zubereitung einer Tasse Tee oder eines Sandwiches zu erklären. Spielen Sie den Vorgang nach und weisen Sie auf fehlende Schritte hin.
Englischlernende und Schüler, die mit dem geschriebenen Englisch Schwierigkeiten haben, können die Schritte ihres Experiments mithilfe von Storyboard That visuell beschreiben.
Nicht jedes Experiment benötigt ein Diagramm, aber manche Pläne werden dadurch deutlich verbessert. Konzentrieren Sie die Schüler darauf, klare und leicht verständliche Diagramme zu erstellen, die die Versuchsgruppe veranschaulichen.
Ein Verfahren zum Testen der Wirkung von Sonnenlicht auf das Pflanzenwachstum unter Verwendung eines vollständig randomisierten Designs könnte beispielsweise Folgendes detailliert beschreiben:
Sobald das Verfahren genehmigt ist, sollten die Schüler das geplante Experiment sorgfältig und gemäß den schriftlichen Anweisungen durchführen. Während der Datenerfassung sollten die Schüler die Rohergebnisse in Tabellen, Grafiken, Fotos oder Zeichnungen ordnen. Dies schafft eine übersichtliche Dokumentation für die Trendanalyse.
Zu den Best Practices für die Datenerfassung gehören:
Im Pflanzenwachstumsexperiment könnten die Schüler beispielsweise Folgendes aufzeichnen:
| Gruppe | Sonnenlicht | Sonnenlicht | Sonnenlicht | Schatten | Schatten |
|---|---|---|---|---|---|
| Werks-ID | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Starthöhe | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Endhöhe | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
Sie würden auch Beobachtungen wie Blattverfärbungen oder Richtungsänderungen visuell oder schriftlich beschreiben.
Es ist wichtig, dass Schüler sichere wissenschaftliche Verfahren anwenden. Experimente müssen unter Aufsicht von Erwachsenen durchgeführt werden und eine sorgfältige Risikobewertung ist erforderlich.
Eine gut dokumentierte Datenerfassung ermöglicht nach Abschluss des Experiments eine tiefergehende Analyse, um festzustellen, ob Hypothesen und Vorhersagen bestätigt wurden.
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Die Verwendung visueller Organisatoren ist eine effektive Möglichkeit, Ihre Schüler im Unterricht als Wissenschaftler arbeiten zu lassen.
Es gibt viele Möglichkeiten, diese Planungstools für Untersuchungen zu nutzen, um die Arbeit der Schüler während ihrer wissenschaftlichen Tätigkeit zu strukturieren. Schüler können die Planungsphase auf Storyboard That mithilfe der Textfelder und Diagramme abschließen oder sie ausdrucken und von den Schülern handschriftlich ausfüllen lassen. Eine weitere gute Möglichkeit besteht darin, das Planungsblatt auf ein interaktives Whiteboard zu projizieren und gemeinsam die Planungsmaterialien zu erarbeiten. Projizieren Sie es auf eine Leinwand und lassen Sie die Schüler ihre Antworten auf Haftnotizen schreiben und ihre Ideen im richtigen Abschnitt des Planungsdokuments platzieren.
Schon sehr junge Lernende können anfangen, wie Wissenschaftler zu denken! Sie haben viele Fragen zur Welt um sie herum, und Sie können diese in einer Mindmap festhalten. Manchmal können Sie diese Fragen sogar spielerisch „untersuchen“.
Die Basisressource richtet sich an Grundschüler oder Schüler, die mehr Unterstützung benötigen. Sie folgt genau dem gleichen Prozess wie die höheren Ressourcen, ist jedoch etwas einfacher gestaltet. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Ressourcen liegt in den Details, über die die Schüler nachdenken müssen, und dem verwendeten Fachvokabular. Beispielsweise ist es wichtig, dass die Schüler beim Entwerfen ihrer Untersuchungen Variablen identifizieren. In der höheren Version müssen die Schüler nicht nur die Variablen identifizieren, sondern auch weitere Anmerkungen machen, z. B. wie sie die abhängige Variable messen oder ein vollständig randomisiertes Design verwenden werden. Neben den Unterschieden in der Unterstützung der beiden Ressourcenstufen kann eine weitere Differenzierung hinsichtlich der Unterstützung der Lernenden durch Lehrkräfte und Assistenten im Raum sinnvoll sein.
