Eksperimentaalne disain on põhimeetod, mida kasutatakse sellistes ainetes nagu bioloogia, keemia, füüsika, psühholoogia ja sotsiaalteadused. See aitab meil mõista, kuidas erinevad tegurid mõjutavad seda, mida me uurime, olgu selleks taimed, kemikaalid, füüsikalised seadused, inimeste käitumine või ühiskonna toimimine. Põhimõtteliselt on see viis katsete seadistamiseks, et saaksime ideid katsetada, näha, mis juhtub ja oma tulemusi mõtestada. See on ülioluline üliõpilastele ja teadlastele, kes soovivad vastata suurtele teadusküsimustele ja mõistavad maailma paremini. Eksperimentaalse disaini oskusi saab rakendada olukordades, mis ulatuvad probleemide lahendamisest andmete analüüsini; need on laiaulatuslikud ja neid saab sageli rakendada väljaspool klassiruumi. Nende oskuste õpetamine on loodusteadusliku hariduse väga oluline osa, kuid sisu õpetamisele keskendudes jääb see sageli tähelepanuta. Loodusteaduste koolitajatena oleme kõik näinud praktilise töö kasulikkust õpilaste kaasamisele ja mõistmisele. Kuid õppekavale seatud ajapiirangute tõttu võib õpilaste uurimisoskuste arendamiseks kuluv aeg väheneda. Liiga sageli saavad nad järgida “retsepti”, mis ei lase neil oma praktilise töö eest vastutust võtta. Juba väga noorelt hakkavad nad mõtlema ümbritsevale maailmale. Nad esitavad küsimusi ja kasutavad neile vastamiseks tähelepanekuid ja tõendeid. Õpilastel on tavaliselt intelligentsed, huvitavad ja testitavad küsimused, mida neile meeldib küsida. Koolitajatena peaksime töötama selle nimel, et neid küsimusi julgustada ja omakorda kasvatada seda loomulikku uudishimu neid ümbritsevas maailmas.
Eksperimentide kavandamise õpetamine ja õpilastel oma küsimuste ja hüpoteeside väljatöötamine võtab aega. Need materjalid on loodud protsessi ülesehitamiseks ja struktureerimiseks, et õpetajad saaksid keskenduda eksperimentaalse disaini võtmeideede täiustamisele. Võimaldades õpilastel esitada oma küsimusi, kirjutada oma hüpoteese ning kavandada ja läbi viia oma uurimisi, on nende jaoks väärtuslik kogemus. See toob kaasa õpilaste suurema vastutuse oma töö eest. Kui õpilased kasutavad oma küsimuste jaoks eksperimentaalset meetodit, mõtisklevad nad selle üle, kuidas teadlased on ajalooliselt universumi toimimist mõistnud.
Vaadake allolevaid printerisõbralikke lehti ja töölehtede malle!
Teadusliku avastuse teekonna alustamine algab eksperimentaalse disaini etappide omandamisega. See põhiprotsess on oluline selliste katsete koostamiseks, mis annavad usaldusväärseid ja sisukaid tulemusi, suunates nii teadlasi kui ka üliõpilasi oma uuringute üksikasjalikul planeerimisel ja läbiviimisel. Kasutades eksperimentaalset disainimalli, saavad osalejad tagada oma tulemuste terviklikkuse ja kehtivuse. Olgu selleks teadusliku eksperimendi kavandamine või eksperimentaalse kavandamise tegevus, eesmärk on edendada põhialuste sügavat mõistmist: kuidas tuleks eksperimente kavandada? Millised on eksperimentaalse disaini 7 sammu? Kuidas saate ise oma katset kujundada?
See on seitsme peamise eksperimentaalse meetodi etapi, eksperimentaalse disaini ideede ja katsete kavandamise integreerimise viiside uurimine. Õpilasprojektid võivad täiendavatest töölehtedest palju kasu saada ning pakume ka ressursse, näiteks töölehti, mille eesmärk on eksperimentaalse disaini tõhusaks õpetamiseks. Sukeldume olulistesse etappidesse, mis on eksperimendi kavandamise protsessi aluseks, varustades õppijaid vahenditega nende teadusliku uudishimu uurimiseks.
