Eksperimentaalne disain on võtmemeetod, mida kasutatakse sellistes ainetes nagu bioloogia, keemia, füüsika, psühholoogia ja sotsiaalteadused. See aitab meil välja selgitada, kuidas erinevad tegurid mõjutavad seda, mida me uurime, olgu selleks taimed, kemikaalid, füüsikaseadused, inimkäitumine või ühiskonna toimimine. Põhimõtteliselt on see viis katsete ettevalmistamiseks, et saaksime ideid testida, näha, mis juhtub, ja oma tulemusi mõtestada. See on ülioluline õpilastele ja teadlastele, kes soovivad vastata suurtele teadusküsimustele ja maailma paremini mõista. Eksperimentaalse disaini oskusi saab rakendada olukordades alates probleemide lahendamisest kuni andmete analüüsini; need on laiaulatuslikud ja neid saab sageli rakendada ka väljaspool klassiruumi. Nende oskuste õpetamine on teadushariduse väga oluline osa, kuid sisu õpetamisel jääb see sageli tähelepanuta. Teadusõpetajatena oleme kõik näinud praktilise töö eeliseid õpilaste kaasatuse ja arusaamise seisukohast. Õppekava ajapiirangute tõttu võib aga õpilastele nende eksperimentaalse uurimistöö kavandamise ja uurimisoskuste arendamiseks kuluv aeg jääda napiks. Liiga sageli saavad nad "retsepti", mida järgida, mis ei võimalda neil oma praktilise töö eest vastutust võtta. Juba väga noorelt hakkavad nad mõtlema ümbritseva maailma üle. Nad esitavad küsimusi ja kasutavad seejärel vaatlusi ning tõendeid neile vastuste leidmiseks. Õpilastel on tavaliselt intelligentseid, huvitavaid ja testitavaid küsimusi, mida nad armastavad esitada. Haridustöötajatena peaksime püüdma neid küsimusi julgustada ja omakorda turgutama seda loomulikku uudishimu ümbritseva maailma vastu.
Katsete kavandamise õpetamine ja õpilastele oma küsimuste ja hüpoteeside väljatöötamise võimaldamine võtab aega. Need materjalid on loodud protsessi toetamiseks ja struktureerimiseks, et õpetajad saaksid keskenduda eksperimentaalse kavandamise põhiideede täiustamisele. Õpilaste enda küsimuste esitamine, hüpoteeside kirjutamine ning uurimiste kavandamine ja läbiviimine on neile väärtuslik kogemus. See annab õpilastele suurema vastutuse oma töö eest. Kui õpilased rakendavad oma küsimustele eksperimentaalset meetodit, mõtisklevad nad selle üle, kuidas teadlased on ajalooliselt universumi toimimist mõistma hakanud.
Vaadake allpool olevaid printerisõbralikke lehti ja töölehe malle!
Teadusliku avastuse teekonnale asumine algab eksperimentaalse disaini etappide valdamisest. See alusprotsess on oluline usaldusväärsete ja läbinägelike tulemustega katsete väljatöötamiseks, juhendades nii teadlasi kui ka tudengeid uuringute üksikasjaliku planeerimise, eksperimentaalse uurimistöö kavandamise ja läbiviimise kaudu. Eksperimentaalse disaini malli abil saavad osalejad tagada oma leidude terviklikkuse ja kehtivuse. Olgu selleks teadusliku katse kavandamine või eksperimentaalse disaini tegevustes osalemine, eesmärk on edendada põhialuste sügavat mõistmist: kuidas tuleks katseid kavandada? Millised on 7 eksperimentaalse disaini etappi? Kuidas saate ise oma katset kavandada?
See on seitsme peamise eksperimentaalse meetodi sammu, eksperimentaalse disaini ideede ja katsete disaini integreerimise viiside uurimine. Õpilasprojektid võivad saada palju kasu lisatöölehtedest ja pakume ka ressursse, näiteks töölehti, mille eesmärk on eksperimentaalse disaini tõhusaks õpetamiseks. Sukeldume olulistesse etappidesse, mis on katse kavandamise protsessi aluseks, varustades õppijaid vahenditega oma teadusliku uudishimu uurimiseks.
See on teadusliku meetodi ja eksperimentaalse disainiprotsessi oluline osa. Õpilastele meeldib küsimusi välja mõelda. Küsimuste sõnastamine on sügav ja sisukas tegevus, mis annab õpilastele vastutuse oma töö üle. Suurepärane viis panna õpilasi mõtlema, kuidas oma uurimisküsimust visualiseerida, on kasutada mõttekaardi süžeeskeem.
