Kokeellinen suunnittelu on keskeinen menetelmä, jota käytetään muun muassa biologiassa, kemiassa, fysiikassa, psykologiassa ja yhteiskuntatieteissä. Se auttaa meitä selvittämään, kuinka erilaiset tekijät vaikuttavat siihen, mitä tutkimme, olivatpa kyseessä kasvit, kemikaalit, fysikaaliset lait, ihmisten käyttäytyminen tai miten yhteiskunta toimii. Pohjimmiltaan se on tapa tehdä kokeita, jotta voimme testata ideoita, nähdä mitä tapahtuu ja ymmärtää tuloksiamme. Se on erittäin tärkeä opiskelijoille ja tutkijoille, jotka haluavat vastata suuriin tieteen kysymyksiin ja ymmärtää maailmaa paremmin. Kokeellista suunnittelutaitoa voidaan soveltaa tilanteissa ongelmanratkaisusta data-analyysiin; ne ovat laaja-alaisia, ja niitä voidaan usein soveltaa luokkahuoneen ulkopuolella. Näiden taitojen opettaminen on erittäin tärkeä osa luonnontieteiden koulutusta, mutta se jää usein huomiotta, kun se keskittyy sisällön opettamiseen. Tieteen kouluttajina olemme kaikki nähneet käytännön työn hyödyt opiskelijoiden sitoutumiselle ja ymmärtämiselle. Opetussuunnitelmaan asetettujen aikarajoitusten vuoksi opiskelijoiden tutkintataitojen kehittämiseen tarvittava aika voi kuitenkin lyhentyä. Liian usein he saavat "reseptin" seuratakseen, mikä ei salli heidän ottaa vastuuta käytännön työstään. He alkavat jo pienestä pitäen ajatella ympäröivää maailmaa. He esittävät kysymyksiä ja käyttävät havaintoja ja todisteita vastatakseen niihin. Opiskelijoilla on yleensä älykkäitä, mielenkiintoisia ja testattavia kysymyksiä, joita he rakastavat kysyä. Kouluttajina meidän pitäisi pyrkiä rohkaisemaan näitä kysymyksiä ja vuorostaan vaalimaan tätä luonnollista uteliaisuutta heitä ympäröivässä maailmassa.
Kokeiden suunnittelun opettaminen ja opiskelijoiden omien kysymysten ja hypoteesien kehittäminen vie aikaa. Nämä materiaalit on luotu tukemaan ja jäsentämään prosessia, jotta opettajat voivat keskittyä kokeellisen suunnittelun avainideoiden parantamiseen. Oppilaiden mahdollisuus esittää kysymyksiä, kirjoittaa omia hypoteesejaan sekä suunnitella ja suorittaa omia tutkimuksiaan on heille arvokas kokemus. Tämä johtaa siihen, että opiskelijat saavat enemmän omistajuutta työstään. Kun opiskelijat suorittavat kokeellisen menetelmän omiin kysymyksiinsä, he pohtivat sitä, kuinka tiedemiehet ovat historiallisesti tulleet ymmärtämään maailmankaikkeuden toimintaa.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Tutustu alla oleviin tulostinystävällisiin sivuihin ja työarkkipohjiin!
Tieteellisen löytömatkan aloittaminen alkaa kokeellisen suunnittelun vaiheiden hallitsemisesta. Tämä perustavaa laatua oleva prosessi on olennainen luotettavia ja oivaltavia tuloksia tuottavien kokeiden muotoilussa, joka ohjaa tutkijoita ja opiskelijoita opintojensa yksityiskohtaisessa suunnittelussa ja toteutuksessa. Hyödyntämällä kokeellista suunnittelumallia osallistujat voivat varmistaa havaintojensa eheyden ja pätevyyden. Olipa kyse tieteellisen kokeen suunnittelusta tai kokeellisesta suunnittelutoiminnasta, tavoitteena on edistää perusteiden syvällistä ymmärtämistä: Miten kokeet pitäisi suunnitella? Mitkä ovat kokeellisen suunnittelun 7 vaihetta? Kuinka voit suunnitella oman kokeilusi?
