Diseño experimental para estudiantes
El diseño experimental es un método clave utilizado en materias como biología, química, física, psicología y ciencias sociales. Nos ayuda a descubrir cómo los diferentes factores afectan lo que estamos estudiando, ya sean plantas, productos químicos, leyes físicas, comportamiento humano o cómo funciona la sociedad. Básicamente, es una forma de configurar experimentos para que podamos probar ideas, ver qué sucede y darle sentido a nuestros resultados. Es muy importante para estudiantes e investigadores que desean responder grandes preguntas científicas y comprender mejor el mundo. Las habilidades de diseño experimental se pueden aplicar en situaciones que van desde la resolución de problemas hasta el análisis de datos; son de amplio alcance y con frecuencia se pueden aplicar fuera del aula. La enseñanza de estas habilidades es una parte muy importante de la educación científica, pero a menudo se pasa por alto cuando se centra en la enseñanza del contenido. Como educadores científicos, todos hemos visto los beneficios que tiene el trabajo práctico para la participación y la comprensión de los estudiantes. Sin embargo, con las limitaciones de tiempo impuestas al plan de estudios, el tiempo necesario para que los estudiantes desarrollen este diseño de investigación experimental y habilidades de investigación puede verse reducido. Con demasiada frecuencia reciben una "receta" a seguir, lo que no les permite apropiarse de su trabajo práctico. Desde muy pequeños empiezan a pensar en el mundo que les rodea. Hacen preguntas y luego utilizan observaciones y evidencia para responderlas. Los estudiantes tienden a tener preguntas inteligentes, interesantes y comprobables que les encanta hacer. Como educadores, deberíamos trabajar para fomentar estas preguntas y, a su vez, alimentar esta curiosidad natural por el mundo que los rodea.
Enseñar el diseño de experimentos y permitir que los estudiantes desarrollen sus propias preguntas e hipótesis lleva tiempo. Estos materiales se han creado para sustentar y estructurar el proceso y permitir a los profesores centrarse en mejorar las ideas clave en el diseño experimental. Permitir que los estudiantes hagan sus propias preguntas, escriban sus propias hipótesis y planifiquen y lleven a cabo sus propias investigaciones es una experiencia valiosa para ellos. Esto hará que los estudiantes se apropien más de su trabajo. Cuando los estudiantes llevan a cabo el método experimental para sus propias preguntas, reflexionan sobre cómo los científicos históricamente han llegado a comprender cómo funciona el universo.
¡Eche un vistazo a las páginas para imprimir y a las plantillas de hojas de trabajo que aparecen a continuación!
¿Cuáles son los pasos del diseño experimental?
Embarcarse en el viaje del descubrimiento científico comienza con el dominio de los pasos del diseño experimental. Este proceso fundamental es esencial para formular experimentos que produzcan resultados confiables y esclarecedores, guiando a investigadores y estudiantes por igual a través de la planificación detallada, el diseño de investigación experimental y la ejecución de sus estudios. Al aprovechar una plantilla de diseño experimental, los participantes pueden garantizar la integridad y validez de sus hallazgos. Ya sea diseñando un experimento científico o participando en actividades de diseño experimental, el objetivo es fomentar una comprensión profunda de los fundamentos: ¿Cómo se deben diseñar los experimentos? ¿Cuáles son los 7 pasos del diseño experimental? ¿Cómo puedes diseñar tu propio experimento?
Esta es una exploración de los siete pasos clave del método experimental, las ideas de diseño experimental y las formas de integrar el diseño de experimentos. Los proyectos de los estudiantes pueden beneficiarse enormemente de las hojas de trabajo complementarias y también proporcionaremos recursos como hojas de trabajo destinadas a enseñar diseño experimental de manera efectiva. Profundicemos en las etapas esenciales que sustentan el proceso de diseño de un experimento, equipando a los alumnos con las herramientas para explorar su curiosidad científica.