Die Schüler könnten auch dazu angehalten werden, ihren Versuchsplan durch die Verwendung von Grafiken verständlicher zu gestalten, was auch zur Unterstützung von ELLs genutzt werden könnte.
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Neben der Bewertung ihres Wissens müssen auch die wissenschaftlichen Untersuchungsfähigkeiten der Schüler beurteilt werden. Dadurch können sich die Schüler nicht nur auf die Entwicklung ihrer Fähigkeiten konzentrieren, sondern die Bewertungsinformationen auch so nutzen, dass sie ihre wissenschaftlichen Kenntnisse verbessern. Mit Quick Rubric können Sie schnell und einfach einen Bewertungsrahmen erstellen und ihn mit den Schülern teilen, damit sie wissen, wie sie in jeder Phase erfolgreich sind. Dies bietet nicht nur eine formative Bewertung, die das Lernen fördert, sondern kann auch verwendet werden, um die Arbeit der Schüler am Ende einer Untersuchung zu bewerten und Ziele für den nächsten Versuch zu setzen, ihre eigene Untersuchung zu planen. Die Rubriken wurden so verfasst, dass die Schüler leicht darauf zugreifen können. Auf diese Weise können sie mit den Schülern geteilt werden, während diese den Planungsprozess durchlaufen, damit die Schüler wissen, wie ein gutes experimentelles Design aussieht.
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Wenn Sie weitere Projekte hinzufügen oder Arbeitsblätter weiter anpassen möchten, sehen Sie sich die Vorlagen an, die wir unten für Sie zusammengestellt haben. Jedes Arbeitsblatt kann kopiert und an Ihre Projekte oder Schüler angepasst werden! Schüler können auch dazu ermutigt werden, eigene Arbeitsblätter zu erstellen, um Informationen verständlich zu organisieren.
Übliche experimentelle Design-Tools und -Techniken, die Studenten verwenden können, umfassen zufällige Zuweisung, Kontrollgruppen, Verblindung, Replikation und statistische Analyse. Die Studierenden können auch Beobachtungsstudien, Umfragen und Experimente mit natürlichen oder quasi-experimentellen Designs verwenden. Sie können auch Datenvisualisierungstools verwenden, um ihre Ergebnisse zu analysieren und zu präsentieren.
Experimentelles Design hilft den Schülern, Fähigkeiten zum kritischen Denken zu entwickeln, indem sie ermutigt werden, systematisch und logisch über wissenschaftliche Probleme nachzudenken. Es erfordert von den Schülern, Daten zu analysieren, Muster zu identifizieren und Schlussfolgerungen auf der Grundlage von Beweisen zu ziehen. Es hilft den Schülern auch, Problemlösungsfähigkeiten zu entwickeln, indem es Möglichkeiten bietet, Experimente zu entwerfen und durchzuführen, um Hypothesen zu testen.
Experimentelles Design kann verwendet werden, um reale Probleme anzugehen, indem Variablen identifiziert werden, die zu einem bestimmten Problem beitragen, und Interventionen getestet werden, um zu sehen, ob sie bei der Lösung des Problems wirksam sind. Experimentelles Design kann beispielsweise verwendet werden, um die Wirksamkeit neuer medizinischer Behandlungen zu testen oder die Auswirkungen sozialer Interventionen auf die Verringerung der Armut oder die Verbesserung der Bildungsergebnisse zu bewerten.
Häufige Fallstricke beim experimentellen Design, die Schüler vermeiden sollten, sind das Versäumnis, Variablen zu kontrollieren, die Verwendung voreingenommener Stichproben, das Verlassen auf anekdotische Beweise und das Versäumnis, abhängige Variablen genau zu messen. Die Studierenden sollten sich bei der Durchführung von Experimenten auch ethischer Überlegungen bewusst sein, wie z. B. das Einholen einer informierten Zustimmung und der Schutz der Privatsphäre von Forschungsteilnehmern.