See on teadusliku meetodi ja eksperimentaalse kavandamise protsessi oluline osa. Õpilastele meeldib küsimuste esitamine. Küsimuste sõnastamine on sügav ja sisukas tegevus, mis võib anda õpilastele oma töö vastutuse. Suurepärane viis panna õpilased mõtlema, kuidas oma küsimusi visualiseerida, on mõttekaardi süžeeskeemi kasutamine.
Paluge õpilastel mõelda küsimustele, millele nad universumi kohta vastata soovivad, või paluge neil mõelda küsimuste üle, mis neil konkreetse teema kohta on. 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 kujundamine võib õpilastel olla keeruline. Oluline on meeles pidada, et hüpotees ei ole küsimus, see on kontrollitav väide . Üks võimalus hüpoteesi moodustamiseks on moodustada see "kui... siis..." väitena. See ei ole kindlasti ainus või parim viis hüpoteesi moodustamiseks, kuid see võib olla õpilaste jaoks esmakordsel alustamisel väga lihtne valem.
„Kui... siis...” avaldus nõuab, et õpilased tuvastaksid kõigepealt muutujad ja see võib muuta visuaalse korraldaja etappide läbimise järjekorda. Pärast muutujate tuvastamist omandab hüpotees kuju, kui [sõltuva muutuja muutus], siis [sõltuva muutuja muutus].
Näiteks kui katses otsitakse kofeiini mõju reaktsiooniajale, oleks sõltumatuks muutujaks kofeiini kogus ja sõltuvaks muutujaks reaktsiooniaeg. "Kui, siis" hüpotees võiks olla: kui suurendate tarbitava kofeiini kogust, väheneb reaktsiooniaeg.
Mis viis teid selle hüpoteesini? Milline on teie hüpoteesi teaduslik taust? Olenevalt vanusest ja võimetest kasutavad õpilased oma eelteadmisi, et selgitada, miks nad on oma hüpoteesid valinud, või teise võimalusena uurida raamatuid või internetti. See võib olla ka hea aeg õpilastega arutada, milline on usaldusväärne allikas.
Näiteks võivad õpilased viidata varasematele uuringutele, mis näitavad kofeiini erksust, et selgitada, miks nad arvavad, et kofeiini tarbimine vähendab reaktsiooniaega.
Prognoos erineb pisut hüpoteesist. Hüpotees on testitav väide, samas kui ennustus on eksperimendile spetsiifilisem. DNA struktuuri avastamisel pakkus hüpotees välja, et DNA-l on spiraalne struktuur. Prognoos oli, et DNA röntgendifraktsioonimuster on X-kujuline.
Õpilased peaksid sõnastama ennustuse, mis on nende hüpoteesi põhjal konkreetne, mõõdetav tulemus. Selle asemel, et öelda, et "kofeiin vähendab reaktsiooniaega", võivad õpilased ennustada, et "kahe purgi sooda (90 mg kofeiini) joomine vähendab keskmist reaktsiooniaega 50 millisekundi võrra võrreldes kofeiini puudumisega."
Allpool on näide arutelu süžeeskeemist, mida saab kasutada selleks, et teie õpilased räägiksid eksperimentaalse disaini muutujatest.
Kolme tüüpi muutujad, mida peate oma õpilastega arutama, on sõltuvad, sõltumatud ja kontrollitavad muutujad. Selle lihtsaks muutmiseks viidake nendele sõnadele "mida te kavatsete mõõta", "mida kavatsete muuta" ja "mida kavatsete samaks jätta". Edasijõudnumate õpilaste puhul peaksite julgustama neid kasutama õiget sõnavara.
Sõltuvad muutujad on need, mida teadlane mõõdab või jälgib. Neid mõõtmisi korratakse sageli, kuna korduvad mõõtmised muudavad teie andmed usaldusväärsemaks.