Tämä on tutkimus kokeellisen menetelmän seitsemästä keskeisestä vaiheesta, kokeellisista suunnitteluideoista ja tavoista integroida kokeiden suunnittelu. Opiskelijaprojektit voivat hyötyä suuresti lisälaskentataulukoista, ja tarjoamme myös resursseja, kuten laskentataulukoita, joiden tarkoituksena on opettaa kokeellista suunnittelua tehokkaasti. Sukellaan tärkeimpiin vaiheisiin, jotka tukevat kokeen suunnitteluprosessia ja varustamme oppijoille työkalut tieteellisen uteliaisuutensa tutkimiseen.
Tämä on keskeinen osa tieteellistä menetelmää ja kokeellista suunnitteluprosessia. Oppilaat esittävät mielellään kysymyksiä. Kysymysten muotoilu on syvällistä ja mielekästä toimintaa, joka voi antaa opiskelijoille oman työnsä. Mielikartan kuvakäsikirjoituksen käyttö on loistava tapa saada opiskelijat ajattelemaan, kuinka visualisoida kysymyksiään.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Pyydä oppilaita miettimään kysymyksiä, joihin he haluavat vastata maailmankaikkeudesta, tai saada heidät ajattelemaan kysymyksiä, joita heillä on tietystä aiheesta. Kaikki kysymykset ovat hyviä kysymyksiä, mutta joitain on helpompi testata kuin toisia.
Hypoteesi tunnetaan valistuneena arvauksena. Hypoteesin tulee olla väite, joka voidaan testata tieteellisesti. Kokeen lopussa katso taaksepäin nähdäksesi, tukeeko johtopäätös hypoteesia vai ei.
Hyvien hypoteesien muodostaminen voi olla haastavaa oppilaille. On tärkeää muistaa, että hypoteesi ei ole kysymys, se on testattava väite . Yksi tapa muodostaa hypoteesi on muodostaa se "jos... sitten..."-lauseeksi. Tämä ei todellakaan ole ainoa tai paras tapa muodostaa hypoteesi, mutta se voi olla erittäin helppo kaava opiskelijoiden käyttöön aloittaessaan.
"Jos... sitten..." -lause edellyttää, että opiskelijat tunnistavat ensin muuttujat, mikä voi muuttaa järjestystä, jossa he suorittavat visuaalisen organisaattorin vaiheet. Kun muuttujat on tunnistettu, hypoteesi saa muotoa jos [riippumattoman muuttujan muutos], sitten [riippuvaisen muuttujan muutos].
Esimerkiksi jos kokeessa etsitään kofeiinin vaikutusta reaktioaikaan, riippumaton muuttuja olisi kofeiinin määrä ja riippuvainen muuttuja reaktioaika. "Jos, niin" hypoteesi voisi olla: Jos lisäät otetun kofeiinin määrää, reaktioaika lyhenee.
Mikä sai sinut tähän hypoteesiin? Mikä on hypoteesisi taustalla oleva tieteellinen tausta? Iästä ja kyvyistä riippuen opiskelijat käyttävät aiempia tietojaan selittääkseen, miksi he ovat valinneet hypoteesinsa, tai vaihtoehtoisesti tutkivat kirjoja tai Internetiä. Tämä voisi olla myös hyvä aika keskustella opiskelijoiden kanssa siitä, mikä on luotettava lähde.
Opiskelijat voivat esimerkiksi viitata aikaisempiin tutkimuksiin, jotka osoittavat kofeiinin vireysvaikutuksia selittääkseen, miksi he olettavat kofeiinin saannin lyhentävän reaktioaikaa.
Ennuste on hieman erilainen kuin hypoteesi. Hypoteesi on testattava väite, kun taas ennuste on kokeelle spesifisempi. DNA:n rakenteen löytämisessä hypoteesi ehdotti, että DNA:lla on kierteinen rakenne. Ennusteen mukaan DNA:n röntgendiffraktiokuvio olisi X-muotoinen.
Opiskelijoiden tulee muotoilla ennuste, joka on tietty, mitattavissa oleva tulos hypoteesinsa perusteella. Sen sijaan, että sanoisivat "kofeiini lyhentää reaktioaikaa", opiskelijat voisivat ennustaa, että "kahden limsapurkin (90 mg kofeiinia) juominen lyhentää keskimääräistä reaktioaikaa 50 millisekunnilla verrattuna siihen, että juomatta kofeiinia."