1 pregunta
Esta es una parte clave del método científico y del proceso de diseño experimental. Los estudiantes disfrutan planteando preguntas. Formular preguntas es una actividad profunda y significativa que puede dar a los estudiantes propiedad sobre su trabajo. Una excelente manera de hacer que los estudiantes piensen en cómo visualizar su pregunta de investigación es utilizar un guión gráfico de mapa mental.
Pida a los estudiantes que piensen en cualquier pregunta que quieran responder sobre el universo o pídales que piensen en las preguntas que tengan sobre un tema en particular. Todas las preguntas son buenas, pero algunas son más fáciles de probar que otras.
2. Hipótesis
Una hipótesis se conoce como suposición fundamentada. Una hipótesis debe ser una afirmación que pueda comprobarse científicamente. Al final del experimento, mira hacia atrás para ver si la conclusión apoya la hipótesis o no.
Formar buenas hipótesis puede ser un desafío para los estudiantes. Es importante recordar que la hipótesis no es una pregunta de investigación, es una afirmación comprobable . Una forma de formular una hipótesis es formularla como una afirmación "si... entonces...". Ciertamente, esta no es la única ni la mejor manera de formular una hipótesis, pero puede ser una fórmula muy fácil de usar para los estudiantes cuando comienzan.
Una declaración “si... entonces...” requiere que los estudiantes identifiquen las variables primero, y eso puede cambiar el orden en el que completan las etapas del organizador visual. Después de identificar las variables dependientes e independientes, la hipótesis toma la forma si [cambio en la variable independiente], entonces [cambio en la variable dependiente].
Por ejemplo, si un experimento buscara el efecto de la cafeína en el tiempo de reacción, la variable independiente sería la cantidad de cafeína y la variable dependiente sería el tiempo de reacción. La hipótesis del “si, entonces” podría ser: si aumenta la cantidad de cafeína que se consume, el tiempo de reacción disminuirá.
3. Explicación de la hipótesis
¿Qué te llevó a esta hipótesis? ¿Cuál es el trasfondo científico detrás de su hipótesis? Dependiendo de la edad y la capacidad, los estudiantes utilizan sus conocimientos previos para explicar por qué han elegido sus hipótesis o, alternativamente, investigan utilizando libros o Internet. Este también podría ser un buen momento para discutir con los estudiantes qué es una fuente confiable.
Por ejemplo, los estudiantes pueden hacer referencia a estudios previos que muestran los efectos de la cafeína en el estado de alerta para explicar por qué suponen que la ingesta de cafeína reducirá el tiempo de reacción.
4. Predicción
La predicción es ligeramente diferente a la hipótesis. Una hipótesis es una afirmación comprobable, mientras que la predicción es más específica del experimento. En el descubrimiento de la estructura del ADN, la hipótesis propuso que el ADN tiene una estructura helicoidal. La predicción era que el patrón de difracción de rayos X del ADN tendría forma de X.
Los estudiantes deben formular una predicción que sea un resultado específico y mensurable basado en su hipótesis. En lugar de simplemente decir que "la cafeína disminuirá el tiempo de reacción", los estudiantes podrían predecir que "beber 2 latas de refresco (90 mg de cafeína) reducirá el tiempo de reacción promedio en 50 milisegundos en comparación con no beber cafeína".
5. Identificación de variables
A continuación se muestra un ejemplo de un guión gráfico de discusión que se puede utilizar para que los estudiantes hablen sobre variables en el diseño experimental.
Los tres tipos de variables que necesitará discutir con sus alumnos son variables dependientes, independientes y controladas . Para simplificar, refiérase a estos como "lo que va a medir", "lo que va a cambiar" y "lo que va a mantener igual". Con estudiantes más avanzados, debes animarlos a utilizar el vocabulario correcto.
Las variables dependientes son lo que mide u observa el científico. Estas mediciones a menudo se repetirán porque las mediciones repetidas hacen que sus datos sean más confiables.
Las variables independientes son variables que los científicos deciden cambiar para ver qué efecto tiene sobre la variable dependiente. Se elige sólo uno porque sería difícil determinar qué variable está provocando cualquier cambio que se observe.