Sõltumatu muutuja on muutuja, mida teadlased otsustavad muuta, et näha, milline on selle mõju sõltuvale muutujale. Valitakse ainult üks, kuna oleks raske aru saada, milline muutuja põhjustab teie täheldatud muutusi.
Kontrollitavad muutujad on kogused või tegurid, mida teadlased tahavad kogu katse vältel samaks jääda. Neid juhitakse nii, et need jääksid konstantseks, et mitte mõjutada sõltuvat muutujat. Nende kontrollimine võimaldab teadlastel näha, kuidas sõltumatu muutuja mõjutab sõltuvat muutujat.
Kasutage seda allolevat näidet oma õppetundides või kustutage vastused ja määrake see õpilaste jaoks tegevuseks Storyboard That.
| Kuidas temperatuur mõjutab vees lahustuva suhkru kogust | |
|---|---|
| Sõltumatu muutuja | Vee temperatuur
(Valik 5 erinevat proovi temperatuuril 10°C, 20°C, 30°C, 40°C ja 50°C) |
| Sõltuv muutuja | Suhkru kogus, mida saab vees lahustada, mõõdetuna teelusikatäites. |
| Kontrollitud muutujad |
|
Lõppkokkuvõttes peab selle allkirjastama vastutustundlik täiskasvanu, kuid oluline on panna õpilased mõtlema, kuidas nad end turvaliselt hoiavad. Selles osas peaksid õpilased tuvastama võimalikud riskid ja seejärel selgitama, kuidas nad kavatsevad riske minimeerida. Tegevus, mis aitab õpilastel neid oskusi arendada, on panna neid tuvastama ja juhtima riske erinevates olukordades. Kasutades allolevat süžeeskeemi, paluge õpilastel täita T-diagrammi teine veerg, öeldes: "Mis on risk?" ja seejärel selgitades, kuidas nad saaksid seda riski juhtida. Seda süžeeskeemi saab projitseerida ka klassiaruteluks.
Selles jaotises loetlevad õpilased katseteks vajalikud materjalid, sealhulgas kõik ohutusseadmed, mille nad on riskianalüüsi osas esile tõstnud. See on suurepärane aeg rääkida õpilastega tööks sobivate tööriistade valikust. Kasutate juuste laiuse mõõtmiseks teistsugust tööriista kui jalgpalliväljaku laiuse mõõtmiseks!
Oluline on õpilastega reprodutseeritavusest rääkida. Nad peaksid kirjutama protseduuri, mis võimaldaks teisel teadlasel nende katsemeetodit hõlpsasti reprodutseerida. Lihtsaim ja ülevaatlikum viis õpilastel seda teha on koostada nummerdatud juhiste loend. Kasulik tegevus võiks olla õpilaste selgitamine, kuidas valmistada tassi teed või võileiba. Näidake protsessi ette, tuues välja kõik sammud, mis neil vahele jäid.
Inglise keele õppijatele ja õpilastele, kes võitlevad kirjaliku inglise keelega, saavad õpilased kirjeldada oma katse etappe visuaalselt, kasutades Storyboard That.
Iga katse jaoks ei ole diagrammi vaja, kuid mõned plaanid paranevad selle lisamisega oluliselt. Laske õpilastel keskenduda selgete ja hõlpsasti mõistetavate diagrammide loomisele.
Näiteks päikesevalguse mõju taimede kasvule testimise protseduur võib kirjeldada üksikasjalikult:
Kui nende protseduur on heaks kiidetud, peaksid õpilased oma kavandatud katse hoolikalt läbi viima, järgides nende kirjalikke juhiseid. Andmete kogumisel peaksid õpilased korraldama töötlemata tulemused tabeliteks, graafikuteks, fotodeks või joonisteks. See loob selge dokumentatsiooni suundumuste analüüsimiseks.
Mõned andmete kogumise parimad tavad on järgmised:
Näiteks taimede kasvukatses võivad õpilased salvestada:
| Grupp | Päikesevalgus | Päikesevalgus | Päikesevalgus | Varju | Varju |
|---|---|---|---|---|---|
| Taime ID | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Algkõrgus | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Lõpu kõrgus | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
Samuti kirjeldaksid nad visuaalselt või kirjalikult selliseid vaatlusi nagu lehtede värvimuutus või suunaline painutamine.