Alla on esimerkki keskustelun kuvakäsikirjoituksesta, jonka avulla oppilaat puhuvat kokeellisen suunnittelun muuttujista.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Kolme muuttujatyyppiä, joista sinun tulee keskustella oppilaidesi kanssa, ovat riippuvaisia, riippumattomia ja ohjattuja muuttujia. Jotta tämä pysyisi yksinkertaisena, viittaa näihin "mitä aiot mitata", "mitä aiot muuttaa" ja "mitä aiot pitää samana". Edistyneempiä oppilaita kannattaa kannustaa käyttämään oikeaa sanastoa.
Riippuvat muuttujat ovat sitä, mitä tiedemies mittaa tai tarkkailee. Nämä mittaukset toistetaan usein, koska toistuvat mittaukset tekevät tiedoistasi luotettavampia.
Riippumaton muuttuja on muuttuja, jota tutkijat päättävät muuttaa nähdäkseen, mikä vaikutus sillä on riippuvaan muuttujaan. Vain yksi valitaan, koska olisi vaikeaa selvittää, mikä muuttuja aiheuttaa havaitsemasi muutoksen.
Hallitut muuttujat ovat määriä tai tekijöitä, jotka tutkijat haluavat pysyä samana koko kokeen ajan. Niitä säädetään pysymään vakioina, jotta ne eivät vaikuta riippuvaan muuttujaan. Näiden hallinta antaa tutkijoille mahdollisuuden nähdä, kuinka riippumaton muuttuja vaikuttaa riippuvaiseen muuttujaan.
Käytä tätä alla olevaa esimerkkiä oppitunneillasi tai poista vastaukset ja aseta se oppilaiden tehtäväksi Storyboard That -sovelluksessa.
| Kuinka lämpötila vaikuttaa veteen liukenevan sokerin määrään | |
|---|---|
| Itsenäinen muuttuja | Veden lämpötila
(5 erilaista näytettä 10°C, 20°C, 30°C, 40°C ja 50°C) |
| Riippuva muuttuja | Veteen liukenevan sokerin määrä teelusikallisina mitattuna. |
| Ohjatut muuttujat |
|
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Viime kädessä vastuullisen aikuisen on allekirjoitettava tämä, mutta on tärkeää saada opiskelijat miettimään, kuinka he voivat pitää itsensä turvassa. Tässä osassa opiskelijoiden tulee tunnistaa mahdolliset riskit ja sitten selittää, kuinka he aikovat minimoida riskin. Toiminta, joka auttaa opiskelijoita kehittämään näitä taitoja, on saada heidät tunnistamaan ja hallitsemaan riskejä eri tilanteissa. Pyydä oppilaita täyttämään T-kaavion toinen sarake alla olevan kuvakäsikirjoituksen avulla sanomalla "Mikä on riski?" ja selittämällä sitten, kuinka he voisivat hallita tätä riskiä. Tämä kuvakäsikirjoitus voidaan myös projisoida luokan keskustelua varten.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Tässä osiossa opiskelijat listaavat kokeisiin tarvitsemansa materiaalit, mukaan lukien mahdolliset turvavarusteet, jotka he ovat korostaneet tarpeellisiksi riskinarviointiosiossa. Nyt on hyvä hetki keskustella opiskelijoiden kanssa työhön sopivien työkalujen valinnasta. Aiot käyttää eri työkalua hiusten leveyden mittaamiseen kuin jalkapallokentän leveyden mittaamiseen!
Toistettavuudesta on tärkeää puhua opiskelijoiden kanssa. Heidän tulisi kirjoittaa menettely, jonka avulla toinen tiedemies voisi helposti toistaa heidän kokeellisen menetelmänsä. Helpoin ja tiiviin tapa opiskelijoille tehdä tämä on tehdä numeroitu ohjeluettelo. Hyödyllinen toiminta tässä voisi olla saada oppilaat selittämään, kuinka teetä tai voileipä tehdään. Esittele prosessi ja osoita kaikki vaiheet, jotka he ovat menettäneet.