Las variables controladas son cantidades o factores que los científicos quieren que permanezcan iguales durante todo el experimento. Se controlan para que permanezcan constantes, de modo que no afecten a la variable dependiente. Controlarlos permite a los científicos ver cómo la variable independiente afecta a la variable dependiente dentro del grupo experimental.
Utilice este ejemplo a continuación en sus lecciones o elimine las respuestas y configúrelo como una actividad para que los estudiantes la completen en Storyboard That.
| Cómo afecta la temperatura a la cantidad de azúcar que se puede disolver en agua | |
|---|---|
| Variable independiente | Temperatura de agua
(Rango 5 muestras diferentes a 10°C, 20°C, 30°C, 40°C y 50°C) |
| Variable dependiente | La cantidad de azúcar que se puede disolver en el agua, medida en cucharaditas. |
| Variables controladas |
|
6. Evaluación de riesgos
En última instancia, esto debe ser aprobado por un adulto responsable, pero es importante hacer que los estudiantes piensen en cómo se mantendrán seguros. En esta parte, los estudiantes deben identificar los riesgos potenciales y luego explicar cómo van a minimizarlos. Una actividad para ayudar a los estudiantes a desarrollar estas habilidades es lograr que identifiquen y gestionen riesgos en diferentes situaciones. Usando el guión gráfico a continuación, pida a los estudiantes que completen la segunda columna del gráfico T diciendo: "¿Qué es el riesgo?", y luego expliquen cómo podrían gestionar ese riesgo. Este guión gráfico también podría proyectarse para una discusión en clase.
7. Materiales
En esta sección, los estudiantes enumerarán los materiales que necesitan para los experimentos, incluido cualquier equipo de seguridad que hayan destacado como necesario en la sección de evaluación de riesgos. Este es un buen momento para hablar con los estudiantes sobre cómo elegir herramientas adecuadas para el trabajo. ¡Vas a utilizar una herramienta diferente para medir el ancho de un cabello que para medir el ancho de un campo de fútbol!
8. Plano general y diagrama
Es importante hablar con los estudiantes sobre la reproducibilidad. Deberían escribir un procedimiento que permitiera que otro científico reproduzca fácilmente su método experimental. La forma más fácil y concisa para que los estudiantes hagan esto es haciendo una lista numerada de instrucciones. Una actividad útil aquí podría ser pedir a los estudiantes que expliquen cómo preparar una taza de té o un sándwich. Representa el proceso y señala los pasos que se han saltado.
Para los estudiantes que aprenden inglés y los estudiantes que tienen dificultades con el inglés escrito, los estudiantes pueden describir visualmente los pasos de su experimento usando Storyboard That.
No todos los experimentos necesitarán un diagrama, pero algunos planes mejorarán enormemente al incluir uno. Haga que los estudiantes se concentren en producir diagramas claros y fáciles de entender que ilustren el grupo experimental.
Por ejemplo, un procedimiento para probar el efecto de la luz solar sobre el crecimiento de las plantas utilizando un diseño completamente aleatorio podría detallar:
- Seleccione 10 plántulas similares de la misma edad y variedad.
- Prepare 2 bandejas idénticas con la misma mezcla de tierra.
- Coloca 5 plantas en cada bandeja; Etiquete un conjunto de "luz solar" y un conjunto de "sombra"
- Coloque la bandeja de luz solar junto a una ventana orientada al sur y la bandeja de sombra en un armario oscuro.
- Riegue ambas bandejas con 50 ml de agua cada 2 días.
- Después de 3 semanas, retire las plantas y mida las alturas en cm.
9. Realizar el experimento
Una vez aprobado su procedimiento, los estudiantes deben llevar a cabo cuidadosamente el experimento planeado, siguiendo sus instrucciones escritas. A medida que se recopilan datos, los estudiantes deben organizar los resultados brutos en tablas, gráficos, fotografías o dibujos. Esto crea documentación clara para analizar tendencias.
Algunas mejores prácticas para la recopilación de datos incluyen:
- Registrar datos cuantitativos numéricamente con unidades.
- Tenga en cuenta las observaciones cualitativas con descripciones detalladas.