On ülioluline, et õpilased harjutaksid ohutuid loodusteaduslikke protseduure. Katsetamiseks on vaja täiskasvanu järelevalvet koos nõuetekohase riskianalüüsiga.
Hästi dokumenteeritud andmete kogumine võimaldab pärast katse lõpetamist teha sügavamat analüüsi, et teha kindlaks, kas hüpoteesid ja prognoosid olid toetatud.
Visuaalsete korraldajate kasutamine on tõhus viis panna oma õpilased klassiruumis teadlastena tööle.
Neid uurimise planeerimise tööriistu saab kasutada mitmel viisil, et üliõpilaste tööd teadlastena töötamise ajal tellida ja struktureerida. Õpilased saavad Storyboard That planeerimisetapi läbida, kasutades tekstikaste ja diagramme, või võite need välja printida ja lasta õpilastel need käsitsi täita. Teine suurepärane viis nende kasutamiseks on projekteerida planeerimisleht interaktiivsele tahvlile ja töötada rühmas läbi, kuidas planeerimismaterjale täita. Projitseerige see ekraanile ja laske õpilastel oma vastused märkmetele kirjutada ja oma ideed planeerimisdokumendi õigesse osasse panna.
Väga noored õppijad võivad veel hakata mõtlema teadlastena! Neil on ümbritseva maailma kohta palju küsimusi ja võite hakata neid mõttekaardile üles märkima. Mõnikord võite isegi mängu kaudu neid küsimusi "uurima" hakata.
Sihtasutuse ressurss on mõeldud algklassiõpilastele või õpilastele, kes vajavad rohkem tuge. See on loodud järgima täpselt sama protsessi nagu suuremate ressursside puhul, kuid see on veidi lihtsam. Peamine erinevus nende kahe ressursi vahel on üksikasjad, millele õpilased peavad mõtlema, ja kasutatav tehniline sõnavara. Näiteks on oluline, et õpilased tuvastaksid uurimise kavandamisel muutujad. Kõrgemas versioonis ei pea õpilased mitte ainult muutujaid tuvastama, vaid tegema ka muid märkusi, näiteks kuidas nad sõltuvat muutujat mõõtma hakkavad. Lisaks kahe ressursside taseme tellingute erinevusele võite soovida veelgi eristada õppijaid selle järgi, kuidas õpetajad ja assistendid ruumis toetavad.
Samuti võiks õpilasi julgustada graafika abil oma katseplaani arusaadavaks muutma ning seda saaks kasutada ka ELL-ide toetamiseks.
Lisaks teadmiste hindamisele tuleb hinnata õpilaste teadusuuringute oskusi. See mitte ainult ei võimalda õpilastel keskenduda oma oskuste arendamisele, vaid võimaldab neil kasutada oma hindamisteavet viisil, mis aitab neil parandada oma loodusteaduslikke oskusi. Quick Rubric kasutades saate luua kiire ja lihtsa hindamisraamistiku ning jagada seda õpilastega, et nad teaksid, kuidas igas etapis edu saavutada. Lisaks õppimist soodustavale kujundavale hindamisele saab seda kasutada ka õpilaste töö hindamiseks uurimise lõpus ja sihtmärkide seadmiseks, millal nad järgmisel katsel oma uurimistööd kavandada. Rubriigid on kirjutatud nii, et õpilastel oleks neile lihtne juurde pääseda. Nii saab neid planeerimisprotsessi ajal õpilastega jagada, et õpilased teaksid, milline hea katsekujundus välja näeb.
Kui soovite lisada täiendavaid projekte või jätkata töölehtede kohandamist, vaadake mitut mallilehte, mille oleme teile allpool koostanud. Iga töölehte saab kopeerida ja kohandada vastavalt teie projektidele või õpilastele! Õpilasi saab julgustada ka ise looma, kui nad soovivad proovida teavet hõlpsasti arusaadaval 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.