Englannin kielen oppijoille ja opiskelijoille, jotka kamppailevat kirjoitetun englannin kanssa, opiskelijat voivat kuvata kokeilunsa vaiheet visuaalisesti Storyboard That -sovelluksella.
Jokainen kokeilu ei tarvitse kaaviota, mutta joitain suunnitelmia parannetaan huomattavasti lisäämällä se. Pyydä oppilaita keskittymään selkeiden ja helposti ymmärrettävien kaavioiden tuottamiseen.
Esimerkiksi menetelmä, jolla testataan auringonvalon vaikutusta kasvien kasvuun, voisi olla yksityiskohtainen:
Kun heidän menettelynsä on hyväksytty, opiskelijoiden tulee suorittaa suunniteltu kokeilu huolellisesti noudattaen heidän kirjallisia ohjeitaan. Kun tietoja kerätään, opiskelijoiden tulee järjestää raakatulokset taulukoiksi, kaavioiksi, valokuviin tai piirroksiin. Tämä luo selkeän dokumentaation trendien analysointia varten.
Tiedonkeruun parhaita käytäntöjä ovat mm.
Esimerkiksi kasvien kasvukokeessa opiskelijat voivat tallentaa:
| Ryhmä | Auringonvalo | Auringonvalo | Auringonvalo | Varjostin | Varjostin |
|---|---|---|---|---|---|
| Kasvin tunnus | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Aloituskorkeus | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Päätykorkeus | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
He kuvasivat myös havaintoja, kuten lehtien värin muutosta tai suuntaa taipumista visuaalisesti tai kirjallisesti.
On tärkeää, että opiskelijat harjoittavat turvallisia luonnontieteitä. Kokeilua varten tarvitaan aikuisen valvontaa sekä asianmukaista riskinarviointia.
Hyvin dokumentoitu tiedonkeruu mahdollistaa syvemmän analyysin kokeen päätyttyä sen määrittämiseksi, onko hypoteeseja ja ennusteita tuettu.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Visuaalisten järjestäjien käyttäminen on tehokas tapa saada opiskelijat työskentelemään tiedemiehinä luokkahuoneessa.
On monia tapoja käyttää näitä tutkimuksen suunnittelutyökaluja opiskelijoiden työn rakentamiseen ja jäsentämiseen heidän työskennellessään tutkijoina. Oppilaat voivat suorittaa suunnitteluvaiheen Storyboard That -sovelluksessa käyttämällä tekstiruutuja ja kaavioita, tai voit tulostaa ne ja pyytää oppilaita täydentämään ne käsin. Toinen hieno tapa käyttää niitä on heijastaa suunnittelulomake interaktiiviselle taululle ja työstää suunnittelumateriaalien viimeistelyä ryhmässä. Projisoi se näytölle ja pyydä oppilaita kirjoittamaan vastauksensa tarralapuille ja laittamaan ideansa suunnitteluasiakirjan oikeaan osaan.
Hyvin nuoret oppijat voivat vielä alkaa ajatella tiedemiehinä! Heillä on paljon kysymyksiä ympäröivästä maailmasta, ja voit alkaa tehdä niistä muistiinpanoja ajatuskarttaan. Joskus voit jopa alkaa "tutkimaan" näitä kysymyksiä leikin kautta.
Säätiöresurssi on tarkoitettu ala-asteelle tai enemmän tukea tarvitseville opiskelijoille. Se on suunniteltu noudattamaan täsmälleen samaa prosessia kuin korkeammat resurssit, mutta tehty hieman helpommaksi. Tärkein ero näiden kahden resurssin välillä ovat yksityiskohdat, joita opiskelijoiden on mietittävä, ja käytetty tekninen sanasto. On esimerkiksi tärkeää, että opiskelijat tunnistavat muuttujia, kun he suunnittelevat tutkimuksiaan. Korkeammassa versiossa opiskelijoiden ei tarvitse vain tunnistaa muuttujia, vaan myös tehdä muita kommentteja, kuten kuinka he aikovat mitata riippuvaisen muuttujan. Kahden resurssitason välisen telineeron lisäksi saatat haluta erottaa toisistaan edelleen sen, kuinka opettajat ja avustajat tukevat oppijoita huoneessa.