- Captura configurada a través de ilustraciones o fotografías.
- Escribir observaciones de eventos inesperados.
- Identificar datos atípicos y fuentes de error
Por ejemplo, en el experimento de crecimiento de plantas, los estudiantes podrían registrar:
| Grupo | Luz de sol | Luz de sol | Luz de sol | Sombra | Sombra |
|---|---|---|---|---|---|
| ID de planta | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Altura inicial | 5 centímetros | 4cm | 5 centímetros | 6cm | 4cm |
| Altura final | 18 cm | 17cm | 19cm | 9cm | 8cm |
También describirían observaciones como el cambio de color de las hojas o la curvatura direccional visualmente o por escrito.
Es crucial que los estudiantes practiquen procedimientos científicos seguros. Se requiere la supervisión de un adulto para la experimentación, junto con una evaluación de riesgos adecuada.
La recopilación de datos bien documentada permite un análisis más profundo una vez finalizado el experimento para determinar si las hipótesis y predicciones fueron respaldadas.
Ejemplos completados
Recursos y ejemplos de diseño experimental
El uso de organizadores visuales es una forma eficaz de hacer que sus alumnos trabajen como científicos en el aula.
Hay muchas maneras de utilizar estas herramientas de planificación de la investigación para estructurar el trabajo de los estudiantes mientras trabajan como científicos. Los estudiantes pueden completar la etapa de planificación en Storyboard That usando los cuadros de texto y diagramas, o puede imprimirlos y hacer que los estudiantes los completen a mano. Otra excelente manera de utilizarlos es proyectar la hoja de planificación en una pizarra interactiva y trabajar en cómo completar los materiales de planificación como grupo. Proyéctelo en una pantalla y haga que los estudiantes escriban sus respuestas en notas adhesivas y coloquen sus ideas en la sección correcta del documento de planificación.
¡Los estudiantes muy jóvenes todavía pueden empezar a pensar como científicos! Tienen un montón de preguntas sobre el mundo que les rodea y puedes empezar a anotarlas en un mapa mental. A veces incluso puedes empezar a 'investigar' estas cuestiones a través del juego.
El recurso básico está destinado a estudiantes de primaria o estudiantes que necesitan más apoyo. Está diseñado para seguir exactamente el mismo proceso que los recursos superiores, pero un poco más sencillo. La diferencia clave entre los dos recursos son los detalles en los que los estudiantes deben pensar y el vocabulario técnico utilizado. Por ejemplo, es importante que los estudiantes identifiquen variables cuando diseñan sus investigaciones. En la versión superior, los estudiantes no sólo tienen que identificar las variables, sino también hacer otros comentarios, como cómo van a medir la variable dependiente o utilizar un diseño completamente aleatorio. Además de la diferencia en el andamiaje entre los dos niveles de recursos, es posible que desee diferenciar aún más la forma en que los profesores y asistentes apoyan a los alumnos en el aula.
También se podría alentar a los estudiantes a hacer que su plan experimental sea más fácil de entender mediante el uso de gráficos, y esto también podría usarse para apoyar a los ELL.
Evaluación
Los estudiantes deben ser evaluados en sus habilidades de investigación científica junto con la evaluación de sus conocimientos. Esto no sólo permitirá a los estudiantes centrarse en desarrollar sus habilidades, sino que también les permitirá utilizar la información de su evaluación de una manera que les ayudará a mejorar sus habilidades científicas. Con Quick Rubric , puede crear un marco de evaluación rápido y sencillo y compartirlo con los estudiantes para que sepan cómo tener éxito en cada etapa. Además de proporcionar una evaluación formativa que impulsará el aprendizaje, también se puede utilizar para evaluar el trabajo de los estudiantes al final de una investigación y establecer objetivos para la próxima vez que intenten planificar su propia investigación. Las rúbricas se han escrito de manera que permitan a los estudiantes acceder a ellas fácilmente. De esta manera, se pueden compartir con los estudiantes mientras trabajan en el proceso de planificación para que sepan cómo es un buen diseño experimental.