Paluge õpilastel mõelda küsimustele, millele nad tahavad universumi kohta vastuseid leida, või laske neil mõelda küsimustele, mis neil on konkreetse teema kohta. Kõik küsimused on head küsimused, kuid mõnda on lihtsam testida kui teisi.
Hüpoteesi nimetatakse haritud oletuseks. Hüpotees peaks olema väide, mida saab teaduslikult kontrollida. Katse lõpus vaadake tagasi, et näha, kas järeldus toetab hüpoteesi või mitte.
Heade hüpoteeside sõnastamine võib õpilastel olla keeruline. Oluline on meeles pidada, et hüpotees ei ole uurimisküsimus, vaid kontrollitav väide . Üks viis hüpoteesi sõnastamiseks on sõnastada see väitena „kui..., siis...“. See pole kindlasti ainus ega parim viis hüpoteesi sõnastamiseks, kuid see võib olla õpilastele alguses väga lihtne valem kasutamiseks.
„Kui... siis...“ lause nõuab õpilastelt esmalt muutujate tuvastamist ja see võib muuta visuaalse organisaatori etappide läbimise järjekorda. Pärast sõltuvate ja sõltumatute muutujate tuvastamist on hüpotees kujul kui [sõltumatu muutuja muutus], siis [sõltuva muutuja muutus].
Näiteks kui katses uuritaks kofeiini mõju reaktsiooniajale, oleks sõltumatuks muutujaks kofeiini kogus ja sõltuvaks muutujaks reaktsiooniaeg. „Kui, siis“ hüpotees võiks olla järgmine: kui suurendada tarbitava kofeiini kogust, siis reaktsiooniaeg lüheneb.
Mis viis teid selle hüpoteesini? Milline on teie hüpoteesi teaduslik taust? Sõltuvalt vanusest ja võimetest kasutavad õpilased oma eelnevaid teadmisi, et selgitada, miks nad on oma hüpoteesid valinud, või alternatiivina uurivad raamatute või interneti abil. See võib olla ka hea aeg arutada õpilastega, mis on usaldusväärne allikas.
Näiteks võivad õpilased viidata varasematele uuringutele, mis näitavad kofeiini mõju erksusele, et selgitada, miks nad oletavad, et kofeiini tarbimine vähendab reaktsiooniaega.
Ennustus erineb hüpoteesist veidi. Hüpotees on kontrollitav väide, samas kui ennustus on eksperimendispetsiifilisem. DNA struktuuri avastamisel pakkus hüpotees välja, et DNA-l on spiraalne struktuur. Ennustuse kohaselt on DNA röntgendifraktsioonimuster X-kujuline.
Õpilased peaksid oma hüpoteesi põhjal sõnastama ennustuse, mis on konkreetne ja mõõdetav tulemus. Selle asemel, et lihtsalt öelda, et "kofeiin vähendab reaktsiooniaega", võiksid õpilased ennustada, et "kahe purgi limonaadi (90 mg kofeiini) joomine vähendab keskmist reaktsiooniaega 50 millisekundi võrra võrreldes kofeiinivaba joogi joomisega".
Allpool on näide arutelusüžeeskeemist, mida saab kasutada, et panna õpilased arutlema eksperimentaalse disaini muutujate üle.
Kolme tüüpi muutujaid, mida peate oma õpilastega arutama, on sõltuvad, sõltumatud ja kontrollitavad muutujad. Lihtsuse huvides nimetage neid kui „mida te kavatsete mõõta“, „mida te kavatsete muuta“ ja „mida te kavatsete samaks jätta“. Edasijõudnute õpilastega peaksite neid julgustama õiget sõnavara kasutama.
Sõltuvad muutujad on see, mida teadlane mõõdab või jälgib. Neid mõõtmisi korratakse sageli, sest korduvad mõõtmised muudavad teie andmed usaldusväärsemaks.
Sõltumatud muutujad on muutujad, mida teadlased otsustavad muuta, et näha, millist mõju see sõltuvale muutujale avaldab. Valitakse ainult üks, sest oleks raske välja selgitada, milline muutuja põhjustab vaadeldavat muutust.
Kontrollitavad muutujad on suurused või tegurid, mida teadlased soovivad kogu katse vältel samaks jätta. Neid kontrollitakse nii, et need jääksid konstantseks, et mitte mõjutada sõltuvat muutujat. Nende kontrollimine võimaldab teadlastel näha, kuidas sõltumatu muutuja mõjutab sõltuvat muutujat katserühmas.