Opiskelijoita voitaisiin myös rohkaista tekemään kokeellisen suunnitelmansa ymmärrettävämmäksi käyttämällä grafiikkaa, ja tätä voitaisiin käyttää myös ELL:n tukemiseen.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Opiskelijoiden tieteentutkinnan taitoja tulee arvioida tietojen arvioinnin ohella. Sen lisäksi, että opiskelijat voivat keskittyä taitojensa kehittämiseen, he voivat myös käyttää arviointitietojaan tavalla, joka auttaa heitä parantamaan luonnontieteellisiä taitojaan. Quick Rubric avulla voit luoda nopean ja helpon arviointikehyksen ja jakaa sen opiskelijoiden kanssa, jotta he tietävät, kuinka menestyä jokaisessa vaiheessa. Sen lisäksi, että se tarjoaa kehittävää arviointia, joka edistää oppimista, sitä voidaan käyttää myös opiskelijoiden työn arvioimiseen tutkimuksen lopussa ja tavoitteiden asettamiseen, kun he seuraavan kerran yrittävät suunnitella omaa tutkimustaan. Rubriikit on kirjoitettu siten, että opiskelijat pääsevät niihin helposti käsiksi. Näin ne voidaan jakaa opiskelijoiden kanssa heidän työskennellessään suunnitteluprosessissa, jotta opiskelijat tietävät, miltä hyvä kokeellinen suunnittelu näyttää.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Jos haluat lisätä uusia projekteja tai jatkaa laskentataulukoiden mukauttamista, tutustu useisiin mallisivuihin, jotka olemme koonneet alla. Jokainen työarkki voidaan kopioida ja räätälöidä projekteillesi tai opiskelijoillesi! Opiskelijoita voidaan myös kannustaa luomaan omia, jos he haluavat yrittää järjestää tietoa helposti ymmärrettävällä tavalla.
Yleisiä kokeellisia suunnittelutyökaluja ja tekniikoita, joita opiskelijat voivat käyttää, ovat satunnaistehtävä, kontrolliryhmät, sokkouttaminen, replikointi ja tilastollinen analyysi. Opiskelijat voivat myös käyttää havainnointitutkimuksia, tutkimuksia ja kokeita luonnollisilla tai näennäiskokeellisilla suunnitelmilla. He voivat myös käyttää datan visualisointityökaluja tulosten analysointiin ja esittämiseen.
Kokeellinen suunnittelu auttaa opiskelijoita kehittämään kriittisen ajattelun taitoja rohkaisemalla heitä ajattelemaan systemaattisesti ja loogisesti tieteellisiä ongelmia. Se vaatii oppilaita analysoimaan tietoja, tunnistamaan malleja ja tekemään johtopäätöksiä todisteiden perusteella. Se auttaa myös opiskelijoita kehittämään ongelmanratkaisutaitoja tarjoamalla mahdollisuuksia suunnitella ja suorittaa kokeita hypoteesien testaamiseksi.
Kokeellista suunnittelua voidaan käyttää todellisten ongelmien ratkaisemiseen tunnistamalla muuttujia, jotka vaikuttavat tiettyyn ongelmaan, ja testaamalla interventioita nähdäkseen, ovatko ne tehokkaita ongelman ratkaisemisessa. Kokeellisella suunnittelulla voidaan esimerkiksi testata uusien lääkehoitojen tehokkuutta tai arvioida sosiaalisten toimenpiteiden vaikutusta köyhyyden vähentämiseen tai koulutustulosten parantamiseen.
Yleisiä kokeellisen suunnittelun sudenkuoppia, joita opiskelijoiden tulisi välttää, ovat muuttujien hallinnan epäonnistuminen, puolueellisten näytteiden käyttäminen, anekdoottisiin todisteisiin luottaminen ja riippuvien muuttujien tarkka mittaaminen. Opiskelijoiden tulee myös huomioida kokeita tehdessään eettiset näkökohdat, kuten tietoisen suostumuksen saaminen ja tutkittavien yksityisyyden suojaaminen.