Recursos imprimibles
Actividades relacionadas
Hojas de trabajo adicionales
Si desea agregar proyectos adicionales o continuar personalizando hojas de trabajo, eche un vistazo a varias páginas de plantillas que hemos recopilado para usted a continuación. ¡Cada hoja de trabajo se puede copiar y adaptar a sus proyectos o estudiantes! También se puede animar a los estudiantes a crear los suyos propios si quieren intentar organizar la información de una manera fácil de entender.
- Hojas de trabajo de laboratorio
- Hojas de trabajo de discusión
- Hojas de trabajo de lista de verificación
Cómo Enseñar a los Estudiantes el Diseño de Experimentos
Fomentar el cuestionamiento y la curiosidad.
Fomente una cultura de indagación animando a los estudiantes a hacer preguntas sobre el mundo que les rodea.
Formular hipótesis comprobables.
Enseñar a los estudiantes cómo desarrollar hipótesis que puedan probarse científicamente. Ayúdelos a entender la diferencia entre una hipótesis y una pregunta.
Proporcionar antecedentes científicos.
Ayude a los estudiantes a comprender los principios y conceptos científicos relevantes para sus hipótesis. Anímelos a basarse en conocimientos previos o realizar investigaciones para respaldar sus hipótesis.
Identificar variables
Enseñe a los estudiantes sobre los tres tipos de variables (dependientes, independientes y controladas) y cómo se relacionan con el diseño experimental. Enfatice la importancia de controlar las variables y medir con precisión la variable dependiente.
Planificar y diagramar el experimento.
Guíe a los estudiantes en el desarrollo de un procedimiento experimental claro y reproducible. Anímelos a crear un plan paso a paso o use diagramas visuales para ilustrar el proceso.
Llevar a cabo el experimento y analizar los datos.
Apoye a los estudiantes mientras realizan el experimento de acuerdo con su plan. Guíelos en la recopilación de datos de manera significativa y organizada. Ayúdelos a analizar los datos y sacar conclusiones basadas en sus hallazgos.
Preguntas frecuentes sobre diseño experimental para estudiantes
¿Cuáles son algunas herramientas y técnicas comunes de diseño experimental que los estudiantes pueden usar?
Las herramientas y técnicas comunes de diseño experimental que los estudiantes pueden usar incluyen asignación aleatoria, grupos de control, enmascaramiento, replicación y análisis estadístico. Los estudiantes también pueden utilizar estudios de observación, encuestas y experimentos con diseños naturales o cuasi-experimentales. También pueden usar herramientas de visualización de datos para analizar y presentar sus resultados.
¿Cómo puede el diseño experimental ayudar a los estudiantes a desarrollar habilidades de pensamiento crítico?
El diseño experimental ayuda a los estudiantes a desarrollar habilidades de pensamiento crítico animándolos a pensar sistemática y lógicamente sobre problemas científicos. Requiere que los estudiantes analicen datos, identifiquen patrones y saquen conclusiones basadas en evidencia. También ayuda a los estudiantes a desarrollar habilidades para resolver problemas al brindar oportunidades para diseñar y realizar experimentos para probar hipótesis.
¿Cómo se puede utilizar el diseño experimental para abordar problemas del mundo real?
El diseño experimental se puede utilizar para abordar problemas del mundo real identificando variables que contribuyen a un problema en particular y probando intervenciones para ver si son efectivas para abordar el problema. Por ejemplo, el diseño experimental se puede utilizar para probar la eficacia de nuevos tratamientos médicos o para evaluar el impacto de las intervenciones sociales en la reducción de la pobreza o la mejora de los resultados educativos.
¿Cuáles son algunos errores comunes de diseño experimental que los estudiantes deben evitar?
Las trampas comunes del diseño experimental que los estudiantes deben evitar incluyen no controlar las variables, usar muestras sesgadas, confiar en evidencia anecdótica y no medir las variables dependientes con precisión. Los estudiantes también deben ser conscientes de las consideraciones éticas al realizar experimentos, como obtener el consentimiento informado y proteger la privacidad de los sujetos de investigación.
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