Kasutage allolevat näidet oma tundides või kustutage vastused ja määrake see tegevuseks, mida õpilased saavad Storyboard That abil täita.
| Kuidas temperatuur mõjutab vees lahustuva suhkru hulka | |
|---|---|
| Sõltumatu muutuja | Vee temperatuur
(5 erinevat proovi temperatuuridel 10 °C, 20 °C, 30 °C, 40 °C ja 50 °C) |
| Sõltuv muutuja | Vees lahustuva suhkru kogus, mõõdetuna teelusikatäites. |
| Kontrollitavad muutujad |
|
Lõppkokkuvõttes peab selle heaks kiitma vastutav täiskasvanu, kuid on oluline panna õpilased mõtlema, kuidas nad end turvaliselt hoiavad. Selles osas peaksid õpilased tuvastama potentsiaalsed riskid ja seejärel selgitama, kuidas nad kavatsevad riski minimeerida. Üks tegevus, mis aitab õpilastel neid oskusi arendada, on panna neid erinevates olukordades riske tuvastama ja juhtima. Kasutades allolevat süžeeskeemi, paluge õpilastel täita T-diagrammi teine veerg, öeldes: "Mis on risk?", seejärel selgitades, kuidas nad saaksid seda riski juhtida. Seda süžeeskeemi saab ka klassiaruteluks projitseerida.
Selles osas loetlevad õpilased katseteks vajalikud materjalid, sh kõik ohutusvahendid, mida nad on riskianalüüsi osas vajalikuks märkinud. See on suurepärane aeg rääkida õpilastega tööks sobivate tööriistade valimisest. Juuksekarva laiuse mõõtmiseks ja jalgpalliväljaku laiuse mõõtmiseks kasutate teistsugust tööriista!
Oluline on õpilastega rääkida reprodutseeritavusest. Nad peaksid kirjutama protseduuri, mis võimaldaks teisel teadlasel nende eksperimentaalset meetodit hõlpsalt reprodutseerida. Lihtsaim ja kokkuvõtlikum viis selleks on koostada nummerdatud juhiste loend. Kasulikuks tegevuseks võiks siin olla see, kui palutakse õpilastel selgitada, kuidas valmistada tassi teed või võileiba. Näitlege protsessi, tuues välja kõik sammud, mis nad vahele on jätnud.
Inglise keele õppijad ja õpilased, kellel on raskusi kirjaliku inglise keelega, saavad oma katse samme visuaalselt kirjeldada, kasutades Storyboard That.
Mitte iga katse jaoks pole diagrammi vaja, kuid mõned plaanid paranevad selle lisamisega oluliselt. Paluge õpilastel keskenduda selgete ja hõlpsasti mõistetavate diagrammide koostamisele, mis illustreerivad katserühma.
Näiteks võiks täielikult randomiseeritud disaini abil päikesevalguse mõju taimede kasvule testimise protseduur üksikasjalikult kirjeldada:
Kui protseduur on heaks kiidetud, peaksid õpilased oma kavandatud katse hoolikalt läbi viima, järgides kirjalikke juhiseid. Andmete kogumisel peaksid õpilased töötlemata tulemused esitama tabelites, graafikutes, fotodel või joonistel. See loob selge dokumentatsiooni trendide analüüsimiseks.
Mõned parimad andmekogumise tavad on järgmised:
Näiteks taimekasvatuskatses võiksid õpilased üles märkida:
| Grupp | Päikesevalgus | Päikesevalgus | Päikesevalgus | Vari | Vari |
|---|---|---|---|---|---|
| Taime ID | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Algkõrgus | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Otsa kõrgus | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
Samuti kirjeldaksid nad visuaalselt või kirjalikult selliseid tähelepanekuid nagu lehtede värvimuutus või suunaline painutamine.
On ülioluline, et õpilased harjutaksid ohutuid teadusprotseduure. Katseteks on vajalik täiskasvanu järelevalve ja nõuetekohane riskihindamine.
Hästi dokumenteeritud andmete kogumine võimaldab pärast katse lõpetamist teha sügavamat analüüsi, et teha kindlaks, kas hüpoteese ja ennustusi toetati.
Visuaalsete korraldajate kasutamine on tõhus viis panna oma õpilased klassis teadlastena töötama.
Nende uurimistöö planeerimise tööriistade kasutamiseks on palju võimalusi õpilaste töö toetamiseks ja struktureerimiseks teadlastena töötamise ajal. Õpilased saavad planeerimisetapi Storyboard That abil läbida tekstikastide ja diagrammide abil või võite need välja printida ja lasta õpilastel käsitsi täita. Teine suurepärane viis nende kasutamiseks on projitseerida planeerimisleht interaktiivsele tahvlile ja töötada rühmana läbi, kuidas planeerimismaterjale täita. Projitseerige see ekraanile ja laske õpilastel kirjutada oma vastused kleepmärkmetele ning panna oma ideed planeerimisdokumendi õigesse ossa.
Juba väga väikesed õppijad võivad hakata mõtlema nagu teadlased! Neil on palju küsimusi ümbritseva maailma kohta ja sa võid hakata neid mõttekaardile üles märkima. Mõnikord võid isegi mängu kaudu neid küsimusi "uurima" hakata.
See alusmaterjal on mõeldud algkooliõpilastele või õpilastele, kes vajavad rohkem tuge. See on loodud täpselt sama protsessi järgimiseks kui kõrgema taseme ressursid, kuid veidi lihtsamaks muudetud. Kahe ressursi peamine erinevus seisneb detailides, millele õpilased peavad mõtlema, ja kasutatavas tehnilises sõnavaras. Näiteks on oluline, et õpilased tuvastaksid muutujad oma uurimistööde kavandamisel. Kõrgema taseme versioonis ei pea õpilased mitte ainult muutujaid tuvastama, vaid tegema ka muid kommentaare, näiteks kuidas nad kavatsevad sõltuvat muutujat mõõta või kas nad kasutavad täielikult randomiseeritud disaini. Lisaks kahe ressursitaseme vahelisele tugistruktuuri erinevusele võiksite veelgi eristada seda, kuidas õpetajad ja assistendid õppijaid klassis toetavad.
Õpilasi võiks julgustada ka oma eksperimentaalset plaani graafika abil arusaadavamaks muutma ja seda saaks kasutada ka inglise keele teise keelena õppimise toetamiseks.
Lisaks teadmiste hindamisele tuleb hinnata ka õpilaste loodusteadustealase uurimistöö oskusi. See mitte ainult ei lase õpilastel keskenduda oma oskuste arendamisele, vaid võimaldab neil ka hindamisinfot kasutada viisil, mis aitab neil oma loodusteadustealaseid oskusi parandada. Quick Rubric abil saate luua kiire ja lihtsa hindamisraamistiku ning jagada seda õpilastega, et nad teaksid, kuidas igas etapis edu saavutada. Lisaks kujundavale hindamisele, mis edendab õppimist, saab seda kasutada ka õpilaste töö hindamiseks uurimise lõpus ja eesmärkide seadmiseks, kui nad järgmisena oma uurimistöö planeerivad. Hindamiskriteeriumid on koostatud nii, et õpilased saaksid neile hõlpsalt ligi pääseda. Nii saab neid õpilastega planeerimisprotsessi käigus jagada, et õpilased teaksid, milline näeb välja hea eksperimentaalne ülesehitus.
Kui soovite lisada täiendavaid projekte või jätkata töölehtede kohandamist, vaadake allpool mitmeid mallilehti, mille oleme teile koostanud. Iga töölehte saab kopeerida ja kohandada vastavalt teie projektidele või õpilastele! Õpilasi saab julgustada ka ise töölehte looma, kui nad soovivad proovida teavet hõlpsasti mõistetaval viisil korraldada.
Levinud eksperimentaalse disaini tööriistad ja tehnikad, mida õpilased saavad kasutada, hõlmavad juhuslikku määramist, kontrollrühmi, pimestamist, replikatsiooni ja statistilist analüüsi. Õpilased saavad kasutada ka vaatlusuuringuid, uuringuid ja katseid looduslike või kvaasieksperimentaalsete kujundustega. Samuti saavad nad oma tulemuste analüüsimiseks ja esitamiseks kasutada andmete visualiseerimise tööriistu.
Eksperimentaalne disain aitab õpilastel arendada kriitilise mõtlemise oskusi, julgustades neid teaduslike probleemide üle süstemaatiliselt ja loogiliselt mõtlema. See nõuab õpilastelt andmete analüüsimist, mustrite tuvastamist ja tõendite põhjal järelduste tegemist. Samuti aitab see õpilastel arendada probleemide lahendamise oskusi, pakkudes võimalusi hüpoteeside kontrollimiseks katsete kavandamiseks ja läbiviimiseks.
Eksperimentaalset disaini saab kasutada reaalsete probleemide lahendamiseks, tuvastades muutujad, mis aitavad kaasa konkreetsele probleemile, ja testides sekkumisi, et näha, kas need on probleemi lahendamisel tõhusad. Näiteks saab eksperimentaalset disaini kasutada uute ravimeetodite tõhususe testimiseks või sotsiaalsete sekkumiste mõju hindamiseks vaesuse vähendamisele või haridustulemuste parandamisele.
Levinud eksperimentaalse kavandamise lõksud, mida õpilased peaksid vältima, hõlmavad muutujate kontrollimata jätmist, kallutatud valimite kasutamist, anekdootlikele tõenditele tuginemist ja sõltuvate muutujate täpset mõõtmist. Õpilased peaksid katsete läbiviimisel olema teadlikud ka eetilistest kaalutlustest, nagu näiteks teadliku nõusoleku saamine ja uuritavate privaatsuse kaitsmine.